湘江流域某片区污水处理提质增效实施策略分析

陈丹丹

中国市政工程华北设计研究总院有限公司北京分公司 北京 100081

国家三部委在二零一九年四月联合出台了《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019-2021）》，其中提出要经过三年的努力要实现三个“基本”，一个“显著”。地级及以上城市建成区要经过三年提质增效改造工作，达到三个“基本”：基本消除生活污水直排口，基本解决污水收集处理设施的空白区，基本消除黑臭水体；达到一个“显著”：污水集中收集效能显著提高。近年来，各地政府不断加大污水处理设施的建设投入，致力于提高污水处理能力以及消除黑臭水体来改善水环境问题。但目前仍面临着许多问题，亟待解决。例如：城区污水管网健康度较低，截污干管河流渗入，污水收集效能偏低，以及城中村污水管网功能不足等问题[1]。针对以上问题，本文将从源头改造、污水管网建设和完善、管网检测修复与改造、污水处理系统优化运行等方面综合施策，提升研究范围内污水处理系统的效能。

1 项目概况

本文研究片区位于湘江流域的中游地区，区域内江河湖泊属长江流域洞庭湖水系。研究范围内共1座污水处理厂（以下称A污水处理厂），用于处理其纳污范围内（约为68平方公里）的污水。该污水处理厂现状规模为20万吨/天，尾水排放湘江。污水系统服务人口约32.4万人。研究范围内共有11条渠道，其中有8条渠道被列入黑臭水体治理清单，流向均为汇入向湘江。

2 污水系统问题排查及识别

2.1 污水系统现状问题

现状污水收集主要存在两方面问题：一是污水厂进水水量大，二是进水浓度低。

（1）污水厂进水水质、水量定量分析

2017~2019年污水厂水质水量数据表明，污水厂日均进水量呈逐年上升趋势。近3年平均值为16.4万m3/d，3年内污水厂平均负荷率为82%。污水厂进水BOD5浓度近3年基本稳定，平均BOD5进水浓度为55.4mg/L。综上，污水厂进水量呈逐年上升趋势；进水水质情况基本稳定，但BOD5浓度尚未达到目标准。

表1 污水厂水质水量统计表

（2）晴雨天污水厂进水水质、水量分析

通过晴雨天污水厂进水数据对比可知，雨天情况下，污水厂日均进水量及污染物浓度均大于晴天。雨天日均进水量略高于晴天进水量，且逐年上升，存在雨水混入污水系统现象，入渗量为0.6~1.0万m3/d。近3年晴雨天污水厂的进水BOD浓度基本稳定。

（3）污水厂进水可生化性分析

由近3年污水厂进水数据表明，污水厂可生化性良好，碳源相对比较充足。一般情况下，当污水厂进水的BOD5/COD比值小于0.3时，污水难以在微生物的作用下得到有效降解[2]。A污水厂进水B/C为0.48~0.53，表明其可生化性良好。A污水厂进水水质BOD5/TN＞5，BOD5/TP＞17，可知微生物有良好的营养环境，进行生物脱氮、除磷的碳源比较充足。同时，B/C、B/TN、B/P均处于正常范围，符合生活污水营养物质比例特征。根据《排水工程》BOD/TN＞5较为适宜，但BOD5/TN近3年进水水质数据均在5左右，处于递增趋势，且BOD5/TP逐年下降，因此若污水厂以当下情况长期运行，则会有可能出现碳源不足风险。

表2 污水厂进水水质分析一览表

（4）源头小区水质监测

选取研究范围内的8个小区，对化粪池出水口水质进行时长为3天的连续监测，得到小区出口BOD平均浓度为138mg/L。对比发现，污水厂进水与源头小区出水的BOD浓度比值为0.5，所以污水厂进厂污染物浓度明显偏低。同时又由于污水厂进水C/N/P比较正常，因此基本可以判定污水系统中混入了大量清水（河水、地下水），导致进厂BOD浓度被稀释。

（5）污水产生量与收水量分析

根据近3年第三水厂售水量数据，研究范围内日均售水量11.2万m3/d，产污系数按0.85，理论污水产生量为9.5万m3/d。参考相关规范标准以及顶层设计《排水工程专项规划》，城市综合用水量为0.5万m3/（万人·天），产污系数为0.85，日变化系数取1.3，服务范围内人口约32.4万人，经计算生活污水产生量为10.6万m3/d。取平均值得服务范围内理论污水产生量约10万m3/d。

考虑污染物在管道中有一定降解，根据《模拟生活污水在排水管道中浓度变化》[3]论文中提到，管道COD降解系数一般为0.2~0.3d-1。研究片区管道多流速较低，淤积相对较为严重，且大量污水经过渠道再进入污水厂，降解系数较管道大，取COD降解系数0.3 d-1，根据监测取平均流速0.5 m/s，污水从源头至污水厂流经管网长度为7.2km，计算得到污染物降解率为5%，计算实际上进入污水厂原生污水量应为6.3/(1-0.05)=6.6万m3/d。通过污染物质量守恒法分析计算，外水量为9.8万m3/d。

通过以上分析发现，污水厂现状进水量中40.2%为污水，59.8%为混入的外水，因此污水系统混入大量外水是导致进水量大、浓度低的主要原因，因此应从加强污水收集和外水挤排两方面进行治理，提高污水收集率以及进水浓度。

2.2 该集中收集的污水未收集

该集中收集的污水未收集主要包括：通过污水直排口损失污水、管网空白区未进入污水系统的污水、进入一体化处理设施的污水。

污水直排口可分为三类，污水直排口、混错接口和溢流口，其中污水直排口包括市政污水管直排口和小区出户管直排口。总排污量约4.1万m3/d。其中有1.80万m3/d的污水均未进入河东污水处理厂，直排湘江。

范围内有污染产生但无管网且未经处理的区域（居住区、城中村）划定为空白区；确定建成区内空白区主要有3片，主要为居住区，现状无管网覆盖，污水直接排入渠道或散排，总面积为39.7 ha。经测算，管网空白区散排污水量约0.11万m3/d。

研究片区内共有4座一体化污水处理设施，一体化设施服务范围内的污水均不进入污水系统，日均处理污水量0.13万m3/d。

根据以上分析，现状污水系统污水去向主要有6部分，总产污量为9.5万m3/d。其中，进入污水处理厂的污水量为6.6万m3/d；进入一体化处理设施的污水量为0.13万m3/d；直接排放至湘江的污水量为1.8万m3/d；空白区散排的污水量为0.11万m3/d；管道漏损的污水量为0.8万m3/d。未收集到污水系统的污水包括直排湘江污水、管网空白区散排污水、管道漏损污水。

经计算分析，生活污水最终流失量2.7万m3/d，污水收集率约71%。在流失污水中，直排污水量占比为66.7%，可见研究范围内污水直排是污水收集率低的主要问题。

2.3 不该收集的外水进入污水系统

不该收集的外水进入污水系统主要包括：渠道水抽排进入污水系统、地下水入流入渗进入污水系统。

根据各节点水量、水质监测数据进行污染物平衡计算。发现两处截流渠道水，截流水量约2.6万m3/d。另外泵站提升渠道水进入污水系统共3处，提升水量约5.2万m3/d。截流、抽排渠道水进入污水系统总量约7.8万m3/d。

根据管网节点水质、水量监测，计算地下水入侵量约1.96万m3/d。

根据以上分析，现状污水系统晴天时侵入的外水主要分为四个部分，总的外水入侵量约9.8万m3/d。一是渠道水通过截流进入污水系统（2.6万m3/d），二是渠道水通过泵站抽提进入污水系统（5.2万m3/d），三是地下水渗入污水系统（1.98万m3/d）。

2.4 排水系统不健康运行

排水系统不健康运行主要包括：排水管网高水位运行、管网堵塞导致污水管网无法运行。

根据管网诊断数据，规划范围内共有6段污水干管存在高水位运行现象。主要原因：污水处理厂的污水提升泵站憋水运行、下游管网顶托、地下水入侵、管网倒坡逆坡等问题造成污水运行不通畅。研究范围内存在1处管网缺陷点，该处缺陷点位造成污水管网彻底丧失排水能力。主要为石块等障碍物，淤积程度100%。

3 提质增效方案

综合考虑A污水处理厂服务范围内现状基本情况和存在问题，根据国家、省市对污水处理提质增效的相应要求，明确以消除生活污水的直排口、消除管网空白的片区、巩固黑臭水体治理成果、提高污水集中收集率、提升污水厂进厂BOD浓度为目标，本方案提出了“收污水、挤外水”两大主要工作方向，“源头改造、管网建设、管网改造与修复、系统优化运行”四方面主要措施。

3.1 源头改造

源头改造就源头地块而言，可分为雨污混错接改造和雨污分流制改造。源头地块的雨污混错接改造按照“雨对雨、污对污”原则进行改造。雨污分流改造主要包括建筑立管和小区管网两部分，根据现状情况新建雨水（污水）管并接入对应市政管网。

3.2 管网建设方案

现状管网系统中存在污水管缺失、管网断头、管网空白等几类问题。由于这几类管网问题，导致区域内污水直排渠道或散排，造成污水流失。针对存在的这几类问题，本方案以问题为导向分别制定市政污水管建设、贯通断头管、截污干管建设、空白区管网建设、以及市政雨污分流改造等方案。

（1）断头污水管建设方案

根据管网普查数据及管网诊断结果可知，研究范围内共有6条道路上污水管存在断头现象。由于污水管下游不连通（断头管），导致上游污水无出路，造成直排。对断头管进行连通改造。

（2）沿河（渠）截污建设方案

根据现场调研及黑臭水体治理相关项目资料可知，在黑臭水体治理和完善污水管网基础上，沿渠仍有124处排口未治理。为解决污水直排而污水进入渠道的问题，根据排口分布特点，沿渠建设截污管道，对排口进行截污，本工程新建沿河（渠）截污管12.0km，分别对黑臭水体渠道沿线排污口进行截污，消除污水直排。

（3）空白区管网建设方案

根据管网普查数据及管网诊断结果可知，研究区域内空白区管网区域共3处，生活污水处于直排渠道或散排状态。因此新建排水管网，分别将雨水和污水收集至市政雨、污水管网，或将污水收至一体化污水处理设施。

（4）市政管网雨污分流改造

市政雨、污水分流改造分为两种改造方式：①优先考虑将现状合流管作为排水系统中的雨水管，同时对原合流管进行清淤疏浚，同时根据相关排水规范、排水专项规划为依据新建污水管网，新建管网管径、标高方面应与上下游管道顺接；②可以将现状合流管道作为排水系统中污水管，以相关排水规范、排水专项规划为依据新建雨水系统，顺接至下游雨水管道或直排渠道。

3.3 管网改造及修复方案

（1）市政管网混错接改造方案

市政管网混错接改造是改善城市排水系统的核心内容之一。根据管网普查数据及管网诊断结果可知，研究范围内共有23条市政道路存在47处混错接问题，需混错接点进行改造。

（2）市政管道缺陷修复方案

排水管道修复根据管道缺陷等级、缺陷原因等进行整体更换或者局部修复完善。

（3）地下水入渗修复方案

据各分区管网节点水质、水量监测结果可知，研究范围内存在多处不同程度的地下水入渗。由于管网地下水入渗，导致地下水进入污水系统，入厂BOD5浓度降低。根据污水管网内窥得到的管网入渗点位，入渗量确定需要管网修复管段，并对其进行修复。

（4）倒坡逆坡改造

污水管网倒坡逆坡是指管道铺设后的管道坡度为负坡度，导致管道内的水流无压力时呈现静止或倒流的现象。在高水位运行管段，倒坡逆坡致使水流变缓，加剧管道高水位。倒坡逆坡管道改造是本着污水管道管顶顺接，管道坡度为正坡度的原则对倒坡逆坡管道进行改造

（5）污水管大管套小管改造方案

污水管大管套小管导致污水管道流动不通畅，对污水流速和高水位运行有限制作用。根据污水流向、管网能力，下游管道的管径大于或等于上游管径及管底平接的原则对管道进行改造。

3.4 系统化优化方案

（1）一体化污水处理设施整体布局优化

研究范围内共有四座一体化污水处理设施，根据排水管网建设、污水排放情况重新规划区域内一体化处理设施布局。

（2）泵站运行优化

当研究区域内部分片区完成混错接改造、污水直排口治理等工作，基本可实现片区污水零直排，届时逐步削减泵站抽升河水进入污水系统的水量，同时通过人工湿地、生态塘等措施来进一步提升渠道水体的水质，让河道水排放至湘江。

4 结论

在实施城市污水处理提质增效工作，应以系统思维进行分析和总结。首先要坚持摸清本底，对排水设施情况、河道水系情况、直排口情况等进行分析，其实，问题要定量分析，明确各类外水水量、明确污水溢流的区域和水量、源头污染物产生量等进行定量分析，解决方案要系统，“挤外水、收污水”的各项工程措施等要系统考虑，合理安排建设时许，最后，结合建设时序对实施效果进行定量评，评估各类外水挤出水量和污水有效收集量，对进厂浓度和污水集中收集率的影响。