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解碼污水管網:高水位運行原因及對策措施

時間:2021-03-16 13:51

來源:《給水排水》

作者:胡和平、王紹彪、廖瑜

評論(

  導讀

  A鎮位於華南濱海地區,現狀排水體制為截流式合流制,鎮內污水管網密度2.6 km/km²,已建截流井約410座。根據水位觀測數據,發現污水管網實際運行水位位於管頂以上0.94~2.78 m,比正常運行水位偏高1.49~3.33 m,處於高水位運行工況。通過分析污水管網高水位運行的原因,提出增產能、減污水、擠外水和除缺陷等針對性解決措施。

  1 項目概況

  1.1 城鎮概況

  A鎮位於華南濱海地區,鎮域面積約180 km²,建設用地面積約88 km²,2018年常住人口約64萬人。經過30多年快速發展,從一個國內生產總值僅0.7億元的海濱小鎮,迅速發展成為生產總值超過600億元的現代化城鎮。A鎮地勢北高南低,自東北向西南傾斜,北部是丘陵區和坡度較為明顯的山前傾斜平原,南部是坡度很緩的平原水鄉河網區,地面高程自1 m至1.5 m左右,地勢低窪,水系複雜。地下水位高,地面下1 m即可見地下水。

  1.2 污水系統概況

  (1)污水管網。A鎮污水處理廠建設過程中,配套建設了污水乾管,總長約33 km。近幾年,又陸續建設了多批次污水次支管網。根據相關工程施工圖或竣工圖,鎮內已建在建污水管網總長度約231 km,現狀污水管網密度約2.6 km/km²,已建在建截流井約410座,截流井普遍採用拍門或鴨嘴閥等防倒灌設施,防止地表水倒灌。

  (2)污水處理廠。A鎮污水處理廠位於鎮區東南,規劃佔地39 hm²,總規模為40萬m³/d,一期工程(2009年建成)規模10萬m³/d,二期工程(2019年底建成)規模10萬m³/d,出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標準及廣東省地方標準《水污染物排放限值》(DB 44/26-2001)的較嚴值。近3年污水處理廠運行工況見表1,污水處理廠處於滿負荷運行狀況。

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  表1 污水處理廠運行工況

  2017年至2019年,污水處理廠COD進廠濃度190.1~231.6 mg/L,約為建城函[2016]198號規定的最低濃度的73%~89%;BOD5進廠濃度85.8~103.2 mg/L,約為建城[2019]52號規定最低濃度的86%~103%。由表可知,污水處理廠進水水質與設計進水水質有一定距離,與國家考核要求也有一定距離,不過與該市30餘座已建污水處理廠橫向比較,進水濃度處於第一梯隊的較高水平。

  2 存在問題及原因分析

  2.1 存在問題

  項目啓動以後,收集了鎮內相關技術資料,對工作範圍地表水環境進行了查勘,並組織技術力量,對鎮內污水系統運行工況進行了觀測。A鎮污水處理廠廠前污水乾管(DN2 200)2019年11月(月降雨量為0)的運行水位變化過程及現場觀測結果見圖1。

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  圖1 污水系統運行水位

  由圖1可知,觀測點污水管管頂高程-2.01 m(85高程,下同),管網水位-1.07~0.77 m,管網水位位於管頂以上0.94~2.78 m,平均2.14 m,月內日均水位變幅1.84 m。根據《室外排水設計規範》(GB 50014-2006,2016年版),DN2 200污水管道最大充滿度0.75。污水管網實際運行水位比正常運行水位偏高1.49~3.33 m,平均2.69 m,處於高水位運行狀況。

  污水管網高水位運行,導致污水無法經污水管網排入污水處理廠集中處理,污水溢流入河,部分河道水環境依然受到污染,部分河道水環境得到了一定程度的改善,但是雨後復黑現象突出,污水系統建設的目標未能實現。

  2.2 原因分析

  (1)污水處理能力不足。根據統計資料,A鎮2014年至2018年用水量23.53萬~26.88萬m³/d,平均24.95萬m³/d。根據A鎮排水專項規劃,污水排放係數取0.85,地下水滲入量取污水量的10%,污水量22.0萬~25.13萬m³/d,平均23.32萬m³/d。2014年至2018年用排水量統計見表2。

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  表2 2014年至2018年用排水量統計

  由表2可知,鎮內現狀污水處理能力20萬m³/d,2014年至2018年污水量22.0萬~25.13萬m³/d,平均23.32萬m³/d,污水量大於污水處理能力,現有污水處理能力與污水處理需求不配備,存在污水處理能力不足的問題。污水處理能力不足,必然導致管網運行水位被動壅高,致使污水管網高水位運行。

  (2)地表水倒灌。根據相關資料,A鎮已建在建污水管總長度約231 km,建設用地面積88 km²,污水管網密度約2.6 km/km²,管網密度處於較低水平,存在大量污水管網空白區,市政道路普遍只有一套合流制排水系統。由於污水管網密度低,為了解決污水直排入河的問題,已建在建污水管道普遍通過在合流管入河排污口末端建設截流井(槽式為主,少量堰式),期望將旱季污水截流排入污水管網,最終輸送到污水處理廠處理。由於濱海城鎮地勢低,地表水位高,截流井存在地表水倒灌風險,普遍採用拍門或鴨嘴閥作為防倒灌設施。工作過程中,對截流井運行工況進行了複核,複核結果表明,部分截流井防倒灌效果較差,存在地表水倒灌現象,見圖2。地表水倒灌,不僅降低污水處理廠進廠濃度,還會增加“污水量”,擠佔了污水空間,也會導致污水管網高水位運行。

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  圖2 截流井地表水倒灌

  (3)清污混流。由於管網密度低,鎮內市政道路普遍只存在一套合流排水系統,為了消除排污口,在入河排污口附近或者暗渠出口處建設截流井。因為清污混流,不屬於污水範疇的清水也經合流系統排放,如山溪(泉)溝(渠)水、施工降水、漏損的自來水、滲入合流管網的地下水等,全部被截流井截流至污水系統,也增加了“污水量”,在一定程度上導致了污水管網高水位運行。

  (4)管道功能性缺陷和結構性缺陷。國內工程建設“重建設輕管理”是普遍的現象,由於維護管理不到位,導致排水管道功能性缺陷較為突出。排水管道功能性缺陷和結構性缺陷的存在,減少了管道過水斷面,降低了管道的過水能力,導致受影響範圍內的區域管網高水位運行。

  3 對策措施

  3.1 增產能

  2014年至2018年污水量22.0萬~25.13萬m³/d,平均23.32萬m³/d,隨着城市建設及經濟發展,污水量還將逐年增大。鎮內現狀污水處理能力20萬m³/d,污水量大於污水處理能力,現有污水處理能力與污水處理需求不配備,存在污水處理能力不足的問題。為此,應儘快啓動污水處理廠三期工程建設,增加污水處理能力,確保污水處理能力與污水處理需求相配備,為污水管網運行水位降低創造基本條件。

  3.2 減污水

  根據公開資料,2018年全國平均萬元GDP用水量66.8 m³,廣東省萬元GDP用水量43.3 m³,深圳市萬元GDP用水量為8.41 m³(2019年進一步下降到7.93 m³)。根據統計資料,A鎮2014年至2018年萬元地區生產總值用水量為21.32~15.20 m³,呈現逐年下降的趨勢,用水效率逐年提升,與2014年比,2018年下降萬元地區生產總值用水量下降28.7%,見表3。從全國及廣東省層面看,A鎮用水效率整體較高,但與深圳等用水效率先進城市相比,節水潛力仍然較大。

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  表3 2014年至2018年用水效率統計

  為此,應該以“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路為引領,按照國家、省、市節水行動方案確定的任務,深入實施最嚴格水資源管理制度,着力推動全社會節水,營造節水濃厚氛圍,提升社會節水意識,進一步提高用水效率,減少污水產生量,為污水管網運行水位降低創造有利條件。

  3.3 擠外水

  (1)推進污水管網建設,完善污水系統。近年來,A鎮所在的市級政府大力推進污水管網建設,近年來新建污水次支管數千公里,市內同等發展水平的兄弟鎮街管網密度接近8.0 km/km²,廣州市污水管網密度目標為10.0 km/km²,而A鎮已建在建污水管網密度僅為2.6 km/km²,污水管網密度處於較低水平,污水管網建設欠賬較大,存在大量污水管網空白區。為此,A鎮加大了污水管網建設力度,計劃1年內建設污水管網500 km(建成後污水管網密度8.3 km/km²),儘快實現市政道路污水管網全覆蓋,消除污水收集空白區,補齊污水管網等基礎設施短板,努力實現污水管網全覆蓋、全收集、全處理。

  (2)開展源頭雨污分流工作,提高雨污分流比例。A鎮污水管網密度僅為2.6 km/km²,管網密度處於較低水平,存在大量污水管網空白區,普遍採用末端截流的方式解決污水直排入河的問題,建設了約410座截流井。A鎮位於濱海地區,地勢較低,河道水位受潮汐影響週期性變化,存在較為突出的地表水倒灌問題,導致“污水量”增加,污水處理廠進廠濃度降低,污水管網高水位運行。在推進污水管網建設力度,1年內建設500 km污水管網的同時,A鎮也同步源頭雨污分流工作,大力推進工廠、住宅小區、公共建築及新村的雨污分流工作,滿足雨污分流條件的區域應分盡分,通過源頭雨污分流工作,逐步提高雨污分流排水區域的比例,降低雨污合流排水區域的比例。完成雨污分流區域內的現況截流井,全部予以關閉,改建為普通的檢查井;維持雨污合流的排水區域,現況截流井努力上移至地勢較高的區域,降低地表水倒灌風險,減少進入污水系統的外水,減少污水量,降低污水管網運行水位。

  (3)改造防倒灌設施,減少地表水倒灌。由於污水管網密度低,污水系統不完善,現狀建設了約410個截流井,為了防止地表水倒灌,普遍採用拍門或鴨嘴閥作為防倒灌設施。根據《室外排水設計規範》(GB 50014-2006,2016年版),截流井溢流水位應在設計洪水位或受納管道設計水位以上,當不能滿足要求時,應設置閘門等防倒灌設施。根據《泵站拍門技術導則》(SL 656-2014),拍門等防倒灌設施,適用於泵站出水口,防止泵站停機時水流倒灌,保護水泵機組安全等要求較低的場合。拍門或鴨嘴閥等設施可以依靠水流及自重實現自動啓閉,較閘門等防倒灌設施管理更方便,但是容易掛扯垃圾,濱海地區還容易生長生蠔等海洋生物,導致閉合不嚴,所以防倒灌效果非常一般,應用於截流井這類防倒灌要求較高的場合,缺乏規範依據。由於源頭雨污分流工作受多種因素影響,實施難度大,週期長,徹底實現雨污分流也不現實,部分區域必然還需保持雨污合流的排水體制,部分現況截流井需要予以保留。針對這些需要保留的截流井,可考慮將截流井上移至雨污合流地塊附近,也可以考慮將截流井形式由槽式改為堰式,或者將拍門、鴨嘴閥等防倒灌設施,改造為閘門或下開式堰門等防倒灌效果較好的防倒灌設施,降低地表水倒灌風險,減少進入污水系統的外水,減少污水量,降低污水管網運行水位。

  (4)降低自然水體常水位,降低地表水倒灌風險。合流制排水系統晴天承擔着污水排放任務,雨天承擔着雨水排放任務。截流式合流制排水體制中,污水系統-截流管-合流管-自然水體貫通在一起,當排水口淹沒在水體水中時,河湖等自然水體水位高於污水系統水位,水往低處流,河湖水就存在着往污水系統倒灌的風險,河湖水位越高,存在地表水倒灌風險的截流井數量就會越多,反之亦然。為此,在條件容許的情況下,適當降低河湖水位,降低地表水倒灌風險,考慮將A鎮內河涌常水位由1.0 m降低到0.5 m。傳統的城市建設管理思路中,普遍認為水滿則景美,為此不惜在河道中築壩設閘,增加水面面積,壅高河道水位。降低河湖等自然水體水位,不僅可以減少地表水倒灌風險,還可以增加城市海綿體。晴天水淺,魚翔淺底,百姓賞景戲水;雨天水深,蓄水儲雨,讓城市無憂,體現城市水體的兩大功能,也是海綿城市“自然滯蓄”的重要載體。

  3.4 除缺陷

  排水系統是現代城市的重要基礎設施,是城市的血脈,其結構穩固和功能保障是城市排水安全的重要保證。管道存在功能性缺陷和結構性缺陷,也會影響管道的收水和輸水功能,導致污水管網高水位運行。為此,應加強工程質量管理,避免新建排水管道帶病上崗,同時還應加大排水管道養護投入,組建專業養護隊伍,落實養護資金,加強排水系統維護管養工作,提高養護水平,消除管道功能性缺陷和結構性缺陷,恢復管道收水和輸水功能,消除因管道功能性缺陷和結構性缺陷造成的區域性管網高水位運行現象。

  4 結語

  污水管網高水位運行是現象,污水系統不完善是本質,應通過詳細的內業評估和外業複核工作,查明造成污水系統高水位運行的根本原因。在此基礎上,採取增產能,減污水,擠外水,除缺陷等措施,降低污水管網運行水位。另外,濱海城市一般地勢較低,合流制排水系統容易發生地表水倒灌,增加“污水量”,導致污水管網高水位運行,污水空間被外水擠佔,致使污水直排入河,污染河道水環境,從系統穩定性和安全性方面考慮,分流制是一個更為妥當的選擇。

編輯:王媛媛

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