基于外來水入侵的污水處理廠進(jìn)水量評估

黃榮敏，張 浩，成浩科，劉 卡，張愛紅，丁 睿，郭 帥

(1. 長江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430062； 2. 合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，我國城市基礎(chǔ)設(shè)施尤其是排水系統(tǒng)建設(shè)，在質(zhì)和量的方面都有了長足的進(jìn)步。2020 年我國城市建成區(qū)排水管網(wǎng)長80.3 萬 km，管道密度為11.1 km/km2，城市污水處理廠數(shù)量為2 618 座，城市污水處理率達(dá)到97.53%[1]。但隨著國家高質(zhì)量發(fā)展不斷深入，我國排水系統(tǒng)短板依然明顯，在運(yùn)行效率和質(zhì)量方面都存在較大的優(yōu)化空間[2]。特別是在以長江生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)為主要目標(biāo)的長江大保護(hù)戰(zhàn)略開展過程中，補(bǔ)齊城鎮(zhèn)污水收集和處理設(shè)施短板、實(shí)施污水處理提質(zhì)增效，不僅是推進(jìn)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)高質(zhì)量運(yùn)行的關(guān)鍵任務(wù)，更是消滅黑臭水體、提升水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵步驟[3-4]。

基于《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案》的要求，在圍繞排水片區(qū)實(shí)施“一廠一策”的系統(tǒng)化整治過程中，排水管網(wǎng)中雨水、地下水等外來水的入流入滲是降低排水系統(tǒng)輸送和處理效率，造成污水處理廠水質(zhì)稀釋，甚至污水溢流污染的重要因素[5]。因此，準(zhǔn)確評估排水系統(tǒng)外來水狀況，是制定具體排水系統(tǒng)整治措施、提升管網(wǎng)系統(tǒng)健康度、實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效和水環(huán)境治理目標(biāo)的關(guān)鍵工作[6-7]。針對長江流域某片區(qū)污水處理廠進(jìn)水水量大、水質(zhì)低的狀況，在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，基于經(jīng)驗(yàn)值法、現(xiàn)場實(shí)測法、水質(zhì)特征因子法和旱雨天對比等方法，評估典型旱、雨天情景下片區(qū)排污系統(tǒng)中地下水和雨水入流入滲量，為后續(xù)提質(zhì)增效工程的目標(biāo)制定和效果評估提供依據(jù)，并為排水系統(tǒng)的日常運(yùn)維提供參考。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于長江下游某沿江城市，某污水處理廠的服務(wù)面積約90 km2，地勢平坦，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降雨量1 227 mm。區(qū)域內(nèi)水資源豐富，地下水位較高，普遍位于地面下1.00~1.25 m。用地類型以工業(yè)用地為主，以及較少的居住用地和待開發(fā)地塊。圖1 為片區(qū)污水系統(tǒng)示意，片區(qū)管網(wǎng)為雨污分流制，雨水管線總長266.14 km，污水管線總長150.75 km，污水干管沿程設(shè)有4 座提升泵站，污水最終匯入片區(qū)最北端的污水處理廠，根據(jù)泵站和水廠的相對位置，可將片區(qū)劃分為5 個(gè)子匯水區(qū)。

圖1 研究區(qū)域污水排水系統(tǒng)和子匯水區(qū)劃分Fig. 1 Sewer system and sub-catchments of study catchments

污水處理廠一期設(shè)計(jì)處理能力為6 萬m3/d，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)為化學(xué)需氧量（COD）400 mg/L、氨氮30 mg/L、總氮40 mg/L、總磷4 mg/L，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中的一級A 標(biāo)準(zhǔn)。2018 年前由于片區(qū)內(nèi)管網(wǎng)建設(shè)滯后，僅主要收集了子匯水區(qū)⑤內(nèi)的污水，污水處理廠日均進(jìn)水量不到1 萬m3/d，未能實(shí)現(xiàn)片區(qū)內(nèi)污水的全面收集和處理，經(jīng)多年完善后最終形成了當(dāng)前的排水體系。

2 問題分析

前期經(jīng)過系統(tǒng)性污水納網(wǎng)整治后，片區(qū)污水收集量明顯上升，但水量和水質(zhì)方面仍存在問題，這表明片區(qū)排水系統(tǒng)運(yùn)行管理的重心應(yīng)由提升污水納網(wǎng)水平轉(zhuǎn)移至進(jìn)一步提質(zhì)增效。具體問題體現(xiàn)在：

（1）污水廠進(jìn)水量過大，管網(wǎng)水位偏高。圖2 為片區(qū)污水處理廠2018 年1 月至2020 年12 月的進(jìn)水流量，由于片區(qū)內(nèi)新建主干管陸續(xù)投用（如箭頭①~③所示），污水處理廠進(jìn)水量由2018 年的日均1.29 萬m3/d，提升至2020 年的日均3.77 萬m3/d，超過了2020 年片區(qū)范圍內(nèi)的用水戶3.24 萬m3/d 的日均用水量，這表明水廠進(jìn)水包含了較大比例的外來水量。調(diào)查發(fā)現(xiàn)片區(qū)污水管網(wǎng)滿水管段合計(jì)占比超過污水管線總長的50%，整個(gè)片區(qū)污水系統(tǒng)長期處于高水位運(yùn)行狀態(tài)。這說明片區(qū)管網(wǎng)存在普遍的外來水入侵，造成排水系統(tǒng)運(yùn)行不暢。

圖2 污水處理廠進(jìn)水量Fig. 2 Influent flow of the wastewater treatment plant

（2）污水處理廠進(jìn)水濃度長期偏低。圖3 為片區(qū)污水處理廠2018 年1 月至2020 年12 月的進(jìn)水水質(zhì)情況，其中進(jìn)水COD 下降明顯，由2018 年的平均97 mg/L 降至2020 年的平均57 mg/L。結(jié)合水廠進(jìn)水量同步上升的趨勢，可以看出隨著片區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的完善，污水收集量提升的同時(shí)，也將更多外來水量納入了排水系統(tǒng)。從管道敷設(shè)條件看，因片區(qū)污水泵站較少，很多明挖施工和頂管施工的管段埋深較大（主干管為6.5~8.0 m），位于滲透系數(shù)較大的雜填土與素填土層內(nèi)，且處于地下水位線以下，建成管段易受地下水入滲影響而降低污水濃度。

圖3 污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)Fig. 3 Influent water quality of the wastewater treatment plant

為推進(jìn)片區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的綜合治理，該市于2019 年開展了污水系統(tǒng)提質(zhì)增效項(xiàng)目，對管網(wǎng)整體外來水入侵狀況進(jìn)行預(yù)診斷與評估將是項(xiàng)目的重要前置任務(wù)，可為管網(wǎng)整治修復(fù)工作的績效評估提供參考，也可為排水系統(tǒng)日常運(yùn)維提供指導(dǎo)。

3 片區(qū)外來水入侵狀況評估

排水系統(tǒng)外來水來源一般有地下水、地面雨水徑流、河湖倒灌水、自來水漏損和基坑排水等[5]。由于研究片區(qū)為雨污分流制，且實(shí)施過雨污混接整治，因此基本排除河湖倒灌因素。另外，自來水漏損、基坑排水等不是持續(xù)性的外來水源，并且在片區(qū)整治過程中已對現(xiàn)存的基坑排水進(jìn)行了控制（禁止排放至污水管道），因此地下水入滲和雨天時(shí)地面雨水徑流是本片區(qū)排水系統(tǒng)外來水的主要來源。

3.1 旱天地下水入滲量評估

3.1.1 經(jīng)驗(yàn)值法 經(jīng)驗(yàn)值法是指為便于排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，相關(guān)單位對代表性排水管道的地下水入滲量進(jìn)行實(shí)地測量，然后評估得到管道外來水入滲量估算指標(biāo)，以供評估時(shí)參考。在進(jìn)行管道實(shí)際水量水質(zhì)調(diào)查前，經(jīng)驗(yàn)值法是了解片區(qū)外來水總體狀況最直接有效的辦法。馮杭華等[7-8]對上海市10 條典型管道和居民小區(qū)管道的外來水入滲量進(jìn)行了實(shí)地測量，確定排水片區(qū)的外來水量可取原生污水總量的10%~20%，或按單位管長50~75 m3/(km·d)計(jì)，當(dāng)管齡長、埋深大且為流沙地質(zhì)時(shí)，應(yīng)采用指標(biāo)上限?！妒彝馀潘O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）中也根據(jù)國內(nèi)外研究提供了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)范圍，如表1 所示。

表1 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值法確定片區(qū)地下水入滲量Tab. 1 Groundwater infiltration amount of the catchment analyzed by the empirical value

研究片區(qū)2021 年日均用水量為3.6 萬m3/d，污水排放系數(shù)取0.85，由此得到理論原生污水量應(yīng)為3.06 萬m3/d，再結(jié)合表1 各項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，可得到片區(qū)地下水入滲量范圍。由于片區(qū)為流沙地質(zhì)，大部分管道埋設(shè)于地下水位以下，因此評估時(shí)按經(jīng)驗(yàn)值上限計(jì)算。其中德國和美國的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)都以管網(wǎng)服務(wù)單位面積為基準(zhǔn)提供參考值，而本次評估區(qū)域內(nèi)存在較多尚未配制排水管道的未開發(fā)區(qū)域，因此其評估結(jié)果的上限較高，不宜采用。根據(jù)上海、《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和日本經(jīng)驗(yàn)值指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果在(0.30~1.31) 萬m3/d，較符合本區(qū)域的實(shí)際情況。

3.1.2 現(xiàn)場試驗(yàn)法 為了更好地掌握本研究片區(qū)內(nèi)外來水入流入滲的實(shí)際情況，于2020 年11 月22 日和2021 年11 月10 日（均為旱天）對片區(qū)內(nèi)3 條污水管道的地下水入流入滲量進(jìn)行了現(xiàn)場測驗(yàn)。排水管道入滲量現(xiàn)場測定方法通常有3 種，即水桶量測法、標(biāo)尺水位定量法和抽水計(jì)量法。本次試驗(yàn)采用標(biāo)尺水位定量法。試驗(yàn)時(shí)需要選取長直無支管的管道，先用氣囊封堵上游來水，待排盡管內(nèi)水流后，再封堵管道下游，通過定時(shí)讀取封堵管道的液位，換算得到管內(nèi)入滲量。為便于掌握管道實(shí)時(shí)液位，現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)用在線水位計(jì)替代水位標(biāo)尺。

3 段管道的基本狀況和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。計(jì)算得到3 條管段單位管長的入滲量分別為111.60、86.78 和22.00 m3/(km·d)，其中管段1、2 結(jié)果高于表1 所示的上海典型管段經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，管段3 結(jié)果低于此范圍，因此不同管段管材、管齡、缺陷狀況等方面的差異，會導(dǎo)致其地下水滲入量出現(xiàn)差別。根據(jù)試驗(yàn)前期的管道CCTV（管道閉路電視）檢測記錄可知，3 條管道中只有管段1 出現(xiàn)了一級滲漏缺陷（點(diǎn)漏），另外2 條管道分別存在破裂和錯(cuò)口的結(jié)構(gòu)性缺陷，但現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)也測得了一定外來水入滲量，這表明破裂、錯(cuò)口等結(jié)構(gòu)性缺陷極易受到降雨、地下水位升降等因素的影響而演變成為滲漏缺陷，同樣會造成管道外來水入侵。根據(jù)以上實(shí)測結(jié)果，結(jié)合片區(qū)污水管網(wǎng)規(guī)模，得到片區(qū)整體地下水入滲量為(0.33~1.68)萬 m3/d，均值1.01 萬m3/d，其下限值位于經(jīng)驗(yàn)值法的計(jì)算結(jié)果范圍內(nèi)，而上限值則更高，這表明該片區(qū)管網(wǎng)的地下水入侵狀況相比經(jīng)驗(yàn)地區(qū)更為嚴(yán)重。由于同一片區(qū)的管道條件通常較為復(fù)雜，因此基于典型管段的現(xiàn)場試驗(yàn)法的評估結(jié)果也具有一定的不確定性，只能反映地下水入滲量的大致狀況。

表2 污水管道入滲量現(xiàn)場測定試驗(yàn)Tab. 2 Field measurement test of pipeline infiltration amount

3.1.3 水質(zhì)特征因子法 水質(zhì)特征因子法是利用管網(wǎng)污水中賦存的污染物作為示蹤劑（也稱水質(zhì)特征因子）來進(jìn)行外來水調(diào)查，由于水質(zhì)特征因子在管網(wǎng)中的濃度會隨外來水的進(jìn)入而產(chǎn)生突變，因此可通過管網(wǎng)中的特定水質(zhì)指標(biāo)濃度，來對系統(tǒng)外來水進(jìn)行定量評估[9]。解析原理如下所示，其中式（1）為排水系統(tǒng)水量平衡方程，式（2）為排水系統(tǒng)化學(xué)質(zhì)量平衡方程：

式中：QIN、CIN分別為旱天污水處理廠總進(jìn)水量和水質(zhì)；QSW、CSW分別為片區(qū)原生污水量和水質(zhì)；QGW、CGW為地下水入滲量和水質(zhì)；RGW為地下水入滲比，即地下水入滲量占進(jìn)廠總水量的比例，反映入滲的嚴(yán)重程度。

根據(jù)水質(zhì)特征因子的選取原則，理想的水質(zhì)特征因子在不同的排水系統(tǒng)水量來源中應(yīng)具有顯著的濃度差異，同時(shí)還應(yīng)能夠在線監(jiān)測。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，片區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)良好，地下水COD 濃度可以忽略不計(jì)（CGW≈0 mg/L），因此COD 指標(biāo)可以滿足不同水量來源濃度差異顯著的要求，并且各泵站和污水處理廠都安裝了COD 在線監(jiān)測儀，因此采用COD 指標(biāo)作為特征因子進(jìn)行地下水入流入滲狀況評估。

為了掌握片區(qū)原生污水的COD 濃度CSW，對片區(qū)內(nèi)379 處用水戶的污水排口全部進(jìn)行了水質(zhì)采樣檢測，采樣期間為旱天，除去無水流的排口和異常數(shù)據(jù)后，統(tǒng)計(jì)得到工業(yè)企業(yè)、公共建筑和居民小區(qū)3 種用水戶排放污水的COD 分布狀況。如圖4 所示，片區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)污廢水排放口最多，COD 濃度普遍較低，其中COD 低于100 mg/L的排口數(shù)量為91 個(gè)，占工業(yè)企業(yè)排口總數(shù)的46%，這部分工業(yè)廢水直接進(jìn)入管網(wǎng)，是造成原生污水濃度偏低的原因之一[10]。居民小區(qū)排口雖然數(shù)量較少，但是其排放COD 濃度高于工業(yè)企業(yè)，主要分布在300~400 mg/L。基于以上排口COD 濃度和2020 年各用水戶用水量進(jìn)行了加權(quán)平均，得到平均COD 濃度作為該片區(qū)原生污水的理論濃度CSW，計(jì)算用水量為3.16 萬m3/d，接近2021 年3.6 萬m3/d 片區(qū)日均總用水量，因此計(jì)算得到的理論原生污水濃度可代表整個(gè)片區(qū)的實(shí)際狀況，計(jì)算結(jié)果為CSW=158 mg/L?？紤]到片區(qū)范圍較大，污水在管網(wǎng)中的水力停留時(shí)間較長，管道微生物降解作用會使COD 沿程衰減[11]，取降解率7.5%計(jì)，即CSW=147 mg/L。

圖4 不同用水戶排放污水COD 濃度狀況Fig. 4 COD concentration of sewage discharged by different water users

QIN、CIN取連續(xù)5 個(gè)典型旱天污水處理廠的每日進(jìn)水量和進(jìn)水COD 均值，時(shí)間為2021 年9 月24 日至9 月28 日（5 日進(jìn)水量較為平穩(wěn)），其天氣狀況和水廠進(jìn)水水質(zhì)水量如表3 所示。

表3 典型旱天污水廠進(jìn)水狀況Tab. 3 Influent condition of wastewater treatment plant in typical dry days

根據(jù)式（3）對連續(xù)5 個(gè)旱天內(nèi)污水處理廠進(jìn)水的水量組成進(jìn)行了評估，結(jié)果如圖5 所示，連續(xù)5 個(gè)旱天的片區(qū)排水系統(tǒng)的地下水入滲量范圍為0.77~1.46 萬m3/d，均值為1.1 萬m3/d，地下水入滲比為18%~34%。

圖5 典型旱天地下水量入滲量Fig. 5 Groundwater infiltration amount of sewer system in typical dry days

因經(jīng)驗(yàn)值法受限于多種環(huán)境因素的影響，易導(dǎo)致不同地區(qū)評估結(jié)果差異性較大，故參考近似區(qū)域上海市的經(jīng)驗(yàn)值，得到入滲量范圍為（0.75~1.31）萬m3/d，均值1.03 萬m3/d?，F(xiàn)場試驗(yàn)法和COD 示蹤法均基于現(xiàn)場實(shí)測，入滲量范圍分別為（0.33~1.68）萬m3/d和（0.77~1.46）萬m3/d，均值分別為1.01 萬m3/d 和1.12 萬m3/d。綜合以上3 種方法的評估結(jié)果，得到片區(qū)地下水入流入滲量范圍為（0.33~1.68）萬m3/d，取其平均值1.01 萬m3/d 作為該片區(qū)的日均地下水入滲量評估值。

3.2 雨天入流入滲量評估

雨水進(jìn)入污水管道，將占據(jù)排污管道輸送空間，降低污水輸送效率，造成局部區(qū)域污水溢流，也會稀釋水廠進(jìn)水濃度。通過對比分析污水處理廠晴、雨天進(jìn)水量的變化，進(jìn)一步評估片區(qū)雨水入網(wǎng)的占比，評價(jià)方法如下：

式中：QRIN為片區(qū)雨天污水處理廠進(jìn)水量；由于QIN中已經(jīng)包含地下水入滲量，因此QRDII表示降雨導(dǎo)致的雨水入流入滲量；RRDII表示雨天入流入滲量占雨天水廠總進(jìn)水量的比例。

分別選取2 個(gè)典型旱雨天事件，每個(gè)事件分為3 個(gè)典型旱天（連續(xù)3 天進(jìn)水量平穩(wěn)）及緊接的3 個(gè)連續(xù)雨天，期間天氣和水廠的進(jìn)水狀況如表4 所示。其中旱天與雨天進(jìn)水水量和水質(zhì)都有明顯差異，因此可作為用于分析雨水入流入滲的典型降雨事件。

表4 典型旱雨天水廠進(jìn)水和天氣狀況Tab. 4 Wastewater treatment plant influent and climate conditions of typical dry and wet days

兩次降雨事件期間片區(qū)排水系統(tǒng)雨水入流入滲量分析結(jié)果如圖6 所示。其中降雨事件1 旱天進(jìn)廠本底水量為3.87 萬m3/d，降雨后的QRDII為（0.71~1.45）萬m3/d，QRDII為16%~27%；事件2 旱天進(jìn)廠本底水量為4.44 萬m3/d，降雨后的QRDII為（0.97~1.39）萬m3/d，QRDII為18%~24%。兩次分析結(jié)果比較接近，因此綜合得到降雨入流入滲量范圍為（0.71~1.45）萬m3/d，取其均值1.08 萬 m3/d 作為該片區(qū)雨水入流入滲的評估值。

圖6 典型雨天入流入滲量Fig. 6 Inflow and infiltration amount in typical wet days

3.3 片區(qū)日均進(jìn)廠污水量評估分析

綜上，根據(jù)用水量折算法得到片區(qū)理論原生污水量為3.06 萬m3/d，地下水入滲量為（0.33~1.68）萬m3/d，均值1.01 萬m3/d，每千米管長入滲量為67.0 m3/d，因此旱天日進(jìn)廠水量評估值為（3.39~4.74）萬m3/d，均值4.07 萬m3/d，地下水入滲比RGW為24%；雨天雨水入流入滲量為（0.71~1.45）萬m3/d，均值1.08 萬m3/d，單位管長為71.6 m3/(km·d)，因此雨天進(jìn)廠水量評估值應(yīng)為（4.10~6.19）萬m3/d，均值5.15 萬m3/d，雨水入流入滲比RRDII為21%。

4 結(jié) 語

針對污水處理廠進(jìn)水過量、水質(zhì)稀釋的現(xiàn)象，基于多種水量水質(zhì)調(diào)查方法，分析評估旱雨天情景下污水處理廠的日均進(jìn)水量組成，為后續(xù)提質(zhì)增效任務(wù)的目標(biāo)制定、績效評估和日常運(yùn)維提供了重要參考。

通過經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)法、現(xiàn)場試驗(yàn)法、水質(zhì)特征因子法評估的旱天排污系統(tǒng)單位管長地下水平均入滲量為67.0 m3/(km·d)，通過典型旱雨天水量對比分析得到片區(qū)單位管長雨水入流入滲量為71.6 m3/(km·d)，因此旱天日均進(jìn)水均值應(yīng)為4.07 萬m3/d，雨天應(yīng)為5.15 萬m3/d，與2021 年水廠實(shí)際進(jìn)水狀況較為符合。根據(jù)片區(qū)用水戶排污濃度調(diào)查，得到加權(quán)計(jì)算的原生污水COD 理論濃度為158 mg/L，這表明片區(qū)內(nèi)用水戶用水效率普遍偏低，是水廠進(jìn)水濃度較低的重要原因。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)法和水質(zhì)特征因子法評估得到的地下水入滲量和入滲率，均高于經(jīng)驗(yàn)值法的相關(guān)指標(biāo)，這表明受不同地區(qū)實(shí)際狀況的影響，外來水入滲狀況存在差異。