深圳市福永污水处理系统提质增效案例分析

易升泽 汤维明 俞静雯

(中电建生态环境集团有限公司,广东 深圳 518100)

2007年我国城市的污水处理能力仅为0.78亿m3/d,随着污水处理设施的加快建设,2019年我国城市的污水处理能力激增至2.28亿m3/d,但是平均进厂污水COD和BOD5浓度却呈现逐年下降趋势[1-2]。因外水入污使得进厂污水总量增大、污水处理效能低下,一方面造成严重的浪费,另一方面导致雨天污水溢流入河,严重影响河道水质的稳定达标[3]。近年来,深圳市以雨污分流为目标,从源头开始梳理城市排水管网系统,通过工程改造、执法整改等措施,纠正雨污水错接乱排,完善小区及市政排水管网。尤其是2008年至今,深圳市各流域在水环境治理实施过程中陆续建设了沿河大型箱涵强化截流设施,对河流水质好转起到了明显的作用,同时也产生了新的外水入污途径与隐患[4-6]。为此,2020年2月,深圳市水污染治理指挥部印发《深圳市污水处理提质增效行动实施方案(2020年—2021年)》,对全市水质净化厂进水BOD5平均浓度提出了明确的冲刺目标[7]。本文以福永水质净化厂(一期)为例,针对2020年以来开展的深圳市宝安区福永污水处理系统提质增效工作,从概况分析、现状评估、工作思路、分析排查、对策措施、实施成效等方面进行全过程复盘,为深圳市及其他类似城市污水系统提质增效工作提供参考,也为当下最新的城市水环境治理模式“源-网-厂-河-城”一体化积累实践经验。

1 福永污水处理系统概况

1.1 区域概况

福永片区位于深圳市宝安区西部,包括福永和福海两个街道,福永街道下辖福围、怀德等6个社区,福海街道位于新宝安地理中心,管辖新和、桥头等6个社区,福永、福海两个街道面积约69.4km2,人口约92.5万。福永片区地势东高西低,东部平均海拔70～120m,地形以丘陵为主,西部为连片的海滩涂,平均海拔2m左右。福永片区属亚热带海洋性季风气候,常年主导风向为东南风和东北风,台风是该地区的主要自然灾害,多年平均年降水量约1960mm。

1.2 污水处理厂现状

2022年6月前,福永片区共建有3个污水处理厂。其中,福永水质净化厂(一期)在福洲大道以南,在灶下涌和虾山涌之间,规模为12.5万m3/d,占地面积为8.32hm2,污水处理服务范围为福永、福海街道办(深圳机场除外)区域,服务面积约56km2;福永片区污水应急处理服务项目,规模为5万m3/d;福永片区污水应急处理扩容服务项目,规模为10万m3/d。三个污水处理厂合计污水处理规模为27.5万m3/d,设计出厂水质均为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准,2020年12月,三个污水厂均完成提标改造,污水出水水质达到地表Ⅳ类水标准,2020—2021年,三个污水厂日处理水量较为平稳,基本都处于满负荷运行状态。

1.3 排水管网现状

目前,福永片区排水管网为城市不同发展时期所建,采用了不同的排水体制,且分区明显。总的来说,老城区基本沿用原雨污合流制管道,新建的城区大多采用雨污分流制排水系统。片区内玻璃围涌、坳颈涌、福永河等9条河涌均沿地势由东向西流,沿途接纳福永街道和福海街道绝大部分雨污水,片区现有2套污水主干管网,分别是福园一路污水主干管(DN1200～DN2000)及福洲大道DN1600污水主干管,河流与污水系统呈犬牙交错的状态(见图1)。据不完全统计,福永片区市政雨污水管道总长约423km,庭院雨污水管道总长约2317km。

1.4 现状存在的问题

根据2019年运行数据,福永水质净化厂(一期)前池的实际运行水位比设计水位4.60m显著偏高,在设计运行工况下,年平均水位达6.30m,同时导致上游孖庙涌、坳颈涌截污系统雨季污水溢流现象频发,致使水质恶化。另外,福永水质净化厂(一期)进水水质波动大,在5—10月深圳市雨季期间,水位和水质变化幅度尤为异常,雨天进厂污水BOD5浓度明显偏低,存在大量雨水进入污水系统的可能。2019年,福永水质净化厂(一期)进厂污水BOD5平均浓度仅为79.9mg/L,低于深圳地区典型排水小区接入市政检查井的平均污水BOD5浓度(150～260mg/L)[4],表明福永地区仍有明显的外水入污现象。

1.5 治理目标

依托宝安区2019年全面消除黑臭水体工程(大空港片区),开展福永污水系统提质增效行动,进一步完善福永片区雨、污水管网,消除污水收集空白区,基本实现片区内雨、污分流全覆盖,消除福永片区建成区生活污水直排口,2021年底,将福永水质净化厂(一期)进水BOD5浓度提升至110mg/L,全面实现福永片区污水处理系统的提质增效。

2 工作思路

2.1 精细化排水分区

为便于合理安排溯源摸排、明确各参建单位及管理单位的责任划分,将福永片区两大污水系统按照污水收集范围进一步细化分区。福永片区污水子系统划分见图2。由图2可知,将福园一路污水系统划分为宝安大道子系统(福永大道以北)、桥和路子系统、凤塘大道子系统(宝安大道以西)、凤塘大道子系统(宝安大道以东)、蚝业路子系统5个污水子系统,福洲大道污水系统划分为福永大道子系统(广深公路以东)、福永大道子系统(广深公路以西)、宝安大道子系统(福永大道以北)、宝安大道子系统(福永大道以南)4个污水子系统。

图2 福永片区污水子系统划分示意图

2.2 坚持“抓大放小”“正逆结合”原则

坚持以降低进厂污水BOD5浓度为目标导向,集中力量对影响BOD5浓度的重点区域和重点问题开展排查整改工作,摸排重点为污水干管重要节点水质及水量、小区总口错接、截流井/弃流井、沿河截污管、总口、施工降水、工业排水、清洁基流去向等。

正向排查重点:污水管网存在塌陷、破损等各类结构性缺陷,使得地下水有入渗通道,加之福永片区地下水位偏高,加重了地下水入渗的可能性;用水企业经过处理达标的工业废水排入污水系统,稀释污水BOD5浓度;雨水管错接污水系统、未分流改造前保留的截流总口、沿河截污管总口、施工倒排水等,使得雨季产生大量雨水入污。

逆向排查重点:福永片区主要河流均为感潮河流,潮水通过沿河截污系统截流井倒灌进入污水系统;部分河道存在总口截流河道基流现象。

外水入污正逆结合排查思路见图3。

图3 外水入污正逆结合排查思路

2.3 排查整改方法

充分利用管养单位的排水物联网监测系统,同时参照污水管网系统图,在关键管段关键井位设监测点,开展水质和水量监测,监测内容主要包括COD、BOD5、NH3-N、液位等,对监测结果异常的管段,开展分析研究,并通过QV、CCTV等检测设备再次现场摸排找出问题。根据确认存在的问题,列出问题清单,制定整改方案,绘制图纸,明确整改责任人、督办责任人及复核责任人,由施工单位负责整改落实,整改工程经复核、验收合格,且水质复测合格后,将问题从“问题清单”中逐一销号。

3 分析排查

3.1 污水处理厂处理能力不足

据相关资料显示,深圳市人均综合用水量约435.7L/d[4],据此推算福永片区污水量约40万m3/d,考虑到福永片区存在大量工厂区,以面积占比折算,预计福永片区实际污水量在30万m3/d以上,而片区内3个污水厂的设计污水处理能力仅27.5万m3/d。此外,晴天经常出现污水系统高水位运行的情况,据此推断福永片区污水处理厂处理能力存在一定的缺口,亟待提升。

3.2 雨水入污问题

深圳雨季较长,降雨多为短时强降雨。以2021年6—8月降雨为例(见图4),进厂BOD5浓度与日累计降雨量之间存在明显的负相关性,进厂前的污水检查井液位与日累计降雨量之间存在明显的正相关性,提示可能存在大量的雨水入污;此外,在片区内3个污水厂均保持满负荷运行的前提下,降雨结束后,污水主干管液位需4天左右才能降低至降雨前的水平,再次提示污水处理厂处理能力可能有所欠缺。

图4 福永一期雨季进厂BOD5浓度、检查井液位与日累计降雨量的关系

经系统摸排,发现雨水入污的主要途径有雨水管道错接入污水系统、沿河截污管截流雨污混流水、初雨弃流井、合流管道截流井等。共发现雨污混接点190处,沿河截污管未完成雨水剥离的混流点5处,合流管道截流井发现问题81个,需整改的初雨弃流井65个。其中雨污混接是福永片区雨水入污的主要问题。

3.3 河水入污问题

福永片区河网密布,主要有7条入海河流,且均为感潮河流,河流水系与污水管网系统呈复杂交织状态,存在大量穿河管和河流两岸的涉水管、排口等。当河涌水位较高时,河水可能通过排口、管网缺陷处等倒灌进入污水系统。通过穿河前后污水检查井的污水水位、水质监测,未发现穿河管有明显的河水入污现象。在坳颈涌发现1处河水通过排口、破损管道倒灌进福园一路、蚝业路污水管。此外,为保障主要河道水质达标,在未全部完成上游的雨污分流整治前,在干流、支汊流设置了临时截污总口22个。

3.4 地下水入污问题

福永片区平均海拔仅2m左右,尤其是福海街道地势较低,地下水水位高、埋深较浅,平均埋深在1～2m,而片区内污水管道尤其是污水干管埋深均在3～8m,地下水易通过管网缺陷处渗入污水系统。通过第三方CCTV检测结果及管养单位提供的排查资料,福永片区污水系统共排查出缺陷管段约13.6km,结构性、功能性缺陷1068处,包括暗接、变形、错口、腐蚀、破裂、起伏、渗漏、脱节、异物穿入和支管暗接等,其中渗漏、异物穿入、破裂、错口是发现的主要缺陷类型,占比分别为50%、17%、11%、5%。

3.5 其他外水入污问题

除上述外水入污问题外,其他主要外水主要来自低浓度工厂排水、施工降水、自来水厂及污水处理厂反冲洗水等。福永片区工业仓储类排水小区共计159个,有工业企业1000余家,面积7.66km2,其生产废水经工厂自建污水处理设施处理后,排入市政排水系统,由政府部门进行统一管理。部分工厂排水的氨氮、BOD5浓度很低,大多低于100mg/L,对污水系统的氨氮、BOD浓度起到了稀释作用。片区内共发现6处地铁、管廊等施工工地的施工降水排入污水系统。

4 对策措施

4.1 污水处理厂扩容

为适应片区污水处理量需求,降低污水系统的运行水位,宝安区新建了福永水质净化厂(二期)工程,设计规模22.5万m3/d,已于2022年6月投产试运行,试运行结束后,两个福永应急扩容项目随即停止运行,至此,福永片区的污水处理能力增加至35.0万m3/d。

4.2 完善排水系统雨污分流

纠正市政管道的雨污混接点,进一步深入开展未达到正本清源深度的排水小区的溯源摸排,创建污水零直排小区,经达标验收后,将此类小区的雨污水总口与市政管网正确接驳,消除截流井,同时将现状截流井上的排污口进行永久性封堵,避免雨水进入污水管道。对已建成的“截污总口”,完成其收水范围雨污溯源摸排,并从源头进行雨污分流改造后,取消“总口截污”设施,将生态基流释放进河道。

4.3 弃流井改造

对于雨水排口收集范围存在大量餐饮、垃圾站、洗车点等重点面源污染,确需进行初期雨水弃流的,或者难以完全实现雨污分流的老旧城中村,在进入弃流管道前须设置限流设施或调小弃流管管径,以避免大量雨水混入污水系统。

4.4 沿河截污管改造

全面梳理片区内8条沿河截污管,目前需要作为市政污水管使用的截污管,将雨水排口从其中剥离出来,实现雨水直排入河;作为备用市政污水管或者调蓄管使用的,将沿途小区完成雨污分流改造,污水通过其他路径进入市政污水系统,将雨水口从截污管中剥离,雨水直排入河,在截污管接入市政污水管处设闸,实现平时截污管空管状态。

4.5 管网修复与翻建

为尽量减少管道过水断面的连续变化、改善水力条件、防止继发损坏,依据《城镇公共排水管道非开挖修复技术规程》(DB44/T 1026—2012),对于同一管段出现3处及以上结构性缺陷的,管段缺陷达到中等缺陷或缺陷密度指数达到0.5以上时,采用紫外光原位固化修复、热塑原位固化修复、聚氨酯高分子喷涂等整体修复方法,其他管段采用树脂固化法、聚氨酯高分子喷涂法等局部修复方法。同时,对严重错口、破裂、脱节或有大量异物穿入等的严重缺陷段管道进行翻建处理。

4.6 工业生产废水分类处理

建议对生产废水进行有针对性的分类处理,提出以下两种处置方案:一是针对有条件处理后排放地表水的,应自建或提标改造污水处理设施,处理达标后排入地表水体;二是针对出水浓度高、达标难度大或单独处理成本高的工业企业,需在企业内部或通过工业园区处理设施达到城市污水管网纳入标准后,可收集至污水处理厂处理。

4.7 加强水政执法与监督

建议强化对城市施工降水或基坑排水排入城市污水收集管网的许可管理,加强对福永片区大型施工项目的监督,对建筑工地发放临时排水许可,避免施工降水进入污水系统,且保证施工降水达标处理后进入雨水系统。同时加强对福永片区内偷排漏排行为的查处。

5 实施成效

2020年以来,通过对福永片区污水处理系统开展的提质增效工作,陆续实施完成上述一系列工程措施,并逐步落实相关管理措施,福永水质净化厂(一期)的进厂水量、BOD5、COD、NH3-N、TP浓度变化见图5。受制于福永片区污水处理能力尚有一定缺口的影响,且随着片区内正本清源、雨污分流相关工程的实施,雨水从污水系统剥离的同时,污水也得以从雨水系统剥离,片区内污水收集率不断提高,再加上近年深圳国际会展中心陆续投入使用也为福永片区新增了一定的污水量,2020年、2021年进厂污水水量总体变化不大。对比两年的水质数据发现,除6月、7月之外,2021年进厂污水的BOD5、COD、NH3-N、TP浓度均明显高于2020年,年平均浓度分别同比提高20%、19%、6%、8%,其中NH3-N浓度上升趋势较小,与相关研究结论一致[1]。2021年6月、7月污水浓度相较于2020年同期较低,主要是因为福永片区在水环境治理过程中,为确保河道水质达标,在2021年雨季来临前,在其中5个支汊流新增设了截污总口,7月底完成其上游的溯源纳污整治后,已将总口拆除。福永一期2019—2021年进厂污水水质对比见表1。由表1可知,随着福永片区内提质增效工作的不断深入,福永水质净化厂(一期)的进厂年平均BOD5浓度已由2019年的79.89mg/L,提高到2020年的98.23mg/L和2021年的118.23mg/L,已完成福永片区污水处理系统的提质增效目标。与此同时,福永片区雨季污水溢流现象得到大幅度改善,根据深圳市生态局公布的2021年河流水质情况平均值结果,福永片区内9条河流的透明度、溶解氧和COD、NH3-N、TP等的平均浓度2021年均达到地表Ⅴ类水标准以上。

表1 福永一期2019—2021年进厂污水水质对比

图5 福永污水系统提质增效前后福永水质净化厂(一期)进厂水质水量变化曲线

6 结 语

近几年来,通过综合整治、正本清源、全面消黑等一系列水环境治理工程的实施,福永片区排水系统已基本实现了雨污分流,污水收集率明显提高,因此,存量污水管网的外水入污问题成了污水系统的突出问题。本研究已查明福永片区主要外水入污途径是雨污混接、截污总口及管道缺陷,2021年底,外水入污问题的整改完成率已达90%以上,福永水质净化厂(一期)进厂年平均BOD5浓度已达到118.23mg/L。2022年,随着外水入污问题的进一步整改,福永水质净化厂(一期、二期)进厂BOD5浓度维持在120mg/L左右,仅在小范围波动。在此,对相似地区的污水系统提质增效工作提两点建议:

a.污水系统提质增效工作的关键是开展系统调查、溯源摸排,可以采取细化污水系统分区的方法,坚持“抓大放小”“正逆结合”的原则,充分利用管养单位的排水物联网监测系统,同步开展污水系统关键点位的水位、水质人工复核,集中力量对影响BOD5浓度的重点区域和重点问题开展排查整改工作。

b.外水入污摸排应首先检测、掌握现状污水系统本身存在的问题,在此基础上全面摸排雨水、河水、地下水、施工降水、工厂低浓度废水、工艺反冲洗水等外水进入污水系统的路径以及外水入污的水量大小,在此基础上制定有针对性的整改措施。