城市污水分区排水管网排查中的水质检测技术研究

王言之

（青岛市排水运营服务中心，山东 青岛 266000）

引言

城市级排水系统是现代化生活中最为重要的基础性设施，其承担着城市给排水的收集、运输与处理工作，系统运行时间较长、负担较大，在长期运行的过程中容易出现因地基变形、管道锈腐、水质变化而引发的给排水管道功能性缺陷或结构性问题。想要保障城市给排水系统的稳定运行，及时排除隐患，需要相关管理部门加强对城市污水分区排水管网的关注，借助更科学的水质检测技术优化排水管网排查工作的质量，避免水质隐患问题对排水管道、周边建筑物、公共交通乃至城市用水安全、周边生态环境等造成负面影响。

1 城市污水分区排水管网运行以及排查工作中常见的问题

近几十年来，我国城镇化建设不断提速，在现代化城市覆盖范围不断扩张的基础上，配套的排水管网建设效果却稍显落后。城市污水分区排水管网的运行过程中存在一定的负面问题。排水管道在制造、运输、敷设以及运行过程中所产生的诸如沉积、管道锈腐、管道变形、异物穿入、杂质冗余等情况都会导致排水管出现结构性、功能性故障；传统直流式、合流式流制所存在的改造难度大、污染程度高等问题致使城市部分区域雨污混接现象普遍；地下排水系统既有的不良土壤、工程开挖遗留问题等所造成的管道、水质负面影响都是现阶段城市污水分区排水管网急需解决与优化的问题[1]。为缓解上述问题，应该基于城市污水分区排水管网的运行情况构建相对科学的排查工作体系，定期对排水管的质量以及水质等进行检测，为后期的修复、养护、升级改造等工作提供基础依据[2]。

2 现阶段城市污水分区管网排查中常用的检测技术方案

2.1 排水管网流量检测技术

水质是衡量城市污水分区排水管网运行质量的核心依据，为强化水质检测技术的应用效果，应采用更专业的检测工具对排水管网中的各项关键数据指标进行提取与分析，判断综合水质是否满足国家相关水质标准。而排水管网流量检测技术方案能够利用管网节点或是敷设在雨污混接点的流量计量设备，对不同管道中诸如生活污水、工业污水、雨水等进行计量分析[3]。综合判断地下水深入状态，反映管道的整体状况的过程中需要实现对目标检测区域的排水管进行前期调研，并在管道关键节点中安装压力损失较好且测量范围较大的流量计，以满足不同时段具有较大差异的流量检测需求[4]。

现代城市污水分区排水管网污水检测工作中常用的流量计类型可以分为电磁流量计、超声波流量计、转子流量计等。其中以多普勒超声波流量计的应用范围更广、使用效果更好，践行该技术方案的过程中需同步配备超声波发射器以及水深压力传感器，在此之中超声波发射器会利用相位差法对排水管中的水流流速进行测量，而后利用探头发出能够在液体中传播的声波，最终利用接收器接收并分析声波[5]。相较于水质较好的给排水而言，污水中往往存在更多的气泡或颗粒状杂质，因此在超声波接触到水中的杂质时，相关系统中的超声波接收器所接收信号的频率与相位便会发生改变，以此系统所生成的数据也会发生一定变化，产生多普勒频移，进而测量出相关水体的流速。除此之外，相关传感器还可以利用水压分析水体的高程、面积等数据，再结合速度面积流量法获得排水瞬时流量，其公式如下：

公式（1）（2）中，∆f标识为超声波发射装置与接收换能器之间的频率差；f0标识为超声波发射的固定频率，其单位为Hz；A表示被测量管道的横截面积，其单位为m3；θ表示为超声波与流体流速方向之间的夹角；c标识为相关设备所发出超声波在给排水中的传播速度，单位为m/s；v表示为给排水传播速度，单位为m/s。

在明确排水流速后，还需要利用用水量折算法计算排水管网中的污水差值[6]。基于排水系统中水量是由原生污水以及地下水渗入相组合而成的原理，利用目标区域内的供水量估算排水系统中的原生污水，如城市生活用水、工业用水等。其公式如下：

公式（3）中，Qi表示为目标测量排水管网中地下水的渗入量，单位为m3；Qa表示为非雨雪天气下排水管网中的总污水量，单位为m3；P表示为目标排水管网所覆盖的区域人口数量；Tw表示为区域范围人均、日均生活废水量，单位为m3/d；Qin表示为区域范围内日均产生的工业废水量，单位为m3/d。

2.2 水质特征因子检测指标

可利用化学质量平衡法对排水管网中的各类水质因子进行检测与分析。相对而言，一个泵站受纳范围内的排水管网更倾向于一个相对封闭的系统，因此在无特殊情况（降水、地下渗水等）下，排水管网之中污染物的输入与输出具有一定的平衡关系[7]。利用化学质量平衡法对管网中主要来水的表征来源进行跟踪分析，获取不同的水质参数，并对各种来水建立联立方程组，从而定量分析各种来水中的污染因子成分定量。其约束条件公式如下：

公式（4）－（6）中，Pi表示为特定区域范围内第i个水质特征因子；Ai表示为第i个来水的水量比例；Cii表示为特定区域范围内第i个来水的第i个水质特征因子浓度，单位为mg/L；Qi表示为第i个非雨雪天气下来水的总水量，单位为m3；Q表示为该区域范围内非雨水天气的总排水流量，单位为m3；n表示为不同排水来源的水量。

基于城市污水分区排水管网的工作性质进行分析，其既有的水质特征分子可以分为水下微生物、氨氮元素、去污剂等类别，但随着城市居民生活质量的提升，生活用水污染物以及工业污染物的种类也发生了一定改变[8]。本次研究选取常见的CODCr（化学需氧量）、BOD5（生化需氧量）、NH3-N（氨氮）、pH（酸碱度）为水质检测指标进行分析，探求S市某污水分区排水管网水质。

3 案例概述

S市某污水分区位于该市西南方，其总面积为105.28 m3，合流制区域面积约占总面积的68%，其中所收集的污水全部转移至S市南部的污水处理厂进行统一处理。结合该区域2021年的管线普查数据可知，该污水分区排水管网总长度约为685 km。该污水分区常住人口约为822 126人，南部污水厂日均处理水量维持在30万t左右，污水处理厂进水的年平均BOD5浓度约为65.23 mg/L，能够承担S市污水分区中53.1%的生活与工业污水，整体进水浓度及城市生活/工业污水处理率较差。

4 基于案例的水质检测方案与结果

4.1 水质检测方案

基于案例污水分区排水管网分布情况，选取污水主管接入干管节点下、游节点以及主要污水排水口节点共12处作为本次水质检测的主要节点，采用排水管网流量监测与水质特征因子分析相结合的技术方案对该区域排水管网内污水水质变化进行研究。同时选取甲、乙、丙三个建设年代的小区为目标，分别对其化粪池前端、化粪池后端以及小区与市政管网交接处的污水进行采样，分析小区污染物排放特征。本次选取的检测指标为CODCr、BOD5、NH3-N、pH值，为保障检测质量，选择在降雨后72 h的晴天开展检测工作，并依照不同节点的特殊性以及用水高低峰设置检测频次。其中，针对关键的排水管网节点连续检测72 h，同时保持每24小时中的用水高峰期（7∶00～9∶00 pm）用水低峰期（2∶00-4∶00 am）各检测一次；针对源头小区节点共检测24 h，主要在用水高峰期对不同点位进行3次检测，每次检测工作结束后需间隔30 min以上方可进行下一次的检测。

4.2 水质检测结果

对不同节点的排水流速以及污染物浓度进行检测与计算。污水分区排水主干管网关键节点的BOD5平均浓度为45.12 mg/L，整体污染物浓度较低，水质较好。以污水处理厂为终点，分析不同污水干渠、干管或是截污管内污水汇入至主干管网后，各个节点的污染物浓度变化趋势。源头小区污水汇入至市政排水主管网之前，不同节点之中的污水污染物浓度趋于一致且相对较低。甲乙丙三个小区汇入市政排水主管网前BOD5的平均浓度分别为59.50 mg/L、60.50 mg/L以及62.48 mg/L。参考相关部门所颁布的《第二次全国污染源普查生活污染源产排污系数手册（试用版）》对相关数值进行计算[9]。可知目标污水分区所在S市属于较为发达的城市，因此人均产污系数的平均值应在116 mg/L以下，可知三个小区排水节点的实测数值要远低于理论计算数值。

对三个小区的化粪池前、后污水污染物浓度进行检测，可知不同小区化粪池后污水中BOD5的浓度都要稍高于化粪池之前，结合化粪池自身对水质的影响机制，整理水质检测结果，如图1。

图1 甲乙丙源头小区不同节点的污水 BOD5 浓度比较图

结合水质检测结果进行分析，可推测源头小区内部排水管网可能存在外水入侵（地下渗水、邻近河水倒灌），或是管网破裂等问题，导致小区污水汇入市政管网之前的浓度要低于汇入市政管网后的浓度。同时三个小区也可能存在化粪池掏清工作不及时、不到位的情况，最终导致化粪池后污水浓度普遍高于化粪池前的问题[10]。

除此之外，对三个小区早、中、晚三个时间段的污水出户井水质水位进行测量，得出结果如表1所示。结合表中数据可知，三个源头小区每日排水BOD5浓度范围在25.4～115.2 mg/L之间浮动，过程中其阈值都没有超出116 mg/L的标准。但由于居民生活习惯的影响，使得早中晚三个时间段中排水的水质变化较大，并且新建小区（丙）的出户井浓度要高于老旧居住小区（甲乙），最高浓度邻近116 mg/L的标准值。

表1 三个小区早、中、晚三个时间段的污水出户井水质水位检测结果

4.3 基于检测结果的污水分区排水管网排查方案优化方向

基于上述结果，依照问题的严重程度，相关工作人员提出应优先开展市政排水管网的排查工作，而后再基于小区的新旧程度以及实际污水浓度依次开展不同程度的排查与治理工作。同步采用了管道潜望镜（QV）、闭路电视检测（CCTV）、声呐检测（SI）等辅助类检测设备与技术。明确优化方案后，针对既有的排查结果进行重新排查，并对上述案例中污水浓度更高或是存在显著问题的区域进行重点排查与检测。

最终得出如下排查结果：（1）源头小区与当地沿河、沿江管网交界处的截污干管存在江河水倒灌的问题，而这也是导致源头小区管网污水浓度较高的主要原因。且新建丙小区周边截污干管存在溢流口拍门密封不严的情况，致使河水以及地下水倒灌至截污干管中，导致水质变差；（2）本地沿河、沿江截污干管的截污井常处于满流状态，考虑是污水分区排水管网系统不完善、管道破损、排水管渠埋深过高或是相关工作人员工作效果不佳所致，导致其水质较差且排污性能不佳。相关部门可以结合实际情况采用具有实际效益的补漏与更换方案。

4 结语

综上所述，结合城市排水管网的实际排查与管理工作需求，采用更具针对性的水质检测技术方案是治理城市黑臭水体、提升污水处理系统运行质量的基础。以城市污水分区为基础，对排水管网关键节点的水质进行检测、分析并制定排水管网排查工作方案，对整体城市给排水系统的稳定运转而言具有十分重要的现实意义。对排水管网关键节点水质的判断有助于相关技术人员精准判断管网存在的重大问题，进一步计算、筛选出需要重点检测与治理的区域，以此有效减少排水管网的排查时间，降低支出成本。