雨污混接系统调蓄池的设计及运行控制要点

2018-09-10徐国锋

城市道桥与防洪 2018年7期

徐国锋，张雪

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

调蓄池作为控制面源污染、削减雨水峰值流量的有效措施，已在多个国家和地区被广泛应用[1,2]。目前调蓄池多用于控制初期雨水污染[3-7]，在雨污混接系统中应用较少。本文以上海市泰和污水处理厂调蓄池为例，分析雨污混接系统中调蓄池的设计及运行控制要点，以期为同类型调蓄池的设计及运行控制提供参考。

1 项目背景

泰和调蓄池位于上海市宝山区泰和污水厂工程用地范围内，属石洞口污水片区。调蓄池进水总管接自新西干线。新西干线同时是泰和污水厂和石洞口污水厂的进水总管。泰和调蓄池、泰和污水厂与石洞口污水厂通过新西干线实现了进水系统的连通。图1为新西干线连通系统示意图。

新西干线沿线各接入点雨污混接现象严重。由于雨污混接现象短时间内难以解决，因此在新西干线设计时，考虑了系统混接的雨水量，同时通过设置调蓄池解决系统合流污水溢流的问题。为了进一步解决石洞口片区的合流污水溢流问题，在泰和污水处理厂工程中新建调蓄池1座，设计调蓄容积为15万m3。调蓄池主要包括以下两方面功能：

图1 新西干线连通系统示意图

（1）针对系统雨污混接问题，作为雨季的合流污水调蓄，蓄存的合流污水通过泰和污水厂全流程处理后达标排放。

（2）保障石洞口区域污水厂平稳运行，在污水厂检修及事故状态时提供调蓄，减少旱季污水溢流。

2 调蓄池设计

2.1 调蓄池进出水设计

进出水设计作为调蓄池设计的关键部分，对于调蓄池功能的有效发挥起着至关重要的作用。在雨污混接系统中，调蓄池要在保证污水厂正常运行的基础上消纳系统超量的混接雨水，对于系统水量分配和水位调控的要求较高。

2.1.1调蓄池进出水水位控制

雨污混接系统调蓄池进出水水位的设计要充分考虑系统在不同入流量、不同运行模式下的水量特点与水量需求，结合系统的高程布置统筹分析，实现系统水量的合理分配。调蓄池不仅要接纳超过污水厂处理能力的合流污水，更要保证在低水量时系统内污水优先进入污水厂进行处理，满足污水厂的处理能力。

特殊的是，在新西干线连通系统中，位于下游的石洞口污水厂其主要处理构筑物为地上布置，而位于上游的泰和污水厂其设备操作平台及主要处理构筑物均位于地下。系统水位必须严格控制，既要避免因水位过低造成下游石洞口污水厂无法达到设计处理规模，又要避免因水位过高导致上游泰和污水厂被淹。鉴于雨污混接系统水量分配情况较为复杂，在设计时可借助软件进行模型分析，模拟不同入流情况、不同运行工况下系统的水量分配及水位变化，寻找最不利点，为调蓄池的设计提供依据。泰和调蓄池在设计中利用了Info works软件进行数学建模，模拟了在新西干线沿线各接入点不同入流量时石洞口污水厂、泰和污水厂及泰和调蓄池的水量分配及水位线变化。

为了控制泰和调蓄池的进水水位，在调蓄池进水渠设置了4台水平格栅，每台水平格栅后均配套设置液动式闸门。根据水力模型模拟结果，设定液动式闸门的溢流水位和开启水位。初始状态如图2（a）所示，液动式闸门顶部与水平格栅顶部之间有部分溢流空间。当调蓄池进水渠水位达到溢流水位-1.90 m（绝对标高，吴淞高程，下同）时，合流污水自进水渠经液动式闸门溢流进入调蓄池；当进水渠水位进一步升至开启水位-1.70 m时，如图2（b）所示，液动式闸门全部开启，加大调蓄池的进水量；当进水渠水位降至溢流水位以下时，液动式闸门缓慢关闭，恢复初始状态，无合流污水进入调蓄池，如图2（c）所示。通过液动式闸门的启闭控制调蓄池的入流量，既避免了调蓄池设备频繁启动，又保证了泰和污水厂地下操作空间的安全，实现系统水量的有效分配。

调蓄池出水进入泰和污水厂进行处理，出水水位与泰和污水厂进水水位保持一致，在水量低谷时通过控制调蓄池出水渠闸门的开启高度，调节调蓄池出水流量，向泰和污水厂补水。泰和调蓄池主池体内最高设计水位为+2.50 m，根据水力模型模拟结果，系统进水量低谷时泰和污水厂进水水位变化范围为-3.0~-4.0 m，需严格控制出水渠闸门的开启高度，缓慢出流，保证泰和污水厂地下操作空间的安全。

图2 液动式闸门运行模式示意图

2.1.2 调蓄池进出水方式

重力自流和水泵提升是调蓄池的两种进出水方式。重力自流无需水泵提升，设备投资和运行费用较低，但为了实现系统重力自流，势必增加调蓄池的埋深，从而造成土建费用的增加；采用水泵提升进出水的调蓄池可有效减小埋深，但由于调蓄池配泵流量较大，能耗较高，也会造成运行费用的增加。

泰和调蓄池的进出水方式需要综合考虑系统流量分配、泰和污水厂地下操作空间安全、调蓄池埋深和投资控制等多重因素，最终采用重力进水+泵提进水、重力出水+泵提出水的模式。调蓄池配泵流量为15 m3/s，共设6台轴流泵，其中4台大泵的单泵流量为3.0 m3/s，两台小泵的单泵流量为1.5 m3/s。调蓄池进水时6台轴流泵根据水位变化逐台开启，出水时开启2台小泵，在进水水量低谷期向泰和污水厂补水。

2.1.3 调蓄池水泵进水流态模拟

对于采用水泵提升进出水的调蓄池来说，水泵的稳定安全运行对于调蓄池的运行控制至关重要。在设计时要结合调蓄池池型特点，合理布置水泵进水流道，尽可能使进水平稳均匀入流。泰和调蓄池在设计时，为了确保轴流泵进水流道设计合理，采用CFD对调蓄池进水流道内的水流进行数值计算，模拟其流动特性。调蓄池轴流泵进水流道的三维模拟结构如图3所示。

泰和调蓄池轴流泵的进水流道数值模拟后其整体流动特性如图4所示。从图中可以看到，进水经洞口落入封闭的集水池内，而后均匀向前流向流道末端水泵的吸水池，整个进水流道内流动平稳，没有明显的漩涡流动。由于流道是封闭的，因此也没有水面的流动。

图3 调蓄池进水流道三维结构图

图4 整体流动特性模拟图

轴流泵吸水口附近的旋流角和速度不均匀度见表1，其中轴流泵编号根据图4从左到右依次为泵 1、2、3、4、5、6。可以看到：轴流泵入口的速度不均匀度最大在2%左右，满足《泵入口设计》（ANSI HI9.8—2012）规定的“速度不均匀度小于10%”的要求；旋流角皆不大于1°，满足《泵入口设计》（ANSIHI9.8—2012）规定的“旋流角小于 5°”的要求。这表明，轴流泵叶轮入口速度均匀，没有漩涡流动，轴流泵可稳定安全运行。

表1 轴流泵入口流动参数

2.2 调蓄池冲洗系统设计

调蓄池在使用后底部不可避免有沉积杂物，雨污混接系统调蓄池由于蓄存的是混合污水，水中杂质和污染物含量更高，因此设计调蓄池时，必须考虑对底部沉积物的清除。通常采用的调蓄池冲洗措施有：人工清洁、水力发射器冲洗、潜水搅拌器搅拌、水力冲洗翻斗冲洗、门式自冲洗及铲车机械清除等。各冲洗措施的对比见表2。

表2 调蓄池冲洗措施对比表

在调蓄池设计时，应结合调蓄池池型和布置特点，综合考虑投资、安全等因素，选择合适的冲洗方式。需要注意的是，潜水搅拌器仅能在高水位时起到搅动防沉积的作用，在低水位时搅拌器叶片露出水面则必须停止搅拌，对沉积的泥砂则无能为力。水力翻斗必须提供一定量的外部水源进行冲洗，不够经济。泰和调蓄池为矩形池型，适合布置矩形冲洗廊道。综合考虑各方面因素，泰和调蓄池采用门式自冲洗系统。

调蓄池两个池体内共设置30条冲洗廊道，单条廊道宽4.9 m，长68 m，配备30套门式自冲洗系统，门宽L=2 800 mm，廊道末端设集水槽收集冲洗废水，并通过集水槽末端的潜污泵将冲洗废水提升后排至出水渠，进入泰和污水厂，经全流程处理后达标排放。

3 调蓄池运行控制

雨污混接系统的调蓄池，由于兼具污水厂检修时污水暂时储存和接纳系统合流污水溢流的作用，其运行控制也相应分为旱季和雨季两个模式。

旱季时，系统内水量较低，系统进水以污水为主，应优先进入污水厂进行处理，满足污水厂的设计规模。在污水厂进行检修或事故时，污水经重力或泵提的方式进入调蓄池暂时储存，待污水厂正常运行后再将调蓄池内蓄存污水排入污水厂，经污水厂全流程处理后达标排放。泰和调蓄池有效容积为15万m3，泰和污水厂近期处理规模为40万m3/d，远期规划总处理规模为55万m3/d，泰和调蓄池可储存泰和污水厂6.5~9.0 h的进水量。

雨季时，由于混接雨水的接入，系统水量增大。在保证污水厂处理能力的基础上，调蓄池根据系统内水位水量变化及时接纳超出污水厂处理能力的混接雨水，确保系统稳定安全运行。泰和调蓄池在水平格栅后设置液动式闸门，通过设定溢流水位和开启水位控制闸门的启闭，实现运行状态的转换，进而控制调蓄池的入流量。在调蓄池的进出水渠、池体、水泵集水池等处设置了多个液位监测装置，通过液位信号反馈完成对水泵和闸门的自动化控制。