台州市生活污水处理厂设计水量中雨水混入比例研究

翁晟琳,李一平,卢绪川,戚 文

(河海大学环境学院,江苏 南京 210098)

台州市生活污水处理厂设计水量中雨水混入比例研究

翁晟琳,李一平,卢绪川,戚 文

(河海大学环境学院,江苏 南京 210098)

基于台州市椒江区2014年污水处理厂进水量和雨量监测站的数据,进行污水处理厂日进水量频率分析和城镇污水管网中雨水混入比例分析,从而对污水处理厂设计水量进行修正。结果表明:小雨、中雨、大雨、连续暴雨时的污水量分别是晴天污水量的1.29、1.53、1.77、2.31倍;地下水与河水渗入量约占晴天日均污水量的24.1%,雨天雨水混入量约占雨天日均污水量的24.2%;随着降雨量增大,雨水混入比例由10%升高至35%,最后趋于27%;滨海城市生活污水处理厂设计水量中雨水混入比例可定为25%～30%。

雨水混入比例;入渗流量;设计水量;污水处理厂规模

目前,我国的排水体制主要有4种:合流制、截留式合流制、分流制、混合制[1]。我国大多数城市,尤其是老城区,采用雨污合流、混流制的排水系统,且存在管网淤塞、错接、破损、检查井渗漏、排水体制混乱等问题,导致雨水、地下水等外水直接或间接地进入管网,这些混入的外水称为入渗流量。滨海城市地处临江临海,城市河网水系相互连通,一方面,由于降雨天数多,雨量充沛,且地下水位高,雨水难以排出,致使内涝频发;另一方面,由于地质松软,排水管网管理和维护体制欠缺,管道易淤塞、破损、混接。因此,污水处理厂设计规模与实际进水量相差较大[2-3],明确管网中雨水混入比例是亟须解决的问题。

针对入渗流量对排水系统的影响,国内外均有定性和定量的研究。为证明排水系统中雨水混入量的存在,薛梅等[4]采用晴天污水量法计算了日本某下水道中的不明水量,研究表明雨水流入量与降雨量有良好的相关性;金银[5]的研究表明,对于合流制管网,在不同降雨重现期的条件下,污水厂的总进水量均远远超过设计能力;董景春[6]指出由于管道老化,市政排污量中还包括不少的雨水(地表径流);为研究雨水混入量的变化规律,Brombach等[7]研究发现,入渗流量具有季节性,冬季与夏季差距可达10倍以上;水中H、O元素可作为稳定同位素[8],如De等[9]指出可采用氧同位素测定排水系统入渗率的日变化规律;Lee[10]提出根据流量数据识别入渗流量来源并确定合适的调查方法;张齐云[11]对污水处理厂的排污口进行晴雨天水量、水质的监测,发现雨天流量是晴天流量的1.8～4.6倍,雨天TN、TP均是晴天浓度的3倍以上;盛政等[12]对污水管网进行总体模拟分析,得出6%的降雨量进入了污水管网;吴兆申等[13]指出连续5 d暴雨,降水量达200 mm以上,污水处理厂进水量可比同期晴天增加60%。目前,国内外的研究主要集中在晴雨天流量变化的定性研究和排水系统中外水入渗率的测定,结论一般具有普遍性与广泛性,而关于滨海城市生活污水处理厂设计水量中雨水混入比例的研究较少。

污水处理厂的设计水量是其设计和运行的基础,直接关系其工艺的选择[14],雨水混入和地下水入渗使其规模的确定更为复杂。在预测污水处理厂的污水量时,通常参照排水设计手册、规范等所确定的各项指标[15],但排水设计手册和规范中均未对此进行明确规定,实际问题中污水管网的雨水、地下水入流入渗率一般取10%。笔者针对滨海城市生活污水处理厂设计水量中的雨水混入比例开展研究,进行污水处理厂日进水量频率分析以及污水管网中雨水混入量分析,从而得出适用于滨海城市生活污水处理厂的雨水混入比例的取值范围,以期为滨海城市生活污水处理厂设计水量的合理确定提供科学依据。

1 研究区域概况与方法

1.1 研究区域概况

选取典型的滨海城市——台州市椒江区进行研究。椒江区是台州市行政中心驻地,地处浙江省东部沿海,东濒东海,西临黄岩区,南连路桥区,北接临海市,是浙江东部的海上门户。椒江区境内河道纵横交错,除椒江系自然河流外,平原河流大多由人工开挖而成,呈纵横经纬格局。区内共有356条河道,总长度665.3 km,河道水域面积为43.69 km2,河道容积25 300万m3。

台州市椒江区属亚热带季风气候,温暖湿润,四季分明。多年平均降水深为1 563 mm,降水量为155.1亿m3,年降水天数为140～180 d。降雨时空分布不均,空间分布上西南部大于北部、东部,山丘区大于盆地、平原,海岛最小;时间分布上,不仅年际有差别,而且年内分配与季风进退时间及台风活动密切相关。每年4—6月的梅雨期及7—10月的台风期的降水量往往达全年降水量的75%～85%。

椒江的排污管线以江为界分为椒南、椒北两大系统,相对独立,各成体系。城区的主要管线为化工污水管、北线污水管、南线污水管、开发大道污水管和滨海污水管5大线路系统。排污体制主要为雨污合流制,问题集中在管网破损与排水体制混乱。随着社会经济的发展,用水量提高,与此同时,污水处理厂进水量存在晴雨天变化大、昼夜变化大等问题,雨天污水处理厂水量严重超过设计处理负荷,进水出水存在超标现象。因此,合理确定污水处理厂设计水量中的雨水混入比例尤为重要。

1.2 数据来源及计算方法

1.2.1 数据来源

研究所使用的污水量数据来自椒江污水处理厂提供的运行参数月报表(2014年1—12月)。降雨量数据来自台州市椒江区栅浦闸、葭沚闸、杨司、海门、岩头闸、殿后陶、经四路、建设闸、井马水库、洪家和滨海工业园11个雨量站(图1)提供的日降雨量数据(2014年1—12月)。

图1 椒江区雨量站位置

1.2.2 进水量保证率计算方法

保证率是指在某一时段内,某一要素值高于或低于某一界限的频率的总和,用于说明该种状况出现的可靠程度[16]。如污水处理厂进水量a的保证率为n%,即表示日进水量在100天中可有n天保证不超过a。保证率通过频率累计的统计计算得出。将污水处理厂日进水量降序排列,由大到小进行频率累计并记录,以进水量组限下限值为横坐标,对应保证率为纵坐标作散点图,并拟合为平滑曲线,即可得到保证率变化曲线,以及各保证率所对应的进水量,进水量值越细分,所得结果越精确。

1.2.3 雨水混入率的定量分析方法

借鉴评估地下水渗入排污管道的方法,采用水量平衡法中的三角法[17],对污水管网中的雨水混入率进行定量分析。将一年的日均污水量按升序排列,进行均一化处理:将时间除以一年总天数,日均污水量除以一年中的最大日污水量。以晴雨天占一年总天数的比例为横坐标,日污水量占最大日污水量的比例为纵坐标,建立坐标系,将数据绘于图表中,可得到一条曲线,见图2。图2中下方矩形区域代表年原生污水量;中间区域代表年雨水混入量和年地下水、河水渗入量之和;点A表示一年中晴天所占的比例,从该点画垂线交曲线于一点B,并以直线连结该交点B与右下角点C,则该直线下方区域即表示年地下水、河水渗入量,上方区域表示年雨水混入量,包括年雨水流入量与年雨水渗入量。

图2 三角形法原理

2 分析与讨论

2.1 污水处理厂日污水量频率分析

2014年椒江污水处理厂日污水量与日均降雨量变化曲线见图3,日污水量在8万～20万t/d范围内上下波动,振幅较大,图3中可见明显的峰值;日均降雨量大多处于30 mm以下,对于超过 60 mm 的峰值,可看出与日进水量峰值具有显著的一致性。据此数据进行保证率计算,可得保证率变化曲线(图4)。

图3 日污水量与日均降雨量变化曲线

图4 保证率变化曲线

以保证率为0时所对应污水处理厂进水量作为晴天污水量,保证率为10%时所对应污水处理厂进水量作为小雨时污水量,保证率为50%时所对应污水处理厂进水量作为中雨时污水量,保证率为90%时所对应污水处理厂进水量作为大雨时污水量,保证率为100%时所对应污水处理厂进水量作为连续暴雨时污水量。晴天时污水量为8.2万t/d,小雨时污水量为10.5万t/d,是晴天的1.29倍;中雨时污水量为12.5万t/d,是晴天的1.53倍;大雨时污水量为14.5万t/d,是晴天的1.77倍;连续暴雨时污水量为18.8万t/d,是晴天的2.31倍。降雨强度增大,污水处理厂受到的冲击负荷也随之增加。

由此可知,椒江区管网中雨天雨水混入率较高,晴天与暴雨时的污水量有很大差距,造成污水量较大幅度地上下波动,与日污水量变化一致。这会导致水量水质的不稳定性,对污水处理厂与污水管网造成较大的冲击负荷。由于滨海城市降雨天数多且雨量充沛,雨天大量雨水进入污水管网,造成污水处理厂超负荷运行,导致进、出水水质超标,严重影响排水系统的正常运行,并造成环境污染。因此,分析污水量中的雨水混入比例是必要的,有利于合理确定污水处理厂的规模。

2.2 污水管网中雨水混入比例分析

污水管网中的总水量可分为原生污水量、地下水与河水渗入量以及雨水混入量。基于2014年椒江污水处理厂日污水量数据,采用三角法[18]对污水管网中的雨水混入比例进行定量分析,结果表明:2014年椒江污水处理厂晴天日均污水量为10.75万t/d,其中地下水与河水渗入量为2.59万t/d,约占晴天日均污水量24.1%;雨天日均污水量为14.18万t/d,是晴天日均污水量的1.32倍,其中雨水混入量为3.43万t/d,约占雨天日均污水量24.2%;地下水与河水渗入量约占雨天日均污水量的18.3%;雨水混入量、地下水与河水渗入量较高,管网破损漏水严重。

东部滨海城市降雨充沛,一年降雨天数的比例超过50%,由于雨水混入比例较高,这意味着污水处理厂一年的进水量中有一半以上时间深受降雨影响,而给水日变化系数相对较小,不足以表现降雨量影响,需进行降雨量影响的量化或指标化。针对不同降雨量时的污水量进行统计分析,分别求出对应的雨水混入比例,同时参考不同降雨量所对应频率(图5),对降雨量进行组距式分组,横坐标表示降雨量分组的上下限,即组限,主纵坐标表示雨水混入比例,次纵坐标表示降雨频率。

图5 雨水混入比例随降雨量变化

根据降雨频率,可以看出暴雨频率相对较低,一般雨量集中在5～20 mm区间,而1～3 mm区间降雨频率虽然较高,但雨水混入比例较低。因此,在研究雨水混入比例的取值范围时,可主要参考5～20 mm区间段。降雨量较小时,在1～3 mm、3～5 mm、5～10 mm区间内,雨水混入比例分别为12.3%、16.5%、20.4%;降雨量较大时,在10～20 mm、20～30 mm区间内,雨水混入比例分别为26.8%、35.5%。随降雨量增大,雨水混入比例由10%左右逐渐升高至35%左右。降雨量增大至一定数值后,雨水混入比例趋于27%,这是由于降雨量较小时,不能形成径流,当降雨量较大时,形成径流,通过直流或管道渗漏进入污水管网中,增加了总水量。根据调查可知,污水量增加到一定数值后,污水处理厂考虑自身处理负荷,将适时关闭一些污水泵站,而随着降雨量的进一步增加,污水泵站已不能发挥调节作用,污水将通过超越管线排入河中,这解释了雨水混入比例有所下降并趋于稳定的原因。

2.3 滨海城市污水处理厂规模的合理确定

污水处理厂的设计水量一般由供水量经日变化系数[19]、污水排放系数、入渗比、截流倍数[20]修正后确定。雨水混入和地下水入渗使得污水厂规模的确定更为复杂,但排水设计手册和规范中均未对此进行明确规定,实际问题中污水管网的雨水、地下水入流入渗率一般取10%。

我国东部沿海城市由于降雨充沛,地下水位高,导致地质松软,管道易破损,排水管网管理和维护体制不足等因素,具有特殊性。合肥市合流制地区雨天出流是旱季流量的2.3倍[21],桂林市雨天污水平均进水量是晴天的1.5倍[22],相比内陆地区,深圳某污水处理厂按照雨天流量是旱季流量的3倍计算[23],可见滨海城市雨量较多,晴雨天污水量变化较大。李田等[24]认为应采用占污水总量的比例作为渗入量指标,并建议上海市区的新建排水系统的渗入量指标定在10%～20%,陈旧管道需进一步研究;周宏斌等[25]对城市供排水系统进行水量平衡分析,得出昆明城区雨水混入量占污水总量的23%;对日本26个排水区域中,平均渗入量是污水总量的25.9%[26];英国平均旱季流量中入渗率为15%～50%[27];德国污水厂普查数据显示平均入渗率约30%[28],34个污水处理厂中污水、雨水和渗水量分别占30%、35%、35%[29],10%污水厂的旱季流量入渗率超过50%[30]。总体来说,发达国家雨水混入量比例较高,我国滨海城市比内陆城市略高,且老城区比新城区略高。

对于椒江污水处理厂,经过计算、分析雨天雨水混入比例为24.2%,随降雨量增大,雨水混入比例由10%左右逐渐升高至35%左右,降雨量增大至一定数值后,雨水混入比例趋于27%,均远大于10%。因此在设计滨海城市生活污水处理厂的规模时,雨水混入比例可定为25%～30%,与地下水渗入率分开考虑,老旧管网的地下水渗入率也应适当提高。此外,完善城市排水系统,实行雨污分流、雨水资源化利用、污水管网检修是长期、细致和十分必要的工作[31-33]。

3 结 论

台州市椒江区污水处理厂设计水量中雨水混入比例是地下水与河水渗入量约占晴天日均污水量24.1%,占雨天日均污水量的18.3%,雨天雨水混入量约占雨天日均污水量24.2%。确定滨海城市生活污水厂规模时,雨水混入量的比例可定为 25%～30%,老城区可取较大值,而新城区取较小值,同时也需注意维护和完善排水系统。

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Study of rainwater mixing rate of design water quantity at domestic sewage treatment plants in Taizhou City

WENG Shenglin, LI Yiping, LU Xuchuan, QI Wen

(CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Based on the data of inflow of a sewage plant and data from rainfall monitoring stations in the Jiaojiang District, in Taizhou City in 2014, we analyzed the daily inflow frequency at the sewage plant and the rainwater mixing rate in urban sewage pipe networks, so as to modify the design water quantity of the sewage plant. The results are as follows: the sewage quantities in the cases of light, moderate, heavy, and continuously heavy rainfall were respectively 1.29, 1.53, 1.77, and 2.31 times those on sunny days. The quantity of groundwater mixed in sewage accounted for 24.1% of the daily sewage quantity on sunny days, and the quantity of rainwater mixed in sewage accounted for 24.2% of the daily sewage quantity on rainy days. With the increase of rainfall, the rainwater mixing rate increased from 10% to 35%, and finally tended to be 27%. The rainwater mixing rate of the design water quantity for sewage plants in coastal cities can be determined as a value ranging from 25% to 30%.

rainwater mixing rate; infiltration flow; design water quantity; sewage plant scale

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.04.012

国家自然科学基金(51579071,51379061);霍英东教育基金(141073);江苏省自然科学基金(BK20131370)

翁晟琳(1994—),女,硕士研究生,研究方向为水环境数学模型。E-mail:382209348@qq.com

李一平,教授,博士生导师,博士。E-mail:liyiping@hhu.edu.cn

X703.1

A

1004-6933(2017)04-0075-05

2016-09-29 编辑：王 芳)