桂麗娟， 張輝， 侯紅勛， 司家濟

（1.城市生命線工程安全運行監(jiān)測中心， 合肥 230601； 2.中節(jié)能國禎環(huán)保科技股份有限公司， 合肥 230088）

近年來， 隨著城市化進(jìn)程不斷加快， 城市人口不斷增加， 生活污水排放量不斷增大； 與此同時，城市面源污染尤其是初期雨水徑流污染也日益嚴(yán)重［1］。 現(xiàn)階段， 城市排水系統(tǒng)中合流制管道仍占有較大比例， 在雨天， 由于受到截流管道輸送能力以及污水廠處理能力的限制， 大量的混合雨污水被溢流到受納水體， 嚴(yán)重影響城市河流水質(zhì)。 如何有效削減和控制城市合流制溢流（CSO）污染， 已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點［2-4］。

本文針對南方某城市內(nèi)河重污染段CSO 污染現(xiàn)狀， 通過對已建截流式合流制管網(wǎng)和調(diào)蓄工程重點污染物水質(zhì)監(jiān)測， 分析降雨期截流式合流制污水的污染時空變化特征， 在此基礎(chǔ)上， 提出合流制污水截流調(diào)控優(yōu)化策略， 模擬論證優(yōu)化調(diào)控后污染削減效果， 以期為城市CSO 污染控制提供借鑒。

1 研究區(qū)域

研究區(qū)域范圍位于合肥市十五里河流域中上游（圖1 實線范圍）， 區(qū)域匯水面積1 360 hm2。 該區(qū)域以截流式合流制管網(wǎng)為主， 受下游污水廠處理能力影響， 降雨期有大量雨污合流污水溢流至十五里河。 針對CSO 問題， 在該區(qū)域新建調(diào)蓄處理設(shè)施1座及5 km 截流干管， 并在5 處主要箱涵新建截流井， 將污水截流至調(diào)蓄池處理， 調(diào)蓄處理規(guī)模為3.7 萬t／d。

圖1 研究區(qū)域位置及范圍Fig. 1 Location and scope of the research area

2 監(jiān)測方案

重點監(jiān)測降雨期雨污合流污水水質(zhì)變化， 分別在5 處主要箱涵新建截流井處設(shè)置取樣點位， 從降雨起始階段開始取樣直至降雨結(jié)束， 取樣間隔時間為15 min， 通過雨量計記錄降雨強度， 如圖2 所示。

圖2 取樣時段降雨強度變化Fig. 2 Variation of rainfall intensity during sampling period

分別在工業(yè)園區(qū)、 硬化路面、 草地、 商業(yè)街選擇代表性地塊， 在降雨期進(jìn)行地表徑流取樣， 取樣間隔時間為15 min［5-6］。

受納水體十五里河水質(zhì)重點污染因子為氨氮，因此重點監(jiān)測氨氮濃度。

3 污染特征及調(diào)控策略

3.1 截流式合流制污水特征

通過降雨期不同截流井截流污水中氨氮隨降雨歷時的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)（圖3）， 不同截流井截流污水中氨氮濃度差別大， 其中截流井1、 2 截流污水濃度較高， 且隨著降雨歷時， 總體呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。 截流井3、 4 截流污水氨氮濃度相對較低， 且隨著降雨歷時， 變化較小。 截流井5 未產(chǎn)生溢流。

圖3 降雨期不同截流井截流污水中氨氮濃度變化情況Fig. 3 Variation of ammonia nitrogen concentration in sewage intercepted by differnt intercepting wells during rainfall

通過降雨期不同土地類型地表徑流的氨氮濃度監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖4）， 該研究區(qū)域地表徑流產(chǎn)生的氨氮質(zhì)量濃度一般小于2.5 mg／L。 由此可見， 該區(qū)域合流制管網(wǎng)中地表徑流污染對于氨氮的貢獻(xiàn)值較小， 不同截流井間濃度差別較大的原因主要是由管網(wǎng)系統(tǒng)原旱季污水水質(zhì)水量的差別。

圖4 降雨期不同土地類型地表徑流中氨氮濃度變化情況Fig. 4 Variation of ammonia nitrogen concentration in surface runoff of different land types during rainfall

3.2 優(yōu)化調(diào)控對策

現(xiàn)有截流式合流制系統(tǒng)存在2 個問題： ①5 座截流井處超越管管底高程相差較大， 其中截流井3處超越管管底高程最低為12.58 m， 這將導(dǎo)致降雨期在調(diào)蓄池滿液位時， 其他截流井截流污水將通過截污管流入截流井3 處超越， 造成主截流管道中較高濃度污水發(fā)生溢流， 增加了降雨期的入河溢流污染負(fù)荷。 ②各截流井在降雨期截流污水濃度的時空差異大， 調(diào)蓄池處理能力有限， 導(dǎo)致整個截流系統(tǒng)不能充分截流高濃度時段和管網(wǎng)段污水， 降低了截流調(diào)蓄系統(tǒng)的污染物削減效果。

針對現(xiàn)狀典型問題， 在各截流井截流管段增設(shè)鴨嘴閥， 避免截流干管高濃度污水從截流支管倒流入截流井并超越溢流。 在截流井節(jié)點增設(shè)在線儀表， 在主截流管段設(shè)置電動閘門， 充分考慮降雨對合流制污水稀釋作用， 利用在降雨初期和末期雨水匯流量小導(dǎo)致截流式合流制污水濃度高， 中間時段匯流量大污水濃度偏低的污染特征， 同時結(jié)合在線水質(zhì)反饋及時起閉電動閘門， 在調(diào)蓄池調(diào)蓄空間有限的情境下， 避免截流氨氮質(zhì)量濃度2 mg／L 及以下合流制污水（調(diào)蓄工程處理后出水氨氮標(biāo)準(zhǔn)為2 mg／L 以下）， 實施截流的RTC 智能控制， 充分截流高濃度時段合流制污水， 提高系統(tǒng)的污染削減能力， 具體示意見圖5。

圖5 截流式合流制系統(tǒng)優(yōu)化及調(diào)控示意Fig. 5 Optimization and regulation of interception confluence sewerage system

4 模擬論證

4.1 應(yīng)用模型

基于InfoWorks ICM 5.5 軟件構(gòu)建研究區(qū)域排水管網(wǎng)模型［7-10］， 在模型校核基礎(chǔ)上， 模擬分析截流式合流制管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)控對策的實施效果。

4.2 模擬結(jié)果分析

（1） 原截流系統(tǒng)截流污水氨氮濃度模擬。 針對全年降雨情境， 模擬截流調(diào)蓄系統(tǒng)全年降雨期截流調(diào)蓄特征。 截流系統(tǒng)截流與溢流氨氮濃度模擬結(jié)果見圖6。 由圖6 可知， 2 場典型降雨場次模擬中，降雨起始時， 較高濃度的合流污水被截流至調(diào)蓄池中， 隨著降雨持續(xù)， 入調(diào)蓄池截流污水濃度逐漸降低， 并發(fā)生截流井溢流， 在降雨后期， 溢流濃度呈現(xiàn)增長趨勢， 受調(diào)蓄池調(diào)蓄能力影響， 溢流濃度要高于調(diào)蓄池濃度。

圖6 截流系統(tǒng)截流與溢流氨氮濃度模擬結(jié)果Fig. 6 Simulation results of ammonia nitrogen concentrations in interception system and overflow

因此， 截流調(diào)蓄系統(tǒng)截流時應(yīng)充分結(jié)合合流污水在降雨期水質(zhì)變化特征， 預(yù)留調(diào)蓄池的調(diào)蓄量，保證對高負(fù)荷時段合流污水的截流效果。

（2） 各截流井處增設(shè)鴨嘴閥前后截流效果對比。 對比各截流井處增設(shè)鴨嘴閥后對整個截流調(diào)蓄系統(tǒng)降雨期截流效果的影響。 單次降雨情境下增設(shè)鴨嘴閥后各截流井溢流氨氮負(fù)荷量如圖7 所示， 增設(shè)鴨嘴閥后前后單次降雨情境下截流系統(tǒng)溢流氨氮總量對比如圖8 所示。

圖7 單次降雨情境下增設(shè)鴨嘴閥后各截流井溢流氨氮負(fù)荷量Fig. 7 Overflow ammonia nitrogen load of each interception well under single rainfall after adding duckbill valve

圖8 增設(shè)鴨嘴閥前后單次降雨情景下截留系統(tǒng)溢流氨氮總量對比Fig. 8 Comparison of total amount of overflow ammonia nitrogen of closure system under single rainfall situation before and after the addition of duckbill valve

由圖7、 圖8 可知， 增設(shè)鴨嘴閥后， 當(dāng)調(diào)蓄池?zé)o調(diào)蓄空間時， 各截流井分別溢流， 單次降雨情境下溢流氨氮總量為35.681 kg。 而未增設(shè)鴨嘴閥時，單次降雨情境下， 主要從截流井3 處發(fā)生溢流， 造成主截流管道的混合污水溢流， 總溢流氨氮量為43.092 kg。 通過截流系統(tǒng)的優(yōu)化， 能夠使單次降雨情境下， 溢流污水氨氮總量削減17.2%。

（3） 基于在線水質(zhì)反饋的RTC 智能截流效果模擬結(jié)果。 結(jié)合降雨期溢流污水氨氮變化特征呈現(xiàn)先降后升的特點， 且各截流井溢流污水濃度存在差異， 通過調(diào)蓄池前段設(shè)置電動閘門， 并在截污井1處設(shè)置在線氨氮儀表， 模擬合流制污水RTC 智能截流的效果， 截流效果對比如圖9 所示。

圖9 基于在線水質(zhì)的RTC 智能截流效果對比Fig. 9 Comparison of RTC intelligent interception effect based on on-line water quality

由圖9 可知， 采用RTC 控制時， 能夠提升降雨期合流污水氨氮的截流總量， 運行后效果較原工況提高氨氮削減量7.5%。

通過對截流式合流制管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)控對策實施效果模擬論證， 在各截流井截流管段增設(shè)鴨嘴閥， 同時設(shè)置在線水質(zhì)儀表， 并對截流系統(tǒng)采用RTC 智能截流， 能夠顯著提高整個截流調(diào)蓄系統(tǒng)的截流效率， 降低降雨期污染物的溢流入河量。

5 實施成效

在模擬論證基礎(chǔ)上， 截流井截流管段增設(shè)了鴨嘴閥， 并在截流井1、 2 設(shè)置在線儀表， 對現(xiàn)有系統(tǒng)實施了智能截流調(diào)控措施。 通過對實施前后調(diào)蓄工程中調(diào)蓄池水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果對比（見圖10）， 截流系統(tǒng)優(yōu)化后， 截流至調(diào)蓄池的氨氮濃度有所提高，氨氮日均質(zhì)量濃度由16.4 mg／L 提升至19.7 mg／L，有效提升了降雨期截流調(diào)蓄工程對于合流制污水的污染物削減量， 進(jìn)一步改善了受納水體水質(zhì)。

圖10 截流調(diào)蓄系統(tǒng)優(yōu)化前后調(diào)蓄池實際氨氮濃度對比Fig. 10 Changes of actual ammonia nitrogen concentration in storage tank before and after optimization of interception storage system

6 結(jié)語

（1） 降雨期截流式合流制管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測分析結(jié)果表明， 不同截流井合流制污水中氨氮濃度差別大， 且隨著降雨歷時， 總體呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。 降雨期合流制污水中氨氮主要來自于截流生活污水， 地表徑流產(chǎn)生的貢獻(xiàn)量較小。

（2） 截流式合流制管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)控模擬結(jié)果表明， 在各截流井截流管段增設(shè)鴨嘴閥， 同時設(shè)置在線水質(zhì)儀表， 對截流系統(tǒng)采用RTC 智能截流， 能夠顯著提高整個截流調(diào)蓄系統(tǒng)的截流效率。

（3） 截流調(diào)蓄系統(tǒng)優(yōu)化后， 截流至調(diào)蓄池的合流制污水氨氮日均質(zhì)量濃度由16.4 mg／L 提升至19.7 mg／L， 提升20.1%， 有效削減了降雨期合流制污水入河污染負(fù)荷。