顧一鳴

(上海城投水務(wù)<集團(tuán)>有限公司,上海 200002)

上海城市合流制排水系統(tǒng)采用的是截流式合流制排水系統(tǒng),通過(guò)設(shè)置截流設(shè)施將合流污水排送至污水廠。雨天時(shí)截流設(shè)施截取混合污水通過(guò)污水干管排入污水廠,超過(guò)截流能力的混合雨污水通過(guò)防汛泵站排入水體。為治理蘇州河地區(qū)合流污水,上海于1993年建成投運(yùn)合流污水治理一期工程,隨后又相繼開(kāi)展蘇州河綜合整治、污水治理三期工程(以下簡(jiǎn)稱“污水三期”)等工程,新建并提標(biāo)改造末端竹園污水處理廠,組成了上海市中心城竹園區(qū)域的排水系統(tǒng)。竹園片區(qū)內(nèi)有50個(gè)合流制排水系統(tǒng),合流制防汛泵站62座,服務(wù)范圍為85.05 km2,徑流系數(shù)為0.6～0.8。其中,合流一期范圍內(nèi)合流泵站共38座,污水三期范圍內(nèi)合流泵站共24座。合流制泵站的截流控污為提升城區(qū)排水能力,改善城市水環(huán)境奠定基礎(chǔ)。本文選取某一年數(shù)據(jù),結(jié)合區(qū)域的日供水量變化情況,對(duì)上海典型合流制排水系統(tǒng)現(xiàn)狀泵站截流量、截流水質(zhì)變化開(kāi)展運(yùn)行分析和探討。

1 截流量特征分析

1.1 雨天截流量統(tǒng)計(jì)難點(diǎn)

合流制排水系統(tǒng)在日常截流運(yùn)行中,旱天地區(qū)污水由重力截流井或截流泵輸送入污水干線,最終進(jìn)入污水處理廠處理。雨天根據(jù)上游來(lái)水情況,截流設(shè)施啟動(dòng)至最大設(shè)計(jì)截流倍數(shù)運(yùn)行,控制合流泵站水位。當(dāng)合流泵站水位達(dá)到防汛開(kāi)泵水位后,啟動(dòng)雨水泵放江。

在進(jìn)行日截流量統(tǒng)計(jì)時(shí),截流量主要包含原生污水量、地下水滲入量和雨水截流量[1]。在旱天時(shí),假設(shè)地下水滲入量保持恒定,則日截流量的變化應(yīng)主要與原生污水量變化一致,即與地區(qū)日用水量的變化一致。

當(dāng)有降雨影響時(shí),截流量也會(huì)隨降雨大小和持續(xù)時(shí)間變化。此時(shí),如何能較準(zhǔn)確地區(qū)分出雨水在截流總量中的占比存在一定困難。主要原因:一是無(wú)法準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)旱天截流量本底值,即旱天原生污水量與恒定的地下水滲入量合計(jì)值;二是無(wú)法準(zhǔn)確地判斷雨后在管道中存續(xù)雨水對(duì)截流量的占比和影響天數(shù)。在現(xiàn)實(shí)情況中,還存在連續(xù)降雨過(guò)后,中間僅隔1～2 d又開(kāi)始降雨,此時(shí)更難以統(tǒng)計(jì)雨天截流量。

1.2 統(tǒng)計(jì)研究方法

本文擬選取竹園片區(qū)內(nèi)某污水輸送系統(tǒng)覆蓋的合流制排水系統(tǒng)開(kāi)展分析研究。由于該合流制排水系統(tǒng)內(nèi)部分泵站截流采用重力截流方式,且在污水支線末端未安裝有流量計(jì),無(wú)法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)每條支線的旱天和雨天截流量變化情況。與此同時(shí),每條污水支線服務(wù)范圍相對(duì)應(yīng)的供水范圍數(shù)據(jù)無(wú)法統(tǒng)計(jì),難以比較。

故本次擬采用截流量與供水量總量比較的方式。合流制排水系統(tǒng)截流總量計(jì)算方式,選取輸送干線末端的污水廠進(jìn)廠流量計(jì)日累計(jì)流量,扣除污水輸送系統(tǒng)上分流制系統(tǒng)內(nèi)的污水量和截流量,剩余水量為合流制排水系統(tǒng)的日截流總量。

地區(qū)供水量計(jì)算方式:選取合流制排水系統(tǒng)服務(wù)范圍某水廠,供水服務(wù)范圍涵蓋本次合流制排水系統(tǒng)截流量分析的全部區(qū)域。排水系統(tǒng)的原生污水量主要來(lái)源于地區(qū)居民與非居排水量,而水廠的日供水量變化可以反映地區(qū)用水量曲線變化特征。圖1顯示水廠供水量、原生污水量和泵站截流量之間的關(guān)系,水廠到用戶之間需要進(jìn)行產(chǎn)銷(xiāo)差率的折算[2],原生污水量可按用戶用水量進(jìn)行折算,上海地區(qū)該系數(shù)為0.9。

圖1 水廠供水量與合流制泵站截流量關(guān)系Fig.1 Relationship between Water Supply Capacity and Intercepting Flow of Combined Pumping Station

統(tǒng)計(jì)某一年內(nèi)水廠的日供水量,與合流制排水系統(tǒng)日截流總量比較。選取純旱天(本文定義為雨后第4 d起至下一場(chǎng)降雨開(kāi)始),按汛期和非汛期分別計(jì)算選取的樣本日內(nèi)供水量與截流量比值均值,即“供水量/截流量”,得出的比值用于擬合雨天時(shí)的旱天截流量本底值,并假設(shè)純旱天地下水日入滲量保持不變。雨天或降雨后,若“供水量/截流量”比值大于選取的純旱天比值均值,則視該日不存在降雨截流影響,直接引用當(dāng)日截流量。

1.3 分析區(qū)域概況

1.3.1 竹二污水輸送系統(tǒng)

竹二污水輸送系統(tǒng)由兩港截流系統(tǒng)與污水三期B塊系統(tǒng)組成,主要服務(wù)于中心城區(qū)虹口、楊浦部分地區(qū),總管長(zhǎng)度為21.7 km?，F(xiàn)狀系統(tǒng)范圍內(nèi)服務(wù)面積為35.7 km2。干線旱天輸送能力為50萬(wàn)m3/d,雨天設(shè)計(jì)高峰流量為20.8 m3/s,末端為竹園第二污水處理廠(圖2)。范圍內(nèi)共有排水系統(tǒng)23個(gè),其中合流制排水系統(tǒng)共20個(gè),服務(wù)面積為29 km2,合流泵站共24座;分流制系統(tǒng)共3個(gè),服務(wù)面積為6.7 km2,雨水泵站有3座,其中2座有截流設(shè)施。24座合流泵站中,重力截流泵站共14座,泵截流泵站共10座,設(shè)計(jì)截流倍數(shù)為1.5～5倍(表1)。該合流制排水系統(tǒng)截流總量計(jì)算方法為:竹園二廠進(jìn)水總量(代表干線輸送總量)扣除2座分流制雨水泵站截流量后的合計(jì)值。

1.3.2 A水廠概況

選取服務(wù)范圍內(nèi)A水廠,供水服務(wù)范圍涵蓋虹口區(qū)全部、楊浦區(qū)的虬江以南范圍,以及黃浦、靜安的小部分范圍,設(shè)計(jì)日供水能力為140萬(wàn)m3,統(tǒng)計(jì)年內(nèi)日供水量70萬(wàn)～80萬(wàn)m3,服務(wù)面積約為70 km2。竹二污水輸送系統(tǒng)的合流制泵站服務(wù)范圍均包含在此水廠的服務(wù)范圍內(nèi),區(qū)域內(nèi)供水均來(lái)自于該水廠(圖3)。

圖2 竹二污水輸送系統(tǒng)工藝圖Fig.2 Process Diagram of Zhuer Wastewater Diversion System

表1 竹二污水輸送系統(tǒng)各支線現(xiàn)狀Tab.1 Branch Line of Zhuer Wastewater Diversion System

圖3 水廠供水范圍與排水系統(tǒng)服務(wù)范圍Fig.3 WTPs Supply Area and Drainage System Service Area

2 截流量擬合結(jié)果

2.1 旱天截流量擬合結(jié)果

2.1.1 合流制截流總量統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)年內(nèi),降雨量采用片區(qū)內(nèi)站點(diǎn)平均雨量,當(dāng)年累計(jì)雨量為1 588 mm,降雨日(日雨量≥1 mm)107 d。對(duì)合流制排水系統(tǒng)截流總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),采用干線末端流量扣除系統(tǒng)內(nèi)分流制泵站截流量與分流制雨水泵站截流支線,得年均截流總量為52.8萬(wàn)m3/d,占干線系統(tǒng)總量的96.5%,其中雨天最大日截流量占98.6%。

2.1.2 旱天截流曲線擬合

選取非汛期(1月—5月和10月—11月)純旱天為105 d,汛期(6月—9月)純旱天為31 d。通過(guò)旱天供水量與截流量比值分析,非汛期該比值均值為1.61,汛期均值為1.60。通過(guò)分析,降雨日及雨后3 d內(nèi)有49 d大于該比值,主要出現(xiàn)在雨量偏小的運(yùn)行日內(nèi),將其截流量歸入旱天截流量。

選取非汛期和汛期該兩個(gè)系數(shù),分別按日供水量變化值擬合全年雨天的旱天截流量本底值,得到1月1日—12月31日的合流制泵站日截流量總體變化(圖4)。根據(jù)擬合后的旱天截流量計(jì)算,全年、汛期和非汛期的旱天截流量分別為44萬(wàn)、46.5萬(wàn)m3/d和42.7萬(wàn)m3/d,汛期較非汛期上升8.8%;同時(shí)分析水廠供水量,供水量汛期較非汛期上升7.7%。擬合截流量與供水量同比均有上升但略有偏差。對(duì)全年雨天截流量(含雨后影響流量)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),占全年截流總量的16.7%。

2.2 典型雨天截流量分析

2.2.1 連續(xù)中到大雨分析

選取非汛期連續(xù)7 d連續(xù)降雨過(guò)程,其前3 d無(wú)降雨,累計(jì)日雨量為77 mm,雨后9 d未降雨。最大雨強(qiáng)日在3月26日,各站點(diǎn)最大雨強(qiáng)在6.0～18.6 mm/h;其余小到中雨日內(nèi),各站點(diǎn)最大雨強(qiáng)在0.9～4.9 mm/h。降雨期間,日截流總量維持在48萬(wàn)～82萬(wàn)m3。3月25日起始降雨量為6.5 mm,降雨截流量占比13.6%,至3月28日最高升至51.2%。3月30日雖然只有0.1 mm降雨,但降雨截流量仍占比達(dá)42.4%。3月26日開(kāi)始出現(xiàn)泵站放江,當(dāng)日達(dá)到12.7萬(wàn)m3,3月30日停止放江。在雨停后,由于前期連續(xù)降雨影響,4月1日—4月3日實(shí)際截流量仍較擬合后的旱天截流量偏大,存在明顯的雨后效應(yīng),占當(dāng)日截流總量的5%～10%(圖5)。

圖4 合流制地區(qū)旱天截流量擬合曲線Fig.4 Fitting Curve of Intercepting Flow in Dry Days in Combined Drainage Area

圖5 典型連續(xù)中到大雨日截流Fig.5 Intercepting Flow in Typical Moderate to Heavy Rain Days

2.2.2 短歷時(shí)暴雨日分析

選取汛期中某短歷時(shí)降雨,前4 d無(wú)明顯降雨,8月10日片區(qū)雨量為中到大雨。當(dāng)日片區(qū)平均雨量32.1 mm,各站點(diǎn)最大雨強(qiáng)在8.1～28.3 mm/h,降雨持續(xù)時(shí)間為1～2 h,8月10日后5 d未降雨。8月10日截流量64萬(wàn)m3,其中降雨截流量占比25.3%,泵站放江量為20.7萬(wàn)m3。雨停后8月11日無(wú)泵站放江,當(dāng)日實(shí)際截流量較擬合后的旱天截流量偏大,存在雨后效應(yīng),約占當(dāng)日截流總量的7.8%。8月12日無(wú)明顯雨后效應(yīng)(圖6)。

圖6 典型短歷時(shí)暴雨日截流Fig.6 Intercepting Flow in Short Duration Rainstorm Days

3 截流水質(zhì)特征分析

3.1 水質(zhì)月度變化特征

3.1.1 水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由于本合流制排水系統(tǒng)來(lái)水量占竹二污水輸送系統(tǒng)總量的95%以上,固選取竹二污水輸送系統(tǒng)下游竹園第二污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)作為采樣分析點(diǎn),分析合流制排水系統(tǒng)水質(zhì)總體情況。選取化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、懸浮物(SS)、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。對(duì)當(dāng)年的6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)列表統(tǒng)計(jì)(表2),計(jì)算各指標(biāo)月均值、年度中位數(shù),并按非汛期(1月—5月和10月—11月)和汛期(6月—9月)對(duì)均值和中位數(shù)分別統(tǒng)計(jì)。

從年度統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,CODCr、BOD5、SS這3項(xiàng)指標(biāo)無(wú)論是年度值、非汛期階段和汛期階段,均值都略大于中位數(shù),說(shuō)明部分時(shí)段存在偏高值的波動(dòng)。由表2可知,氨氮、TN、TP在上述同比階段內(nèi)相對(duì)波動(dòng)較小。

3.1.2 水質(zhì)指標(biāo)趨勢(shì)變化

研究水質(zhì)指標(biāo)月度變化的趨勢(shì)性,通過(guò)對(duì)6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)繪制月度箱形圖,分析變化規(guī)律(圖7)。從各水質(zhì)指標(biāo)的中位數(shù)變化趨勢(shì)分析,月變化趨向性較為一致,上半年中4月—5月數(shù)值均偏大,6月—8月中位數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì),9月最低。10月后又逐步恢復(fù)上升趨勢(shì)至12月。孫艷等[3]對(duì)上海市污水處理廠水質(zhì)指標(biāo)月中間值統(tǒng)計(jì),主要污染物指標(biāo)濃度也是9月最低。

同步分析合流制排水系統(tǒng)泵站月截流總量和月放江量數(shù)據(jù)(圖8),1月因連續(xù)降雨,截流總量和放江總量達(dá)到了1 629萬(wàn)m3,除3月出現(xiàn)泵站降雨放江外,至5月未出現(xiàn)明顯放江。從汛期開(kāi)始6月—9月受降雨影響,出現(xiàn)了明顯了截流總量和放江量的增幅。7月最大,截流和放江總量達(dá)到了2 544萬(wàn)m3,后又逐步下降。

表2 合流制排水系統(tǒng)截流水質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Quality Indices of Intercepting Water in Combined Drainage System

圖7 各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)逐月變化Fig.7 Monthly Changes of Water Quality Indices

圖8 月泵站放江量與截流量變化Fig.8 Monthly Changes of Discharging and Intercepting Flow in Pumping Stations

結(jié)合水質(zhì)指標(biāo)月度變化不難看出,降雨引起的泵站截流量和放江量的增加,對(duì)水質(zhì)變化具有負(fù)相關(guān)性趨勢(shì)。尤其是9月,經(jīng)過(guò)連續(xù)3個(gè)月的大流量運(yùn)行,水質(zhì)指標(biāo)明顯下降。10月開(kāi)始隨著降雨量的減少,泵站截流總量和放江量亦減少,水質(zhì)指標(biāo)總體逐步回升。從運(yùn)行角度分析,在泵站雨天截流和放江過(guò)程中,合流泵站一般會(huì)降到最低運(yùn)行水位,上游收集管網(wǎng)水位同步降低,流速增加,會(huì)呈現(xiàn)明顯沖刷效果。汛期隨降雨頻次增加,合流泵站水位會(huì)反復(fù)降至最低,效果更加明顯。李思遠(yuǎn)[4]對(duì)合流制管網(wǎng)污水溢流污染特征相關(guān)研究表明,CODCr和SS在大強(qiáng)度降雨事件中受到明顯影響,前期沖刷作用明顯而后期稀釋作用明顯,長(zhǎng)干旱期會(huì)導(dǎo)致污染物的大量累積,與本文分析結(jié)論相符。此外,上海市政養(yǎng)護(hù)部門(mén)每年也會(huì)在汛期前完成一次管網(wǎng)清淤養(yǎng)護(hù),對(duì)6月的水質(zhì)指標(biāo)下降有一定貢獻(xiàn)。

從個(gè)別指標(biāo)來(lái)看,CODCr、BOD5、SS隨流量變化的趨勢(shì)性指標(biāo)較明顯,而氨氮、TN、TP在1月—5月變化趨勢(shì)不明顯,到9月才明顯下降。

3.2 水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性特征

3.2.1 BOD5/CODCr分析

污水BOD5/CODCr反映了污水可生物處理的潛力,在一定程度上可預(yù)測(cè)污水的可生物降解性。因此,常用BOD5/CODCr作為評(píng)價(jià)污水可生化性的水質(zhì)指標(biāo)。一般認(rèn)為,當(dāng)BOD5/CODCr<0.1時(shí)不適于生物處理,當(dāng)該值位于0.20.6的全年占比為27.8%?？傮w可生化性較好,比值>0.6的時(shí)段主要出現(xiàn)在汛期或雨天。

3.2.2 SS/BOD5分析

SS/BOD5偏高是實(shí)現(xiàn)TN提標(biāo)的阻礙。該值增加會(huì)引起反硝化速率降低,導(dǎo)致在缺氧段碳源利用不充分,碳源在好氧段的消耗比例增加,TN去除效果變差,正常值在1.1～1.2[6]。統(tǒng)計(jì)后,SS/BOD5<1.1的全年占比77.8%,比值在1.1～1.2的全年占比10.4%;比值>1.2的全年占比18.9%,主要出現(xiàn)在非汛期,占非汛期天數(shù)的25%,占汛期天數(shù)的7.4%。

3.2.3 BOD5/TP分析

污水處理系統(tǒng)有效生物除磷一般要求BOD5/TP>20,比值越大越能保證聚磷菌有足夠的基質(zhì)需求,比值越大越能滿足要求[3]。統(tǒng)計(jì)后,BOD5/TP年中位數(shù)為39.8,比值>20的全年占比98.6%,滿足除磷要求。

3.2.4 BOD5/TN分析

污水的BOD5/TN是影響脫氮效果的重要因素之一,可用于判斷污水中碳源含量。一般認(rèn)為,當(dāng)污水的BOD5/TN>4時(shí)[7],可認(rèn)為碳源充足;該值>5時(shí),TN去除效果較好。統(tǒng)計(jì)后,BOD5/TN年中位數(shù)為4.0,其中比值>4的全年占比52.2%;在比值<4的天數(shù)中,雨天和旱天也約各占1/2。1月—3月該指標(biāo)月中位數(shù)均小于4,與TN濃度均值偏高有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)在計(jì)算合流制泵站截流量時(shí),采用末端總流量扣除分流制污水支線和分流制雨水泵站截流量的方法,能較全面地表達(dá)地區(qū)合流制水量總體情況,完善了合流制泵站重力截流設(shè)施水量無(wú)法統(tǒng)計(jì)問(wèn)題。同時(shí),結(jié)合地區(qū)水廠日供水量,與選取的純旱天截流總量進(jìn)行比值分析,利用該比值對(duì)雨天及雨后旱天截流量本底值進(jìn)行擬合,為分析雨天的降雨及雨后截流量變化提供支撐。未來(lái),有條件的地區(qū)宜根據(jù)排水范圍分割相應(yīng)的供水區(qū)域,加裝供水邊界流量計(jì)和排水支線節(jié)點(diǎn)流量計(jì),能進(jìn)一步優(yōu)化曲線擬合成果。

(2)根據(jù)雨天截流量分析可知,不同的雨型、過(guò)程雨量、最大雨強(qiáng)等因素,都會(huì)對(duì)日降雨截流量和雨后影響天數(shù)帶來(lái)不同的結(jié)果,本文結(jié)論中,雨后對(duì)合流制排水系統(tǒng)影響在1～3 d。雨天截流量特征主要有兩個(gè)方面:一是日最大雨強(qiáng)和降雨持續(xù)時(shí)間,決定了日降雨截流總量大小,在相同雨量下,雨強(qiáng)越小,降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),截流總量越大;二是連續(xù)多日的過(guò)程累計(jì)雨量越大,對(duì)排水系統(tǒng)雨停后的流量影響時(shí)間也越長(zhǎng)。同時(shí),如何區(qū)分計(jì)入旱天截流量或雨天截流量目前沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。筆者建議,若能按本文方式擬合旱天截流總量,則旱天排水管網(wǎng)內(nèi)存在的雨后影響水量也應(yīng)一并計(jì)入雨天。此問(wèn)題有待進(jìn)一步探討。

(3)從合流制排水系統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)分析,月度水質(zhì)總體變化趨勢(shì)和當(dāng)月降雨量、截流量及放江的關(guān)聯(lián)度較大。汛期,合流制泵站的連續(xù)的低水位、大流量運(yùn)行,管道沖刷對(duì)系統(tǒng)水質(zhì)濃度降低關(guān)系較大,9月水質(zhì)濃度下降最為明顯。而非汛期,隨著降雨量減少,沖刷效應(yīng)減弱,水質(zhì)濃度總體回升明顯。此規(guī)律的梳理對(duì)下游污水處理廠能預(yù)判并調(diào)整處理工藝、生產(chǎn)計(jì)劃等具有指導(dǎo)意義。對(duì)4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析,總體處于正?？煽胤秶?能滿足污水處理需求。

(4)為改善合流制排水系統(tǒng)泵站放江水質(zhì),除了下墊面海綿設(shè)施、強(qiáng)化截流和擴(kuò)容調(diào)蓄等措施外,在養(yǎng)護(hù)上目前主要還是依靠對(duì)收集管網(wǎng)的定期清淤。建議在合流制排水系統(tǒng)運(yùn)行上進(jìn)一步探索沖淤運(yùn)行模式,即旱天可在特定時(shí)間分批調(diào)度不同支線啟動(dòng)大流量運(yùn)行,加快管道流速。在上下游一體化聯(lián)動(dòng),保證末端污水廠處理負(fù)荷的前提下,最大限度對(duì)收集管網(wǎng)進(jìn)行自流沖洗改善管內(nèi)沉積物附著,有助于進(jìn)一步提升雨天放江水質(zhì)。