城镇污水管网高水位运行影响与诊断研究

汪天祥，闫 超，陈德业，肖许沐，谢海旗

（1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；2.大连理工大学海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221）

0 引言

当前我国城镇化率达到60%，预计2030年将达到70%。城镇河道水质差，污水厂能效低成为我国城镇水环境的突出问题[1，2]。随着“水十条”、最严格水资源管理制度、《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021年）》等文件出台，需逐步转变观念，将水资源量与水环境容量作为城镇化发展的刚性约束条件。城镇水环境问题实际是用排水污染与河道等水体环境容量相匹配的问题，其中一个重要环节就是将源头用水户的污水通过污水管网输送至污水厂、一体化等末端处理系统[3-5]。由于城镇化发展是一个动态的过程，各时期的环保意识、设计理念、管理角度也逐步转变优化，因此，多数城镇的污水管网存在排水体制混乱，雨污管网错混接、破损、淤堵等问题就凸显出来[6]。污水管网的传输功能没有充分发挥，使得源头排水户的污水没有进入污水管而是通过其他途径进入水体，直接污染河道；河水、地下水、山水等进入污水管网挤占污水空间，甚至造成“清水入网，污水入河”的情况，对于管网系统而言就表现为高水位运行。

下面从城镇污水管网高水位运行带来的环境影响、影响管网高水位的因素、诊断方法等方面对城镇污水管网高水位运行进行研究，为提升污水管网有效输送能力，基本实现“污水入网，清水入河”，提升污水处理能效提供参考。

1 污水管网高水位工况分类与环境影响

1.1 分类

根据不同的污水管管径大小，设计规范要求的充满度通常在0.55～0.75之间，当管段充满度大于设计充满度时即是高水位运行状态，严重的会存在满管、满井甚至溢流的情况。分析认为，造成城镇污水管网高水位运行的根本原因是管网系统异常或外水进入管网。

根据造成高水位运行的不同成因，可将高水位运行分为三类。第一类，管网系统的排水体制混乱、错混接、渗漏等问题导致外部的河水、地下水、雨水、其他外水等通过各类排口大量进入管网系统，造成污水管网高水位运行工况，排挤了原有的污水输送空间。管网系统的污水传输功效未能充分发挥，造成了“清水入网，污水入河”状态，不仅降低了污水厂进厂浓度，且未能进入管网的污水也通过各种途径进入河道，降低河道水环境质量。第二类，管网系统的淤堵、设计管径偏小、逆坡管、断头管等，导致进入管网的污水没有出路或过流能力不够，从而超过设计充满度，出现高水位工况。第三类，河道取水、施工降水、市政漏水等管理因素导致的管网高水位。

1.2 对污水厂的影响

第一类与第三类污水管网高水位工况，会导致低浓度的外水挤占污水管网空间，不仅直接降低了污水厂污水进厂浓度，还使得高水位下游管段高浓度的污水难以进入污水管网，降低了污水管网的有效收集率。使得污水厂能效没有充分发挥，污水厂纳污范围内的污染负荷没有得到有效削减，相应的河道水环境质量也难以达到预期。第二类污水管网高水位工况主要对局部区域的排水单元污水收集产生影响，导致局部区域污水无法输送至污水厂。调查显示，南方某市污水厂管网高水位运行下使1月份的负荷率为96%，污水进厂浓度COD为117 mg/L、BOD为64.6 mg/L、氨氮为15.7 mg/L、总磷为1.99 mg/L，远小于污水厂进厂浓度设计值。在负荷率基本达标的情况下，出现进厂浓度大幅度小于设计工况，意味着污水厂实际处理的污水非常少。按照进厂浓度进行估算，约64%的外水进入管网，污水厂处理的污水仅占实际处理量的36%。因此，污水管网高水位运行是制约污水厂能效的重要因素。

1.3 对河涌环境的影响

高水位工况不仅会导致污水厂进厂浓度低，本应进厂的污水也会通过排污口、拍门、截流井、雨水管、合流管、明渠、暗渠等各种途径溢流至河道，降低河涌环境。晴天、雨天时，第二类、第三类高水位工况，均是由于下游管段高水位或满段导致上游管段或汇入支管形成顶托，从而外溢至河涌。但对于第一类高水位工况，不仅会受到高水位顶托影响，还会受到外水倒灌携带污水进入河道的影响。由于管网系统混乱，污水在污水管、雨水管、合流管内乱流、混流，并在管网内续存了大量污水。雨天洪水时，外江或内江水位会高于截流井、拍门、雨水口等管网终端出口，河水从终端出口涌入管网，不仅导致大量河水带进管网，同时也把管道内的污水携带至河道。此外，集水范围内的雨水通过雨水篦、合流管等进入管网系统，把雨水带入污水管网的同时，在交互作用的影响下也将管道内的污水携带至进内河涌。对于沿海河口区域，潮汐作用下的高潮位也能产生类似雨天洪水的影响。调查显示，南方某市由于管网系统异常，在已采取排污口截污工程无污水直排的背景下，长期高水位运行，晴雨天的氨氮、总磷均为劣V类水质。

2 污水管网高水位运行的影响因素

2.1 管网系统内部影响因素

2.1.1 排水体制

排水体制有分流制和合流制两种。分流制建有雨水和污水两套独立管网系统，污水管网收集生活、生产污水，输送至污水处理厂，经处理达标后排放或利用。雨水管道汇集雨水和允许入河的工业废水，就近排入水体。分流制优点是进厂浓度高、河涌环境影响小；缺点是无法控制初雨污染，且地下空间利用率低。合流制是将城市污水和雨水混合在同一管网系统，在工程实践应用中，常采用截流式合流制，即在现有合流制排水系统的排污口处设置截流井，并建造1条截流干管，在晴天和初雨时，将所有污水和初期雨水都截流入污水处理厂，经处理后排入水体。当雨量增加，混合污水的流量超过截流干管的输水能力后，将有部分混合污水经溢流井溢出，直排水体。分流制和合流制都有其适用环境，本身并不会突出高水位问题。

实际上，我国多数城镇初期只建有一套合流管，后续逐步新建一套污水管，在市政路上初步形成雨污两套管网系统。由于历史问题存在大量非法排污口，排口整改时采用截流井或检查井就近接入合流管、污水管，且部分河道实际上承担“合流管”功能。最终形成了分流制、合流制、截流式合流制共存及管网河道连通的“乱流制”，加上源头排水单元的雨污分流改造不彻底，使得雨污水在“乱流制”管网系统内乱流。“乱流制”排水体制直接改变了原设计工况与功能，导致管网的污水或清水输送性能不明确，是影响晴雨天城镇污水管高水位运行根本所在。

2.1.2 管网错混接

雨水、污水、合流管网系统通过排口、截流井与河道、暗渠异常连通，给雨水、污水乱流提供了条件，河水、地下水、山水、其他排水等外水通过各类管网的末端排口进入三大管网系统，使得管网系统功能紊乱。只要有外水进入任一个管网系统，都有可能间接进入污水管网系统，令污水管网系统处于非设计工况运行，造成污水管网高水位运行工况。典型错混接情况如表1所示，对管网错混接需赋予管网明确的雨水、污水或雨污水传输功能，然后对雨污水错混接进行诊断与修复，从而建立相对独立的雨污水系统，保障“清水入河，污水进厂”，有效改善第一类高水位工况。

表1 管网错混接类型及其高水位影响

2.1.3 污水管网缺陷

城镇部分污水管网由于建设时间长，存在破损、淤堵、变形等情况。管网破损不仅会导致污水渗漏，对于地下水位高的区域也容易渗入地下水，引发污水管网高水位工况（第一类）。管网局部淤堵导致管道内的污水逐渐蓄积在污水管，或部分由于设计、施工、规划变更、运行等因素，局部存在断头管、逆坡管、小管径管、变形管等因素，会导致污水无出处或过流能力不足导致污水管网高水位工况（第二类）。

2.2 自然-人工外部影响因素

2.2.1 水文气象

管网系统内部的错混接与缺陷，给外水进入污水管网提供了基础条件。外部的水文气象条件是第一类污水管网高水位的驱动因素，主要有以下几个方面：雨天河道（暗渠）水位上涨，出现截流井、排口管底标高低于洪水位情况时，河道水通过截流井、排口倒灌进入污水管网系统，直接抬高污水管网水位；雨天时，地表径流、天面水通过雨水管、合流管进入污水系统，乱流至污水管，形成管网高水位；山水进入雨水管后乱流至污水管，提升污水管网水位；沿海地区在潮汐作用下，高潮位时，河道水通过截流井、排口倒灌进入污水管网系统，直接抬高污水管网水位；部分地下水位高区域，地下水渗漏管网也能抬高管网水位，对于管网破损管段，渗入量更大，从而抬高污水管网水位。

2.2.2 管网管理

管网管理也是造成第三类污水管网高水位的因素之一。在污水管网系统不完善时，源头排水户的污水无法通过管网输送至污水厂，部分污水厂尤其是BOT模式运营的污水厂为保障污水处理负荷，存在河道总口取水的情况，从而成为部分管段高水位的影响因素。此外，施工降水、市政漏水、违规餐饮污水通过雨水篦进入管网等，在管网合流制、乱流制的背景下，也会造成部分管网高水位状态。

3 污水管网高水位运行IHW诊断

3.1 方法

污水管网高水位工况由外水进入和管网系统自身两大因素造成。污水管网是连接排水单元与污水厂污水传输系统，通过接户管、次支管、主干管分层级、分片区地传输至污水厂及截流口等终端出口。根据管网运行的特点，本文提出IHW（逆序水力水质）诊断方法，如图1所示，图中H0～H4为各检查井水位，C0～C4为各检查井水质，D0～D4为各检查井流向。

图1 污水管网高水位IHW诊断方法

I：逆序，从管网系统终端（污水提升泵站、截流井等）往上溯排查诊断管网内部与外部问题。为加快诊断，可采用1/2法进行排查，即从管网终点到1/2点位，1/2点位到起点进行排查，若其中一段无问题则可减少工作量。

H：水力，检测检查井水位与流向，判断污水管段是否具备污水输送能力。若水位、流向基本正常，表示该管段基本具备污水输送能力；若上游管段水位低于下游管段水位或流向异常，表示该管段有外水进入或淤堵、泵站前池倒灌，需结合泵站前池水位或CCTV与QV排查管段异常。

W：水质，检测检测井水质，视实际情况选择pH、COD、BOD、氨氮、总磷、氯离子、电导率、氧化还原电位等水质指标，若检测水质大致等同于污水厂设计进水浓度或区域综合污水浓度，结合水力检测，则可研判无外水进入管网；若水质低于设计进水浓度或区域综合污水浓度，结合水力检测，则基本研判有河水、山水、地下水等清水进入管网。若水质高于设计进水浓度或区域综合污水浓度，结合水力检测，则研判有超标工业废水进入管网。

实际操作诊断如图1所示，检测下游检查井相连的上游检测井，从H0到H1，H2，H3，H4（各检查井水位），根据水力、水质检测信息判断哪个方向的管段出现异常，必要时结合QV与CCTV检测找出管网异常点，并形成问题清单，为后续“一管一策”提供基础。

3.2 步骤

污水管网高水位运行根本上是各级、各片区传输过程中出现的问题，最终都反映到终端节点。在进行排查时，建议按照系统到局部、从外因到内因、从下游到上游的排查方式，首先以污水厂进水前池为整个污水管网系统的终端节点，分析整个终端主干管网的水位状态，若处于高水位，排查收水口是否过量收水，若收水口正常，可采取短暂关闭收水口，观察终端主干管网水位是否下降，若下降，则收水口过量取水是因素之一，还需配合水质监测进行分析；若无下降，则表明为其他综合因素，需进一步排查。然后以主要次支干管或者提升泵站为终端节点，分析次支干管高水位运行因素。最后根据洪水位、潮水位、排扣规模等以截留井、排扣为终端节点，摸查局部片区高水位问题。通过系统、片区逐步核查，形成问题清单，制定“一管一策”方案。

3.3 修复思路

城镇污水管网高水位的根本问题是管网系统与管理紊乱形成的“乱流制”，导致“清水进网，污水入河”，因此，污水管网高水位的修复总体思路是通过排查管网系统问题，打通雨水、污水两套系统，实现“污水进网，清水入河”，根据不同管网系统问题采取不同对策进行修复。