沿海地区污水处理厂雨水混入率对设计规模的影响

王 凯，李一平，赖秋英，秦文凯，蒲亚帅

(河海大学环境学院，江苏 南京 210098)

沿海地区城市发展速度较快，城市老城区多采用雨污合流，雨污管混接、错接、漏接造成大量雨水进入污水管网，不仅容易造成管网收集、管网输送、泵站提升的困难和污水处理厂处理水量和水质负荷增加，更会造成污水处理厂污水溢流污染环境，造成巨大的经济损失。南方沿海地区全年雨量充沛，污水处理厂的稳定运行更易受降雨影响，明确沿海地区排水管网的雨水混入与污水处理厂水质水量响应关系尤为关键。针对污水水质、水量对污水处理厂运行的影响，国内外都进行了相关研究，卞明明等[1]指出雨季大量含高浓度悬浮物污水进入污水处理厂，会导致进水水质显著变差；文彪[2]分析得出雨天污水处理厂设计进水量远低于最大进水量，且晴天进水水质浓度显著高于雨天进水水质浓度；杨文进等[3]研究得出地下水渗入排水管道的水量与地下水位具有显著线性关系；盛政等[4]对西南某市测量点分析得出降雨量与降雨入渗量呈显著正相关，降雨入渗导致管道设计水量低于实际水量；红海西岸苏丹喀土穆污水处理厂因雨水混入导致实际进水BOD浓度只达到设计浓度的一半[5]；滨海地区深圳市福田区管道塌陷、雨污管错接导致地下水渗入量占总污水量的1/4[6]。目前，国内外研究更注重雨水地下水混入污水管网的定性研究和地下水混入管道的定量测定，但对污水排水管网雨水混入导致污水处理厂负荷冲击的影响缺少研究。

本研究以沿海地区台州某污水处理厂为例，对污水处理厂进厂污水水量和水质进行分析，从而得出沿海地区污水处理厂实际运行能力参考值，减少雨水混入管网对污水处理厂造成冲击负荷，以期为保证排水水质达标排放提供科学有效的支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

台州市椒江区地处浙江省东部沿海，介于东经121°20′24″～121°32′02″，北纬28°34′25″～28°46′53″之间，位于温黄平原，平原面积占全区面积的62.34%。2017年台州全市平均降水量1 376.1 mm,降水量时空分布不均匀，6—9月降水量占全年降水量的53%；6月降水量为全年最大，占全年降水量的25%，各站降水量基本都在250 mm以上；2月降水量为全年最小，占全年降水量的2%。降水量空间分布总体不均匀，高值区出现在台州中西部，年降水量达1 200～1 500 mm，低值区出现在台州南片，年降水量为1 000～1 100 mm。

台州市椒江区分为椒南和椒北两个区块，椒南片区位于温黄平原沿海东南部，是台州的经济和政治中心。本研究选取位于椒南区块的某污水处理厂(图1)，其建设共分为两期工程，设计处理能力为15万t/d，一期工程设计处理能力为5万t/d，采用AO处理工艺，进水以城市生活污水为主，处理后的出水水质达到生活杂用水标准；二期工程设计处理能力为10万t/d，采用“改良型AB法”处理工艺，处理后的出水水质达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准，排放至台州湾。

图1 台州某污水处理厂服务范围

椒南片区现状老旧城区为雨污合流制，根据《椒江区污水工程专项规划(2017—2030)》，截流倍数为3，新建区块均为雨污分流制。由于历史的原因和越来越高的发展要求，椒南片区污水管网亟待改进的问题包括：部分管网高程不匹配，开发区和老城区污水管道存在高水位运行；雨季时农村污水管网下游管网内水位较高，排水不畅，造成污水返溢；老城区水污管道运行年限超30年，管网漏水率达10%；老城区雨污合流现象严重；雨污分流区域阳台废水排入雨水管网，造成雨水排出口被堵后雨水进入污水系统；污水管道结构性缺陷和功能性缺陷现象普遍，地下水通过管节和破裂处渗入管内，同时污水容易通过缺陷处外溢，影响管道正常排水功能。

1.2 计算方法

选取2017年8月至2018年8月作为研究时段，进厂污水水质、水量数据来自污水处理厂在线监测系统，降水量来自椒江区气象局。采用三角形法[7]对雨水混入污水系统进行定量分析。初期雨水体积、负荷削减率和污水处理厂处理率的计算公式分别为

V=Ahφ

(1)

(2)

(3)

式中:V为初期雨水体积；A为汇水面积，椒南片区共计汇水面积98.55 km2；φ为折减系数，根据 GB 50014—2006《室外排水设计规范》，φ取0.6；h为设计水深，取4～8 mm；PLRR为负荷削减率；RPL为城市污水处理厂的污染物削减量；PE为城市污水系统服务的总当量人口；DPL为人均日污染物排放量[8]；η为污水处理厂处理率；Q1为污水处理厂处理污水量；Q2为污水产生量。

根据《椒江区椒北污水管网系统工程规划(2010—2020)》中椒江水体功能，处理出水水质执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A排放标准，污水处理厂设计进水COD、NH3-N、TP和TN的质量浓度分别为350 mg/L、30 mg/L、4 mg/L和40 mg/L。依据CJ 343—2010《污水排入城镇下水道水质标准》《全国水环境容量核定技术指南》、GB 50014—2006《室外排水设计规范》等进行参数选取，按照浓度当量进行污水处理厂污染负荷削减率计算。

2 结果与分析

2.1 降雨对污水处理厂处理量的影响

选取的某污水处理厂2017年8月至2018年8月日污水量与降水量变化曲线见图2。由图2可见，日污水量变化浮动较大，范围在6～23万m3/d之间,最高日污水量约为设计处理规模的1.58倍，最低日污水量约为设计处理规模的40%，日污水量达设计处理规模(15万m3/d)的天数占全年总天数比例为63%。日降水量小于25 mm的天数占一年总天数比例为90%。进一步分析发现，当日污水量高于污水处理厂设计处理规模时，污水处理厂日污水量与降水量相关性较弱，并没有明显一致性；日污水量低于污水处理厂设计处理规模时，污水处理厂日污水量与降水量存在较为明显的相关性。不同月份污水处理率和降水量见图3，可以发现，污水处理率始终维持在60%～70%，不同月份污水处理率并未随降水量不同而出现较大变化，这说明污水处理厂长期处于满负荷的运行状态，仅在短期的非满负荷运行条件下，降雨才会对污水处理厂进水量产生影响。降雨对污水处理厂的影响更多体现在雨水的混入比例上，翁晟琳等[9]对雨水混入台州生活污水处理厂比例的研究中也说明了这一点。

图2 2017年8月至2018年8月日污水量与降水量变化曲线

图3 不同月份污水处理率和降水量

2.2 雨水混入的定量计算

根据国家气象局颁布的降水规模等级划分标准，24 h内降水总量在0.1～10.0 mm为小雨、10.0～25.0 mm为中雨、25.0～50.0 mm为大雨、大于 50 mm 为暴雨。因台州椒江区降雨强度达暴雨频率较低，不具有代表性，故以小、中、大雨为主进行分析。根据台州某污水处理厂提供的2017年8月至2018年8月在线监测数据，晴天、小雨、中雨和大雨时污水处理厂实际污水量均超过设计处理量 15万t/d，污水处理厂的污水量并没有明显变化，污水处理厂运行负荷处于高水平。利用三角形法(图4)对雨水混入量进行分析，将污水处理厂2017年8月至2018年8月的日污水量按时间进行升序排列，得到一条曲线，将横坐标以一年总天数365天做均一化处理、纵坐标为日污水量占最大日污水量的比例，则矩形区域代表原生污水量，蓝色区域代表地下水渗入量，橘色区域代表河水渗入量，青色区域代表雨水混入量。结果发现此污水处理厂日均雨水混入量约3.42万t，占污水处理厂日均污水量22.3%。薛梅等[10]通过水量平衡法研究日本关东平原地区得出雨天混入管道雨水量占污水总水量比例高达59%，而日本管网漏水率为9%；上海市多数地区地下水、雨水渗入比例值是设计时渗入比例值的2～3倍[11]；Flood等[12]指出降雨与地下水渗入管网有明显关系，美国沿海北卡罗来纳海滩污水处理厂渗入率达15%。可见沿海地区污水处理厂普遍存在雨水混入污水管网的现象，雨水实际混入管网比例远大于一般考虑的混入比例10%，主要原因是沿海城市雨量丰沛，地下水位相对较高，城市老城区多采用雨污合流，市政基础建设较为复杂，使用年限较长，容易发生管网入渗现象。

图4 三角形法原理

中国南方滨海城市一年中降雨天数占总天数比例近60%，图5为雨水混入比例与不同降雨规模出现频率关系。由图5可见，小雨的降雨频率最高，但雨水混入污水比例较低；中雨和大雨的降雨频率较高，雨水混入污水比例也较大；暴雨的雨水混入污水比例较高，但降雨频率较低。故以降水量为10.0～50.0 mm的区间为主导分析污水中混入雨水的比例。通过计算得小雨时雨水混入污水比例为12.8%，中雨时雨水混入污水比例升高为19.6%，大雨时雨水混入污水比例进一步升高至37.7%，但当达到暴雨时雨水混入污水比例降至26.2%。可见，在一定降水量范围内，降水量越大，雨水混入管网比例越大，雨水混入对污水管网产生的影响越大，管网的排水能力越差，而降水量大于50 mm时，雨水混入污水比例反而变小。造成这种现象的原因是污水量到达一定限值后，为了避免长时间高负荷运行对污水处理厂造成危害，污水处理厂部分泵站会被关闭，泵站不再发挥调节作用，多余的水量通过超越管直接排至河道。沿海地区污水处理厂流量设计经验公式[13]为

Qs=1.4QhKZ

(4)

式中:Qs为污水处理厂设计规模；Qh为混合总污水量；KZ为污水量总变化系数；1.4是根据台州某污水处理厂雨水混入率计算结果得到的修正系数。

图5 雨水混入比例与各区间降雨频率关系

2.3 降雨对污水处理厂进水水质的影响

从长期运行数据看，污水处理厂实际进水水质指标具有一定规律，晴天时进厂污水各指标质量浓度较低，原因是地下水混入管网比例较大，造成污水水质指标质量浓度偏低；降雨时，污染物总量明显增加，进厂污水COD、NH3-N、TP、TN的质量浓度波动较大，其最高质量浓度分别可达1 000 mg/L、80 mg/L、54 mg/L和218 mg/L,分别是污水处理厂相应指标设计能力的2.86倍、2.67倍、13.5倍和5.45倍。进水的水质波动较大可能是因为污水系统的运行管理模式导致的，泵站的启闭、间断性运行对进水水质、水量造成影响，这给处理系统稳定运行带来较大不确定性。取2017年8月至2018年8月中63场小雨、41场中雨、37场大雨进行分析，场次降雨时间间隔为不小于2 h，部分降雨的特征值见表1。

表1 部分降雨的特征值

表2为进水水质指标的质量浓度与降雨规模的关系。从表2可以看出，小雨时，降雨径流量小，进水COD、TP的质量浓度较晴天均较大幅度提高，进水TN、NH3-N的质量浓度较晴天几乎不变，这是初期雨水污染物质量浓度高导致的。台州椒江初期雨水量为33.61万～67.22万m3，初期雨水溶解了空气中大量工厂废气、汽车尾气、酸性气体等气体，降落地面后会冲刷屋面、道路等，导致大量的悬浮固体、可降解有机物、营养物质、有毒有害物质等污染物存在其中[14]。根据测量，台州椒江区地表径流以固体悬浮物为主,由细小颗粒物、胶体物质、PAHs及有机大分子组成。中雨时，降雨径流量变大，进水中COD、NH3-N、TN、TP的质量浓度均降低,原因是中雨时大量雨水混入污水管道，稀释作用让进水水质指标的质量浓度降低；但大量的面源污染混入污水管道使TN和NH3-N的质量浓度下降幅度较小。大雨时，降雨径流量大，随着时间的推移，大量雨水混入污水管道，雨量的稀释占主要作用，污水水质各项指标的质量浓度均大幅度降低。施萍等[15]研究表明位于典型平原河网地区的靖江市污水处理厂由于市辖各镇地区排水体制以雨污合流为主，污水处理系统不能完全发挥效益，导致靖江老城区河道水环境质量普遍较差；Giokas等[16]对希腊沿海地区伊万尼纳废水处理厂研究发现雨天日流量变化较大，进、出水COD负荷明显增加，进水TN负荷增加约25%；林源[17]的研究表明沿海地区深圳滨河污水处理厂一年中进水水质BOD5浓度低于设计值的天数达半数以上。可见沿海地区污水处理厂进水水质易受雨水影响，平原河网地区、滨海地区城市化程度相对较高，城市不透水面积较大，部分城区雨污混流制，雨天大量雨水易混入污水管网系统，污水管道中污染物的浓度随降水量的不同而波动，造成对污水处理厂污染物负荷冲击。

表2 进水水质指标质量浓度与降雨规模的关系

Table 2 Relationship between quality concentration of inflow water quality index and rainfall scale mg/L

降雨规模ρ(COD)ρ(TP)ρ(NH3-N)ρ(TN)晴天177.722.8931.5538.95小雨233.054.1131.8338.42中雨174.183.9320.9232.14大雨118.402.3016.5517.18

计算不同降雨规模下的污染负荷削减率，结果见图6。由图6可见，台州某污水处理厂平均污染负荷削减率远低于全国平均负荷削减率63%[8]，且随着降雨规模的增大，污染负荷削减率逐渐降低。原因是台州城市污水管网运行状况不佳，大量雨水混入污水系统，造成污水处理厂污水水量超负荷运行，且随着降雨规模的增大，进厂水质低负荷冲击进一步加剧。此外，通过相关性分析,污染负荷削减率与进水水质具有一定的相关性，在置信区间为95%的情况下，污染负荷削减率与进水COD、NH3-N、TP、TN的质量浓度相关性系数分别0.679、0.488、0.621、0.899，即进水水质的质量浓度可作为评价污水处理厂处理效率的一项重要参数，且较高的污水进水水质指标质量浓度有利于提高污水处理厂效率。

图6 污染负荷削减率与降雨规模的关系

2.4 沿海地区污水处理厂实际设计参数的合理选择

城市污水处理厂实际设计参数主要分为进厂污水水量和水质两部分[18]。污水水量和水质一般与污水处理厂所服务范围内的人口数量、人均用水定额、污染物排放系数、工业废水等有关，同时雨水、地下水渗入对污水处理厂设计参数的合理确定也有重要的影响。中国南方若干城市污水处理厂并不能充分发挥作用、效益较低的主要原因就是未充分考虑实际天气和地形情况。雨水混入污水系统对处理厂污水量影响方面，国内外已有一定研究，张日霞等[19]的研究表明西安市管网漏水率达20%以上，某污水处理厂进水污水量实际总变化系数K是初始设计值的1.4倍；Bertrand-Krajeski等[20]的研究表明一次强降雨中进入污水处理厂的流量约为晴天流量的3.08倍，TSS、BOD和NH3-N的进水质量负荷分别是晴天负荷的10倍、7倍和1.2倍，排放到河流TSS质量负荷是晴天的7倍；中国沿海地区上海市白龙港和竹园污水处理厂因设计时未充分考虑雨季合流制系统雨水混入的影响，导致污水处理厂溢流直排COD总量约达年排放总量的1/3[21]；美国北卡罗来纳州东部沿海平原地区污水处理厂受降雨影响显著，进入管网的量超总流量的10%，且降雨与入管网雨水量之间的正相关性和雨水径流对水质的影响相似[22]；瑞典西南沿海城市Helsingborg市，雨水和地下水渗入量达污水处理厂平均年流量的42%[23]。在雨水混入污水系统影响污水处理厂水质方面，古凌艳等[24]通过对沿海地区广东省某污水处理厂研究发现，天气对该厂进水水质有较大影响，旱季(10月至次年4月)进水水质超过设计标准，但在雨季(5—9月)却远低于设计标准；Berthouex等[25]通过对15个运行良好的污水处理厂研究发现，其中BOD和TSS浓度异常的污水处理厂中分别有11%和19%是由高进水流量负荷导致的；大雨时，法国弗朗德平原地区里尔污水处理厂进水水质受雨水影响较大,进水BOD、COD和TP最高质量浓度分别可达污水处理厂设计标准13.45倍、13.52倍和2.83倍[26]；位于淮北平原亳州市污水处理厂因雨水混入导致进水COD、BOD、NH3-N和TN的质量浓度较低，分别只达设计水质指标的16.6%、23.8%、19.7%和37.5%[27]。总的来说，水量方面，国内外污水处理厂普遍因雨水混入导致实际进厂污水量超过设计水量的20%，且平原和沿海地区的雨水混入比例高于非平原和内陆地区。水质方面，国内外污水处理厂普遍因外水混入导致进水水质浓度远小于设计值，进水水质浓度小于设计值的天数达半数以上，出水水质达标率较低。对本研究区域来说，污水处理厂水量设计规模应考虑20%～35%的雨水混入量，水质设计参数应考虑进水水质的波动。小雨时，进水中COD、NH3-N、TP、TN平均质量浓度是晴天相应指标的1.4倍、1.15倍、1.7倍、1.1倍；中雨时，进水中COD、NH3-N、TP、TN平均质量浓度是晴天相应指标的57%、62%、49%、41%；大雨时，进水中COD、NH3-N、TP、TN平均质量浓度是晴天相应指标的84%、87%、103%、64%。台州椒江区外水混入比例较大，可进一步开展管网排查工作，强化老旧管网合流制管网改造，具备条件的地区可加快实施雨污分流改造，原有雨污合流管网在清淤、疏通后可作为雨水管，并新建污水管道；暂不具备改造条件的地区，应通过建设调蓄设施、增大截流倍数等措施，预防雨污合流引起的溢流污染。

3 结 论

a. 雨水混入污水排水管网使沿海台州某污水处理厂实际进水水质总体上小于设计值。小雨时和大雨时，进水水质波动对污水处理厂影响最大，污水处理厂设计参数和处理工艺选择时宜着重考虑小雨和大雨时进水水质的变化范围；台州地表径流污染物以固体悬浮物为主，控制初期降雨径流、去除地表径流固体悬浮物是台州治理降雨径流污染、降低污水处理厂负荷的有效手段。

b. 台州某污水处理厂处理水质效率较低，污染负荷消减率远低于全国负荷削减率平均值，且污染负荷削减率随着降雨强度的增大而减小。不同降雨强度下污水处理厂COD、NH3-N、TP、TN负荷削减率分别为33%～39%、48%～63%、47%～56%、32%～51%；污水处理厂满负荷运行，污水量处理率较低，大致维持在60%～70%。

c. 台州某污水处理厂实际进水量远大于设计值。小雨、中雨、大雨和暴雨时，雨水混入污水比例分别为12.8%、19.6%、37.7%和26.2%。考虑雨水混入对沿海地区污水处理厂规模影响，建议沿海地区污水处理厂水量设计规模宜考虑乘以一个1.4的修正系数。