城市污水分區(qū)排水管網(wǎng)排查中的水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)研究

王言之

（青島市排水運(yùn)營(yíng)服務(wù)中心，山東 青島 266000）

引言

城市級(jí)排水系統(tǒng)是現(xiàn)代化生活中最為重要的基礎(chǔ)性設(shè)施，其承擔(dān)著城市給排水的收集、運(yùn)輸與處理工作，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)、負(fù)擔(dān)較大，在長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中容易出現(xiàn)因地基變形、管道銹腐、水質(zhì)變化而引發(fā)的給排水管道功能性缺陷或結(jié)構(gòu)性問(wèn)題。想要保障城市給排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，及時(shí)排除隱患，需要相關(guān)管理部門(mén)加強(qiáng)對(duì)城市污水分區(qū)排水管網(wǎng)的關(guān)注，借助更科學(xué)的水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)優(yōu)化排水管網(wǎng)排查工作的質(zhì)量，避免水質(zhì)隱患問(wèn)題對(duì)排水管道、周邊建筑物、公共交通乃至城市用水安全、周邊生態(tài)環(huán)境等造成負(fù)面影響。

1 城市污水分區(qū)排水管網(wǎng)運(yùn)行以及排查工作中常見(jiàn)的問(wèn)題

近幾十年來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷提速，在現(xiàn)代化城市覆蓋范圍不斷擴(kuò)張的基礎(chǔ)上，配套的排水管網(wǎng)建設(shè)效果卻稍顯落后。城市污水分區(qū)排水管網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程中存在一定的負(fù)面問(wèn)題。排水管道在制造、運(yùn)輸、敷設(shè)以及運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的諸如沉積、管道銹腐、管道變形、異物穿入、雜質(zhì)冗余等情況都會(huì)導(dǎo)致排水管出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性、功能性故障；傳統(tǒng)直流式、合流式流制所存在的改造難度大、污染程度高等問(wèn)題致使城市部分區(qū)域雨污混接現(xiàn)象普遍；地下排水系統(tǒng)既有的不良土壤、工程開(kāi)挖遺留問(wèn)題等所造成的管道、水質(zhì)負(fù)面影響都是現(xiàn)階段城市污水分區(qū)排水管網(wǎng)急需解決與優(yōu)化的問(wèn)題[1]。為緩解上述問(wèn)題，應(yīng)該基于城市污水分區(qū)排水管網(wǎng)的運(yùn)行情況構(gòu)建相對(duì)科學(xué)的排查工作體系，定期對(duì)排水管的質(zhì)量以及水質(zhì)等進(jìn)行檢測(cè)，為后期的修復(fù)、養(yǎng)護(hù)、升級(jí)改造等工作提供基礎(chǔ)依據(jù)[2]。

2 現(xiàn)階段城市污水分區(qū)管網(wǎng)排查中常用的檢測(cè)技術(shù)方案

2.1 排水管網(wǎng)流量檢測(cè)技術(shù)

水質(zhì)是衡量城市污水分區(qū)排水管網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的核心依據(jù)，為強(qiáng)化水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用效果，應(yīng)采用更專業(yè)的檢測(cè)工具對(duì)排水管網(wǎng)中的各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行提取與分析，判斷綜合水質(zhì)是否滿足國(guó)家相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。而排水管網(wǎng)流量檢測(cè)技術(shù)方案能夠利用管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)或是敷設(shè)在雨污混接點(diǎn)的流量計(jì)量設(shè)備，對(duì)不同管道中諸如生活污水、工業(yè)污水、雨水等進(jìn)行計(jì)量分析[3]。綜合判斷地下水深入狀態(tài)，反映管道的整體狀況的過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域的排水管進(jìn)行前期調(diào)研，并在管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中安裝壓力損失較好且測(cè)量范圍較大的流量計(jì)，以滿足不同時(shí)段具有較大差異的流量檢測(cè)需求[4]。

現(xiàn)代城市污水分區(qū)排水管網(wǎng)污水檢測(cè)工作中常用的流量計(jì)類(lèi)型可以分為電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。其中以多普勒超聲波流量計(jì)的應(yīng)用范圍更廣、使用效果更好，踐行該技術(shù)方案的過(guò)程中需同步配備超聲波發(fā)射器以及水深壓力傳感器，在此之中超聲波發(fā)射器會(huì)利用相位差法對(duì)排水管中的水流流速進(jìn)行測(cè)量，而后利用探頭發(fā)出能夠在液體中傳播的聲波，最終利用接收器接收并分析聲波[5]。相較于水質(zhì)較好的給排水而言，污水中往往存在更多的氣泡或顆粒狀雜質(zhì)，因此在超聲波接觸到水中的雜質(zhì)時(shí)，相關(guān)系統(tǒng)中的超聲波接收器所接收信號(hào)的頻率與相位便會(huì)發(fā)生改變，以此系統(tǒng)所生成的數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生一定變化，產(chǎn)生多普勒頻移，進(jìn)而測(cè)量出相關(guān)水體的流速。除此之外，相關(guān)傳感器還可以利用水壓分析水體的高程、面積等數(shù)據(jù)，再結(jié)合速度面積流量法獲得排水瞬時(shí)流量，其公式如下：

公式（1）（2）中，?f標(biāo)識(shí)為超聲波發(fā)射裝置與接收換能器之間的頻率差；f0標(biāo)識(shí)為超聲波發(fā)射的固定頻率，其單位為Hz；A表示被測(cè)量管道的橫截面積，其單位為m3；θ表示為超聲波與流體流速方向之間的夾角；c標(biāo)識(shí)為相關(guān)設(shè)備所發(fā)出超聲波在給排水中的傳播速度，單位為m/s；v表示為給排水傳播速度，單位為m/s。

在明確排水流速后，還需要利用用水量折算法計(jì)算排水管網(wǎng)中的污水差值[6]?；谂潘到y(tǒng)中水量是由原生污水以及地下水滲入相組合而成的原理，利用目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的供水量估算排水系統(tǒng)中的原生污水，如城市生活用水、工業(yè)用水等。其公式如下：

公式（3）中，Qi表示為目標(biāo)測(cè)量排水管網(wǎng)中地下水的滲入量，單位為m3；Qa表示為非雨雪天氣下排水管網(wǎng)中的總污水量，單位為m3；P表示為目標(biāo)排水管網(wǎng)所覆蓋的區(qū)域人口數(shù)量；Tw表示為區(qū)域范圍人均、日均生活廢水量，單位為m3/d；Qin表示為區(qū)域范圍內(nèi)日均產(chǎn)生的工業(yè)廢水量，單位為m3/d。

2.2 水質(zhì)特征因子檢測(cè)指標(biāo)

可利用化學(xué)質(zhì)量平衡法對(duì)排水管網(wǎng)中的各類(lèi)水質(zhì)因子進(jìn)行檢測(cè)與分析。相對(duì)而言，一個(gè)泵站受納范圍內(nèi)的排水管網(wǎng)更傾向于一個(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng)，因此在無(wú)特殊情況（降水、地下滲水等）下，排水管網(wǎng)之中污染物的輸入與輸出具有一定的平衡關(guān)系[7]。利用化學(xué)質(zhì)量平衡法對(duì)管網(wǎng)中主要來(lái)水的表征來(lái)源進(jìn)行跟蹤分析，獲取不同的水質(zhì)參數(shù)，并對(duì)各種來(lái)水建立聯(lián)立方程組，從而定量分析各種來(lái)水中的污染因子成分定量。其約束條件公式如下：

公式（4）－（6）中，Pi表示為特定區(qū)域范圍內(nèi)第i個(gè)水質(zhì)特征因子；Ai表示為第i個(gè)來(lái)水的水量比例；Cii表示為特定區(qū)域范圍內(nèi)第i個(gè)來(lái)水的第i個(gè)水質(zhì)特征因子濃度，單位為mg/L；Qi表示為第i個(gè)非雨雪天氣下來(lái)水的總水量，單位為m3；Q表示為該區(qū)域范圍內(nèi)非雨水天氣的總排水流量，單位為m3；n表示為不同排水來(lái)源的水量。

基于城市污水分區(qū)排水管網(wǎng)的工作性質(zhì)進(jìn)行分析，其既有的水質(zhì)特征分子可以分為水下微生物、氨氮元素、去污劑等類(lèi)別，但隨著城市居民生活質(zhì)量的提升，生活用水污染物以及工業(yè)污染物的種類(lèi)也發(fā)生了一定改變[8]。本次研究選取常見(jiàn)的CODCr（化學(xué)需氧量）、BOD5（生化需氧量）、NH3-N（氨氮）、pH（酸堿度）為水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分析，探求S市某污水分區(qū)排水管網(wǎng)水質(zhì)。

3 案例概述

S市某污水分區(qū)位于該市西南方，其總面積為105.28 m3，合流制區(qū)域面積約占總面積的68%，其中所收集的污水全部轉(zhuǎn)移至S市南部的污水處理廠進(jìn)行統(tǒng)一處理。結(jié)合該區(qū)域2021年的管線普查數(shù)據(jù)可知，該污水分區(qū)排水管網(wǎng)總長(zhǎng)度約為685 km。該污水分區(qū)常住人口約為822 126人，南部污水廠日均處理水量維持在30萬(wàn)t左右，污水處理廠進(jìn)水的年平均BOD5濃度約為65.23 mg/L，能夠承擔(dān)S市污水分區(qū)中53.1%的生活與工業(yè)污水，整體進(jìn)水濃度及城市生活/工業(yè)污水處理率較差。

4 基于案例的水質(zhì)檢測(cè)方案與結(jié)果

4.1 水質(zhì)檢測(cè)方案

基于案例污水分區(qū)排水管網(wǎng)分布情況，選取污水主管接入干管節(jié)點(diǎn)下、游節(jié)點(diǎn)以及主要污水排水口節(jié)點(diǎn)共12處作為本次水質(zhì)檢測(cè)的主要節(jié)點(diǎn)，采用排水管網(wǎng)流量監(jiān)測(cè)與水質(zhì)特征因子分析相結(jié)合的技術(shù)方案對(duì)該區(qū)域排水管網(wǎng)內(nèi)污水水質(zhì)變化進(jìn)行研究。同時(shí)選取甲、乙、丙三個(gè)建設(shè)年代的小區(qū)為目標(biāo)，分別對(duì)其化糞池前端、化糞池后端以及小區(qū)與市政管網(wǎng)交接處的污水進(jìn)行采樣，分析小區(qū)污染物排放特征。本次選取的檢測(cè)指標(biāo)為CODCr、BOD5、NH3-N、pH值，為保障檢測(cè)質(zhì)量，選擇在降雨后72 h的晴天開(kāi)展檢測(cè)工作，并依照不同節(jié)點(diǎn)的特殊性以及用水高低峰設(shè)置檢測(cè)頻次。其中，針對(duì)關(guān)鍵的排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連續(xù)檢測(cè)72 h，同時(shí)保持每24小時(shí)中的用水高峰期（7∶00～9∶00 pm）用水低峰期（2∶00-4∶00 am）各檢測(cè)一次；針對(duì)源頭小區(qū)節(jié)點(diǎn)共檢測(cè)24 h，主要在用水高峰期對(duì)不同點(diǎn)位進(jìn)行3次檢測(cè)，每次檢測(cè)工作結(jié)束后需間隔30 min以上方可進(jìn)行下一次的檢測(cè)。

4.2 水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的排水流速以及污染物濃度進(jìn)行檢測(cè)與計(jì)算。污水分區(qū)排水主干管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的BOD5平均濃度為45.12 mg/L，整體污染物濃度較低，水質(zhì)較好。以污水處理廠為終點(diǎn)，分析不同污水干渠、干管或是截污管內(nèi)污水匯入至主干管網(wǎng)后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的污染物濃度變化趨勢(shì)。源頭小區(qū)污水匯入至市政排水主管網(wǎng)之前，不同節(jié)點(diǎn)之中的污水污染物濃度趨于一致且相對(duì)較低。甲乙丙三個(gè)小區(qū)匯入市政排水主管網(wǎng)前BOD5的平均濃度分別為59.50 mg/L、60.50 mg/L以及62.48 mg/L。參考相關(guān)部門(mén)所頒布的《第二次全國(guó)污染源普查生活污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)（試用版）》對(duì)相關(guān)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算[9]?？芍繕?biāo)污水分區(qū)所在S市屬于較為發(fā)達(dá)的城市，因此人均產(chǎn)污系數(shù)的平均值應(yīng)在116 mg/L以下，可知三個(gè)小區(qū)排水節(jié)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)值要遠(yuǎn)低于理論計(jì)算數(shù)值。

對(duì)三個(gè)小區(qū)的化糞池前、后污水污染物濃度進(jìn)行檢測(cè)，可知不同小區(qū)化糞池后污水中BOD5的濃度都要稍高于化糞池之前，結(jié)合化糞池自身對(duì)水質(zhì)的影響機(jī)制，整理水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，如圖1。

圖1 甲乙丙源頭小區(qū)不同節(jié)點(diǎn)的污水 BOD5 濃度比較圖

結(jié)合水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，可推測(cè)源頭小區(qū)內(nèi)部排水管網(wǎng)可能存在外水入侵（地下滲水、鄰近河水倒灌），或是管網(wǎng)破裂等問(wèn)題，導(dǎo)致小區(qū)污水匯入市政管網(wǎng)之前的濃度要低于匯入市政管網(wǎng)后的濃度。同時(shí)三個(gè)小區(qū)也可能存在化糞池掏清工作不及時(shí)、不到位的情況，最終導(dǎo)致化糞池后污水濃度普遍高于化糞池前的問(wèn)題[10]。

除此之外，對(duì)三個(gè)小區(qū)早、中、晚三個(gè)時(shí)間段的污水出戶井水質(zhì)水位進(jìn)行測(cè)量，得出結(jié)果如表1所示。結(jié)合表中數(shù)據(jù)可知，三個(gè)源頭小區(qū)每日排水BOD5濃度范圍在25.4～115.2 mg/L之間浮動(dòng)，過(guò)程中其閾值都沒(méi)有超出116 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。但由于居民生活習(xí)慣的影響，使得早中晚三個(gè)時(shí)間段中排水的水質(zhì)變化較大，并且新建小區(qū)（丙）的出戶井濃度要高于老舊居住小區(qū)（甲乙），最高濃度鄰近116 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 三個(gè)小區(qū)早、中、晚三個(gè)時(shí)間段的污水出戶井水質(zhì)水位檢測(cè)結(jié)果

4.3 基于檢測(cè)結(jié)果的污水分區(qū)排水管網(wǎng)排查方案優(yōu)化方向

基于上述結(jié)果，依照問(wèn)題的嚴(yán)重程度，相關(guān)工作人員提出應(yīng)優(yōu)先開(kāi)展市政排水管網(wǎng)的排查工作，而后再基于小區(qū)的新舊程度以及實(shí)際污水濃度依次開(kāi)展不同程度的排查與治理工作。同步采用了管道潛望鏡（QV）、閉路電視檢測(cè)（CCTV）、聲吶檢測(cè)（SI）等輔助類(lèi)檢測(cè)設(shè)備與技術(shù)。明確優(yōu)化方案后，針對(duì)既有的排查結(jié)果進(jìn)行重新排查，并對(duì)上述案例中污水濃度更高或是存在顯著問(wèn)題的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)排查與檢測(cè)。

最終得出如下排查結(jié)果：（1）源頭小區(qū)與當(dāng)?shù)匮睾?、沿江管網(wǎng)交界處的截污干管存在江河水倒灌的問(wèn)題，而這也是導(dǎo)致源頭小區(qū)管網(wǎng)污水濃度較高的主要原因。且新建丙小區(qū)周邊截污干管存在溢流口拍門(mén)密封不嚴(yán)的情況，致使河水以及地下水倒灌至截污干管中，導(dǎo)致水質(zhì)變差；（2）本地沿河、沿江截污干管的截污井常處于滿流狀態(tài)，考慮是污水分區(qū)排水管網(wǎng)系統(tǒng)不完善、管道破損、排水管渠埋深過(guò)高或是相關(guān)工作人員工作效果不佳所致，導(dǎo)致其水質(zhì)較差且排污性能不佳。相關(guān)部門(mén)可以結(jié)合實(shí)際情況采用具有實(shí)際效益的補(bǔ)漏與更換方案。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合城市排水管網(wǎng)的實(shí)際排查與管理工作需求，采用更具針對(duì)性的水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)方案是治理城市黑臭水體、提升污水處理系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的基礎(chǔ)。以城市污水分區(qū)為基礎(chǔ)，對(duì)排水管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)、分析并制定排水管網(wǎng)排查工作方案，對(duì)整體城市給排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)而言具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)排水管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)水質(zhì)的判斷有助于相關(guān)技術(shù)人員精準(zhǔn)判斷管網(wǎng)存在的重大問(wèn)題，進(jìn)一步計(jì)算、篩選出需要重點(diǎn)檢測(cè)與治理的區(qū)域，以此有效減少排水管網(wǎng)的排查時(shí)間，降低支出成本。