水泵強制排水系統(tǒng)合流制溢流的污染源解析

李 田，戴梅紅，張 偉，錢立鵬

（同濟大學 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海200092）

隨著我國城鎮(zhèn)污水收集和處理率不斷提高，合流制排水系統(tǒng)雨天溢流（CSO）日益成為雨季城市受納水體水質(zhì)惡化的主要原因［1－5］.多年的研究結(jié)果表明，合流制排水系統(tǒng)雨天溢流污染主要有3個來源：生活污水、地表徑流和管道沉積物［6－9］.旱流污水顆粒物在低流速狀態(tài)中的沉淀以及地表徑流顆粒物在低強度降雨事件下的沉積是管道沉積物產(chǎn)生的主要來源［10］，管道沉積物對溢流中常規(guī)污染物負荷的貢獻作用明顯［6］.為了有效地控制污染、改善城市水環(huán)境質(zhì)量，對CSO 污染源進行解析具有重要意義.國內(nèi)外研究人員很早就開始對合流制排水系統(tǒng)雨天總出流（wet weather flow，WWF）污染物質(zhì)的產(chǎn)生及傳輸過程進行了研究，并提出采用系統(tǒng)輸入輸出質(zhì)量平衡法（Entry－exit Mass Balance）對3 個主要來源的貢獻率進行定量分析［11－15］，上述工作偏重排水管道中污染物的傳輸、轉(zhuǎn)化機理研究，而對合流制系統(tǒng)雨天溢流污染來源的定量化研究鮮有報道.

上海市中心城區(qū)的排水系統(tǒng)多為水泵強制排水系統(tǒng)，泵排系統(tǒng)污染物質(zhì)的沖刷、輸送以及排放情況主要取決于截流泵和雨水泵的運行狀況.此外，這類排水系統(tǒng)非降雨日的運行水位通常明顯高于雨水泵停泵水位，造成溢流水量中可能存在較多的非降雨過程產(chǎn)生的生活污水.定量研究CSO 中污染負荷的來源，與國外研究報道的系統(tǒng)雨天總出流的污染負荷源解析結(jié)果相比具有更明確的實用意義，因為被截流的雨天水量并不直接造成受納水體的污染.本文以上海市某合流制水泵強制排水系統(tǒng)為考察對象，以對城市水環(huán)境造成直接污染的雨天溢流污染負荷來源為研究目標，在調(diào)查研究系統(tǒng)內(nèi)地表徑流、生活污水、雨天截流、溢流的水質(zhì)與水量特性的基礎(chǔ)上，采用系統(tǒng)輸入輸出質(zhì)量平衡法分別探討了合流制的WWF，CSO 污染負荷的來源，并對比分析了3個污染源在不同特性降雨事件中對WWF，CSO 的貢獻比例.

1 材料與方法

1.1 研究系統(tǒng)與分析方法

選擇上海市某截流式合流制排水系統(tǒng)A 為研究對象，該系統(tǒng)為水泵強制排水系統(tǒng)，服務(wù)面積約為1.18km2，其中市政道路、屋面和綠地的分數(shù)分別為45.6%，43.8%和10.6%.用地類型為老式住宅與商業(yè)混合用地，建筑和人口密度均較高，區(qū)域內(nèi)衛(wèi)生環(huán)境條件較差，管道污染物沉積狀況比較嚴重.該系統(tǒng)與相鄰排水系統(tǒng)沒有水力聯(lián)系，屬于封閉系統(tǒng).為滿足現(xiàn)行的《室外排水設(shè)計規(guī)范》的要求，系統(tǒng)內(nèi)新建小區(qū)中的排水管道多數(shù)分為污水、雨水2個系統(tǒng).

為提高地表徑流水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的代表性，按車流密度和服務(wù)類型的不同，在匯水區(qū)域內(nèi)選取3 處道路雨水口人工采集道路徑流樣品，在降雨徑流的初期每5min采集一個樣品，后期采樣時間間隔為10～15min，具體根據(jù)降雨強度大小而定，水樣用1 L水樣瓶存儲.由于A 系統(tǒng)內(nèi)的綠地多數(shù)在居住小區(qū)中，公共綠地極少（僅占總面積1.34%），以區(qū)域內(nèi)一新建分流制小區(qū)雨水管道出流代表屋面、庭院、綠地的徑流水質(zhì)，采樣點布置在小區(qū)雨水干管出口處，水樣采集方法與路面徑流相似，采樣過程中用速度－面積流量計（NIVUS PCM4）同步測定管道中的徑流流量.

生活污水樣品通過在排水泵站前池安裝自動采樣儀（ISCO 6712）自動采集，設(shè)定“2h等間隔采樣”.雨天截流、溢流水樣通過同一臺采樣儀，按照以下程序采集：自截流／雨水泵啟動開始，最初的60min內(nèi)每隔10min采集一個樣品，之后的120min每隔20 min采集一個樣品，再之后每隔30min采集一個樣品，直至截流／排澇泵關(guān)閉，每個樣品體積為900ml.研究區(qū)域內(nèi)的降雨量、泵站運行水位、雨水泵、污水泵運行狀況等參數(shù)由泵站配置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）獲得.

水質(zhì)分析項目：COD，SS，TN，TP，NH4＋－N 質(zhì)量濃度，分析方法參照文獻［16］，所有的水質(zhì)指標參數(shù)均通過過程樣的監(jiān)測獲得次降雨事件的污染物事件平均質(zhì)量濃度（EMC）.

1.2 研究方法

1.2.1 輸入輸出質(zhì)量平衡法

輸入輸出質(zhì)量平衡法基于管道系統(tǒng)進－出質(zhì)量守恒原理，認為合流制排水系統(tǒng)雨天出流總水量（WWF，包括截流與溢流）攜帶的污染物負荷是生活污水、地表徑流以及管道沉積物負荷的加和，其數(shù)學表達式如下：

式中：mMT為排水系統(tǒng)輸出的污染物質(zhì)量，kg；mMR為地表徑流攜帶的污染物質(zhì)量，kg；mMD為生活污水的污染物質(zhì)量，kg；mMS為管道內(nèi)沖刷出的沉積物質(zhì)量，kg.

水泵強制排水系統(tǒng)雨天有截流、溢流2 種運行模式，相比于重力自流系統(tǒng)，泵排系統(tǒng)旱天較高的運行水位導致在降雨發(fā)生時系統(tǒng)中儲存有較多的非降雨過程產(chǎn)生的生活污水.因此，對于整場降雨而言，生活污水攜帶的污染物負荷是新增生活污水與降雨剛發(fā)生時系統(tǒng)中已儲存生活污水的污染物負荷總和，雨天排放污染物負荷是被截流的和溢流過程排放的污染物負荷總和.

1.2.2 系統(tǒng)水量平衡法

A 系統(tǒng)是封閉的合流制系統(tǒng)，雨天系統(tǒng)內(nèi)水量平衡公式如下：

式中：V1為截流泵截流的雨、污水量，m3；V2為溢流泵排放的雨、污水量，m3；VR為地表徑流量，m3；VD為生活污水（包括降雨發(fā)生前系統(tǒng)存儲生活污水量），m3.

截流泵／溢流泵排放的污染物負荷可通過監(jiān)測次降雨事件中截流／溢流水質(zhì)變化過程結(jié)合對應(yīng)時段的流量乘積后分段累加得出.其中，截流泵的流量由泵站配置的電磁流量計（KROHNE SC100AS，MAG－XE ABB）實時監(jiān)測獲得；泵站SCADA 系統(tǒng)記錄了溢流泵啟閉時刻與運行水位，結(jié)合A 系統(tǒng)的綜合徑流系數(shù)（ψ＝0.71）與雨天系統(tǒng)水量平衡公式（式2），經(jīng)校核確定了溢流泵的實際流量.2012 年4～10月期間先后5次監(jiān)測了非降雨日生活污水水質(zhì)、水量過程，綜合分析得出A 系統(tǒng)在一日中不同時段的生活污水排放負荷，作為總出流、溢流時段新增生活污水污染物負荷的估算依據(jù).

2 結(jié)果與分析

2.1 泵站運行情況及管道儲存水量

A 系統(tǒng)前池池頂標高4.5 m，池底標高－3.4 m.泵站運行規(guī)則見表1.由表1可知，A 系統(tǒng)雨天截流泵的正常啟動水位為1.0 m，導致降雨發(fā)生時系統(tǒng)中可能儲存了大量非降雨過程產(chǎn)生的生活污水；雨天截流泵啟動水位與雨水泵啟動水位之間的高差高達1.7m，降雨日管道中可儲存大量徑流；而由于泵站尚未實現(xiàn)實時控制，雨水泵停車水位很低，一旦發(fā)生溢流，系統(tǒng)所存儲的大量雨、污水將排入河道.截流泵、雨水泵啟動水位相對重力流系統(tǒng)實際運行水位高，造成管道中儲存大量雨污水的現(xiàn)象是長三角地區(qū)水泵強制排水系統(tǒng)中的基本情況.王溯等［17］借助排水管網(wǎng)水力模型軟件（Infoworks CS）建立了A 系統(tǒng)總儲存水量與運行水位的關(guān)系（圖1），據(jù)此可準確計算不同水位情況下管道內(nèi)的儲存水量.

表1 A 系統(tǒng)泵站的運行規(guī)則Tab.1 Operational regulation of pumpstation A

圖1 A 系統(tǒng)儲水量與運行水位關(guān)系Fig.1 Curve of storage volume to water level of pump station suction basin

2.2 A 系統(tǒng)降雨徑流、雨天出流水質(zhì)特征

2.2.1 降雨事件監(jiān)測

2012年6～9月期間對8場有效降雨徑流過程、6場降雨的泵站截流、溢流過程進行了連續(xù)監(jiān)測，相關(guān)降雨事件特征如表2所示.按照12h內(nèi)降雨總量衡量，考察的降雨事件涵蓋了小雨、中雨、大雨和暴雨，其中8月8日為累計降雨量大于100mm 的大暴雨.

表2 監(jiān)測的降雨事件特征Tab.2 Characteristics of monitored rainfall events

2.2.2 降雨事件的污染物排放過程

以2012年8月20日降雨事件為例分析地表徑流、泵站截流和溢流中污染物質(zhì)量濃度變化特征（圖2～4）.道路徑流污染物排放存在明顯的初期沖刷效應(yīng)（圖2a），小區(qū)徑流污染物質(zhì)量濃度隨著徑流流量的增減而相應(yīng)變化（圖2b），這與文獻［3，6，15］研究的道路徑流、重力自流系統(tǒng)污染物出流情況一致.圖4給出了泵站截流、溢流過程中SS和NH4＋－N 質(zhì) 量濃度的變化過程，圖中雨、污水泵流量過程分別根據(jù)雨水泵啟閉時刻、污水泵電磁流量計實測數(shù)據(jù)繪制.從圖4可以看出，水泵強制排水系統(tǒng)出流流量及污染物的輸出過程由截流泵、雨水泵的運行情況控制，與降雨特性的關(guān)系不像重力流系統(tǒng)那樣直接.雨水泵開啟后，管道中流速陡增，對管道沉積物產(chǎn)生明顯的沖刷作用.與截流過程的雨污水水質(zhì)相比，溢流過程中SS質(zhì)量濃度顯著增加且長時間處于較高水平，NH4＋－N 質(zhì)量濃度急速下降而后趨于穩(wěn)定，由此可推斷生活污水、地表徑流、管道沉積物3個來源在截流、溢流2個不同運行模式下對排放的污染負荷的貢獻率有所不同.

由于雨水口連接管的流量太小，現(xiàn)場實測流量困難，所以通過InfoWorks CS軟件中的坡面流模型計算監(jiān)測降雨事件中道路徑流流量的變化過程以結(jié)合實測水質(zhì)過程獲得道路徑流的EMC.系統(tǒng)內(nèi)地表徑流污染物EMC值是結(jié)合市政道路、小區(qū)的徑流水質(zhì)及相應(yīng)用地面積的分數(shù)加權(quán)平均得出.多次降雨事件的實測污染物EMC的平均值與生活污水的平均質(zhì)量濃度見表3.表3表明，在溢流尚未發(fā)生之前，截流的雨污水SS質(zhì)量濃度較低，低于道路徑流.

圖2 污染物質(zhì)量濃度與降雨強度的變化Fig.2 Pollutograph of runoff versus rainfall intensity

2.3 雨天總出流、溢流污染來源分析

2.3.1 雨天總出流

在準確測算A 系統(tǒng)管道儲存水攜帶的污染物負荷的基礎(chǔ)上，以整場降雨為考察對象，采用系統(tǒng)輸入輸出質(zhì)量平衡法對A 系統(tǒng)雨天總出流污染物負荷進行源解析，其中地表徑流污染物負荷是徑流污染物事件平均濃度均值與次降雨徑流量的乘積；管道系統(tǒng)中儲存生活污水量攜帶的污染物負荷是降雨開始到雨水泵關(guān)閉時刻系統(tǒng)內(nèi)污染物負荷的差值，具體數(shù)值可通過降雨始、末時刻管道儲存水量與水質(zhì)實測數(shù)據(jù)獲得，其中儲存水量由圖1確定，管道儲存水質(zhì)采用降雨開始、雨水泵關(guān)閉時刻實測的出水口水質(zhì)（圖4）.截流、溢流、不同時段新增生活污水排放負荷的確定方法如1.2節(jié)所述，管道沉積物遭侵蝕帶來的污染物負荷由式（1）計算得到.圖5的直方圖直觀地呈現(xiàn)了各次降雨事件總出流負荷中3個污染源的貢獻比例：不同降雨出流事件的地表徑流、生活污水、管道沉積物對SS質(zhì)量分數(shù)的平均貢獻率分別為49.9%，5.6%，44.5%；對NH4＋－N 質(zhì)量分數(shù)的平均貢獻率分別為21.6%，52.0%，26.4%.由圖5還可以看出，同一污染源在不同降雨事件中對出流中特定污染物的貢獻有很大不同，同一污染源在特定的降雨事件中對SS，NH4＋－N 質(zhì)量分數(shù)的貢獻也有明顯的差異.

表3 各監(jiān)測指標污染物平均質(zhì)量濃度Tab.3 EMC of monitored pollutants（mg·L－1）

2.3.2 雨天溢流

圖5 總出流的污染物來源Fig.5 Source apportionment of pollutants for WWF

為了確定溢流污染負荷來源組成，利用系統(tǒng)輸入輸出質(zhì)量平衡法解析A 系統(tǒng)雨天溢流的SS，NH4＋－N 負荷來源.溢流雨污水污染負荷的源解析結(jié)果如圖6所示.表4詳細地統(tǒng)計了6次降雨事件中地表徑流水量（Vrunoff）、生活污水量（Vdry）、管道儲存污水量（Vsto）和泵站截流（Vint）、溢流水量（Vover）.其中，溢流期間地表徑流、生活污水負荷是總出流中的相關(guān)負荷與雨水泵開啟前截流時段地表徑流、生活污水負荷的差值，各降雨事件截流時段地表徑流負荷由被截流的地表徑流水量與徑流污染物事件平均質(zhì)量濃度均值確定，截流時段生活污水負荷由截流的生活污水量與相應(yīng)時段生活污水水質(zhì)確定.根據(jù)雨水泵開啟之前截流時段進入管網(wǎng)中的地表徑流總量與生活污水總量的比值可確定被截流水量中地表徑流、生活污水的分數(shù).溢流期間排出的總污染物負荷可通過實測溢流水質(zhì)與溢流水量、溢流期間截流水量得出；雨水泵開啟后3個污染源對溢流、截流的污染負荷平均貢獻率是相同的.最后，由式（1）得到管道沉積物攜帶的污染物負荷.6 次溢流事件中31.9%±14.5%的SS、15.7%±9.5%的來自地表徑流，4.7%±3.3%的SS 與38.8%±18.1%的NH4＋－N 來源于生活污水（包括降雨過程新增污水和管道儲存污水），63.4%±16.6%的SS與45.5%±17.3%的NH4＋－N 來自管道沉積物.

圖6 溢流的污染物來源Fig.6 Source apportionment of pollutants for CSO

2.3.3 討論

對照圖5a，6a及圖5b，6b可知，對于合流制系統(tǒng)雨天污染來源分析，以溢流過程為考察對象與以總出流為考察對象相比，地表徑流、生活污水貢獻率降低，管道沉積物貢獻率提高.相對于雨天總出流的污染物源解析結(jié)果，6場降雨雨天溢流SS，NH4＋－N的來源中，地表徑流貢獻率分別下降了10.2%～25.1%，4.5%～11.0%；旱流污水貢獻率分別降低了0.3%～1.5%，6.0%～30.7%；管道沉積物貢獻率分別增長了11.2%～25.4%，6.8%～37.2%.溢流發(fā)生之前截流的初期地表徑流污染程度比較嚴重，對降雨強度不大的長歷時降雨，溢流發(fā)生之前截流過程持續(xù)進行，會使地表徑流中大量污染物被截流因而降低了其對溢流的貢獻率.同樣，長時間截流后才發(fā)生溢流的降雨事件，溢流水量中管網(wǎng)存儲的生活污水明顯減少，因而降低了生活污水對溢流污染負荷的貢獻率，特別是對NH4＋－N，TN 這些主要來自生活污水的污染物.持續(xù)的前期截流使得溢流占總出流水量的分數(shù)減少，而溢流時段才產(chǎn)生的沉積物沖刷帶來的污染負荷相對穩(wěn)定，由此導致沉積物對溢流污染物負荷的貢獻比例增大.

表4 出流事件中各部分水量Tab.4 Different sections of water volume in wet weather discharge events m3

2012年8月8日，8月20日和9月9日3場降雨事件不同污染源的貢獻率按照雨天總出流過程和溢流過程分別估算所得結(jié)果相差較大：相對于雨天總出流的污染來源構(gòu)成，對雨天溢流SS，NH4＋－N 負荷組成，地表徑流貢獻率分別下降了19.1%～25.1%，4.8%～11.0%，生活污水貢獻率分別降低了1.2%～1.5%，10.5%～30.7%，管道沉積物貢獻率分別增長了20.3%～25.4%，15.8%～37.2%.由表3的分析可知，3場降雨均為初期強度較小且持續(xù)時間較長的降雨，溢流發(fā)生前的截流量占溢流量的比例大，系統(tǒng)中儲存生活污水量占溢流前總截流量的比例小.這種情況下降雨前系統(tǒng)存儲的生活污水對溢流所能提供的NH4＋－N 負荷減少，而沉積物 侵蝕帶來的SS負荷增加集中于降雨出流過程的溢流時段.對于雨峰靠前的強降雨，徑流水量的增加速率快，溢流事件迅速發(fā)生，前期截流的影響很小，雨天總出流、溢流2個過程的污染負荷來源相差不大.因此，對溢流發(fā)生之前截流時段長的降雨事件，本文提出的溢流污染源解析方法較現(xiàn)有的總出流污染源解析方法能更準確地描述受納水體承受的污染負荷的來源.

3 結(jié)論

（1）對于水泵強制排水合流制系統(tǒng)，以直接對受納水體造成污染的溢流為考察對象進行污染負荷的源解析，與現(xiàn)有的以雨天總出流作為考察對象相比，可以排除截流水量與溢流水量的比值變化和管網(wǎng)中儲存的生活污水量對解析結(jié)果的影響，可獲得比較準確的結(jié)果.

（2）相對于雨天總出流的污染物源解析結(jié)果，在A 系統(tǒng)2012年6場溢流事件的SS，NH4＋－N 質(zhì)量負荷來源中，地表徑流平均貢獻率分別下降了18.0%，6.0%；生活污水平均貢獻率分別降低了0.9%，13.3%；管道沉積物平均貢獻率分別增長了18.9%，19.3%.

（3）溢流污染負荷與總出流污染負荷的源解析結(jié)果之間的差異受降雨特性以及排水系統(tǒng)特性的影響，對降雨強度小、歷時較長的降雨溢流事件簡單地進行總出流污染的源解析對受納水體實際承受的污染來源而言會明顯低估管道沉積物的貢獻率，而高估地表徑流與生活污水的貢獻率.

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