曹業(yè)始：當前國內(nèi)污水管網(wǎng)系統(tǒng)改造應(yīng)綜合考慮的四個因素
時間：2021-10-09 09:34
來源：中國水網(wǎng)
作者：王馨
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“污水管網(wǎng)系統(tǒng)改造是當前國內(nèi)許多城市普遍面臨的難題，我本身也有困惑：為什么歐美國家的混流制系統(tǒng)COD濃度比我們國家分流制系統(tǒng)還要高， 甚至在新建區(qū)域？有沒有簡單的計算公式，能夠較快估算出下水道系統(tǒng)中的外來水、污水量及污水管網(wǎng)內(nèi)COD濃度和溢流負荷，并可以應(yīng)用在投資和效益分析，從而為項目規(guī)劃提供支持？”中持新概念環(huán)境發(fā)展宜興有限公司總工藝師、新加坡PUB（國家水管理機構(gòu)）前首席專家曹業(yè)始博士在“2021（第十三屆）上海水業(yè)熱點論壇”上先談了進行這項研究的動機。
論壇上，曹博士以西、北歐一些城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)和污水處理廠為例，比較國內(nèi)和歐洲國家污水管網(wǎng)外來水入侵等情況，并分析了造成國內(nèi)污水濃度偏低的因素,提出了估算公式。在詳實的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，進一步提出污水管網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量平衡概念模型并討論模擬的結(jié)果。提出了改造當前國內(nèi)下水道系統(tǒng)需要綜合考慮的四個因素及相關(guān)建議。
曹業(yè)始
影響污水管網(wǎng)性能和效率的四個因素
影響污水管網(wǎng)性能和效率的四個主要因素：1. 外來水入侵。城市污水主要由兩部分組成：城市供水使用后產(chǎn)生的污水 (used water)以及外來水。由滲透水、流入水、雨水組成的外來水。2.污水廠的處理能力。處理量相對應(yīng)于國內(nèi)的截流系數(shù)，國內(nèi)一般設(shè)置值為1.2, 即處理量是收集的污水的1.2倍 (最新指導(dǎo)文件將該系數(shù)擴大到1.5)。3.用水效率, 4. 污水收集率。
下水道系統(tǒng)：邊界和因素
下圖將供水和污水關(guān)聯(lián)起來，供水方面有包括家庭、公共、工業(yè)三類水組成的綜合用水使用后進入到污水管網(wǎng)，綜合用水量數(shù)據(jù)可以從城市的水務(wù)局和年鑒中查詢到。綜合用水加外水匯入下水道的總量形成了下水道里的污水。
污水分成兩股，一股送到污水廠處理，另一股從下水道溢出的污水排入水環(huán)境。
本文的討論為國內(nèi)的一線城市，這類城市制造業(yè)已經(jīng)外移，城市污水基本上是生活污水。在這樣的條件下，以個人污染物的日排放負荷作為計算基準，如個人COD日產(chǎn)生量120g/人/天，個人綜合用水量(SCWC, 升/人/天)可以采用年度統(tǒng)計數(shù)值，從這些數(shù)據(jù)可以使用下面等式估算出外來水量(SQi/i)升/人/天、溢流污水量(SQE)升/人/天。
外來水占比、稀釋倍數(shù)和管內(nèi)污水流量提供估算方法
外來水占比定義為：外來水/(外來水+收集的污水)。稀釋倍數(shù) (DF)定義為：管網(wǎng)內(nèi)污水/收集污水(供水) ，如果DF為1，就表明沒有外水進來，如果DF為2，就表明外水和收集的污水為一比一。
值得注意的是最大COD濃度值定義為個人排污量除以綜合用水量COD值，計算公式 為CODMAX = PLCOD(120)/SCWC。報告人指出，在污水全收集(X = 100%)且管網(wǎng)外來水可以忽略(DF≈1)的條件下，混合污水COD最大濃度為120/SCWC (g/L)，綜合用水量(SCWC)決定了下水道混合污水COD能夠達到最大濃度。
由于用污水廠處理量代替SRW存在的風險，報告人建議用DF=CODMAX/CODRW,之中CODRW為下水道COD濃度）計算DF值。
在得出稀釋倍數(shù)后，用稀釋倍數(shù)乘以綜合用水量（SCWC），即得出個人管內(nèi)污水流量SRW (升 /人/天)，公式為SRW=SCWC·DF。隨后既可以得出個人溢流污水量（SQE），公式為SQE = SRW – SCWC。報告人指出，需要注意的是，由于不同用水效率，相同的外來水占比或稀釋倍數(shù)并不意味著相同數(shù)量的外來水量。
污水(污水處理廠進水)COD濃度估算
在污水全收集(X = 100%)的條件下，且雨水為干凈的水、的條件下，就得出了下圖第一個公式初步估算出管網(wǎng)中的COD濃度。公式表明，管網(wǎng)中污水COD的濃度取決于綜合用水量和稀釋倍數(shù)，前者與綜合用水效率有關(guān)，而后者與外來水(或管網(wǎng)滲漏)有關(guān)。
在下表中，選取了西歐和國內(nèi)七個案例，管網(wǎng)中公開文獻中與水有關(guān)的數(shù)據(jù)，用公式進行計算，得出計算值與報告數(shù)據(jù)相當接近，證明了公式的可用性。
部分歐洲國家和中國的人日均綜合用水量、人日均污水處理量、人日均(混合)污水量及污水COD濃度等相關(guān)數(shù)據(jù)
用水效率是國內(nèi)污水低濃度不可忽視的因素相之一
下圖匯集了來自西、北歐一些國家和城市與中國北京及另外兩個一線城市污水稀釋相關(guān)的文獻數(shù)據(jù)。從西、北歐地區(qū)城市的數(shù)據(jù)綜合來看，平均稀釋倍數(shù)大約達到2倍，也就是供水與外來水的比例為1:1。
報告人強調(diào)，這些數(shù)據(jù)表明，合流制系統(tǒng)外來水量占到管網(wǎng)內(nèi)污水量50%或以上，意味外來水量(Qi/i)和收集污水量(CWC)相當甚至更多；對分流制系統(tǒng)，外來水占比差異較大，德國北部最低，但也有較高(50%)的情況， 如丹麥和挪威的案例所示。
同時可以看到，北京的外來水比例基本與德國北部處在一個水平上，表明我們可以做好下水道管理. 以上可見，污水管道泄漏是一個世界性的問題, 而從數(shù)值上面看, 國內(nèi)下水道外來水稀釋倍數(shù)和占比與西、北歐似乎差別不大。
但是依據(jù)綜合用水量和稀釋倍數(shù)和占比計算外來水的體積時, 如下圖示, 對應(yīng)相同的外來水占比或稀釋倍數(shù)，用水效率較高(低人日均綜合用水量）的一些西歐國家和城市相比用水效率較低(高人日均綜合用水量）的國內(nèi)城市，前者部分區(qū)域外來水量可以是后者部分區(qū)域的約50%。
相似的占比或稀釋倍數(shù)范圍內(nèi)，歐洲的污水管道里污水COD濃度仍可維持在400 ∽680mg/L 范圍(如德國和蘇黎世的合流制系統(tǒng)），遠高于當前許多國內(nèi)污水管道系統(tǒng)里的COD濃度。
如下圖所示, 一般來說, 國內(nèi)的綜合用水量以及外來水量的平均值(即使在新建城區(qū))，均高于西歐地區(qū)，說明國內(nèi)污水低濃度不僅僅是由于污水管道外來水侵入造成的，，用水效率應(yīng)該也是不可忽視的因素。
污水管網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量流和平衡概念模型
報告人提出，應(yīng)在整個流域的水環(huán)境范圍中綜合考量管網(wǎng)系統(tǒng)的更新改造，除了管道中的 COD,管網(wǎng)溢流量是另一個重要參數(shù)。
污水管網(wǎng)水力和污染物質(zhì)量流與平衡簡化模型
模型描述了五個不同的的場景，展示外來水入侵和含外來水混合污水的處理(污水處理廠的處理能力)、用水效率和污水收集率對管網(wǎng)里污水濃度和污染物溢流的影響。五個場景中，三個德國案例，兩個中國案例為長三角和珠三角兩個污水收集率均為85%的城市。對五個場景模型計算結(jié)果詳見下表。
五種不同場景下模型參數(shù)、輸入數(shù)據(jù)和計算污水COD濃度及溢流負荷
如表格中數(shù)據(jù)顯示，德國前兩個場景綜合用水量基本相當，污水收集率≈100%，主要差別在于外來水量，外來水量小的分流制地區(qū)COD濃度為808mg/L，外來水量大的合流制系統(tǒng)COD濃度均為506mg/L。表明當管網(wǎng)在用水效率很高的情況下，外來水往往是決定性因素。德國第二和第三合流制系統(tǒng)場景數(shù)據(jù)可以看出，在截流數(shù)分別為1.9及1的情況下，COD濃度是相同的。但是當截流數(shù)從 1.9減少到 1 時，COD 溢流負荷從幾乎沒有高達輸入量的 48%,顯示污水處理廠量對溢流排放量的顯著影響 。
從中國兩個城市數(shù)據(jù)上看，珠三角地區(qū)的報告COD濃度為164mg/L，低于長三角地區(qū)的272 mg/L，而數(shù)據(jù)顯示珠三角城市溢流到水環(huán)境中COD負荷卻少于長三角地區(qū)城市。因此報告人指出，從整個流域范圍考慮管網(wǎng)改造問題時，我們不能僅僅將管網(wǎng)中的COD濃度看做是唯一的指標，也要同時考慮流入水環(huán)境溢流負荷。
基于計算結(jié)果，報告人做了六點總結(jié)：
1、 德國北部分流制和其他地區(qū)合流制系統(tǒng)例子比較可以看出，外來水量的變化導(dǎo)致了cod濃度的變化，因此說明, 外來水入侵經(jīng)常是污水管網(wǎng)污水濃度的決定因素, 國內(nèi)相當部分污水管網(wǎng)系統(tǒng)"即使在旱季也充滿外來水, 減少外流水是目前國內(nèi)管網(wǎng)改造緊迫任務(wù)。
2、 德國合流制系統(tǒng)例子和長、珠三角城市例子說明, 偏小污水處理廠處理負荷將導(dǎo)致溢流排放增加。
3、 德國北部和新加坡、北京例子說明, 用水效率是影響管網(wǎng)污水濃度的另一個重要因素, 尤其是外來水入侵得到有效控制的情況下。
4、 收集率和污染物對水環(huán)境排放負荷存在明顯關(guān)系, 低收集率意味著高溢出率。
5、 以低成本實現(xiàn)水環(huán)境中污染負荷排放量最大程度削減應(yīng)成為城市水環(huán)境和流域治理的整體評估指標。
6、 各地情況不同, 四個因素的改進對污水管網(wǎng)和污水處理提質(zhì)增效產(chǎn)生的影響不同，要因地制宜采取行動。
污水處理廠如何應(yīng)對外來水？
下圖顯示了蘇黎世Werdhölzli污水處理廠雨季一周（2018年8月25至31日）運行情況，水力負荷變化幾乎10倍 (從0.5 m³/s (43 200 m³/d)提升至6.5 m³/s(561 600 m³/d，雨季最大的水力負荷)。
在峰值流量期，活性污泥SRT約14 d，HRT僅2.8 h，出水氨氮始終低于2 mg/L, 硝酸鹽氮低于12 mg/L，且管網(wǎng)無溢流發(fā)生。國內(nèi)不少城鎮(zhèn)污水處理廠活性污泥工藝SRT 和HRT設(shè)計偏于保守，基于設(shè)計安全系數(shù)，現(xiàn)有相當部分生化處理單元應(yīng)能夠接受并處理外來水和雨季進水額外負荷，面臨主要挑戰(zhàn)是那些以水力負荷為設(shè)計依據(jù)的單元(主要是物理和化學(xué)處理單元)。為此，需要對現(xiàn)有污水處理廠的相關(guān)單元、設(shè)施和設(shè)備能力和運營數(shù)據(jù)進行評估和分析，確定有必要進行升級改造的單元。與此同時，應(yīng)充分利用調(diào)蓄池和污水管網(wǎng)系統(tǒng)(管網(wǎng)、及泵站等）的潛在存儲容積、錯峰及流量控制，緩解峰值流量沖擊從而減少CSO (和SSO) 溢流排放
瑞士蘇黎世Werdhölzli污水處理廠雨季（2018年8月25至8月31日）進水流量、出水氨氮即硝態(tài)氮及調(diào)蓄池水位在線測量數(shù)據(jù)
使用四個因素可以快速幫助找出可能的改進方法并幫助比較不同的選擇. 報告人舉例，假設(shè)綜合用水量(Q)為260 L/(人·天)，管內(nèi)污水COD為150 mg/L，計算出CODMAX約為460 mg/L，稀釋倍數(shù)(DF)約為3，當污水廠處理設(shè)計的截流系數(shù)為1.2Q, 溢流污染物量就達到了1.8Q 。 顯然這是不合適的,或許有多個方案可以解決以上現(xiàn)狀，如：進行修復(fù)下水道增加COD濃度、增加現(xiàn)有污水處理廠容量、提高下水道收集率、水利用效率等等，需要對這些方案導(dǎo)致的結(jié)果、需要的投資、項目的執(zhí)行時間等等諸多因素進行多方面的比較與考量。如果調(diào)整污水廠的處理量，大的處理量帶來的是低溢流量，同時擴大處理量需要投資，以及可能造成較多的外來水侵入。而如果提高管內(nèi)污水COD濃度, 帶來的是可以降低污水廠成本以及控制外來水,但需要進行下水道修復(fù)投資。因此報告人提出，在規(guī)劃過程中能不能找出一個COD閾值，體現(xiàn)綜合協(xié)調(diào)各方面的考量？同時他也指出，在當前污水處理廠或者水體治理項目投資規(guī)模都在幾十億甚至上百億的情況下，一份精心制定、考慮成本效益的中長期規(guī)劃是必不可少的。
最后，報告人總結(jié)以下四點：
1、外來水、污水廠處理量、用水效率和污水收集率, 決定著污水的濃度和溢流量。
2. 通過四個因素敏感度分析, 進行技術(shù)和經(jīng)濟多方案比較, 識別較易實現(xiàn)且經(jīng)濟有效的方向、目標和行動的優(yōu)先次序, 制訂切合當?shù)貤l件下最具成本效益的規(guī)劃。
3. 考慮到管道污水濃度增加時，還應(yīng)注意溢流負荷. 流域管理的目標是以最低成本實現(xiàn)最少排放。
4、積極、謹慎地重新評估下水道和污水處理廠的設(shè)計準則以及與含外來水污水處理有關(guān)相關(guān)政策、排放標等政策法規(guī)和相應(yīng)的收費原則。
論壇現(xiàn)場，曹業(yè)始還為與會者帶來了一個練習題（如下圖）。
