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      定量分析:改造国内污水管网系统需要综合考虑的四个因素

      来源:智汇工业

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      所属频道:新闻中心

      关键词:污水管网,污水处理厂,城市污水系统

        导 读:污水管网外来水入侵、管网污水收集率、市政用水量和污水处理厂处理量是影响城市污水系统和城市水环境质量的四个主要因素。污水系统改造不仅提升污染物收集率和污水管网中污染物(如COD)浓度,同时直接影响到对受纳水体的污染物排放溢流负荷。使用简化的城市污水系统模型和国内外实际数据, 定量表征和讨论了四个因素对污水管网污水COD浓度和排放到受纳水体的溢流污染物负荷的影响, 并就污水稀释倍数、污水处理厂处理量、污染物去除效率、排放标准和溢流排放负荷之间的多重对应关系进行了分析和讨论,根据国内现状,提出改造和升级污水管网及污水处理厂需要考虑的三点建议。

        1 研究背景与目标

        近年来,不少城市通过改造升级污水管网和污水处理厂,提高了管网中COD浓度, 基本消除城市河流的黑臭现象,城市水环境质量保护取得了重大进展。然而,由于城市建设的快速发展和部分基础设施建设的相对滞后,一些城市仍存在污水管网COD浓度偏低、雨后河流“返黑返臭”等现象,需要进一步采用系统、综合的方法, 将市政用水、污水管网、污水处理厂和受纳水体作为一个系统加以研究和优化,从而解决遗留的问题。污水系统在城市水环境保护中发挥着关键作用, 在规划污水系统提质增效时,城市水环境质量改善为最终目标, 在考虑提高污水管网污染物(COD)浓度和污水处理厂效率时, 应同时关注污染物溢流排放负荷对受纳水体水质的影响。研究表明, 污水管网外来水入侵、管网污水收集率、市政用水量(用水效率)和污水处理厂处理量四个因素在很大程度上决定了污水系统性能和效率。从某种意义上来说, 研究污水系统的改进和优化就是探索和发现四个因素的因地制宜的最佳组合。本文应用已验证的简化污水系统模型和质量平衡原理, 结合国内外实际数据进行了相关计算, 定量表征了在不同的条件下四个因素对管网污染物浓度和水环境排放负荷之间的关系, 讨论了管网外来水、污水管网污水收集率、综合用水量、污水处理厂处理量与去除效率和污水污染物浓度(COD)与溢流排放负荷之间的多重对应关系。根据国内各地不同情况, 提出改造和升级污水系统的策略。本文内容有助于在定量了解现存污水管网和污水处理厂的能力的基础上,制定因地制宜、具有成本效益的改善城市污水系统效能和城市水环境的系统规划。

        2 研究方法

        2.1 污水系统模型、参数与计算

        图1为本研究中采用已被验证的基于质量平衡原理的市政污水系统概念模型,系统包括市政供水、污水系统收集和运输、污水处理厂、溢流排放和受纳水体。

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        为便于与国际国内数据对比,以个人日消耗和排放量作为相关模型参数质量和转化单位。模型参数包括: 人均日综合用水量 (Specific Comprehensive Water Consumption, SCWC), L/(人·d); X: 管网污水收集率,%; 人均日外来水量(SQI/I), L/(人·d); SQOUT, 人均日污水处理厂处理量L/(人·d); SQSO, 人均日溢流污水量L/(人·d), 本文中既包括合流制系统和分流制系统的溢流(Combined Sewer Overflow, CSO或Separate Sewer Overflow, SSO),也包括污水管网的泄漏量。除了第 3.4 节图7~图9外, 本文选用 COD 为指标污染物。假设条件: 服务区内很少的制造业(污水几乎都是市政污水)。COD在线降解可忽略不计, 污水流动横截面充分混合, 外来水污染可忽略不计 (COD∽ 0 mg COD/L),计算结果为在稳态条件下获得。

        表1汇总了本文中使用的术语及其定义和计算公式。PLCOD[120 g/(人·d)] 是污水系统产生的人均日COD负荷(系统总污染物负荷)。为便于与现有文献进行比较, 假设在污水全收集条件下, 人均日综合用水量即人均日排污水量和管网收集量[L/(人·d)]。本文中外来水为除污水管网收集的原污水之外三种外来水:入渗水、入流水(即业内常说的“清水”)和雨水。稀释倍数(DF)是表示外来水侵入程度的重要参数, 根据表1中的定义, 当SQI/I可以忽略不计时[∽0 L/(人·d)], DF=1。污水处理厂处理量比(TR)定义为污水处理厂处理量与污水管网服务区用水量的比(污清比,SQOUT/SCWC)。CODMSW为污水处理厂进口COD浓度,可从当地污水处理厂的监测记录中读取或通过计算(见表1), SQout可以从污水处理厂处理量和服务区人口数算得。溢流排放到受纳水体的污染物负荷包括: CSO (或SSO) 、未收集的原污水和污水处理厂出水。文中在不同的部分使用了不同的溢出负荷项。3.4 节关于负荷比结果与讨论同时适用于 COD、氮和磷。如表1所介绍, 四个因素和相关参数均可以从当地水机构收集或通过简单计算获得。

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        本文采用国内和部分欧洲国家实际参数值和相关计算公式(见表1)进行计算, 引用了这些参数值和计算值结果定量表征入侵外来水(SQI/I)、污水收集率(X)、人均日综合用水量 (SCWC)和污水处理厂处理量比四个因素对污水管网COD浓度和 溢流负荷的影响, 并根据质量流和平衡原理, 探索污水管网污水收集率, 稀释倍数、污水处理厂处理量、去除效率和溢流及处理厂排放负荷之间固有存在的市政用水、污水收集和运输、污水处理厂的性能和受纳水体水质多重对应关系。模型边界可以是城市污水系统或一个污水处理厂服务的区域。

        2.2 局限性

        对于那些服务区域内旅游业发达,有食品、啤酒或屠宰业或工业园区, 或污染明显的径流,这些行业或径流排放的污染物负荷构成正常个人日排放负荷(PL)外的附加项, 为了避免低估外来水量, 应用模型时需要修订个人日排放负荷, 例如, 增加PLCOD[> 120 g/(人·d)];同时,他们的用水也应计为用水量的组成部分, 其余仍可用文献和本文中所介绍的方法计算。另一种方法是在在模型中将上文提到的附加活动视为一个单独的组成部分加入,特别是当工业园区位于污水处理厂服务区内时。为了减少由于COD参与污水管网运输过程中的反应造成的计算误差,也可以用磷作为污染物指标。

        3 结果和讨论

        本部分定量表征和论述四个因素和污水系统运行效率之间各自对应影响关系, 这里污水系统运行效率的主要指标是排放到受纳水体的污染物负荷和污水管道中的污染物浓度(主要是COD)。由于不同因素间相互关联,在讨论一个因素的影响时将涉及其他因素和条件。利用本文介绍的相关内容,有兴趣的读者可以从一些易获得的数据和信息开始, 定量估算和解析当地污水系统的现状, 然后进一步辨识改善污水系统效率的最大影响因素和估计达到污水系统改造目标需要满足的条件。

        3.1 外来水入侵

        污水管网中外来水(SQI/I)在稀释污染物浓度的同时, 也提高了管网污水输送和污水处理厂处理量及向受纳水体排放污染物负荷, 降低了污水系统效率, 增加了运营成本和受纳水体水质恶化的风险。外来水入侵不仅发生在中国,而是一个世界性问题。外来水量与市政(综合)用水量一起决定了污水管网中COD和浓度(见表1,以COD为例)。可靠的外来水入侵估算是污水系统改造和规划不可或缺的参数。图2显示了外来水、用水量和COD浓度之间关系。其中第二(右)Y轴的颜色对应于图中不同COD浓度的等值线。欧洲一些国家的污水管网外来水在 50 ~180 L/(人·d)[SCWC在140~200 L/(人·d),见3.3节],对应于污水管网 COD 浓度500~700 mg/L。国内污水管网外来水估算在 140~300 L/(人·d), 加之较高的SCWC(见3.3节),相当部分污水管网 COD浓度在200~400 mg/L,甚至更低。与欧洲一些国家相比, 由于有待改进污水管网质量与管理水平, 国内污水管网系统较高的外来水是管网污水(COD)低浓度的主要因素之一, 也是导致污水处理厂较低的运营效率的主要原因。当然国内也有一些质量优良、管理良好污水管网系统(如北京), 其外来水较少, 加之较低的人均综合用水量, 污水COD 浓度约在550 mg/L。

        以SCWC作为基准稀释倍数(Dilution Factor, DF)常用于表征管网中外来水的侵入和对污水的稀释程度 (见表1)。比较不同估算外来水量方法,水量平衡法和浓度(水质稀释)法相对简单和直接, 但浓度法较可靠,特别考虑到目前国内污水处理厂处理能力限制(见3.4节), 相当部分污水处理厂处理的污水只是污水管网中污水的一部分。图3是由基于浓度法计算(见表1)制成, 其中第二(右)Y轴颜色对应图中不同的稀释倍数等值线。一般水务机构和公司都有污水处理厂进水COD浓度和SCWC数据,可由此二数据从图3直接或由内插或外延读得对应的污水稀释倍数, 然后通过简单的计算得知外来水(SQI/I)(见表1)。应该注意的是, 取决于SCWC, 相同的稀释倍数并不总是意味着相同数量的外来水侵入。欧洲一些国家的污水稀释倍数在1.5~3, 国内大部分污水管网污水稀释倍数也在类似范围内。然而,由于欧洲一些国家的用水量较少,国内的污水管网外来水入侵绝对量高于一些欧洲国家(见 3.3节)。

        总体而言, 修复污水管网减少外来水入侵仍然是当前国内改善城市水环境质量的关键步骤和紧迫任务, 尤其对南方一些城市而言。国内外的实践表明,这是一项高投资、长周期工作, 非一蹴而就,需要进行详尽规划。作为一种事前估计方法, 可将现有污水处理厂进水中COD 值(CODMSW)与管网理论最大 CODMAX (SQI/I=0 L/(人·d))进行比较(见图6),估计修复现有污水管网可能带来的COD浓度增加幅度, 3.3节将对此给予进一步说明。

        3.2 污水管网收集率

        污水管网收集率为管网收集污水占市政产生污水的比例,与污水管网覆盖率直接相关。管网污水收集率的大小影响污水处理厂进水COD浓度和溢流排放至受纳水体的污染物负荷。图5显示了在SCWC为250 L/(人·d)、PLCOD 120 g COD/(人·d)和SQI/I从可忽略[∽0 L/(人·d)]增加到 300 L/(人·d)时, 污水收集率从50% 至 100% 时, 污水处理厂进水中的 COD 浓度的变化。当SQl/I 可以忽略不计[∽0 L/(人·d)], COD浓度达到最大值 (CODMAX) 480 mg/L,与收集率无关。在固定的SQl/I情况下, 管网COD浓度随着管网污水收集率下降而降低,收集率每降低10%,COD下降约30 mg /L。在固定的收集率情况下, COD浓度随着SQI/I下降而降增加。当SQI/I从 200 L/(人·d)增加到 100 L/(人·d)时,COD 浓度可增加约 100 mg/L。图5显示,如果要达到最近住建部等四部委要求到2025 年污水集中收集率达70%和污水处理厂进水 BOD 浓度不低于100 mg/L (相对的COD估算为 250 mg/L, 按照1 mg BOD/L= 2.5 mg COD/L计算)的城市生活污水处理厂达90%以上,假设SCWC 250 L/(人·d),外来水SQI/I必须控制在160 L/(人·d)水平。

        在许多情况下,管网污水收集率的高低在控制受纳水体水质方面发挥着主导作用。举例来说, 假设管网收集到污水都在污水处理厂得到处理(管网系统溢流排放可忽略)、且污水处理厂去除率保持80%的高水平,当管网污水收集率分别为70% 和60% (未收集率30%和40%)时,未收集污水加上污水处理厂尾水排放到受纳水体负荷可达总污水污染物负荷的36%和48%。考虑目前国内污水系统和污水处理厂低SQOUT/SCWC(污清比)的情况,污染物排放到受纳水体负荷率将更高。在这种情况下,进一步提高污水处理厂的去除效率或者单纯依赖提高排放标准对改善受纳水体水质的影响可能有限, 3.4节中将进一步加以讨论。

        当前国内许多城市污水主干管网覆盖率达到90%,接近欧盟、日本和美国等国家的水平。但由于城市的快速发展,支管与主干管网的联接不够完善。此外,一些城市污水管网建设落后于污水处理厂。如前所述, 管网低污水收集率不仅降低管网中污水COD浓度, 更严重的问题是直排污水可成为水环境恶化重要因素。为此,各城市应遵循最近国家相关管理机构要求, 将进一步提高污水管网覆盖率、消除管网空白区和消除污水直排,把提升管网污水收集率放在优先考虑位置,避免盲目提高污水处理厂出水标准。

        3.3 市政综合用水量

        市政综合用水量与市政污水产生量之间的耦合关系是显而易见的:原污水(即不含外来水的污水)是供水被利用后直接产生的水(也称用过水, used water)。在相同的外来水条件下, 用水量越少(用水效率越高), 污水管网里(混合)污水量越少, 污染物浓度越高。西、北欧一些国家的SCWC介于140~200 L/(人·d),国内2020年数据介于140~310 L/(人·d)[18], 比欧洲一些国家值高。除了高外来水量(SQI/I),较高的用水量(SCWC)是国内市政污水污染物(COD以及氮和磷)浓度较低的另一重要因素(见表1、 图 6、 图3)。

        图6给出了在 SQI/I从微不足道到350 L/(人·d) 条件下, 人均日综合用水量(SCWC)对管网污水COD浓度的影响。随着SCWC增加, 管网COD浓度显著降低。当SCWC<200 L/(人·d)时, 尤其敏感。最上线代表在外来水可忽略条件下(SQI/I∽0)污水管网中COD在不同用水量(SCWC)可能达到的最高浓度 (CODMAX)。读者可以根据当地 SCWC 值,从图6中读取对应的管网CODMAX, 并与现有的污水处理厂进水中COD 浓度比较, 进而评估通过污水管网修复提高现有污水处理厂进水COD浓度潜在的空间。对于对那些外来水已得到很好控制(SQI/I<100 cod="">500 mg/L)[2],进一步增加污水处理厂进水COD浓度的努力方向可能在于提高用水效率(减少SCWC); 对于那些COD浓度低的污水管网(<250 mg/L), 如在温热多雨珠三角地区,在SCWC≥300 L/(人·d)条件下, 即使外来水入侵减少到100 L/(人·d), 管网污水COD最高浓度也只可以达到300 mg/L的水平(见表1、图2、图6)。所以, 污水管网修复和提高用水效率(降低用水量)应同时进行。

        总体而言, 修复污水管网减少外来水入侵仍然是当前国内改善城市水环境质量的关键步骤和紧迫任务, 尤其对南方一些城市而言。国内外的实践表明,这是一项高投资、长周期工作, 非一蹴而就,需要进行详尽规划。作为一种事前估计方法, 可将现有污水处理厂进水中COD 值(CODMSW)与管网理论最大 CODMAX (SQI/I=0 L/(人·d))进行比较(见图6),估计修复现有污水管网可能带来的COD浓度增加幅度, 3.3节将对此给予进一步说明。

        3.2 污水管网收集率

        污水管网收集率为管网收集污水占市政产生污水的比例,与污水管网覆盖率直接相关。管网污水收集率的大小影响污水处理厂进水COD浓度和溢流排放至受纳水体的污染物负荷。图5显示了在SCWC为250 L/(人·d)、PLCOD 120 g COD/(人·d)和SQI/I从可忽略[∽0 L/(人·d)]增加到 300 L/(人·d)时, 污水收集率从50% 至 100% 时, 污水处理厂进水中的 COD 浓度的变化。当SQl/I 可以忽略不计[∽0 L/(人·d)], COD浓度达到最大值 (CODMAX) 480 mg/L,与收集率无关。在固定的SQl/I情况下, 管网COD浓度随着管网污水收集率下降而降低,收集率每降低10%,COD下降约30 mg /L。在固定的收集率情况下, COD浓度随着SQI/I下降而降增加。当SQI/I从 200 L/(人·d)增加到 100 L/(人·d)时,COD 浓度可增加约 100 mg/L。图5显示,如果要达到最近住建部等四部委要求到2025 年污水集中收集率达70%和污水处理厂进水 BOD 浓度不低于100 mg/L (相对的COD估算为 250 mg/L, 按照1 mg BOD/L= 2.5 mg COD/L计算)的城市生活污水处理厂达90%以上,假设SCWC 250 L/(人·d),外来水SQI/I必须控制在160 L/(人·d)水平。

        在许多情况下,管网污水收集率的高低在控制受纳水体水质方面发挥着主导作用。举例来说, 假设管网收集到污水都在污水处理厂得到处理(管网系统溢流排放可忽略)、且污水处理厂去除率保持80%的高水平,当管网污水收集率分别为70% 和60% (未收集率30%和40%)时,未收集污水加上污水处理厂尾水排放到受纳水体负荷可达总污水污染物负荷的36%和48%。考虑目前国内污水系统和污水处理厂低SQOUT/SCWC(污清比)的情况,污染物排放到受纳水体负荷率将更高。在这种情况下,进一步提高污水处理厂的去除效率或者单纯依赖提高排放标准对改善受纳水体水质的影响可能有限, 3.4节中将进一步加以讨论。

        当前国内许多城市污水主干管网覆盖率达到90%,接近欧盟、日本和美国等国家的水平。但由于城市的快速发展,支管与主干管网的联接不够完善。此外,一些城市污水管网建设落后于污水处理厂。如前所述, 管网低污水收集率不仅降低管网中污水COD浓度, 更严重的问题是直排污水可成为水环境恶化重要因素。为此,各城市应遵循最近国家相关管理机构要求, 将进一步提高污水管网覆盖率、消除管网空白区和消除污水直排,把提升管网污水收集率放在优先考虑位置,避免盲目提高污水处理厂出水标准。

        3.3 市政综合用水量

        市政综合用水量与市政污水产生量之间的耦合关系是显而易见的:原污水(即不含外来水的污水)是供水被利用后直接产生的水(也称用过水, used water)。在相同的外来水条件下, 用水量越少(用水效率越高), 污水管网里(混合)污水量越少, 污染物浓度越高。西、北欧一些国家的SCWC介于140~200 L/(人·d),国内2020年数据介于140~310 L/(人·d)[18], 比欧洲一些国家值高。除了高外来水量(SQI/I),较高的用水量(SCWC)是国内市政污水污染物(COD以及氮和磷)浓度较低的另一重要因素(见表1、 图 6、 图3)。

        图6给出了在 SQI/I从微不足道到350 L/(人·d) 条件下, 人均日综合用水量(SCWC)对管网污水COD浓度的影响。随着SCWC增加, 管网COD浓度显著降低。当SCWC<200 L/(人·d)时, 尤其敏感。最上线代表在外来水可忽略条件下(SQI/I∽0)污水管网中COD在不同用水量(SCWC)可能达到的最高浓度 (CODMAX)。读者可以根据当地 SCWC 值,从图6中读取对应的管网CODMAX, 并与现有的污水处理厂进水中COD 浓度比较, 进而评估通过污水管网修复提高现有污水处理厂进水COD浓度潜在的空间。对于对那些外来水已得到很好控制(SQI/I<100 cod="">500 mg/L)[2],进一步增加污水处理厂进水COD浓度的努力方向可能在于提高用水效率(减少SCWC); 对于那些COD浓度低的污水管网(<250 mg/L), 如在温热多雨珠三角地区,在SCWC≥300 L/(人·d)条件下, 即使外来水入侵减少到100 L/(人·d), 管网污水COD最高浓度也只可以达到300 mg/L的水平(见表1、图2、图6)。所以, 污水管网修复和提高用水效率(降低用水量)应同时进行。

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        3.4 污水处理厂处理量

        城市污水管网排放到受纳水体的污染物负荷可分为两部分: 污水处理厂排放和管网的溢流排放(见图1)。两部分过量排放量都会导致受纳水质恶化。在一定混合污水稀释倍数和管网污水接近全收集情况下, 污水处理厂处理量比(TR), SQOUT/SCWC(污清比)直接影响管网溢流排放负荷大小。一般来说,当SQOUT/SCWC(见表1)较高时, 溢流排放负荷较少,反之管网溢流负荷较大。图7展示了在污水全收集、SQOUT/SCWC为1, SCWC分别为200、250、300 L/(人·d)和污水稀释倍数在1~2变化时, 污水处理厂进水COD浓度、管网溢流COD负荷对污水管网收集COD负荷比之间的关系。污水COD浓度随着稀释倍数的增加而减少, 但与SCWC无关,溢流负荷比随着稀释倍数的增加而增加。当稀释倍数为1.2, COD 溢流负荷比约20%;稀释倍数为1.4时,负荷比约35%; 稀释倍数为1.8时, 负荷比约43%。以上三种污水稀释倍数在某种程度上对应长三角部分城市污水几乎全收集且泄漏得到合理控制的分流式管网系统旱季、年均和雨季平均值。对于那些污水高度稀释如在旱季已经满管流的污水管网, 溢流负荷比将更高。

        需要注意的是, 污水管网中较高污染物浓度并不总是意味着较少量污染物溢流排放负荷, 在很大程度上后者取决于污水处理厂SQOUT/SCWC比。两个拥有相同的SCWC和SQI/I的市政污水管网,管网中污水量和COD浓度相同,污水处理厂处理量比较大的管网的溢流负荷低于污水处理厂处理量比较小管网溢流负荷(见1.1节)。一个SCWC=230L/(人·d)、SI/I= 160 L/(人·d) (稀释倍数1.7)的污水管网, 污水COD约340 mg/L,而另一个管网SCWC和SQI/I都为300L/(人·d)(稀释倍数2),污水COD浓度约200 mg/L。但在各污水处理厂SQOUT/SCWC分别1.2 和 1.7 (污水处理厂处理量/污水量比0.7和 0.9)情况下,各自污染物溢出负荷比分别为33%和15%(见表1)。一般来说,污水处理厂较高SQOUT/SCWC和较大处理量/管网污水量比有利于减少溢流排放负荷。所以,当努力增加污水管网污水COD 时,应该同时考虑到管网的溢出负荷。

        图8、图9由污水量平衡原理计算所得, 结果与讨论同时适用于COD、氮和磷。图8显示了污水稀释倍数(DF)和污水处理厂TR(SQOUT/SCWC,污清比)与污染物溢流(不包括污水处理厂排放)负荷比的关系, 其中第二(右)Y轴的颜色对应于图中不同污染物溢流负荷比的等值线。当SQOUT/SCWC等于或高于稀释倍数(DF)时,几乎没有溢流。欧洲一些国家包括德国、奥地利、瑞士和北欧许多污水处理厂污水设计处理量上限≥3·QS,aM(QS,aM:市政用水量),管网污水年均稀释倍数仍在 1.5~3, 虽然上述大部分国家的50%以上的污水管网已经是分流系统,但污水处理厂的高处理能力有效减少溢流排放。如苏黎世 Werdhlzli和维也纳MWWTP污水处理厂,均连接合流制污水管网,各自年均污染物溢流排放负荷仅为管网收集负荷的3%和7%。从图8可见, 对应稀释倍数从 1.5、2和3,以30%作为溢流负荷控制目标, 污水处理厂SQOUT/SCWC(清污比)应不小于 1.1、1.4、1.7;以20%作为控制目标SQOUT/SCWC应不小于1.3、1.7、2.2。读者可以根据当地管网污水稀释倍数和污水处理厂SQOUT/SCWC估算溢流污染物负荷, 也可以根据允许溢流污染物负荷思考现有污水处理厂处理能力SQOUT/SCWC是否合适。

        图9进一步展示在稀释倍数(DF)为2,污水处理厂SQOUT/SCWC比在1~2,污染物去除率分别为75%和93%条件下,五种负荷对污水管网全收集负荷的比率。五种负荷分别是:①污水处理厂去除75%污染物后排放负荷;②污水处理厂去除93%污染物后的排放负荷;③污水管网溢流负荷;④污水处理厂在75%污染物去除率时排放负荷加污水管网溢流负荷;⑤污水处理厂在93%污染物去除率时的排放负荷加污水管网溢流负荷。假设进水中的总氮(TN)约为40 mg/L,75%去除率对应出水总氮约10 mg N/L, 93%的去除率对应出水总氮约3 mg/L(脱氮技术极限值)。为了区分处理后和管网溢出的两部分污水负荷,图9用污水处理厂处理量/管网污水量(SCWC·DF)比(TR/DF,表1)代替稀释倍数和SQOUT/SCWC比用来:当TR/DF≥1时,管网内的污水全部进入污水处理厂处理;TR/DF<1时,管网污水溢流发生(见图9)。< p="">

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        图9表明:①在图9的条件下,当TR/DF从0.5的增加到1(对应污水处理厂处理量为50%到100%管网内污水), 污水处理厂排放负荷比增加, 溢流负荷比减少, 总负荷比减少。在一定TR/DF条件下,污水处理厂的污染物去除效率对管网溢流负荷比没有影响;②溢流和污水处理厂排放对总排放负荷的相对贡献随TR/DF变化。当TR/DF为0.5,溢流负荷比50%, 污水处理厂排放负荷比在污水处理厂污染物75%和93%的去除率下分别为13%和3%,相应的总排放负荷比分别为63% 和53%,污染物去除率减少了10个百分点;当TR/DF为1,溢流负荷比忽略不计,污水处理厂在75%和93%的去除率下排放负荷比分别为25%和7%,相应的总排放负荷比分别为25%和7%。总排放负荷比较TR/DF=0.5时减少18个百分点;③TR/DF值常决定了对受纳水体的污染物排放负荷。当TR/DF≤0.6,即使污水处理厂去除效率93%,仍有约44%的污染物排放到水环境中;如果排入受纳水体排放负荷允许值为10%收集负荷,无论污水处理厂执行多么严格排放标准,TR/DF必须≥0.95。在此说明,适当的TR/FD而不仅是污水处理厂的去除效率对满足受纳水体允许排放负荷至关重要。

        欧洲一些国家城市污水管理政策之一是:除了允许排放到水环境中的溢流外,原则上污水管网中的污水都必须经处理后排放,即使增加运行成本。这些国家有赖于大于等于3倍SCWC的污水处理厂处理能力(TR,污清比), 污水处理厂处理能力大于等于管网内污水量(TR/DF≥1),加以污水处理厂高排放标准,在污水稀释倍数1.5~3的情况下,即使在雨季,仍能有效控制污水系统溢流,保护了城市水生态环境。国内污水处理厂设计处理量上限较低,2019年统计城市人均污水处理量对人均综合用水量比值(TR/DF)在0.8~1.2,尽管近年来一些城市此项比率有所提高,但总体来说仍低于德国和荷兰的年均值2和丹麦、瑞典的接近3的年均值。由图8和图9可见,当污水处理厂处理量/SCWC=1.2,污水稀释倍数2.0 和2.5,各自通过溢流排放污染物到城市水环境约占的污水管网收集污染物负荷40%和 50%,与文献相近。在如此高对受纳水体的溢流负荷下,提升污水处理厂高排放标准对受纳水体水质改善作用可能相当有限。此外,相对于管网中较大混合污水流量,污水处理厂较低处理能力可导致管网流动截面增加,管内污水流速降低甚至满管运行,成为固体在管网运输过程中沉降和发酵和部分管网修复效果不彰的可能原因之一。

        考虑当前国内污水处理厂较低处理量和污水稀释导致排放负荷对城市水环境的影响,有必要认真考虑提升现有部分污水处理厂处理能力的合理性和可行性。2021年《室外排水设计标准》(GB 50014-2021)已增加了与污水处理厂流量相关系数值,并要求在分流制管网和污水处理厂设计中考虑包括雨水在内的外来水因素。许多污水处理厂扩容升级可以通过原位改造现有部分工艺单元来进行,但扩大处理厂规模涉及额外的投资,尤其考虑到当前国内较高用水量和污水管网外来水侵入情况,污水处理厂扩容需要根据当地情况与其他选项进行比较或同时进行,前者包括: 管网改造增加污染物浓度、提高污水处理厂去除效率和改善用水效率以及应用调蓄设施等,结合技术、管理、投资和实施时间多方面考虑。近几年国内污水管网改造增加污染物浓度经验和成果是与此相关宝贵的经验和知识。目前可就这个题目展开进一步讨论,结合国内特有经验如海绵城市等,选择泄漏已获较好控制管网道相连的污水处理厂开展示范工程,积累实践经验。

        3.5 三点建议

        综上所述, 污水系统的提质增效应综合用水、污水收集、污水处理、溢流污染和受纳水体之间内在相互影响的关系, 追求技术、经济可行的解决方案,以满足改善污水系统总体运行效率及质量总目标。为此,提出了以下三项污水系统修复策略:

        (1)对那些外来水入侵严重(旱季满管运行、污水高度稀释, COD<200 400="" cod="">400 mg/L),以定期维护作为污水管网管理的主要策略。当用水效率明显较低[例如SCWC >280L/(人·d)], 应同时考虑节水。

        (2)提高污水管网污水收集率是改善城市水环境直接有效的途径,较发达城市污水管网收集率应努力维持大于80%。对于那些外来水入侵已获得适当控制的污水系统 (COD > 300 mg/L, 稀释倍数 ≤ 2), 应考虑适当增加现有污水处理厂处理量上限以减少溢流负荷。

        (3)市政污水系统系统提质增效, 应在城市水环境保护视野下, 在受纳水体的允许排放负荷基础上, 确定和综合考虑用水、污水管网、污水处理厂与受纳水体水质之间量化、多重关联关系, 以控制并减少污染物负荷为总体目标, 提高污水COD浓度为手段, 辨识在污水系统修复和城市水质改善中起支配作用的因素和最佳组合, 根据目标, 结合财政、管理和技术能力和污水系统修复需要的时间等因素,通过多种方案比较,寻求兼顾理想与实际、最具成本效益的方法。

        4 结论

        这项工作应用简化城市污水系统模型和基于质量平衡原理计算, 定量表征了与污水系统性能和效率相关的污水管网外来水、管网污水收集率、市政综合用水量和污水处理厂处理能力四个关键因素对污水管网COD浓度和溢流负荷之间的数量关系,并结合国内外实际数据进行了定量讨论和分析。有助于加强进行城市污水系统提质增效时所需的对城市污水系统和子系统要素之间关联关系和影响程度的理解,提供综合考虑城市用水、管网污水收集率、污水处理厂处理能力和污染物去除效率以及受纳水体水质的定量描述方法, 以控制并减少污染物负荷为总体目标, 提高污水管网内污水COD浓度为手段, 辨识在污水系统修复和城市水质改善中起支配作用的因素和最佳组合, 根据目标, 结合财政、管理和技术能力和污水系统修复需要的时间等因素,通过多种方案比较,寻求最具成本效益的方法和途径, 在充分的定性和定量分析、评估的基础上, 形成技术可行、经济有效的系统决策。



        (审核编辑: Model)

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