污水提质增效平原老城区案例
导读：以华东地区某城市老城区污水处理厂服务片区为研究对象进行分析，发现采取防倒灌措施后，污水处理厂污染物进水浓度提升明显。平原高地下水位地区污水处理厂进水浓度影响因素由大到小分别为：地下水入渗、管道沉积和降解、河水倒灌、降雨，对污染物进水浓度影响程度（以BOD5计）分别为：25%～34%、17%～26%、13%～18%、7%～10%。在平原老城区实施“清污分流”，建议优先采取的措施为防治河水倒灌、管网修复，管网系统相对完备后可采取降低管网运行水位的措施，雨污分流需伴随着老城区改造循序渐进。通过多项措施的逐步实施，最终实现提高污水处理厂进水浓度的目标。
0 引言
2019年4月住房和城乡建设部、生态环境部、发展改革委联合印发《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019~2021年）》（以下简称《方案》），其主要目标：经过3年努力，地级及以上城市建成区基本无生活污水直排口，基本消除城中村、老旧城区和城乡结合部生活污水收集处理设施空白区，基本消除黑臭水体，城市生活污水集中收集效能显著提高。《方案》中提出实施管网混错接改造、管网更新、破损修复改造等工程，实施清污分流，全面提升现有设施效能，并明确要求城市污水处理厂进水生化需氧量（BOD5）浓度低于100 mg/L的，要围绕服务片区管网制定“一厂一策”系统化整治方案，明确整治目标和措施。
截至2018年6月底，我国城镇污水处理能力已达1.61亿m³/d。然而城镇污水处理厂进水污染物浓度普遍偏低，仍然存在污水直排入河的情况，城市河道黑臭现象严重。中国城镇供水排水协会2017年发布的数据显示，城镇污水处理厂的进水COD平均值仅为267 mg/L，南方地区的一些污水处理厂COD甚至低于100 mg/L，而欧洲污水处理厂的进水COD一般在400～1 000 mg/L。
本文以服务于华东地区某城市老城区的污水处理厂（以下简称老城区污水处理厂）为研究对象，通过分析该片区污水处理提质增效相关工程措施，提出平原地区污水处理提质增效的实施策略，为污水处理提质增效工作的开展提供技术支撑。
1 污水处理厂进水浓度偏低的成因及提质增效措施分析
华东地区某城市老城区拥有唯一的一座污水处理厂，其服务范围内基本为合流制或混接分流制，污水处理厂所在城区地势平坦，年均月降雨量1 000 mm，地下水距离地面最浅处只有1.6 m。分析老城区污水处理厂2016～2017年进水数据（见图1），污水处理厂污染物进水浓度相对较低，COD、BOD5、NH3N的平均浓度分别为140.6 mg/L、66.1 mg/L、17.8 mg/L。经分析，该污水处理厂进水浓度偏低的主要原因可归纳为河水倒灌、地下水入渗、雨污合流、管道内污染物沉积和降解。
1.1 河水倒灌
南方平原城市河网密度较高，地势平缓，管道基本无法借助地形排水，入河排水口多为淹没出流。由于入河排水口淹没在河道常水位之下，加之老城区内合流制或混接分流制的影响，河水通过入河排水口倒灌回污水系统。河水的倒灌使得污水系统中掺杂大量清水，污水的转输、提升、处理系统的效率显著下降，最终导致污水处理厂的污染物进水浓度普遍偏低。同时由于清水侵占了污水的空间，容易出现旱季污水外溢的情况。解决河水倒灌可以采取两种方式，降低河道水位或在排水口设置防倒灌措施。
降低河道水位可有效的减少河水通过入河排水口进入污水系统，但是河道常水位的设置涉及到常水位与现状沿河构筑物高程的关系、整体景观效果、生态水深等因素，改变现状河道的常水位需要系统分析研究并征得各管理部门的同意。
入河排水口设置防倒灌措施同样是为了解决河水倒灌至污水系统，使得污水系统的输送和处理能力提升，有效的缓解了污水旱季溢流。由于其改造内容较为简单因此工程可实施性较强。
1.2 地下水入渗
地下水入渗管道的原因很多，主观原因包括管道材质、接口形式、设计、施工、养管水平等；客观原因包括地质条件、地下水水位、降雨等。根据《室外排水设计规范》，入渗量占总水量的10%～15%，但实际入渗量每个城市差别较大，需要根据现场实际情况分别测定。
随着《方案》的提出，各地正在重点排查现状管道的运行情况，着手通过修复现状管道，解决地下水入渗的情况。但是在老城区内管网的修复受外界影响的因素多，修复成本高，实施难度大，需要伴随着城市的发展由重要渗漏点向普通渗漏点逐步推进，绝非一蹴而就能够完成的。
1.3 雨污合流
合流制是最为传统的排水体制，在我国很多老城区排水系统建设于19世纪80年代或者更早，受制于当时建设标准和经济能力等因素，很多城市都采用合流制系统。从图1中可以看出每年雨季进水浓度显著降低，以2016~2017年数据为例，雨季月均降雨量为156.4 mm，BOD5平均浓度61 mg/L，NH3-N平均浓度16.2 mg/L。旱季月均降雨量为25.4 mm，BOD5平均浓度71 mg/L，NH3-N平均浓度19.7 mg/L。雨季BOD5和NH3-N进水浓度分别为旱季的85.9%和82.2%，降雨对污水处理厂进水浓度存在一定影响。
虽然近年新建项目已基本普及分流制，老城区也在推行雨污分流改造，但受制老城区地下管线错综复杂，施工难度大，拆迁赔偿等多重因素，推进相对缓慢。有些地区即使完成了雨污分流改造，由于后期管理问题，往往雨污分流后又出现雨污混接的情况，整体改造效果不明显。
1.4 管道内污染物的沉积和降解
平原城市管道由于无法借助地形，管道坡度较小，加之目前很多城市污水系统高水位运行，污水在管道中的流速较低。较低的流速导致污水中的大颗粒物质在管网中蓄积，同时由于停留时间长，有机物在管道中发生生化反应，最终导致污水中污染物浓度的降低，也易造成局部淤塞。
降低污水系统运行水位，恢复管道设计充满度有利于提高管道中污水流速。但是如果没有解决地下水入渗、河水倒灌，仅降低城市管网的运行水位难以真正实现污水收集系统的效能提升。
2 污水处理厂进水浓度各影响因素的量化分析
2017年11月底为了响应国家黑臭水体治理的要求，华东地区某城市老城区对所有入河排水采取了防倒灌措施，确保河水不倒灌至市政管网，同时旱季不出现污水溢流。经过约2年的运行，污水处理厂进水浓度发生了较为显著的变化，为研究河水倒灌、降雨、地下水入渗的影响程度提供了详实的数据资料。
为了量化分析各因素的影响程度，首先需确定污水系统起始点的污染物浓度。我国各地实测居民小区出口的污水COD一般为350～500 mg/L，按照生活污水BOD5/COD≈0.5的比例，确定污水系统起始点的污水BOD5浓度约为175～250 mg/L。按照各因素造成的浓度降低量与起始点浓度的比值测算其影响程度。
2.1 河水倒灌及降雨对进水浓度的影响分析
为了研究河水倒灌和降雨对污水处理厂进水浓度的影响，暂定全年地下水入渗不存在显著性差异，将2016~2019年的进水月均数据，根据月降雨量分为3个层次。
当月降雨量小于50 mm时，此时处于旱季，降雨基本不会影响管网水质。从图2中可以看出2017年11月实施防倒灌措施后，污水处理厂月均进水浓度显著上升。2017年11月前BOD5平均浓度71.0 mg/L，NH3-N平均浓度19.7 mg/L。2017年11月后BOD5平均浓度103.4 mg/L，NH3-N平均浓度24.2 mg/L。BOD5和NH3-N的平均浓度分别提升了45.6%和22.8%。
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当月降雨量为50~150 mm时，此时处于雨季，降雨频次显著提高，但每场降雨的强度不大，降雨将显著影响管网污染物浓度。从图3中可以看出2017年11月前BOD5平均浓度68.3 mg/L，NH3-N平均浓度18.2 mg/L，2017年11月后BOD5平均浓度84.9 mg/L，NH3-N平均浓度23.2 mg/L。BOD5和NH3-N的平均浓度分别提升了24.3%和27.4%。
当月降雨量大于150 mm时，此时处于雨季，降雨多为强降雨。从图4中可以看出2017年11月前BOD5平均浓度53.7 mg/L，NH3-N平均浓度14.2 mg/L。2017年11月后BOD5平均浓度86.5 mg/L，NH3-N平均浓度22.1 mg/L。BOD5和NH3-N的平均浓度分别提升了61.1%和55.6%。由此可见在降雨量较大的月份，河水倒灌和降雨的叠加影响导致了污水处理厂污染物进水浓度的显著降低。在采取防倒灌措施后，雨季虽然降雨量较大，但从平均值水平来看，对污水处理厂的污染物进水浓度的影响是有限的。
从2016~2019年的污水处理厂污染物进水浓度数据可以看出，2017年底实施防倒灌措施后有效提高了污水处理厂的污染物进水浓度。由于旱季基本不存在降雨对浓度的影响，因此采用旱季污水处理厂污染物进水浓度，分析采取防治河水倒灌措施前后的数据，污水处理厂进水BOD5浓度提升约32.4 mg/L。因此，河水倒灌对进水BOD5浓度的影响程度约为13%~18%。
通过数据分析（见表1）可以看出降雨对污染物浓度影响是显著的，2018~2019年度采取防倒灌措施后基本可以忽略河水倒灌对进水浓度的影响。对比旱季和雨季的数据可以发现，降雨导致进水BOD5浓度降低了17.7 mg/L，对污水处理厂进水BOD5浓度的影响程度约为7%~10%。
2.2 污染物管道中沉积和降解对进水浓度的影响分析
研究表明在15 ℃条件下，管道中污水COD的衰减速率为20 mg/(L·h)［折算BOD5的衰减速率约为10 mg/(L·h)］。本研究对象老城区污水处理厂的收集系统起始端到终点的平均长度约8 km，由于现状管道基本处于满管流，按照污水处理厂的进水流量反算管道平均流速约0.4～0.6 m/s。据此可知污水在管道运输过程中BOD5的衰减量约为37.0～55.5 mg/L，污水在管道转输中由于沉积和降解导致污染浓度的衰减对污水处理厂进水BOD5浓度的影响程度约为17%～26%。
2.3 地下水入渗对进水浓度的影响分析
地下水入渗量与地下水水位、降雨、河水倒灌以及管道漏损等情况均息息相关。为了初步量化分析入渗的影响，拟采用老城区污水处理厂实施防倒灌措施后旱季的实测进水数据反算地下水入渗的影响。此时主要影响污水处理厂浓度的因素为地下水的入渗、污染物转输过程的沉积和降解。地下水入渗对进水浓度的影响值=小区出口浓度-污水在管道转输中的衰减量-污水处理厂进水平均浓度。根据表2可知地下水的入渗对污水处理厂进水BOD5浓度的影响程度约25%～34%。这充分的反应出地下水位较高的老城区，管网的渗漏对污水处理厂进水浓度影响非常大。
3 结论与建议
●分析华东地区某城市老城区污水处理厂2016~2019年进水浓度的变化情况，河道排水口采取防倒灌措施后污水处理厂进水浓度显著提升，BOD5平均浓度提升24.3%～61.1%，NH3-N平均浓度提升22.8%～55.6%。
●通过多年数据对比分析，平原老城区污水处理厂进水浓度影响因素由大到小分别为：地下水入渗、管道沉积和降解、河水倒灌、降雨。影响程度（以BOD5计）分别为：25%～34%、17%～26%、13%～18%、7%～10%。
●总体来看地下水入渗影响最大，但对老城区实施管道修复和雨污分流改造都是一个循序渐进的过程。因此，应综合考虑工程实施的难度和措施的有效程度，开展平原老城区“清污分流”工作，建议优先采取的措施为防治河水倒灌、管网修复，在此基础上采取降低管网运行水位的措施，并结合老城区改造循序推进管网的雨污分流。通过多项措施的逐步实施，最终实现提高污水处理厂进水浓度的目标。
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