湘江流域某片區(qū)污水處理提質(zhì)增效實(shí)施策略分析

陳丹丹

中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司北京分公司 北京 100081

國(guó)家三部委在二零一九年四月聯(lián)合出臺(tái)了《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案（2019-2021）》，其中提出要經(jīng)過(guò)三年的努力要實(shí)現(xiàn)三個(gè)“基本”，一個(gè)“顯著”。地級(jí)及以上城市建成區(qū)要經(jīng)過(guò)三年提質(zhì)增效改造工作，達(dá)到三個(gè)“基本”：基本消除生活污水直排口，基本解決污水收集處理設(shè)施的空白區(qū)，基本消除黑臭水體；達(dá)到一個(gè)“顯著”：污水集中收集效能顯著提高。近年來(lái)，各地政府不斷加大污水處理設(shè)施的建設(shè)投入，致力于提高污水處理能力以及消除黑臭水體來(lái)改善水環(huán)境問(wèn)題。但目前仍面臨著許多問(wèn)題，亟待解決。例如：城區(qū)污水管網(wǎng)健康度較低，截污干管河流滲入，污水收集效能偏低，以及城中村污水管網(wǎng)功能不足等問(wèn)題[1]。針對(duì)以上問(wèn)題，本文將從源頭改造、污水管網(wǎng)建設(shè)和完善、管網(wǎng)檢測(cè)修復(fù)與改造、污水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行等方面綜合施策，提升研究范圍內(nèi)污水處理系統(tǒng)的效能。

1 項(xiàng)目概況

本文研究片區(qū)位于湘江流域的中游地區(qū)，區(qū)域內(nèi)江河湖泊屬長(zhǎng)江流域洞庭湖水系。研究范圍內(nèi)共1座污水處理廠（以下稱A污水處理廠），用于處理其納污范圍內(nèi)（約為68平方公里）的污水。該污水處理廠現(xiàn)狀規(guī)模為20萬(wàn)噸/天，尾水排放湘江。污水系統(tǒng)服務(wù)人口約32.4萬(wàn)人。研究范圍內(nèi)共有11條渠道，其中有8條渠道被列入黑臭水體治理清單，流向均為匯入向湘江。

2 污水系統(tǒng)問(wèn)題排查及識(shí)別

2.1 污水系統(tǒng)現(xiàn)狀問(wèn)題

現(xiàn)狀污水收集主要存在兩方面問(wèn)題：一是污水廠進(jìn)水水量大，二是進(jìn)水濃度低。

（1）污水廠進(jìn)水水質(zhì)、水量定量分析

2017~2019年污水廠水質(zhì)水量數(shù)據(jù)表明，污水廠日均進(jìn)水量呈逐年上升趨勢(shì)。近3年平均值為16.4萬(wàn)m3/d，3年內(nèi)污水廠平均負(fù)荷率為82%。污水廠進(jìn)水BOD5濃度近3年基本穩(wěn)定，平均BOD5進(jìn)水濃度為55.4mg/L。綜上，污水廠進(jìn)水量呈逐年上升趨勢(shì)；進(jìn)水水質(zhì)情況基本穩(wěn)定，但BOD5濃度尚未達(dá)到目標(biāo)準(zhǔn)。

表1 污水廠水質(zhì)水量統(tǒng)計(jì)表

（2）晴雨天污水廠進(jìn)水水質(zhì)、水量分析

通過(guò)晴雨天污水廠進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比可知，雨天情況下，污水廠日均進(jìn)水量及污染物濃度均大于晴天。雨天日均進(jìn)水量略高于晴天進(jìn)水量，且逐年上升，存在雨水混入污水系統(tǒng)現(xiàn)象，入滲量為0.6~1.0萬(wàn)m3/d。近3年晴雨天污水廠的進(jìn)水BOD濃度基本穩(wěn)定。

（3）污水廠進(jìn)水可生化性分析

由近3年污水廠進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)表明，污水廠可生化性良好，碳源相對(duì)比較充足。一般情況下，當(dāng)污水廠進(jìn)水的BOD5/COD比值小于0.3時(shí)，污水難以在微生物的作用下得到有效降解[2]。A污水廠進(jìn)水B/C為0.48~0.53，表明其可生化性良好。A污水廠進(jìn)水水質(zhì)BOD5/TN＞5，BOD5/TP＞17，可知微生物有良好的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，進(jìn)行生物脫氮、除磷的碳源比較充足。同時(shí)，B/C、B/TN、B/P均處于正常范圍，符合生活污水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比例特征。根據(jù)《排水工程》BOD/TN＞5較為適宜，但BOD5/TN近3年進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)均在5左右，處于遞增趨勢(shì)，且BOD5/TP逐年下降，因此若污水廠以當(dāng)下情況長(zhǎng)期運(yùn)行，則會(huì)有可能出現(xiàn)碳源不足風(fēng)險(xiǎn)。

表2 污水廠進(jìn)水水質(zhì)分析一覽表

（4）源頭小區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)

選取研究范圍內(nèi)的8個(gè)小區(qū)，對(duì)化糞池出水口水質(zhì)進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為3天的連續(xù)監(jiān)測(cè)，得到小區(qū)出口BOD平均濃度為138mg/L。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，污水廠進(jìn)水與源頭小區(qū)出水的BOD濃度比值為0.5，所以污水廠進(jìn)廠污染物濃度明顯偏低。同時(shí)又由于污水廠進(jìn)水C/N/P比較正常，因此基本可以判定污水系統(tǒng)中混入了大量清水（河水、地下水），導(dǎo)致進(jìn)廠BOD濃度被稀釋。

（5）污水產(chǎn)生量與收水量分析

根據(jù)近3年第三水廠售水量數(shù)據(jù)，研究范圍內(nèi)日均售水量11.2萬(wàn)m3/d，產(chǎn)污系數(shù)按0.85，理論污水產(chǎn)生量為9.5萬(wàn)m3/d。參考相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及頂層設(shè)計(jì)《排水工程專項(xiàng)規(guī)劃》，城市綜合用水量為0.5萬(wàn)m3/（萬(wàn)人·天），產(chǎn)污系數(shù)為0.85，日變化系數(shù)取1.3，服務(wù)范圍內(nèi)人口約32.4萬(wàn)人，經(jīng)計(jì)算生活污水產(chǎn)生量為10.6萬(wàn)m3/d。取平均值得服務(wù)范圍內(nèi)理論污水產(chǎn)生量約10萬(wàn)m3/d。

考慮污染物在管道中有一定降解，根據(jù)《模擬生活污水在排水管道中濃度變化》[3]論文中提到，管道COD降解系數(shù)一般為0.2~0.3d-1。研究片區(qū)管道多流速較低，淤積相對(duì)較為嚴(yán)重，且大量污水經(jīng)過(guò)渠道再進(jìn)入污水廠，降解系數(shù)較管道大，取COD降解系數(shù)0.3 d-1，根據(jù)監(jiān)測(cè)取平均流速0.5 m/s，污水從源頭至污水廠流經(jīng)管網(wǎng)長(zhǎng)度為7.2km，計(jì)算得到污染物降解率為5%，計(jì)算實(shí)際上進(jìn)入污水廠原生污水量應(yīng)為6.3/(1-0.05)=6.6萬(wàn)m3/d。通過(guò)污染物質(zhì)量守恒法分析計(jì)算，外水量為9.8萬(wàn)m3/d。

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，污水廠現(xiàn)狀進(jìn)水量中40.2%為污水，59.8%為混入的外水，因此污水系統(tǒng)混入大量外水是導(dǎo)致進(jìn)水量大、濃度低的主要原因，因此應(yīng)從加強(qiáng)污水收集和外水?dāng)D排兩方面進(jìn)行治理，提高污水收集率以及進(jìn)水濃度。

2.2 該集中收集的污水未收集

該集中收集的污水未收集主要包括：通過(guò)污水直排口損失污水、管網(wǎng)空白區(qū)未進(jìn)入污水系統(tǒng)的污水、進(jìn)入一體化處理設(shè)施的污水。

污水直排口可分為三類，污水直排口、混錯(cuò)接口和溢流口，其中污水直排口包括市政污水管直排口和小區(qū)出戶管直排口?？偱盼哿考s4.1萬(wàn)m3/d。其中有1.80萬(wàn)m3/d的污水均未進(jìn)入河?xùn)|污水處理廠，直排湘江。

范圍內(nèi)有污染產(chǎn)生但無(wú)管網(wǎng)且未經(jīng)處理的區(qū)域（居住區(qū)、城中村）劃定為空白區(qū)；確定建成區(qū)內(nèi)空白區(qū)主要有3片，主要為居住區(qū)，現(xiàn)狀無(wú)管網(wǎng)覆蓋，污水直接排入渠道或散排，總面積為39.7 ha。經(jīng)測(cè)算，管網(wǎng)空白區(qū)散排污水量約0.11萬(wàn)m3/d。

研究片區(qū)內(nèi)共有4座一體化污水處理設(shè)施，一體化設(shè)施服務(wù)范圍內(nèi)的污水均不進(jìn)入污水系統(tǒng)，日均處理污水量0.13萬(wàn)m3/d。

根據(jù)以上分析，現(xiàn)狀污水系統(tǒng)污水去向主要有6部分，總產(chǎn)污量為9.5萬(wàn)m3/d。其中，進(jìn)入污水處理廠的污水量為6.6萬(wàn)m3/d；進(jìn)入一體化處理設(shè)施的污水量為0.13萬(wàn)m3/d；直接排放至湘江的污水量為1.8萬(wàn)m3/d；空白區(qū)散排的污水量為0.11萬(wàn)m3/d；管道漏損的污水量為0.8萬(wàn)m3/d。未收集到污水系統(tǒng)的污水包括直排湘江污水、管網(wǎng)空白區(qū)散排污水、管道漏損污水。

經(jīng)計(jì)算分析，生活污水最終流失量2.7萬(wàn)m3/d，污水收集率約71%。在流失污水中，直排污水量占比為66.7%，可見(jiàn)研究范圍內(nèi)污水直排是污水收集率低的主要問(wèn)題。

2.3 不該收集的外水進(jìn)入污水系統(tǒng)

不該收集的外水進(jìn)入污水系統(tǒng)主要包括：渠道水抽排進(jìn)入污水系統(tǒng)、地下水入流入滲進(jìn)入污水系統(tǒng)。

根據(jù)各節(jié)點(diǎn)水量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行污染物平衡計(jì)算。發(fā)現(xiàn)兩處截流渠道水，截流水量約2.6萬(wàn)m3/d。另外泵站提升渠道水進(jìn)入污水系統(tǒng)共3處，提升水量約5.2萬(wàn)m3/d。截流、抽排渠道水進(jìn)入污水系統(tǒng)總量約7.8萬(wàn)m3/d。

根據(jù)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水質(zhì)、水量監(jiān)測(cè)，計(jì)算地下水入侵量約1.96萬(wàn)m3/d。

根據(jù)以上分析，現(xiàn)狀污水系統(tǒng)晴天時(shí)侵入的外水主要分為四個(gè)部分，總的外水入侵量約9.8萬(wàn)m3/d。一是渠道水通過(guò)截流進(jìn)入污水系統(tǒng)（2.6萬(wàn)m3/d），二是渠道水通過(guò)泵站抽提進(jìn)入污水系統(tǒng)（5.2萬(wàn)m3/d），三是地下水滲入污水系統(tǒng)（1.98萬(wàn)m3/d）。

2.4 排水系統(tǒng)不健康運(yùn)行

排水系統(tǒng)不健康運(yùn)行主要包括：排水管網(wǎng)高水位運(yùn)行、管網(wǎng)堵塞導(dǎo)致污水管網(wǎng)無(wú)法運(yùn)行。

根據(jù)管網(wǎng)診斷數(shù)據(jù)，規(guī)劃范圍內(nèi)共有6段污水干管存在高水位運(yùn)行現(xiàn)象。主要原因：污水處理廠的污水提升泵站憋水運(yùn)行、下游管網(wǎng)頂托、地下水入侵、管網(wǎng)倒坡逆坡等問(wèn)題造成污水運(yùn)行不通暢。研究范圍內(nèi)存在1處管網(wǎng)缺陷點(diǎn)，該處缺陷點(diǎn)位造成污水管網(wǎng)徹底喪失排水能力。主要為石塊等障礙物，淤積程度100%。

3 提質(zhì)增效方案

綜合考慮A污水處理廠服務(wù)范圍內(nèi)現(xiàn)狀基本情況和存在問(wèn)題，根據(jù)國(guó)家、省市對(duì)污水處理提質(zhì)增效的相應(yīng)要求，明確以消除生活污水的直排口、消除管網(wǎng)空白的片區(qū)、鞏固黑臭水體治理成果、提高污水集中收集率、提升污水廠進(jìn)廠BOD濃度為目標(biāo)，本方案提出了“收污水、擠外水”兩大主要工作方向，“源頭改造、管網(wǎng)建設(shè)、管網(wǎng)改造與修復(fù)、系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行”四方面主要措施。

3.1 源頭改造

源頭改造就源頭地塊而言，可分為雨污混錯(cuò)接改造和雨污分流制改造。源頭地塊的雨污混錯(cuò)接改造按照“雨對(duì)雨、污對(duì)污”原則進(jìn)行改造。雨污分流改造主要包括建筑立管和小區(qū)管網(wǎng)兩部分，根據(jù)現(xiàn)狀情況新建雨水（污水）管并接入對(duì)應(yīng)市政管網(wǎng)。

3.2 管網(wǎng)建設(shè)方案

現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)中存在污水管缺失、管網(wǎng)斷頭、管網(wǎng)空白等幾類問(wèn)題。由于這幾類管網(wǎng)問(wèn)題，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)污水直排渠道或散排，造成污水流失。針對(duì)存在的這幾類問(wèn)題，本方案以問(wèn)題為導(dǎo)向分別制定市政污水管建設(shè)、貫通斷頭管、截污干管建設(shè)、空白區(qū)管網(wǎng)建設(shè)、以及市政雨污分流改造等方案。

（1）斷頭污水管建設(shè)方案

根據(jù)管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)及管網(wǎng)診斷結(jié)果可知，研究范圍內(nèi)共有6條道路上污水管存在斷頭現(xiàn)象。由于污水管下游不連通（斷頭管），導(dǎo)致上游污水無(wú)出路，造成直排。對(duì)斷頭管進(jìn)行連通改造。

（2）沿河（渠）截污建設(shè)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及黑臭水體治理相關(guān)項(xiàng)目資料可知，在黑臭水體治理和完善污水管網(wǎng)基礎(chǔ)上，沿渠仍有124處排口未治理。為解決污水直排而污水進(jìn)入渠道的問(wèn)題，根據(jù)排口分布特點(diǎn)，沿渠建設(shè)截污管道，對(duì)排口進(jìn)行截污，本工程新建沿河（渠）截污管12.0km，分別對(duì)黑臭水體渠道沿線排污口進(jìn)行截污，消除污水直排。

（3）空白區(qū)管網(wǎng)建設(shè)方案

根據(jù)管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)及管網(wǎng)診斷結(jié)果可知，研究區(qū)域內(nèi)空白區(qū)管網(wǎng)區(qū)域共3處，生活污水處于直排渠道或散排狀態(tài)。因此新建排水管網(wǎng)，分別將雨水和污水收集至市政雨、污水管網(wǎng)，或?qū)⑽鬯罩烈惑w化污水處理設(shè)施。

（4）市政管網(wǎng)雨污分流改造

市政雨、污水分流改造分為兩種改造方式：①優(yōu)先考慮將現(xiàn)狀合流管作為排水系統(tǒng)中的雨水管，同時(shí)對(duì)原合流管進(jìn)行清淤疏浚，同時(shí)根據(jù)相關(guān)排水規(guī)范、排水專項(xiàng)規(guī)劃為依據(jù)新建污水管網(wǎng)，新建管網(wǎng)管徑、標(biāo)高方面應(yīng)與上下游管道順接；②可以將現(xiàn)狀合流管道作為排水系統(tǒng)中污水管，以相關(guān)排水規(guī)范、排水專項(xiàng)規(guī)劃為依據(jù)新建雨水系統(tǒng)，順接至下游雨水管道或直排渠道。

3.3 管網(wǎng)改造及修復(fù)方案

（1）市政管網(wǎng)混錯(cuò)接改造方案

市政管網(wǎng)混錯(cuò)接改造是改善城市排水系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一。根據(jù)管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)及管網(wǎng)診斷結(jié)果可知，研究范圍內(nèi)共有23條市政道路存在47處混錯(cuò)接問(wèn)題，需混錯(cuò)接點(diǎn)進(jìn)行改造。

（2）市政管道缺陷修復(fù)方案

排水管道修復(fù)根據(jù)管道缺陷等級(jí)、缺陷原因等進(jìn)行整體更換或者局部修復(fù)完善。

（3）地下水入滲修復(fù)方案

據(jù)各分區(qū)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水質(zhì)、水量監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，研究范圍內(nèi)存在多處不同程度的地下水入滲。由于管網(wǎng)地下水入滲，導(dǎo)致地下水進(jìn)入污水系統(tǒng)，入廠BOD5濃度降低。根據(jù)污水管網(wǎng)內(nèi)窺得到的管網(wǎng)入滲點(diǎn)位，入滲量確定需要管網(wǎng)修復(fù)管段，并對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

（4）倒坡逆坡改造

污水管網(wǎng)倒坡逆坡是指管道鋪設(shè)后的管道坡度為負(fù)坡度，導(dǎo)致管道內(nèi)的水流無(wú)壓力時(shí)呈現(xiàn)靜止或倒流的現(xiàn)象。在高水位運(yùn)行管段，倒坡逆坡致使水流變緩，加劇管道高水位。倒坡逆坡管道改造是本著污水管道管頂順接，管道坡度為正坡度的原則對(duì)倒坡逆坡管道進(jìn)行改造

（5）污水管大管套小管改造方案

污水管大管套小管導(dǎo)致污水管道流動(dòng)不通暢，對(duì)污水流速和高水位運(yùn)行有限制作用。根據(jù)污水流向、管網(wǎng)能力，下游管道的管徑大于或等于上游管徑及管底平接的原則對(duì)管道進(jìn)行改造。

3.4 系統(tǒng)化優(yōu)化方案

（1）一體化污水處理設(shè)施整體布局優(yōu)化

研究范圍內(nèi)共有四座一體化污水處理設(shè)施，根據(jù)排水管網(wǎng)建設(shè)、污水排放情況重新規(guī)劃區(qū)域內(nèi)一體化處理設(shè)施布局。

（2）泵站運(yùn)行優(yōu)化

當(dāng)研究區(qū)域內(nèi)部分片區(qū)完成混錯(cuò)接改造、污水直排口治理等工作，基本可實(shí)現(xiàn)片區(qū)污水零直排，屆時(shí)逐步削減泵站抽升河水進(jìn)入污水系統(tǒng)的水量，同時(shí)通過(guò)人工濕地、生態(tài)塘等措施來(lái)進(jìn)一步提升渠道水體的水質(zhì)，讓河道水排放至湘江。

4 結(jié)論

在實(shí)施城市污水處理提質(zhì)增效工作，應(yīng)以系統(tǒng)思維進(jìn)行分析和總結(jié)。首先要堅(jiān)持摸清本底，對(duì)排水設(shè)施情況、河道水系情況、直排口情況等進(jìn)行分析，其實(shí)，問(wèn)題要定量分析，明確各類外水水量、明確污水溢流的區(qū)域和水量、源頭污染物產(chǎn)生量等進(jìn)行定量分析，解決方案要系統(tǒng)，“擠外水、收污水”的各項(xiàng)工程措施等要系統(tǒng)考慮，合理安排建設(shè)時(shí)許，最后，結(jié)合建設(shè)時(shí)序?qū)?shí)施效果進(jìn)行定量評(píng)，評(píng)估各類外水?dāng)D出水量和污水有效收集量，對(duì)進(jìn)廠濃度和污水集中收集率的影響。