合流制排水系统截流运行量质特征浅析
2023-05-18顾一鸣
顾一鸣
(上海城投水务<集团>有限公司,上海 200002)
上海城市合流制排水系统采用的是截流式合流制排水系统,通过设置截流设施将合流污水排送至污水厂。雨天时截流设施截取混合污水通过污水干管排入污水厂,超过截流能力的混合雨污水通过防汛泵站排入水体。为治理苏州河地区合流污水,上海于1993年建成投运合流污水治理一期工程,随后又相继开展苏州河综合整治、污水治理三期工程(以下简称“污水三期”)等工程,新建并提标改造末端竹园污水处理厂,组成了上海市中心城竹园区域的排水系统。竹园片区内有50个合流制排水系统,合流制防汛泵站62座,服务范围为85.05 km2,径流系数为0.6～0.8。其中,合流一期范围内合流泵站共38座,污水三期范围内合流泵站共24座。合流制泵站的截流控污为提升城区排水能力,改善城市水环境奠定基础。本文选取某一年数据,结合区域的日供水量变化情况,对上海典型合流制排水系统现状泵站截流量、截流水质变化开展运行分析和探讨。
1 截流量特征分析
1.1 雨天截流量统计难点
合流制排水系统在日常截流运行中,旱天地区污水由重力截流井或截流泵输送入污水干线,最终进入污水处理厂处理。雨天根据上游来水情况,截流设施启动至最大设计截流倍数运行,控制合流泵站水位。当合流泵站水位达到防汛开泵水位后,启动雨水泵放江。
在进行日截流量统计时,截流量主要包含原生污水量、地下水渗入量和雨水截流量[1]。在旱天时,假设地下水渗入量保持恒定,则日截流量的变化应主要与原生污水量变化一致,即与地区日用水量的变化一致。
当有降雨影响时,截流量也会随降雨大小和持续时间变化。此时,如何能较准确地区分出雨水在截流总量中的占比存在一定困难。主要原因:一是无法准确地统计旱天截流量本底值,即旱天原生污水量与恒定的地下水渗入量合计值;二是无法准确地判断雨后在管道中存续雨水对截流量的占比和影响天数。在现实情况中,还存在连续降雨过后,中间仅隔1～2 d又开始降雨,此时更难以统计雨天截流量。
1.2 统计研究方法
本文拟选取竹园片区内某污水输送系统覆盖的合流制排水系统开展分析研究。由于该合流制排水系统内部分泵站截流采用重力截流方式,且在污水支线末端未安装有流量计,无法准确统计每条支线的旱天和雨天截流量变化情况。与此同时,每条污水支线服务范围相对应的供水范围数据无法统计,难以比较。
故本次拟采用截流量与供水量总量比较的方式。合流制排水系统截流总量计算方式,选取输送干线末端的污水厂进厂流量计日累计流量,扣除污水输送系统上分流制系统内的污水量和截流量,剩余水量为合流制排水系统的日截流总量。
地区供水量计算方式:选取合流制排水系统服务范围某水厂,供水服务范围涵盖本次合流制排水系统截流量分析的全部区域。排水系统的原生污水量主要来源于地区居民与非居排水量,而水厂的日供水量变化可以反映地区用水量曲线变化特征。图1显示水厂供水量、原生污水量和泵站截流量之间的关系,水厂到用户之间需要进行产销差率的折算[2],原生污水量可按用户用水量进行折算,上海地区该系数为0.9。
图1 水厂供水量与合流制泵站截流量关系Fig.1 Relationship between Water Supply Capacity and Intercepting Flow of Combined Pumping Station
统计某一年内水厂的日供水量,与合流制排水系统日截流总量比较。选取纯旱天(本文定义为雨后第4 d起至下一场降雨开始),按汛期和非汛期分别计算选取的样本日内供水量与截流量比值均值,即“供水量/截流量”,得出的比值用于拟合雨天时的旱天截流量本底值,并假设纯旱天地下水日入渗量保持不变。雨天或降雨后,若“供水量/截流量”比值大于选取的纯旱天比值均值,则视该日不存在降雨截流影响,直接引用当日截流量。
1.3 分析区域概况
1.3.1 竹二污水输送系统
竹二污水输送系统由两港截流系统与污水三期B块系统组成,主要服务于中心城区虹口、杨浦部分地区,总管长度为21.7 km。现状系统范围内服务面积为35.7 km2。干线旱天输送能力为50万m3/d,雨天设计高峰流量为20.8 m3/s,末端为竹园第二污水处理厂(图2)。范围内共有排水系统23个,其中合流制排水系统共20个,服务面积为29 km2,合流泵站共24座;分流制系统共3个,服务面积为6.7 km2,雨水泵站有3座,其中2座有截流设施。24座合流泵站中,重力截流泵站共14座,泵截流泵站共10座,设计截流倍数为1.5～5倍(表1)。该合流制排水系统截流总量计算方法为:竹园二厂进水总量(代表干线输送总量)扣除2座分流制雨水泵站截流量后的合计值。
1.3.2 A水厂概况
选取服务范围内A水厂,供水服务范围涵盖虹口区全部、杨浦区的虬江以南范围,以及黄浦、静安的小部分范围,设计日供水能力为140万m3,统计年内日供水量70万～80万m3,服务面积约为70 km2。竹二污水输送系统的合流制泵站服务范围均包含在此水厂的服务范围内,区域内供水均来自于该水厂(图3)。
图2 竹二污水输送系统工艺图Fig.2 Process Diagram of Zhuer Wastewater Diversion System
表1 竹二污水输送系统各支线现状Tab.1 Branch Line of Zhuer Wastewater Diversion System
图3 水厂供水范围与排水系统服务范围Fig.3 WTPs Supply Area and Drainage System Service Area
2 截流量拟合结果
2.1 旱天截流量拟合结果
2.1.1 合流制截流总量统计
统计年内,降雨量采用片区内站点平均雨量,当年累计雨量为1 588 mm,降雨日(日雨量≥1 mm)107 d。对合流制排水系统截流总量进行统计,采用干线末端流量扣除系统内分流制泵站截流量与分流制雨水泵站截流支线,得年均截流总量为52.8万m3/d,占干线系统总量的96.5%,其中雨天最大日截流量占98.6%。
2.1.2 旱天截流曲线拟合
选取非汛期(1月—5月和10月—11月)纯旱天为105 d,汛期(6月—9月)纯旱天为31 d。通过旱天供水量与截流量比值分析,非汛期该比值均值为1.61,汛期均值为1.60。通过分析,降雨日及雨后3 d内有49 d大于该比值,主要出现在雨量偏小的运行日内,将其截流量归入旱天截流量。
选取非汛期和汛期该两个系数,分别按日供水量变化值拟合全年雨天的旱天截流量本底值,得到1月1日—12月31日的合流制泵站日截流量总体变化(图4)。根据拟合后的旱天截流量计算,全年、汛期和非汛期的旱天截流量分别为44万、46.5万m3/d和42.7万m3/d,汛期较非汛期上升8.8%;同时分析水厂供水量,供水量汛期较非汛期上升7.7%。拟合截流量与供水量同比均有上升但略有偏差。对全年雨天截流量(含雨后影响流量)进行统计,占全年截流总量的16.7%。
2.2 典型雨天截流量分析
2.2.1 连续中到大雨分析
选取非汛期连续7 d连续降雨过程,其前3 d无降雨,累计日雨量为77 mm,雨后9 d未降雨。最大雨强日在3月26日,各站点最大雨强在6.0～18.6 mm/h;其余小到中雨日内,各站点最大雨强在0.9～4.9 mm/h。降雨期间,日截流总量维持在48万～82万m3。3月25日起始降雨量为6.5 mm,降雨截流量占比13.6%,至3月28日最高升至51.2%。3月30日虽然只有0.1 mm降雨,但降雨截流量仍占比达42.4%。3月26日开始出现泵站放江,当日达到12.7万m3,3月30日停止放江。在雨停后,由于前期连续降雨影响,4月1日—4月3日实际截流量仍较拟合后的旱天截流量偏大,存在明显的雨后效应,占当日截流总量的5%～10%(图5)。
图4 合流制地区旱天截流量拟合曲线Fig.4 Fitting Curve of Intercepting Flow in Dry Days in Combined Drainage Area
图5 典型连续中到大雨日截流Fig.5 Intercepting Flow in Typical Moderate to Heavy Rain Days
2.2.2 短历时暴雨日分析
选取汛期中某短历时降雨,前4 d无明显降雨,8月10日片区雨量为中到大雨。当日片区平均雨量32.1 mm,各站点最大雨强在8.1～28.3 mm/h,降雨持续时间为1～2 h,8月10日后5 d未降雨。8月10日截流量64万m3,其中降雨截流量占比25.3%,泵站放江量为20.7万m3。雨停后8月11日无泵站放江,当日实际截流量较拟合后的旱天截流量偏大,存在雨后效应,约占当日截流总量的7.8%。8月12日无明显雨后效应(图6)。
图6 典型短历时暴雨日截流Fig.6 Intercepting Flow in Short Duration Rainstorm Days
3 截流水质特征分析
3.1 水质月度变化特征
3.1.1 水质指标统计
由于本合流制排水系统来水量占竹二污水输送系统总量的95%以上,固选取竹二污水输送系统下游竹园第二污水处理厂进水水质作为采样分析点,分析合流制排水系统水质总体情况。选取化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、悬浮物(SS)、氨氮、总氮(TN)、总磷(TP)6项水质指标。对当年的6项水质指标列表统计(表2),计算各指标月均值、年度中位数,并按非汛期(1月—5月和10月—11月)和汛期(6月—9月)对均值和中位数分别统计。
从年度统计结果看,CODCr、BOD5、SS这3项指标无论是年度值、非汛期阶段和汛期阶段,均值都略大于中位数,说明部分时段存在偏高值的波动。由表2可知,氨氮、TN、TP在上述同比阶段内相对波动较小。
3.1.2 水质指标趋势变化
研究水质指标月度变化的趋势性,通过对6项水质指标绘制月度箱形图,分析变化规律(图7)。从各水质指标的中位数变化趋势分析,月变化趋向性较为一致,上半年中4月—5月数值均偏大,6月—8月中位数呈现波动下降趋势,9月最低。10月后又逐步恢复上升趋势至12月。孙艳等[3]对上海市污水处理厂水质指标月中间值统计,主要污染物指标浓度也是9月最低。
同步分析合流制排水系统泵站月截流总量和月放江量数据(图8),1月因连续降雨,截流总量和放江总量达到了1 629万m3,除3月出现泵站降雨放江外,至5月未出现明显放江。从汛期开始6月—9月受降雨影响,出现了明显了截流总量和放江量的增幅。7月最大,截流和放江总量达到了2 544万m3,后又逐步下降。
表2 合流制排水系统截流水质指标Tab.2 Quality Indices of Intercepting Water in Combined Drainage System
图7 各项水质指标逐月变化Fig.7 Monthly Changes of Water Quality Indices
图8 月泵站放江量与截流量变化Fig.8 Monthly Changes of Discharging and Intercepting Flow in Pumping Stations
结合水质指标月度变化不难看出,降雨引起的泵站截流量和放江量的增加,对水质变化具有负相关性趋势。尤其是9月,经过连续3个月的大流量运行,水质指标明显下降。10月开始随着降雨量的减少,泵站截流总量和放江量亦减少,水质指标总体逐步回升。从运行角度分析,在泵站雨天截流和放江过程中,合流泵站一般会降到最低运行水位,上游收集管网水位同步降低,流速增加,会呈现明显冲刷效果。汛期随降雨频次增加,合流泵站水位会反复降至最低,效果更加明显。李思远[4]对合流制管网污水溢流污染特征相关研究表明,CODCr和SS在大强度降雨事件中受到明显影响,前期冲刷作用明显而后期稀释作用明显,长干旱期会导致污染物的大量累积,与本文分析结论相符。此外,上海市政养护部门每年也会在汛期前完成一次管网清淤养护,对6月的水质指标下降有一定贡献。
从个别指标来看,CODCr、BOD5、SS随流量变化的趋势性指标较明显,而氨氮、TN、TP在1月—5月变化趋势不明显,到9月才明显下降。
3.2 水质指标相关性特征
3.2.1 BOD5/CODCr分析
污水BOD5/CODCr反映了污水可生物处理的潜力,在一定程度上可预测污水的可生物降解性。因此,常用BOD5/CODCr作为评价污水可生化性的水质指标。一般认为,当BOD5/CODCr<0.1时不适于生物处理,当该值位于0.2
3.2.2 SS/BOD5分析
SS/BOD5偏高是实现TN提标的阻碍。该值增加会引起反硝化速率降低,导致在缺氧段碳源利用不充分,碳源在好氧段的消耗比例增加,TN去除效果变差,正常值在1.1～1.2[6]。统计后,SS/BOD5<1.1的全年占比77.8%,比值在1.1～1.2的全年占比10.4%;比值>1.2的全年占比18.9%,主要出现在非汛期,占非汛期天数的25%,占汛期天数的7.4%。
3.2.3 BOD5/TP分析
污水处理系统有效生物除磷一般要求BOD5/TP>20,比值越大越能保证聚磷菌有足够的基质需求,比值越大越能满足要求[3]。统计后,BOD5/TP年中位数为39.8,比值>20的全年占比98.6%,满足除磷要求。
3.2.4 BOD5/TN分析
污水的BOD5/TN是影响脱氮效果的重要因素之一,可用于判断污水中碳源含量。一般认为,当污水的BOD5/TN>4时[7],可认为碳源充足;该值>5时,TN去除效果较好。统计后,BOD5/TN年中位数为4.0,其中比值>4的全年占比52.2%;在比值<4的天数中,雨天和旱天也约各占1/2。1月—3月该指标月中位数均小于4,与TN浓度均值偏高有关。
4 结论
(1)在计算合流制泵站截流量时,采用末端总流量扣除分流制污水支线和分流制雨水泵站截流量的方法,能较全面地表达地区合流制水量总体情况,完善了合流制泵站重力截流设施水量无法统计问题。同时,结合地区水厂日供水量,与选取的纯旱天截流总量进行比值分析,利用该比值对雨天及雨后旱天截流量本底值进行拟合,为分析雨天的降雨及雨后截流量变化提供支撑。未来,有条件的地区宜根据排水范围分割相应的供水区域,加装供水边界流量计和排水支线节点流量计,能进一步优化曲线拟合成果。
(2)根据雨天截流量分析可知,不同的雨型、过程雨量、最大雨强等因素,都会对日降雨截流量和雨后影响天数带来不同的结果,本文结论中,雨后对合流制排水系统影响在1～3 d。雨天截流量特征主要有两个方面:一是日最大雨强和降雨持续时间,决定了日降雨截流总量大小,在相同雨量下,雨强越小,降雨持续时间越长,截流总量越大;二是连续多日的过程累计雨量越大,对排水系统雨停后的流量影响时间也越长。同时,如何区分计入旱天截流量或雨天截流量目前没有统一标准。笔者建议,若能按本文方式拟合旱天截流总量,则旱天排水管网内存在的雨后影响水量也应一并计入雨天。此问题有待进一步探讨。
(3)从合流制排水系统水质指标分析,月度水质总体变化趋势和当月降雨量、截流量及放江的关联度较大。汛期,合流制泵站的连续的低水位、大流量运行,管道冲刷对系统水质浓度降低关系较大,9月水质浓度下降最为明显。而非汛期,随着降雨量减少,冲刷效应减弱,水质浓度总体回升明显。此规律的梳理对下游污水处理厂能预判并调整处理工艺、生产计划等具有指导意义。对4项水质指标的相关性分析,总体处于正常可控范围,能满足污水处理需求。
(4)为改善合流制排水系统泵站放江水质,除了下垫面海绵设施、强化截流和扩容调蓄等措施外,在养护上目前主要还是依靠对收集管网的定期清淤。建议在合流制排水系统运行上进一步探索冲淤运行模式,即旱天可在特定时间分批调度不同支线启动大流量运行,加快管道流速。在上下游一体化联动,保证末端污水厂处理负荷的前提下,最大限度对收集管网进行自流冲洗改善管内沉积物附着,有助于进一步提升雨天放江水质。
