城镇污水系统中外水排查方法研究

王 伟,李 明,韩 建, 左 晴

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

中国城镇污水系统一直面临着排水管网建设不完善，污水进厂浓度过低等问题，导致出现污水处理厂超负荷运转，处理效率低和区域水环境严重污染的现象[1-2]。为加快补齐城镇污水收集和处理设施短板，尽快实现污水管网全覆盖、全收集、全处理，住房和城乡建设部、生态环境部和国家发展和改革委员会在2018年共同发布了《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》[3]。之后外水排查和污水提质增效问题研究被重点关注，相关研究逐渐增多，戴永康和洪亮亮等人对污水处理提质增效研究中[4]提到：与升级污水处理厂自身的设备和规模相比，提升污水管网收集处理能力更加有效，能够从根本上解决城镇污水系统存在问题，达到提质增效目标[5]。其中外水汇入污水管网挤占管道容量，造成旱天满管，高水位运行，是污水处理厂进水浓度低的根本原因[6]。因此，确定污水管网系统中外水来源和水量，通过工程措施实现清污分流是污水系统提质增效的重要工作之一。

城镇污水系统中污水主要有居民生活污水、工业废水和受污染的雨水，外水是指混入污水中的清洁水源，包括河水、山溪水、施工降水、地下水和清洁雨水等。外水排查主要有两种方法：第一种为地毯式排查[2]，对工程区域内进行全面排查，确定污水系统中所有外水来源，此类做法可以排查出区域内绝大部分外水入侵，同时外水剥离工程实施对污水处理厂进水浓度提升的作用十分明显，但该做法需要投入大量人力物力，投资大，排查历时较长；第二种为针对式排查[7]，根据地区实际情况对某类影响较大的外水来源进行排查，此类做法可以排查出区域内特定的外水入侵，不需要投入大量人力物力，排查历时相对较短；但是该做法外水排查不够深入，外水剥离工程实施对污水处理厂进水浓度提升效果有限。由于外水排查被关注的时间尚短，目前国内相关研究仍局限于外水类型及工程措施探讨和分析，相关的外水排查方法实践研究尚显不足。因此，为提高排查效率，平衡外水排查资源的投入和外水入侵成果的产出，需要研究出一种更加科学的外水排查方法。

本文提出一种基于水质检测和水质水量定量分析的外水排查方法，并将其应用于工程中，在旱天条件下，针对污水系统进行水质水量定量分析，筛选出重点排查区域后开展外水排查，确定污水系统中外水来源，分析外水剥离在提升污水管网收集处理能力中的作用，以期为我国其他城市污水系统提质增效中外水排查剥离提供支撑。

1 研究区概况

研究区为广东省深圳市某污水处理厂服务范围。经过近几年的排水管网系统建设，市政上已基本形成分流制排水体制，但仍存在较多截流系统。研究区内污水管网分为2套污水系统如图1所示，分别为梧桐山河污水系统与大康河污水系统，主要通过沿河截污管收集2个流域内污水输送至末端污水处理厂。梧桐山河流域污水系统分为一期配套干管及二期配套干管，管径为DN400～DN1800，污水干管总长约为43.50 km；大康河流域污水干支管主要进入横岗二期污水处理厂，管径为DN400～DN1800，污水干管总长约为22.00 km。

图1 研究区污水管网系统

该污水处理厂共分两期，现状一期、二期规模共20万m3/d，规划规模25万m3/d。其范围内服务常住人口约40.9万人，服务面积约43.0 km2。一期出水排放主要指标执行GB 3838-2002《地表水环境质量标准》V类(TN≤15 mg/L)、二期出水排放标准为《地表水环境质量标准》准Ⅳ类。

2 存在问题

2.1 污水管网运行问题

通过对污水管网问题诊断发现市政道路管网错混接约650处，城中村及排水小区管网错混接约6 100处；市政管网总缺陷密度约50处/km，3、4级缺陷密度约5处/km，排水小区管网总缺陷密度约40处/km，3、4级缺陷密度约7处/km；污水系统末端满水管段共4.11 km，占总干管总长20%。因此研究区现状污水系统存在雨污错混接严重、部分管道老旧、管道高水位低流速运行等问题，致使外水从错混接、管道缺陷等方面入侵污水系统，导致进厂污水浓度下降。

2.2 污水处理厂水量、水质波动问题

根据2019年污水处理厂的运行数据，绘制月降雨量与进厂总水量和月进水平均BOD5浓度之间的关系，如图2～3所示。

图2 进厂水量与每月总降雨量的关系

图3 进厂BOD5浓度与每月总降雨量的关系

图2～3可知，研究区内月降雨量与进厂总水量之间有显著的正相关性、进厂平均BOD5浓度之间有显著的负相关性。随着降雨量的增加，进厂水量明显上升，进水水质浓度下降，说明降雨时雨水会侵入污水管网，对进厂水量、水质产生较大冲击，影响污水处理厂的稳定运行，造成其处理低效和污染物溢流入河。

根据该污水处理厂运行资料分析，2019年一、二期进厂平均BOD5浓度分别为60.41 mg/L和78.00 mg/L，达不到污水处理设施的污水浓度需求，远低于提质增效工程目标；该污水处理厂现状设计规模20万m3/d，而2019年日均实际污水处理量为21.40万m3/d，已经明显高于其现状设计规模，处于高负荷运行状态。

2.3 区域自然因素问题

据当地气象资料统计，多年平均气温为22℃，日气温高于30℃的天数为123 d，多年平均降雨天数140 d，降水量约为1 870 mm。该地区降水量充沛，易造成大量雨水从雨污管道错混接处流入污水管网。在地质条件上，其地下水类型主要为松散岩类孔隙水和基岩类裂隙水，地下水埋深较浅，地下水位高于污水管道，导致地下水易于管道缺陷处渗漏到污水管内稀释污水浓度。从地形条件来看，研究区内属于丘陵地带，水系纵横导致山泉水和河湖水通过雨污水错混接处和截流设施等方式流入污水系统，容易造成污水处理厂进水浓度低的问题。

综上，面临复杂多样的外水入侵，造成研究区污水系统运行效能低、污水处理厂现状进水浓度低，高负荷运行等问题，亟需一种高效便捷的排查方法寻找区域内污水系统中的外水来源，为下一步有效地采取工程措施剥离外水提供有力的支撑，实现区域内污水系统提质增效的目标。

3 外水排查方法

研究区内存在沿河截流系统，大量城中村未实现雨污分流，市政污水干管存在较多错混接，雨天时受污染的雨水(包括初期雨水、面源污染地区径流雨水等)与清洁雨水的界限难以准确区分量化，同时雨水影响了地下水入渗、河水倒灌等外水量，导致雨天情况雨水对进厂浓度影响十分复杂，因此本研究不考虑雨天情况的外水汇入排查和分析。针对旱天时研究区内污水系统中外水来源，经过实践分析，本研究将排水小区水质检测与排水溯源相结合，提出一套较为系统的外水排查方法，具体如下：

(1)对排水小区、污水处理厂进水口进行实验室水质检测，根据水质水量平衡法进行水质水量分析计算，确定区域内的外水入侵总量。

(2)经过排水地块与市政管网接驳口和市政污水干管进行水质快检，依据于水质水量分析，将水质浓度低，流量较大的排水地块确定为重点排查区域，开展详细摸查和溯源确定外水来源。

3.1 水质水量分析计算

本研究水质水量分析使用的水质指标为BOD5，通过实验室内的5 d培养法进行测定。采用水质水量平衡测算研究区内所汇入的理论外水量，其公式如下：

Q外×C外=Q总×C总-Q污×C污×φ

(1)

Q总=Q外+Q污

(2)

由公式(1)～(2)可得：

(3)

上述公式中Q总、Q污和Q外分别为污水处理厂进水总量、污水量和外水量，万m3/d。本研究使用BOD5作为计算外水的水质指标，C总、C污和C外分别为污水处理厂中BOD5的进水浓度，污水浓度和外水浓度，mg/L。为污水中污染物的降解系数，根据相关研究和经验一般取10%[8-9]。平衡公式中污水量(Q污)包含了生活污水，工业污水及其他污水，污水浓度是不同污水类型进行水量加权平均后的浓度值，计算公式如下：

(4)

公式(4)中：C村、C区和C工分别为城中村，小区和工业区的污水浓度本底值，mg/L；W村、W区和W工分别为城中村，小区和工业区的用水量，L/(cap·d)。本研究根据实地调查了城中村，小区和工业区的用水情况并结合相关研究[10]后将W村、W区和W工的值取250、250 L/(cap·d)和300 L/(cap·d)。

3.2 理论外水总量测算

为准确评估研究区内排水单元的污水出口浓度，本研究分别对城中村，小区和工业区的化粪池或污水口进行采样，实验室测定其BOD5浓度值，最终获取了95份污水样品(详见表1)，其平均BOD5浓度值约为165.80 mg/L。结合研究区内城中村，小区和工业区的人口数及用水情况，经过公式(4)计算研究区内源头污水量约为10.22万m3/d，因此通过排水单元本底浓度和用水量可以估算得到污水处理厂进水的BOD5污染物通量应为1.7 kg/d；另一方面，通过实地调查该污水处理厂的进水资料可知：进厂水量为21.35万m3/d，进水浓度平均值为69.67 mg/L,其对应的BOD5污染物通量为1.5 kg/d。

表1 排水小区源头污水BOD浓度值调查信息

根据调查结果计算可知：污染源头计算的污染物通量为1.7 kg/d高于其污水处理厂进水口实测值1.5 kg/d，说明源头到污水处理厂的过程中污水管道内沉积污染物的累计效应大于污染物降解效应使得污染浓度在污水运移过程中浓度呈增加趋势。基于最不利原则，本研究忽略污染物迁移过程中降解效果，直接采用污水处理厂进水口处的污染物通量用于测算外水量。根据经验和相关研究[10]，外水的BOD5浓度一般低于10 mg/L,将以上数值带入公式(3)后计算研究区内外水理论量为7.52万 m3/d。

3.3 外水排查内容和步骤

(1)研究区排水地块划分

因城镇住户小区内通常具有较为独立的排水系统，所以本研究在住户小区的基础上依据已有排水管网物探资料和周围地形进行划分汇水分区，将研究区分成若干个排水小区，并通过管网流向分析识别出排水小区与市政路污水主干管的接驳井，下文简称为污水接驳口。

(2)污水接驳口水样采样时间确定及水质检测

本研究考虑到降水会使排水小区内汇集的雨水通过雨水管道和雨污混接点汇入污水管网，导致污水接驳口浓度改变。有研究表明[11]：对于合流地块，建城区住户小区范围内降水2 h后，地表径流对污水接驳口水质浓度的影响可以忽略不计，为尽量减小降水产生地下径流从管道缺陷处渗入对水质影响，现场水质检测需在24 h内未发生降水的排水小区进行;同时，住户用水高峰期会很大影响污水接驳口的水质浓度变化，导致难以判断排水小区是否有外水汇入，因此当天采样时间选择当地非高峰用水时间段。

由于BOD5检测周期长，难度大，实时性较差，所以本研究采用COD和氨氮两项指标用于外水排查中，采用日本共立理化学研究所生产的化学需氧量水质简易测定器[WAK-COD(H)-2](测定范围为0～250 mg/L)和铵/氨氮水质简易测定器[WAK-NH4-4](测定范围为0.2～10 mg/L)，因水质简易测定器的测定时间为3～10 min，检测快速便捷，有利于大范围内开展污水接驳口水质浓度的定性观测，也能够满足分析排水小区内是否有外水汇入。依据本产品测定指南对排水小区的污水接驳口进行COD和氨氮两项指标的水质检测，采样过程在同一采样时间，进行3次采样后取其混合样后，再分别进行3次水质快检，对3次检测结果取平均值以减少其误差。如果指标浓度超过水质简易测定器的最大量程，则采用定量量筒将水样稀释五倍后重新测定其水质指标。

有研究提及在污水系统提质增效的外水排查中可将NH3-N作为主要识别指标[12]，同时考虑到进水温度会影响污水处理厂的实际运行[13-14]，依据《城市黑臭水体整治工作指南》中将氨氮浓度于8～10 mg/L内定义为轻度黑臭水体，所以本研究考虑将低于轻度黑臭水体的氨氮浓度作为主要参考，同时考虑到水质简易测定器的刻度值，本研究将氨氮值为5 mg/L作为参考临界值。由于研究区内工业企业和管道沉积物等因素的影响，易导致低氨氮，高COD的情况下，因此需要以COD值小于60 mg/L作为辅助参考。综上，对于污水排水口的水质指标中以氨氮浓度作为主要判断依据，COD值作为辅助参考指标，根据水质水量分析，将水量较大、水质低于两个指标临界值的污水接驳口定义为“低浓度污水接驳口”，其对应的排水小区被列为重点调查小区。

针对于重点调查小区的“低浓度污水接驳口”展开外水溯源工作，需要根据排水小区内已有管线资料，对排口及其周边排水系统大致走向等进行了解，现场采用管道潜望镜(QV)检测技术等工具进行辅助，从而追溯到管道中外水源头。针对于源头水量根据水质水量平衡进行校核，保证能够与污水接驳口的流量相匹配。

3.4 开展外水排查工作

根据研究区内排水管网，地形和下垫面资料进行汇水分析结合实地调查资料，将整个研究区划分出了642个排水小区，在2020年5月至2020年8月对排水小区化粪池和污水立管开展BOD5检测，对污水接驳口及河道排水口开展COD和氨氮水质快速检测，同时对低浓度的检测点开展详细外水溯源工作。最终根据野外调查结果，分析研究区内外水分布情况及来源。

4 结果分析

4.1 污水接驳口水质检测

对排水小区的排水管网进行分析，在642个排水小区中确定出2 359处市政接驳口，其中1 227处污水接驳口。由于实际排查过程中发现部分污水接驳井为干井，死井，废弃井等无法取水样的接驳口共有391处。因此采用水质快速检测方法(下文简称“快检”)对可以取样的污水接驳口进行检测后共获得836处水质结果，其分类汇总结果见表2。

表2 排水小区污水接驳口水质快速检测结果

4.2 污水接驳口水质结果分析

根据《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》生活污水情况，深圳市在该手册中属于二区一类地区，其生活污水量取值定量为185 L/(cap·d)，COD和氨氮取值定量分别为63～79 L/(cap·d)和9.4～9.7 L/(cap·d)，则生活污水出口浓度分别为341.00～427.00 mg/L和50.81～52.43 mg/L。

根据快检结果统计，研究区内排水小区污水接驳口COD指标均值为131.47 mg/L，氨氮指标均值为21.90 mg/L，远低于《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》生活污水出口浓度(COD和氨氮值分别为：341.00～427.00 mg/L和50.81～52.43 mg/L)，说明研究区内水质浓度较低，较大影响了污水处理厂污水处理效率，采取针对措施进行污水系统提质增效工程十分必要；另一方面也说明排水小区内外水入侵情况较为严重，如果能够剥离排水小区内的外水，提高污水接驳口出水浓度，将对整个研究区污水系统提质增效起到重要作用。

果桑是以产果为主、果叶兼用型桑树的统称，其果实桑椹具有丰富的营养和药用价值，花青素含量极高，抗氧化功效明显，具有促进造血细胞生长、降血糖、降血脂等药理作用，被卫生部列为“既是食品又是药品”名单［1，2］。桑椹除直接食用外，目前已开发出果汁饮品、桑果酒、桑果酱、桑椹膏及花青素等产品，表现出巨大的产业发展潜力和广阔的市场前景［3，4］。 然而在果桑产业发展过程中，桑椹菌核病来势猛、发病快，发病率高达30%～90%，有些果桑园甚至绝产［5］，桑椹菌核病已成为限制果桑产业发展的瓶颈问题。

根据深圳市规划与自然资源局网站(http://pnr.sz.gov.cn/)所提供信息可以得到研究区内居民用地面积占比约为20%，工业用地约为7%，公共设施用地约为8%。据此可知以居民区为主的用地属性使得生活污水中各种洗涤剂、垃圾和粪便等成为氨氮值的主要来源，导致超过60%以上排水小区的氨氮值指标都超过其最大量程。而COD值在低值区间分布呈梭型分布，较为合理，但是工业区排放水质中COD往往偏高，因此COD值大于250 mg/L的区间内主要是受工业区的影响所以呈现出占比高的情况。经过统计污水接驳口快检结果中COD和氨氮值指标至少有一个小于其临界值的数量为274个，其中氨氮值低于5 mg/L的有136个。由于研究区内以居民区为主，根据研究[12]氨氮指标更具有代表性所以重点关注氨氮值低于5 mg/L的排水小区，现场调查是否有外水来源，因此本研究主要关注136个重点区域进行详细外水排查分析，重点区域面积约为区域总面积21.2%。

4.3 研究区外水排查结果

有实践和研究表明[12]，建城区污水系统外水来源主要为山体河道基流(以下简称“清洁基流”)，河湖水倒灌，地下水入渗和施工降水等方面。本研究经过调查重点区域后，共发现了97处外水来源，共发现了5.42万m3/d外水量，以下对外水排查成果进行分析汇总结果见表3，最终总结了5类主要外水来源。通过公式(1)、(2)计算若将已发现外水量进行充分剥离后，旱季污水处理厂一期最终可实现进厂BOD5浓度为103.39 mg/L，二期最终可实现进厂BOD5浓度为115.63 mg/L。

表3 外水信息统计表

4.4 各类外水排查结果分析

(1)清洁基流

通过结果得到:研究区内的主要外水来源是来自于清洁基流，个数和水量占比都是远高于其他外水类型。本研究将山体基流，湖泊等地表自然水体通过合流地块管网，雨污错混接和暗涵等方式进入污水系统的外水归类为“清洁基流”。其特点是水质良好，分布广，流量大，较大地影响污水处理厂的进口浓度。清洁基流调查过程中74处清洁基流中26处为山体基流，30处为河湖水基流入渗，表明：类似外水排查工作用应重点关注山体湖泊泄洪通道和暗涵等。

(2)施工降水

施工降水是基坑工程的配套工程措施，一般经过沉淀等措施处理达到标准后可以直接排入雨水管道和明渠河道。但是部分施工场地对当地管网情况不熟悉，就近接管等原因导致部分施工降水直接接入或者通过管网错混接接入了污水管道，最终进入污水处理厂。

(3)地下水入渗

由于地下水入渗主要是通过检查井壁渗水和管道结构缺陷渗水等途径进入污水系统，最终流入污水处理厂。此类外水来源隐蔽不易识别，水质良好，单点流量小。虽然调查中地下水入渗量较少，但是研究区位于南方靠海地区，降水量充沛，地下水埋深较浅，其入渗量应远大于所调查的值，但是调查难度很大。

(4)河流倒灌

研究区内沿河设有截污纳管用于收集污水次干管内的污水输运至污水处理厂，但是由于其检查井和管道存在结构性缺陷，导致河道水位上涨时河水会倒灌至截污纳管中，降低了污水处理厂浓度。河流倒灌入侵污水系统受河道水位影响很大。

(5)自来水厂

自来水厂排泥水的来源是日常的反应池、沉淀池、滤池反冲洗水等产生的排放水。厂区将处理后排泥水直接排入污水管道中，说明外水排查中可以关注自来水厂的排泥水去向，确定其是否为外水。

5 结 论

本文依托于研究区的排水管网数据，提出了一种基于水质检测和水质水量定量分析的外水排查方法，并将其应用于实际外水排查工作，形成结论如下：

(1)在旱天条件下，通过开展污水系统水质检测，利用水质水量定量分析筛选出了外水排查重点区域，开展针对性外水排查，为城镇污水系统提质增效提出新的排查思路。

(2)根据本研究开展外水排查工作，将排查面积占研究区面积的比例从100%降低至约21.2%。该重点调查区域内共排查出5.42万m3/d外水量，能够满足城镇污水系统提质增效的需求，表明本研究能够提高外水排查效率，展现了其经济高效的优点。

(3)针对已排查的外水，若采取相应外水剥离工程，旱季污水处理厂一期最终可实现进厂BOD5浓度为103.39 mg/L，二期最终可实现进厂BOD5浓度为115.63 mg/L。污水处理厂的进厂浓度低和设施超负荷运行问题将得到很大的缓解。

6 建 议

(1)清洁基流的释放工程是较为复杂的工程，应个例分析，单独方案措施，合理地将清洁基流引入纯雨水管道或者明渠。如：由于大水量基流的下游管渠尺寸很大，存在总口截留设施，可以考虑在沿程将污水支管接入其他污水系统，将其改为纯雨水管渠，将总口打开，释放清洁基流至河道中。

(2)由于研究区内基坑工程施工场地难以深入调查研究，所以获取的个数偏少且流量偏低，现场调查过程中发现部分施工场地排泥水未经过处理直接排入河道和污水管网，对河道水质影响很大，排入管道也易造成堵塞，建议由当地政府部门对施工降水排放规范及配套设施应严格要求，加强监管，避免施工降水增加水体环境和污水管网负担。

(3)对于南方地区，地下水位较高，部分排水管网低于地下水位，因此地下水入渗是难以避免的。工程一般通过存量管网缺陷修复，减少地下水从管道缺陷处入渗量。

(4)河流倒灌一般存在于局部，相对较为容易采取工程措施解决，通过修复检查井和管道缺陷、对低水位排口设置拍门、管中止回阀等措施可以有效地降低河水倒灌入侵。

(5)自来水厂的排泥水难以剥离，建议自来水厂进一步循环利用减少排泥水释放量。

城镇中污水系统在整个城市系统中承担重要作用，其“健康程度”直接影响了居民正常生产生活，也严重影响着污水处理厂的运行状况，因此保障污水系统全覆盖，对污水全收集，减少外水入侵是城市生态文明城市建设的根本保障。在进一步完善区域管网的基础上，本研究着眼于外水排查方法，提出采用经济高效且有针对性地调查方法，分析其污水系统中外水情况，能够有助于研究区内污水处理厂进水浓度提高，实现污水系统提质增效。