分流制排水系統(tǒng)初期雨水調(diào)蓄及處理工藝設(shè)計(jì)

韓 磊， 黃 俊， 于冬曉

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392）

隨著各大城市黑臭水體整治工作的深入，河道流域的點(diǎn)源污染大部分得到有效治理；而面源污染由于具有分散性、隱蔽性、隨機(jī)性和累積性等特點(diǎn)，治理難度較大，解決面源污染問(wèn)題日漸成為河流水質(zhì)持續(xù)改善的關(guān)鍵。初期雨水中攜帶的大量源于城市地表、混接污水以及排水系統(tǒng)管道沉積污染物，是面源污染的主要來(lái)源[1]。雨水調(diào)蓄池作為控制初期雨水污染的一項(xiàng)重要設(shè)施，通過(guò)對(duì)初期雨水的蓄存能夠有效削減排入水體的污染物。

初期雨水污染物以無(wú)機(jī)物為主，具有水量大、水質(zhì)波動(dòng)性大等特點(diǎn)，常規(guī)城市污水處理設(shè)施不能適用于初期雨水處理。目前，多數(shù)初期雨水調(diào)蓄池的排空均為就近排入污水管網(wǎng)最終進(jìn)入城市污水處理廠，該方案一方面增加了城市污水處理廠雨季的處理負(fù)荷，另一方面也造成了雨水資源的浪費(fèi)。天津市解放南路海綿城市試點(diǎn)區(qū)在初期雨水調(diào)蓄及初雨資源化利用方面進(jìn)行了深入探索，形成了多種初期雨水處理利用的工藝組合。洞庭路雨水泵站2#調(diào)蓄池作為洞庭路雨水系統(tǒng)末端的初期雨水調(diào)蓄池，是天津市解放南路試點(diǎn)區(qū)海綿城市建設(shè)的重要組成部分。

1 初期雨水調(diào)蓄池總體設(shè)計(jì)

1.1 容積計(jì)算

GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 年版）》規(guī)定，用于分流制排水系統(tǒng)徑流污染控制時(shí)，計(jì)算調(diào)蓄池容積的調(diào)蓄雨量高度可取4～8 mm；但是，作為所在雨水分區(qū)海綿城市建設(shè)的一部分，應(yīng)在控制初期雨水徑流污染的基礎(chǔ)上，兼顧整個(gè)分區(qū)的海綿城市建設(shè)目標(biāo)。

作為城市建成區(qū)的海綿城市項(xiàng)目，源頭減排措施的海綿化改造受現(xiàn)狀條件無(wú)法全部達(dá)到目標(biāo)要求；因此，在海綿城市建設(shè)方案中將每個(gè)雨水分區(qū)作為一個(gè)整體考慮，通過(guò)源頭控制和末端控制相結(jié)合的方式保證各分區(qū)達(dá)到建設(shè)目標(biāo)要求。根據(jù)試點(diǎn)區(qū)系統(tǒng)化方案及模擬結(jié)果，年徑流總量控制率和徑流污染控制率兩指標(biāo)具有一定的正相關(guān)性，故本工程選擇年徑流總量控制率為關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行調(diào)蓄標(biāo)準(zhǔn)的校核分析。洞庭路2#雨水分區(qū)面積352 hm2，年徑流總量控制率78%，需控制徑流深度24.9 mm，末端需調(diào)蓄控制凈雨量為5.5 mm，按照徑流系數(shù)0.5計(jì)算，需控制降雨高度標(biāo)準(zhǔn)為11 mm。根據(jù)規(guī)范初期雨水調(diào)蓄池容積公式計(jì)算，所需末端控制調(diào)蓄池容積為19 360 m3，考慮雨水泵站出水至調(diào)蓄池之間調(diào)水管線的3 850 m3可用調(diào)蓄容積后，設(shè)計(jì)雨水調(diào)蓄池有效容積確定為15 510 m3。

1.2 初期雨水進(jìn)出水水質(zhì)

根據(jù)研究成果，地表徑流污染物濃度在徑流初期10～20 min 達(dá)到最高值；之后隨著降雨歷時(shí)，呈波浪形鋸齒狀降低；至降雨結(jié)束，污染物濃度趨于穩(wěn)定。整個(gè)徑流污染過(guò)程整體表現(xiàn)為初期徑流污染物濃度高于后期徑流，具有明顯的初期沖刷效應(yīng)。

經(jīng)過(guò)對(duì)雨水分區(qū)下墊面分析，結(jié)合《天津市海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》中給出的各下墊面雨水徑流水質(zhì)，確定了初期雨水中各污染物濃度：SS 為260 mg/L、CODCr為110 mg/L、BOD5為50 mg/L、NH3-N為3.4 mg/L、TP為2.0 mg/L、pH值為6～9。

對(duì)降雨初期泵站內(nèi)雨水水質(zhì)取樣檢測(cè)，初期雨水水質(zhì)的波動(dòng)性較大，SS 濃度在20～880 mg/L，因此，在初期雨水處理工藝選擇時(shí)應(yīng)充分考慮進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大的情況。

試點(diǎn)區(qū)建設(shè)要求雨水資源利用率不低于2%，處理后的初期雨水考慮排入試點(diǎn)區(qū)內(nèi)公園水體補(bǔ)水，出水水質(zhì)指標(biāo)：CODCr為30 mg/L、NH3-N 為1.5 mg/L、TP為0.3 mg/L、pH值為6～9。

1.3 雨水調(diào)蓄及處理工藝流程

雨水調(diào)蓄及處理設(shè)施主要功能是在降雨期間儲(chǔ)存初期雨水，雨停后初期雨水經(jīng)過(guò)處理達(dá)標(biāo)后排入公園水體，起到削減入河污染物負(fù)荷及達(dá)到雨水資源利用的目的[2]。本項(xiàng)目采取泵后截流方式，降雨初期，雨水經(jīng)泵站提升后通過(guò)截流閘井及調(diào)水管線進(jìn)入調(diào)蓄池儲(chǔ)存，達(dá)到設(shè)計(jì)水位后調(diào)整截流閘井，將后期較潔凈的雨水排入長(zhǎng)泰河。雨停后，初期雨水經(jīng)放空泵提升，依次經(jīng)過(guò)細(xì)格柵、旋流除砂、高效沉淀池等預(yù)處理設(shè)施后，通過(guò)泵站提升排入人工濕地進(jìn)行深度處理，達(dá)標(biāo)后排入公園水體補(bǔ)水。調(diào)蓄池沖洗泥水及高效沉淀池排泥水進(jìn)入儲(chǔ)泥池，經(jīng)沉淀后上清液溢流進(jìn)污水管網(wǎng)，下部污泥定期通過(guò)吸泥車外運(yùn)處置。見(jiàn)圖1。

圖1 初期雨水調(diào)蓄及處理流程圖

2 調(diào)蓄池初雨處理工藝

2.1 截流閘井

截流閘井的主要功能是通過(guò)閘門控制將初期雨水截流入調(diào)蓄池。截流閘井設(shè)置在泵站現(xiàn)狀雙孔3.0 m×1.8 m 出水方涵上，尺寸為8.8 m×4.0 m×6.5 m，在閘井內(nèi)調(diào)水管線接出一側(cè)設(shè)置φ2 400 mm 閘門控制進(jìn)入調(diào)蓄池雨水量。

2.2 雨水調(diào)蓄池

調(diào)蓄池位于公園擬建停車場(chǎng)及綠化下方，主體結(jié)構(gòu)為全地下式，為滿足公園綠化種植要求，調(diào)蓄池頂板覆土為2.35 m，平面尺寸為52.8 m×45 m，有效水深為7.28～7.7 m，池底坡度1%。調(diào)蓄池內(nèi)部設(shè)置檢修間、存水室、沖洗區(qū)及放空區(qū)。

選用真空沖洗系統(tǒng)對(duì)放空后的調(diào)蓄池進(jìn)行淤積物的沖洗，真空沖洗系統(tǒng)的有效沖洗距離≥45 m，共設(shè)計(jì)6條沖洗廊道，采用6套真空閥、3套真空泵，單套氣量100 Nm3/h，功率3.0 kW，配套液位計(jì)7套，存水室內(nèi)安裝6套，收集渠安裝1套。

調(diào)蓄池正常放空時(shí)間為3 d，初雨放空采用水泵提升，放空區(qū)內(nèi)設(shè)置2 臺(tái)潛水排污泵，單泵流量275 m3/h，按照不同揚(yáng)程交替使用，其中一臺(tái)揚(yáng)程為4～8.5 m，功率15 kW，另一臺(tái)揚(yáng)程8.5～13.5 m，功率15 kW。同時(shí)設(shè)置小流量潛水排污泵1臺(tái)，用于調(diào)蓄池排空及排放沖洗泥水，單泵流量50 m3/h，揚(yáng)程14.0 m，功率3.7 kW。

2.3 細(xì)格柵、旋流除砂及高效沉淀池

細(xì)格柵、旋流除砂及高效沉淀池主要功能是對(duì)調(diào)蓄池放空的初期雨水進(jìn)行預(yù)處理，使SS濃度≤70 mg/L，滿足進(jìn)入人工濕地處理的要求。細(xì)格柵、旋流除砂及高效沉淀池均位于調(diào)蓄池附近的附屬設(shè)備用房?jī)?nèi)。按照調(diào)蓄池3 d 放空時(shí)間考慮，初期雨水處理規(guī)模為6 500 m3/d。

進(jìn)水細(xì)格柵的凈寬為1.0 m，柵間距5 mm，安裝角度70°；旋流沉砂裝置采用一體化設(shè)備，直徑1.2 m，處理流量75 L/s；高效沉淀池平面尺寸為10.0 m×6.15 m×5.7 m，表面水力負(fù)荷為14.8 m3/（m2·h）。

2.4 人工濕地

人工濕地是指通過(guò)模擬自然濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，根據(jù)人們的需要而由人工建造、控制并工程化的濕地系統(tǒng)[3]。在城市徑流污染控制技術(shù)中，人工濕地系統(tǒng)是優(yōu)勢(shì)最明顯的技術(shù)之一，具有無(wú)復(fù)雜操控設(shè)備、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、建造和運(yùn)行管理費(fèi)用低、生態(tài)景觀效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)采用人工濕地技術(shù)對(duì)初期雨水進(jìn)行處理的案例逐漸增多[4]。

綜合考慮濕地進(jìn)出水水質(zhì)要求及可用地面積等因素，采用垂直潛流濕地。濕地設(shè)計(jì)參考HJ 2005—2010《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》、DB/T 29-259—2019《天津市人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范。

濕地處理規(guī)模為6 500 m3/d，用地總面積約10 750 m2，有效濕地面積約8 500 m2，初期雨水排空處理主要在夏季，表面水力負(fù)荷取0.8 m3/（m2·d）。濕地結(jié)構(gòu)從上到下依次為200 mm 蓄水層（濕地植物）+200 mm覆蓋層（8～16 mm濾料）+600 mm布水濾料層（16～32 mm 濾料）+600 mm 集水濾料層（25～40 mm 濾料）+50 mm 細(xì)河砂（0～2 mm）+復(fù)合土工膜+50 mm 細(xì)河砂（0～2 mm）+100 mmC15 混凝土墊層，孔隙率按30%計(jì)，水力停留時(shí)間約為17 h。

垂直潛流濕地采用三級(jí)串聯(lián)運(yùn)行模式，各級(jí)濕地間設(shè)置一定高差。初期雨水通過(guò)水泵提升進(jìn)入配水干管，均勻配水至一級(jí)濕地各單元的配水渠進(jìn)行單元配水，各級(jí)濕地采用頂部的DN150 mm 穿孔管布水，采用底部的DN200 mm 穿孔管集水，通過(guò)集水管將雨水直接匯入下一級(jí)濕地的配水渠內(nèi)。三級(jí)濕地末端設(shè)置收集渠，處理后的雨水通過(guò)收集垂直進(jìn)入放空井，通過(guò)放空主管重力自流入河。

3 關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)分析

1）初期雨水調(diào)蓄池進(jìn)水通常采用電動(dòng)閘門控制，調(diào)蓄池達(dá)到設(shè)計(jì)水位后通過(guò)自控自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水閘門。本工程調(diào)蓄池進(jìn)水管徑約DN 2 400 mm，一般啟閉機(jī)閘門的啟閉速度約為0.2 m/min，閘門完全關(guān)閉時(shí)間需要約12 min，在閘門關(guān)閉過(guò)程中還有初期雨水不斷進(jìn)入調(diào)蓄池，經(jīng)計(jì)算閘門關(guān)閉期間調(diào)蓄池水位上漲約1.2 m，調(diào)蓄池上部需要預(yù)留充足超高，造成土建空間浪費(fèi)。因此設(shè)計(jì)中明確要求閘門應(yīng)配套速閉式啟閉機(jī)（閘門關(guān)閉時(shí)間＜1 min），同時(shí)在調(diào)蓄池最高水位設(shè)置時(shí)考慮一定的緩沖余量。

2）調(diào)蓄池平均有效水深約7.5 m，放空泵選型時(shí)要求具有較大的揚(yáng)程變化范圍，若全部按照高揚(yáng)程選泵易造成浪費(fèi)。設(shè)計(jì)中選用2臺(tái)不同揚(yáng)程的潛水排污泵交替進(jìn)行初期雨水放空，同時(shí)設(shè)置一臺(tái)小流量大揚(yáng)程的潛水排污泵專門用于調(diào)蓄池沖洗泥水排放。

3）調(diào)蓄池為全地下式，上部為停車場(chǎng)及綠化景觀，要求伸出地面的檢修口和通風(fēng)口應(yīng)該精簡(jiǎn)并且與周邊環(huán)境融合；同時(shí)位于開(kāi)放環(huán)境中還應(yīng)該考慮防墜落及防盜等安全措施。設(shè)計(jì)中真空沖洗設(shè)備設(shè)置專門檢修通道，僅通過(guò)外部一個(gè)檢修口便能進(jìn)入檢修通道內(nèi)檢修全部真空沖洗設(shè)備；通風(fēng)口設(shè)置木質(zhì)風(fēng)帽和原木外飾面，與周邊景觀環(huán)境相結(jié)合。見(jiàn)圖2。

圖2 通風(fēng)口

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家海綿城市建設(shè)工作的不斷深入，初期雨水調(diào)蓄處理及資源化利用等問(wèn)題越來(lái)越受到重視。本文結(jié)合天津市解放南路海綿城市試點(diǎn)區(qū)洞庭路雨水泵站2#調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹了在分流制排水系統(tǒng)中初期雨水調(diào)蓄池及其配套初期雨水處理設(shè)施的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及需要注意的事項(xiàng)，為今后完善初期雨水調(diào)蓄及處理相結(jié)合工程的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。?