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        上海市某片區(qū)污水輸送干線及其支線地下水滲入情況評估

        2021-07-10 11:12:58袁方竹
        科技視界 2021年17期
        關(guān)鍵詞:支線腐殖酸片區(qū)

        朱 弋 袁方竹

        (上海市城市排水有限公司,上海200070)

        0 引言

        上海某干線改造工程于2010年年底通過工程竣工驗(yàn)收,目前運(yùn)行期均已超過10年,部分老舊支線管齡甚至超過20年。由于管道及其附屬構(gòu)筑物變形、破裂、錯位、脫節(jié)等,排水系統(tǒng)容易發(fā)生地下水的滲入,這不僅會增加污水處理廠、泵站運(yùn)行費(fèi)用,降低污水處理效率,還會引起前端污水管道冒溢,影響居民正常生活的同時造成城市環(huán)境污染[1]。針對排水系統(tǒng)來水組分分析,國內(nèi)外均有定性和定量的研究。夜間最小流量法是排水管道地下水滲入評估的傳統(tǒng)方法,但系統(tǒng)范圍較大時存在明顯誤差;旱天污水法是在旱天時評估一個區(qū)域的排水管道地下水滲入量,該方法簡單易用,評估費(fèi)用少[2,3],李田等[4]曾采用以上兩個方法對上海市古北新區(qū)排水系統(tǒng)地下水滲入量開展研究;王小婷等[5]采用三角分析法解析特定時間段內(nèi)的污水管網(wǎng)出口流量,對2014——2017年期間蘇州市中心城區(qū)污水管網(wǎng)系統(tǒng)開展評估;Baker等[6]通過三維熒光光譜法研究了城市排水污水組分對河道的影響;徐祖信等[7]基于特征因子法和蒙特卡羅理論建立了水質(zhì)分析定量方法,并對上海市某分流制排水系統(tǒng)進(jìn)行研究,結(jié)果表明,該解析結(jié)果誤差能夠控制在10%以內(nèi)。

        本文結(jié)合實(shí)際情況,綜合運(yùn)用旱天污水法、三角分析法、三維熒光和特征因子法對上海市某片區(qū)污水輸送干線及其支線地下水滲入情況開展評估,以期對該片區(qū)排水系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行和維護(hù)修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐和決策參考。

        1 研究對象

        研究對象為中心城區(qū)某污水輸送干線至上游29條支線的第一個接入井。干線服務(wù)面積約295 km2,服務(wù)人口250~270萬人。共有兩座污水處理廠,設(shè)計污水處理能力均為4.0×105m3/d;該片區(qū)涉及三個供水所,供應(yīng)水量按對應(yīng)服務(wù)面積進(jìn)行劃分。

        2 研究方法

        2.1 旱天污水法

        旱天污水法排除了因管道雨污混接造成的雨水干擾,將旱天污水輸送量減去原生污水量便得到旱天地下水滲入量。原生污水量的計算以污水輸送干線服務(wù)片區(qū)為基礎(chǔ),將供水區(qū)域按面積劃分使其與污水輸送干線服務(wù)片區(qū)完整對應(yīng),從而得到該片區(qū)供水量。根據(jù)(2016年版GB 50014—2006)《室外排水設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定,污水量可按當(dāng)?shù)赜盟~的80%~90%采用,對給排水系統(tǒng)完善的地區(qū)可按90%計,從而得到原生污水量為供水量的0.9倍。

        2.2 三角分析法

        三角分析法是以時間為橫坐標(biāo),流量為縱坐標(biāo)將一年的污水輸送量按升序排列并繪于圖中,將得到一條S形曲線(見圖1);圖1下方矩形區(qū)域代表全年原生污水量,矩形上方區(qū)域代表雨水入流量、雨水滲入量和地下水滲入量之和;將一年中旱天所占的比例在橫坐標(biāo)上標(biāo)識出來,得點(diǎn)A,并從點(diǎn)A到右下角點(diǎn)B畫直線,則該直線下方和矩形上方區(qū)域即表示地下水滲入量,直線上方區(qū)域表示雨水入流量和雨水滲入量之和。

        圖1 三角分析法計算入流入滲原理示意圖

        對流量曲線的分割是基于以下幾點(diǎn)假設(shè):

        (1)每日排放的污水量為定值;

        (2)雨天管網(wǎng)出口流量最小日,外來水依然全部為滲入的地下水;

        (3)在管網(wǎng)出口流量最大日,入流的雨水?dāng)D占了管道中除污水外的全部剩余空間,即該日的外來水全部為雨水入流量和雨水滲入量之和。

        2.3 三維熒光法

        三維熒光可用于來水定性溯源。三維熒光光譜法可測定水體中溶解性有機(jī)物,指示污染物的不同來源,是一種快捷、靈敏、有效的排水系統(tǒng)污染物質(zhì)來源解析方法。三維熒光光譜表示描述熒光強(qiáng)度同時隨激發(fā)波長和發(fā)射波長變化的關(guān)系。作為一種靈敏度高、操作簡單、選擇性好的光譜指紋指術(shù),三維熒光技術(shù)可對多組分復(fù)雜體系中熒光光譜重疊的現(xiàn)象進(jìn)行光譜識別和表征[8-11]。

        由于溶解性有機(jī)物結(jié)構(gòu)中含有大量具有各種官能團(tuán)的芳香結(jié)構(gòu)與不飽和脂肪鏈等熒光基團(tuán),可采用三維熒光光譜技術(shù)進(jìn)行研究,可以分辨出溶解性有機(jī)物中的腐殖酸,類蛋白等不同熒光組分。此外,三維熒光測定具有對樣品無損壞,能夠獲得豐富的溶解性有機(jī)物分子光譜等特點(diǎn)。天然水體中常見的熒光組分分別為陸源腐殖酸組分C1、微生物源腐殖質(zhì)組分C2、自身源腐殖酸組分C3、色氨酸類組分C4和酪氨酸類組分C5。

        2.4 特征因子法

        特征因子法可用于來水定量溯源。特征因子法是美國國家環(huán)境保護(hù)局排水管網(wǎng)混接調(diào)查技術(shù)體系中的核心技術(shù)方法,其主要原理是選擇能夠表征不同來源的水質(zhì)特征因子,如生活污水、產(chǎn)業(yè)污水、地下水等,選取合適的水質(zhì)特征因子,建立研究區(qū)域的水質(zhì)特征因子數(shù)據(jù)庫。同時監(jiān)測排水管網(wǎng)水量和水質(zhì),進(jìn)一步基于輸入——輸出化學(xué)質(zhì)量平衡法原理,建立排水系統(tǒng)入流與出流的平衡關(guān)系,利用蒙特卡羅不確定性分析方法,獲取不同來水成分比例的95%置信區(qū)間以及均值數(shù)據(jù)[7-13]。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 旱天地下水滲入量計算結(jié)果

        將24 h內(nèi)累計雨量小于2 mm(無法形成徑流)視為旱天;大于或等于2 mm的雨量,降雨當(dāng)天及后兩天定義為雨天。2020年共計366天,其中旱天131天。旱天片區(qū)供水總量為7 815.83萬m3,污水輸送總量為7 880.48萬m3,按照原生污水量為供水量的0.9倍計算可得,上海市某片區(qū)污水輸送干線旱天地下水滲入量占管網(wǎng)收集總水量的10.07%。

        3.2 全年地下水滲入量計算結(jié)果

        如圖2所示,基于三角分析法得到了2020年全年某片區(qū)原水污水量為18 221.85萬m3,占污水輸送總量81.80%;地下水滲入量902.69萬m3,占污水輸送總量4.05%;雨水入流入滲總量為3 151.95萬m3,占污水輸送總量14.15%。由此可以看出,全年與旱天結(jié)果相比,地下水滲入比例有所下降,表明2020年片區(qū)雨量較為充沛且管網(wǎng)存在雨污混接現(xiàn)象,雨水入流入滲給片區(qū)管網(wǎng)運(yùn)行帶來了一定壓力,管道水位上升會一定程度上阻礙地下水滲入。

        圖2 三角分析法結(jié)果

        3.3 支線地下水滲入定性定量分析

        3.3.1 研究片區(qū)管線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)查

        調(diào)查和梳理研究片區(qū)干線及其支線的規(guī)劃、設(shè)計、施工等相關(guān)圖檔資料,結(jié)合GIS資料及現(xiàn)場摸排復(fù)核,全面厘清支線管路接入點(diǎn)、接入形式、接入管徑、管道材質(zhì)、管道埋深、相關(guān)附屬物、周邊環(huán)境等資料。排查后得到研究片區(qū)干線總管共有29條支線接入。

        3.3.2 三維熒光定性分析結(jié)果

        選取了研究范圍內(nèi)9個點(diǎn)位采集的地下水作為該片區(qū)地下水本底值、6個居住小區(qū)采集的水樣作為生活污水本底值、9個工業(yè)廢水采集的水樣作為產(chǎn)業(yè)污水本底值進(jìn)行三維熒光檢測。結(jié)果表明,地下水共分出兩個組分(見圖3),分別為激發(fā)波長350 nm,發(fā)射波長450 nm,指示陸源腐殖酸類C1組分;激發(fā)波長325 nm,發(fā)射波長375 nm,指示微生物源腐殖酸類C2組分;生活污水共分解出三個組分(見圖4),分別為激發(fā)波長350 nm、發(fā)射波長425 nm,指示陸源腐殖酸類C1組分;激發(fā)波長400 nm、發(fā)射波長480 nm,指示自生源腐殖酸類C3組分;激發(fā)波長275 nm、發(fā)射波長340 nm,指示色氨酸類C4組分;工業(yè)廢水共分出兩個組分(圖5),分別為激發(fā)波長350 nm、發(fā)射波長425 nm,指示陸源腐殖酸類C1組分;激發(fā)波長290 nm、發(fā)射波長340 nm,指示色氨酸類C4組分。

        圖3 地下水分出陸源腐殖酸類C1和微生物源腐殖酸類C2組分

        圖4 生活污水分出陸源腐殖酸類C1、自生源腐殖酸類C3組分和色氨酸類C4組分

        圖5 工業(yè)廢水分出陸源腐殖酸類C1和色氨酸類C4組分

        根據(jù)地下水、生活污水和工業(yè)廢水三維熒光的檢測結(jié)果,微生物源腐殖酸C2是地下水中的特有物質(zhì),生活污水和工業(yè)廢水均含有色氨酸C4。將水樣C2與C4最大熒光強(qiáng)度進(jìn)行比較,可以得到地下水與生活污水和工業(yè)污水的相對比例,由此判斷各支線地下水滲入情況。從表1可以看出,支線13、支線19、支線20、支線21、支線23和支線24地下水滲入情況較為嚴(yán)重。

        表1 各支線C2與C4最大熒光強(qiáng)度比值

        3.3.3 特征因子定量分析結(jié)果

        研究片區(qū)所取地下水的水樣中符合典型南方地區(qū)Ca-Mg離子型性水文地質(zhì)地下水特點(diǎn)的硬度指標(biāo)平均值為384 mg/L,與生活污水硬度指標(biāo)平均值183 mg/L、工業(yè)廢水硬度指標(biāo)平均值187.47 mg/L相比,分別為2.1倍、2.0倍,差異性較為顯著,因此硬度指標(biāo)可作為表征地下水的水質(zhì)特征因子。

        研究片區(qū)所取生活污水的NH3-N、TN指標(biāo)濃度平均值分別為59.2 mg/L、81.3 mg/L,與地下水NH3-N、TN指標(biāo)的濃度平均值4.37 mg/L、6.65 mg/L、工業(yè)廢水NH3-N、TN指標(biāo)平均值17.74 mg/L、24.56 mg/L相比,分別為13.5倍、12.2倍,3.3倍、3.3倍,因此NH3-N、TN指標(biāo)可作為表征生活污水的水質(zhì)特征因子。不同水質(zhì)特征因子本底值選擇如表2所示。

        表2 特征因子本底值選擇

        對29條支線接入井的旱天水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)24小時的水質(zhì)采樣,每3小時采樣和指標(biāo)監(jiān)測,每天共采集8個連續(xù)過程水樣?;诘叵滤?、生活污水的本底值數(shù)據(jù)和各支線水樣水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),采用已選取的水質(zhì)特征因子,利用化學(xué)質(zhì)量平衡方法,對各接入支線來水進(jìn)行定量解析,解析結(jié)果如表3所示。

        表3 各支線來水解析結(jié)果

        從定量解析結(jié)果可以看出,研究片區(qū)干管接入的支線地下水占比在10%~20%左右,總體情況尚可,局部偏高,其中支線13、支線20、支線21、支線22、支線23、支線24和支線28地下水滲入情況較為嚴(yán)重,占比分別 為24.0%、27.3%、29.6%、24.0%、36.0%、29.7%和23.0%。選擇了滲入最嚴(yán)重的支線23和支線24進(jìn)行了CCTV管道檢測,檢測發(fā)現(xiàn)支線23在結(jié)構(gòu)性缺陷方面,存在脫節(jié)2級2個,錯位2級2個,變形2級1個;在功能性缺陷方面,存在障礙物3級1個,管道堵塞3個。支線24在結(jié)構(gòu)性缺陷方面,存在滲漏3級2個,破裂4級1個,破裂3級1個,變形3級2個;在功能性缺陷方面,存在沉積2級1個。

        4 結(jié)語

        (1)在與在流量、雨量數(shù)據(jù)較為完善的前提下,可以利用旱天污水法和三角分析法對管道地下水滲入情況進(jìn)行快速評估。根據(jù)結(jié)果可以看出計算得到的該片區(qū)旱天總體地下水滲入比例結(jié)論與(GB 50013—2018)《室外給水設(shè)計規(guī)范》中入滲地下水量可按平均日綜合生活污水和工業(yè)廢水總量的10%~15%相符。

        (2)由于該片區(qū)管網(wǎng)存在雨污混接現(xiàn)象,地下水滲入量在一定程度上受進(jìn)入管網(wǎng)的雨水量影響。

        (3)在支線流量數(shù)據(jù)不齊全的情況下,采用三維熒光和特征因子對29條支線的地下水滲入進(jìn)行定性定量分析,通過兩者的相互印證,準(zhǔn)確判斷出地下水滲入嚴(yán)重的支線管段。

        (4)建議根據(jù)實(shí)際情況將上述分析法推廣至其他片區(qū)進(jìn)行管網(wǎng)評估,為排水管網(wǎng)地下水滲入問題的解決提供決策支撐,促進(jìn)排水管網(wǎng)提質(zhì)增效,確保污水廠的平穩(wěn)運(yùn)行。

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