合流制管網(wǎng)截流倍數(shù)對(duì)污水廠的影響究竟如何？
合流制管網(wǎng)在城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)中占有較高比例，對(duì)城鎮(zhèn)污水處理有顯著影響。為減少直排污染，合流制管網(wǎng)普遍采用截流倍數(shù)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。
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從年度尺度來看，合流制管網(wǎng)比例高低與污水廠雨旱季進(jìn)水流量的波動(dòng)幅度沒有明顯關(guān)聯(lián)，而地下水埋深對(duì)污水廠進(jìn)水污染物濃度影響顯著。
流制管網(wǎng)的截流倍數(shù)，在實(shí)踐中的效果和指導(dǎo)意義應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。截流倍數(shù)在地下水埋深較淺的地區(qū)的指導(dǎo)意義不強(qiáng)。
城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)系統(tǒng)的防滲補(bǔ)漏、質(zhì)量提升、溢流污染控制更加值得關(guān)注。
詳細(xì)分析版
為減少合流制管網(wǎng)帶來的沖擊負(fù)荷、溢流污染等問題，在新建管網(wǎng)大力推行雨污分流的基礎(chǔ)上，合流制管網(wǎng)也在采取截流的方式進(jìn)行改造。按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要求，合流制管網(wǎng)的截流倍數(shù)宜選用2~5，考慮到合流制管網(wǎng)普遍在現(xiàn)行國標(biāo)頒布實(shí)施之前建成，截流倍數(shù)一般不超過1，這也意味著對(duì)于雨季，大部分場(chǎng)次的降雨將給合流制管網(wǎng)下游的污水處理廠增加1倍的處理水量，同時(shí)也會(huì)對(duì)污水處理廠進(jìn)水濃度造成稀釋，影響污水處理廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
有研究發(fā)現(xiàn)在降雨的時(shí)候，雨水進(jìn)入合流制管網(wǎng)的量超過污水量100%，對(duì)污水處理廠的運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響;翁晟琳等分析發(fā)現(xiàn)，浙江臺(tái)州地區(qū)雨天雨水混入量約占雨天日均污水量的24.2%，隨著降雨量增大，雨水混入比例由10%升高至35%，最后趨于27%。
1研究對(duì)象和方法
由于從全國范圍直接監(jiān)測(cè)管網(wǎng)水量數(shù)據(jù)難度很大，考慮利用我國行業(yè)主管部門的全國城鎮(zhèn)污水處理管理信息系統(tǒng)關(guān)于污水處理廠最近兩年的逐月處理水量和主要水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合我國降雨和地下水文等統(tǒng)計(jì)信息，對(duì)典型地區(qū)、典型污水處理廠的進(jìn)水水量和水質(zhì)結(jié)合進(jìn)行，探索其中的規(guī)律。
1.1典型地區(qū)的選取
我國南北方地區(qū)差異較大，為了研究降雨規(guī)律對(duì)合流制管網(wǎng)的影響作用，先從降雨特征劃分典型地區(qū)。于文勇研究了中國地區(qū)持續(xù)性降雨的規(guī)律，將中國大陸地區(qū)大致分為了5個(gè)特征區(qū)域(見圖1)，其中1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)涵蓋經(jīng)濟(jì)社會(huì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域，影響人口最多。1區(qū)包括東北大部分地區(qū)和華北部分地區(qū)，該區(qū)域的特點(diǎn)是降雨集中在夏季，無論是短歷時(shí)強(qiáng)降雨還是長歷時(shí)持續(xù)性降雨，以及降雨的總量，都占到全年雨量的絕大多數(shù)(見圖2)。
為減少降雨規(guī)律本身的復(fù)雜性帶來的影響，本文主要針對(duì)1區(qū)和3區(qū)的污水處理廠特征進(jìn)行分析，并結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的完整性確定典型省(市)，1區(qū)選擇北京、遼寧、黑龍江，3區(qū)選擇浙江、福建、江西、湖南、廣東。
1.2典型污水處理廠的選取
從以下兩個(gè)因素考慮選擇典型污水處理廠：
一是污水處理廠規(guī)模大。這意味著服務(wù)的范圍大、面積廣，生活污水的日變化系數(shù)影響小，而雨水的收集區(qū)域大，影響顯著。依據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014—2006，2016年版)，日平均流量越大、日變化系數(shù)越低，超過1000L/s的污水處理廠日變化系數(shù)為1.3，為此將8.64萬m3/d作為低限。此外，規(guī)模較大的污水處理廠管理也較為規(guī)范，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性更高。
二是設(shè)施運(yùn)行穩(wěn)定。選取的污水處理廠應(yīng)至少穩(wěn)定運(yùn)行3年以上，一方面工藝、管理都較為成熟，另一方面，運(yùn)行期長的污水處理廠建成時(shí)間早，其收水范圍內(nèi)合流制管網(wǎng)的比例可能更高。經(jīng)過初步篩選，選擇了北京、遼寧、黑龍江、浙江、福建、江西、湖南、廣東共56座污水處理廠，平均規(guī)模25.1萬m3/d，平均運(yùn)營時(shí)間13.2年。
2主要分析結(jié)果
2.1合流制管網(wǎng)截流雨水對(duì)污水處理廠的影響有限
一般認(rèn)為，在雨季時(shí)由于合流制管網(wǎng)截流了1~5倍旱季流量的雨水，會(huì)對(duì)下游污水處理廠產(chǎn)生短時(shí)間較大的影響，由此推斷，合流制管網(wǎng)比例越高、這種影響就會(huì)越顯著，污水處理廠的夏季進(jìn)水量應(yīng)明顯高于冬季進(jìn)水量。為此，根據(jù)《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》各省份的雨污分流比例，對(duì)1區(qū)域和3區(qū)域部分省份進(jìn)行了分析(見表1)。
從圖3和圖4可看出，雨污合流管網(wǎng)比例較低的北京市，其污水處理廠負(fù)荷率峰值(7月前后)比低谷(2月左右)高約20%，而雨污合流比例較高的黑龍江、遼寧地區(qū)，污水處理廠負(fù)荷率峰谷波動(dòng)幅度僅為10%左右，雨污合流比例高的地區(qū)，其污水處理廠負(fù)荷率的波動(dòng)反而小。對(duì)南方地區(qū)的負(fù)荷率分析也有相似的結(jié)論(見圖5)，即雨污合流的比例與污水處理廠雨旱季進(jìn)水量波動(dòng)幅度似乎沒有直接聯(lián)系。
造成這一現(xiàn)象可能有以下幾個(gè)原因：
一是合流制管網(wǎng)截流的雨水只是在降雨后短期內(nèi)產(chǎn)生，對(duì)污水處理廠運(yùn)行的影響主要在雨后1天之內(nèi)，在月度和年度尺度很難反映;
二是污水處理廠安全余量有限，上述這些地區(qū)的典型污水處理廠旱季的平均運(yùn)行負(fù)荷率已經(jīng)高達(dá)90%以上，部分廠甚至處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，在雨季時(shí)根本沒有富余空間去接納截流的過量雨水，為了保證污水處理廠安全，一旦截流的雨水量過多，必須采取安全措施讓雨水超越、溢流，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上就是雨水對(duì)污水處理廠水量的影響不明顯;
三是夏季時(shí)，居民用水量本身也有增多。有研究表明，夏季的用水量比冬季要高10%左右，因此，污水處理廠運(yùn)行負(fù)荷率峰谷差值在10%以內(nèi)，可認(rèn)為是由于居民用水正常波動(dòng)引起的，不能認(rèn)為全是因?yàn)楹狭髦乒芫W(wǎng)截流雨水造成的。
2.2地下水埋深對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠效能的影響是首要的
進(jìn)一步的分析表明，合流制管網(wǎng)對(duì)城鎮(zhèn)污水處理的影響不在于截流倍數(shù)，而是管網(wǎng)本身的漏損、錯(cuò)接等造成的淺層地下水滲入。針對(duì)表1、圖3~圖5所體現(xiàn)出來的規(guī)律，將其與我國地下水埋深分布情況(見圖6、圖7)進(jìn)行空間分析。
由圖6和圖7可見，無論南方還是北方地區(qū)，降雨在一年中對(duì)地下水埋深的影響是很小的，地下水的水位變化不隨季節(jié)變化而大起大落;特別是在城市建成區(qū)域，由于地面大面積硬化阻礙了雨水的下滲，雨水對(duì)地下水埋深的直接影響就更小了。因此，合流制管網(wǎng)截流的雨水不是造成污水處理廠水量季節(jié)波動(dòng)的主要因素，而地下水埋深較淺造成的內(nèi)滲水，會(huì)增加污水處理廠的總水量，降低冬夏季的水量波動(dòng)幅度。
地下水滲入的另一個(gè)副作用是稀釋了進(jìn)入污水處理廠的污水。從城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水主要污染物濃度(以COD為例，見表2)也可以發(fā)現(xiàn)，北方地區(qū)污染物濃度高，南方地區(qū)(主要是指地下水位高的區(qū)域)污染物濃度低，最高值是最低值的3.6倍。而南北方地區(qū)的居民用水習(xí)慣、飲食習(xí)慣差異，并不足以解釋造成如此大偏差的原因。
綜合以上分析可以看出，在長周期、大范圍尺度下，合流制管網(wǎng)的截流倍數(shù)影響并不顯著，特別是在一些地下水埋深淺的地區(qū)，隨著時(shí)間推移，管道破損、滲漏現(xiàn)象是不可能完全杜絕的，無論冬季夏季地下水都在向管道內(nèi)滲漏，合流制管網(wǎng)總是處于滿管流的狀態(tài)，截流倍數(shù)在這種情形下事實(shí)上已經(jīng)失效了，失去了指導(dǎo)意義。對(duì)于城市建設(shè)來說，當(dāng)?shù)叵滤坏陀诔鞘泄芫W(wǎng)埋深時(shí)，管網(wǎng)工況以污水外滲為主，因此，這些地區(qū)在進(jìn)行合流制管網(wǎng)改造時(shí)，提高截流倍數(shù)、控制管網(wǎng)漏損較為重要，而對(duì)于地下水位高于城市管網(wǎng)埋深時(shí)，管網(wǎng)工況以地下水內(nèi)滲、稀釋污水為主，降雨時(shí)溢流污染會(huì)加劇，這些地區(qū)管網(wǎng)改造的首要任務(wù)不應(yīng)是雨污分流和提高截流倍數(shù)而是補(bǔ)漏，盡可能降低旱季管網(wǎng)運(yùn)行水位，避免多水合一，只要污水處理廠濃度提上去，進(jìn)入環(huán)境的污水量自然就降下來了。
3結(jié)論
(1)合流制管網(wǎng)截流的雨水，對(duì)污水處理廠的沖擊主要是短暫的瞬時(shí)沖擊，從年度變化來看，扣除供水量季節(jié)變化等影響因素外，雨季的平均污水處理量比非雨季時(shí)增加幅度有限。
(2)地下水埋深對(duì)污水處理廠影響更大，主要體現(xiàn)在進(jìn)水污染物濃度上，但最終都會(huì)影響該地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的持續(xù)改善。今后的排水與污水處理規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，應(yīng)加強(qiáng)模型等現(xiàn)代方法的應(yīng)用，統(tǒng)籌考慮水量和水質(zhì)的關(guān)系。
(3)合流制管網(wǎng)的截流倍數(shù)參數(shù)，在實(shí)踐中的效果和指導(dǎo)意義應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。在地下水埋深淺的地區(qū)，合流制管網(wǎng)平時(shí)就是滿管流，簡單用截流倍數(shù)考慮管網(wǎng)設(shè)計(jì)和管理，將失去“截流”的本意。
（對(duì)原文有刪減，-原文標(biāo)題：合流制管網(wǎng)截流雨水對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠處理效能影響分析，作者：陳瑋、程彩霞、徐慧緯、高偉、趙曄;作者單位：住房城鄉(xiāng)建設(shè)部城鄉(xiāng)規(guī)劃管理中心;刊登在《給水排水》2017年10期。）
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