污水提質增效平原老城區案例

污水提質增效平原老城區案例

以華東地區某城市老城區污水處理廠服務片區為研究對象進行分析，發現采取防倒灌措施后，污水處理廠污染物進水濃度提升明顯。平原高地下水位地區污水處理廠進水濃度影響因素由大到小分別為：地下水入滲、管道沉積和降解、河水倒灌、降雨，對污染物進水濃度影響程度（以BOD5計）分別為：25%～34%、17%～26%、13%～18%、7%～10%。在平原老城區實施“清污分流”，建議優先采取的措施為防治河水倒灌、管網修復，管網系統相對完備后可采取降低管網運行水位的措施，雨污分流需伴隨著老城區改造循序漸進。通過多項措施的逐步實施，最終實現提高污水處理廠進水濃度的目標。0   引言2019年4月住房和城鄉建設部、生態環境部、發展改革委聯合印發《城鎮污水處理提質增效三年行動方案（2019~2021年）》（以下簡稱《方案》），其主要目標：經過3年努力，地級及以上城市建成區基本無生活污水直排口，基本消除城中村、老舊城區和城鄉結合部生活污水收集處理設施空白區，基本消除黑臭水體，城市生活污水集中收集效能顯著提高。《方案》中提出實施管網混錯接改造、管網更新、破損修復改造等工程，實施清污分流，全面提升現有設施效能，并明確要求城市污水處理廠進水生化需氧量（BOD5）濃度低于100 mg/L的，要圍繞服務片區管網制定“一廠一策”系統化整治方案，明確整治目標和措施。截至2018年6月底，我國城鎮污水處理能力已達1.61億m³/d。然而城鎮污水處理廠進水污染物濃度普遍偏低，仍然存在污水直排入河的情況，城市河道黑臭現象嚴重。中國城鎮供水排水協會2017年發布的數據顯示，城鎮污水處理廠的進水COD平均值僅為267 mg/L，南方地區的一些污水處理廠COD甚至低于100 mg/L，而歐洲污水處理廠的進水COD一般在400～1 000 mg/L。本文以服務于華東地區某城市老城區的污水處理廠（以下簡稱老城區污水處理廠）為研究對象，通過分析該片區污水處理提質增效相關工程措施，提出平原地區污水處理提質增效的實施策略，為污水處理提質增效工作的開展提供技術支撐。1 污水處理廠進水濃度偏低的成因及提質增效措施分析華東地區某城市老城區擁有唯一的一座污水處理廠，其服務范圍內基本為合流制或混接分流制，污水處理廠所在城區地勢平坦，年均月降雨量1 000 mm，地下水距離地面最淺處只有1.6 m。分析老城區污水處理廠2016～2017年進水數據（見圖1），污水處理廠污染物進水濃度相對較低，COD、BOD5、NH3N的平均濃度分別為140.6 mg/L、66.1 mg/L、17.8 mg/L。經分析，該污水處理廠進水濃度偏低的主要原因可歸納為河水倒灌、地下水入滲、雨污合流、管道內污染物沉積和降解。1.1 河水倒灌南方平原城市河網密度較高，地勢平緩，管道基本無法借助地形排水，入河排水口多為淹沒出流。由于入河排水口淹沒在河道常水位之下，加之老城區內合流制或混接分流制的影響，河水通過入河排水口倒灌回污水系統。河水的倒灌使得污水系統中摻雜大量清水，污水的轉輸、提升、處理系統的效率顯著下降，最終導致污水處理廠的污染物進水濃度普遍偏低。同時由于清水侵占了污水的空間，容易出現旱季污水外溢的情況。解決河水倒灌可以采取兩種方式，降低河道水位或在排水口設置防倒灌措施。降低河道水位可有效的減少河水通過入河排水口進入污水系統，但是河道常水位的設置涉及到常水位與現狀沿河構筑物高程的關系、整體景觀效果、生態水深等因素，改變現狀河道的常水位需要系統分析研究并征得各管理部門的同意。入河排水口設置防倒灌措施同樣是為了解決河水倒灌至污水系統，使得污水系統的輸送和處理能力提升，有效的緩解了污水旱季溢流。由于其改造內容較為簡單因此工程可實施性較強。1.2 地下水入滲地下水入滲管道的原因很多，主觀原因包括管道材質、接口形式、設計、施工、養管水平等；客觀原因包括地質條件、地下水水位、降雨等。根據《室外排水設計規范》，入滲量占總水量的10%～15%，但實際入滲量每個城市差別較大，需要根據現場實際情況分別測定。隨著《方案》的提出，各地正在重點排查現狀管道的運行情況，著手通過修復現狀管道，解決地下水入滲的情況。但是在老城區內管網的修復受外界影響的因素多，修復成本高，實施難度大，需要伴隨著城市的發展由重要滲漏點向普通滲漏點逐步推進，絕非一蹴而就能夠完成的。1.3 雨污合流合流制是最為傳統的排水體制，在我國很多老城區排水系統建設于19世紀80年代或者更早，受制于當時建設標準和經濟能力等因素，很多城市都采用合流制系統。從圖1中可以看出每年雨季進水濃度顯著降低，以2016~2017年數據為例，雨季月均降雨量為156.4 mm，BOD5平均濃度61 mg/L，NH3-N平均濃度16.2 mg/L。旱季月均降雨量為25.4 mm，BOD5平均濃度71 mg/L，NH3-N平均濃度19.7 mg/L。雨季BOD5和NH3-N進水濃度分別為旱季的85.9%和82.2%，降雨對污水處理廠進水濃度存在一定影響。雖然近年新建項目已基本普及分流制，老城區也在推行雨污分流改造，但受制老城區地下管線錯綜復雜，施工難度大，拆遷賠償等多重因素，推進相對緩慢。有些地區即使完成了雨污分流改造，由于后期管理問題，往往雨污分流后又出現雨污混接的情況，整體改造效果不明顯。1.4 管道內污染物的沉積和降解平原城市管道由于無法借助地形，管道坡度較小，加之目前很多城市污水系統高水位運行，污水在管道中的流速較低。較低的流速導致污水中的大顆粒物質在管網中蓄積，同時由于停留時間長，有機物在管道中發生生化反應，最終導致污水中污染物濃度的降低，也易造成局部淤塞。降低污水系統運行水位，恢復管道設計充滿度有利于提高管道中污水流速。但是如果沒有解決地下水入滲、河水倒灌，僅降低城市管網的運行水位難以真正實現污水收集系統的效能提升。2 污水處理廠進水濃度各影響因素的量化分析2017年11月底為了響應國家黑臭水體治理的要求，華東地區某城市老城區對所有入河排水采取了防倒灌措施，確保河水不倒灌至市政管網，同時旱季不出現污水溢流。經過約2年的運行，污水處理廠進水濃度發生了較為顯著的變化，為研究河水倒灌、降雨、地下水入滲的影響程度提供了詳實的數據資料。為了量化分析各因素的影響程度，首先需確定污水系統起始點的污染物濃度。我國各地實測居民小區出口的污水COD一般為350～500 mg/L，按照生活污水BOD5/COD≈0.5的比例，確定污水系統起始點的污水BOD5濃度約為175～250 mg/L。按照各因素造成的濃度降低量與起始點濃度的比值測算其影響程度。2.1 河水倒灌及降雨對進水濃度的影響分析為了研究河水倒灌和降雨對污水處理廠進水濃度的影響，暫定全年地下水入滲不存在顯著性差異，將2016~2019年的進水月均數據，根據月降雨量分為3個層次。當月降雨量小于50 mm時，此時處于旱季，降雨基本不會影響管網水質。從圖2中可以看出2017年11月實施防倒灌措施后，污水處理廠月均進水濃度顯著上升。2017年11月前BOD5平均濃度71.0 mg/L，NH3-N平均濃度19.7 mg/L。2017年11月后BOD5平均濃度103.4 mg/L，NH3-N平均濃度24.2 mg/L。BOD5和NH3-N的平均濃度分別提升了45.6%和22.8%。當月降雨量為50~150 mm時，此時處于雨季，降雨頻次顯著提高，但每場降雨的強度不大，降雨將顯著影響管網污染物濃度。從圖3中可以看出2017年11月前BOD5平均濃度68.3 mg/L，NH3-N平均濃度18.2 mg/L，2017年11月后BOD5平均濃度84.9 mg/L，NH3-N平均濃度23.2 mg/L。BOD5和NH3-N的平均濃度分別提升了24.3%和27.4%。當月降雨量大于150 mm時，此時處于雨季，降雨多為強降雨。從圖4中可以看出2017年11月前BOD5平均濃度53.7 mg/L，NH3-N平均濃度14.2 mg/L。2017年11月后BOD5平均濃度86.5 mg/L，NH3-N平均濃度22.1 mg/L。BOD5和NH3-N的平均濃度分別提升了61.1%和55.6%。由此可見在降雨量較大的月份，河水倒灌和降雨的疊加影響導致了污水處理廠污染物進水濃度的顯著降低。在采取防倒灌措施后，雨季雖然降雨量較大，但從平均值水平來看，對污水處理廠的污染物進水濃度的影響是有限的。從2016~2019年的污水處理廠污染物進水濃度數據可以看出，2017年底實施防倒灌措施后有效提高了污水處理廠的污染物進水濃度。由于旱季基本不存在降雨對濃度的影響，因此采用旱季污水處理廠污染物進水濃度，分析采取防治河水倒灌措施前后的數據，污水處理廠進水BOD5濃度提升約32.4 mg/L。因此，河水倒灌對進水BOD5濃度的影響程度約為13%~18%。通過數據分析（見表1）可以看出降雨對污染物濃度影響是顯著的，2018~2019年度采取防倒灌措施后基本可以忽略河水倒灌對進水濃度的影響。對比旱季和雨季的數據可以發現，降雨導致進水BOD5濃度降低了17.7 mg/L，對污水處理廠進水BOD5濃度的影響程度約為7%~10%。2.2 污染物管道中沉積和降解對進水濃度的影響分析研究表明在15 ℃條件下，管道中污水COD的衰減速率為20 mg/(L·h)［折算BOD5的衰減速率約為10 mg/(L·h)］。本研究對象老城區污水處理廠的收集系統起始端到終點的平均長度約8 km，由于現狀管道基本處于滿管流，按照污水處理廠的進水流量反算管道平均流速約0.4～0.6 m/s。據此可知污水在管道運輸過程中BOD5的衰減量約為37.0～55.5 mg/L，污水在管道轉輸中由于沉積和降解導致污染濃度的衰減對污水處理廠進水BOD5濃度的影響程度約為17%～26%。2.3 地下水入滲對進水濃度的影響分析地下水入滲量與地下水水位、降雨、河水倒灌以及管道漏損等情況均息息相關。為了初步量化分析入滲的影響，擬采用老城區污水處理廠實施防倒灌措施后旱季的實測進水數據反算地下水入滲的影響。此時主要影響污水處理廠濃度的因素為地下水的入滲、污染物轉輸過程的沉積和降解。地下水入滲對進水濃度的影響值=小區出口濃度-污水在管道轉輸中的衰減量-污水處理廠進水平均濃度。根據表2可知地下水的入滲對污水處理廠進水BOD5濃度的影響程度約25%～34%。這充分的反應出地下水位較高的老城區，管網的滲漏對污水處理廠進水濃度影響非常大。3 結論與建議●分析華東地區某城市老城區污水處理廠2016~2019年進水濃度的變化情況，河道排水口采取防倒灌措施后污水處理廠進水濃度顯著提升，BOD5平均濃度提升24.3%～61.1%，NH3-N平均濃度提升22.8%～55.6%。●通過多年數據對比分析，平原老城區污水處理廠進水濃度影響因素由大到小分別為：地下水入滲、管道沉積和降解、河水倒灌、降雨。影響程度（以BOD5計）分別為：25%～34%、17%～26%、13%～18%、7%～10%。●總體來看地下水入滲影響最大，但對老城區實施管道修復和雨污分流改造都是一個循序漸進的過程。因此，應綜合考慮工程實施的難度和措施的有效程度，開展平原老城區“清污分流”工作，建議優先采取的措施為防治河水倒灌、管網修復，在此基礎上采取降低管網運行水位的措施，并結合老城區改造循序推進管網的雨污分流。通過多項措施的逐步實施，最終實現提高污水處理廠進水濃度的目標。