降雨期截流式合流制污水污染特征及截流调控策略研究

2022-11-17桂丽娟张辉侯红勋司家济

工业用水与废水 2022年5期

桂丽娟，张辉，侯红勋，司家济

（1.城市生命线工程安全运行监测中心，合肥 230601； 2.中节能国祯环保科技股份有限公司，合肥 230088）

近年来，随着城市化进程不断加快，城市人口不断增加，生活污水排放量不断增大；与此同时，城市面源污染尤其是初期雨水径流污染也日益严重［1］。现阶段，城市排水系统中合流制管道仍占有较大比例，在雨天，由于受到截流管道输送能力以及污水厂处理能力的限制，大量的混合雨污水被溢流到受纳水体，严重影响城市河流水质。如何有效削减和控制城市合流制溢流（CSO）污染，已经成为业内关注的焦点［2-4］。

本文针对南方某城市内河重污染段CSO 污染现状，通过对已建截流式合流制管网和调蓄工程重点污染物水质监测，分析降雨期截流式合流制污水的污染时空变化特征，在此基础上，提出合流制污水截流调控优化策略，模拟论证优化调控后污染削减效果，以期为城市CSO 污染控制提供借鉴。

1 研究区域

研究区域范围位于合肥市十五里河流域中上游（图1 实线范围），区域汇水面积1 360 hm2。该区域以截流式合流制管网为主，受下游污水厂处理能力影响，降雨期有大量雨污合流污水溢流至十五里河。针对CSO 问题，在该区域新建调蓄处理设施1座及5 km 截流干管，并在5 处主要箱涵新建截流井，将污水截流至调蓄池处理，调蓄处理规模为3.7 万t／d。

图1 研究区域位置及范围Fig. 1 Location and scope of the research area

2 监测方案

重点监测降雨期雨污合流污水水质变化，分别在5 处主要箱涵新建截流井处设置取样点位，从降雨起始阶段开始取样直至降雨结束，取样间隔时间为15 min，通过雨量计记录降雨强度，如图2 所示。

图2 取样时段降雨强度变化Fig. 2 Variation of rainfall intensity during sampling period

分别在工业园区、硬化路面、草地、商业街选择代表性地块，在降雨期进行地表径流取样，取样间隔时间为15 min［5-6］。

受纳水体十五里河水质重点污染因子为氨氮，因此重点监测氨氮浓度。

3 污染特征及调控策略

3.1 截流式合流制污水特征

通过降雨期不同截流井截流污水中氨氮随降雨历时的变化规律发现（图3），不同截流井截流污水中氨氮浓度差别大，其中截流井1、 2 截流污水浓度较高，且随着降雨历时，总体呈现先降低后升高的趋势。截流井3、 4 截流污水氨氮浓度相对较低，且随着降雨历时，变化较小。截流井5 未产生溢流。

图3 降雨期不同截流井截流污水中氨氮浓度变化情况Fig. 3 Variation of ammonia nitrogen concentration in sewage intercepted by differnt intercepting wells during rainfall

通过降雨期不同土地类型地表径流的氨氮浓度监测结果发现（图4），该研究区域地表径流产生的氨氮质量浓度一般小于2.5 mg／L。由此可见，该区域合流制管网中地表径流污染对于氨氮的贡献值较小，不同截流井间浓度差别较大的原因主要是由管网系统原旱季污水水质水量的差别。

图4 降雨期不同土地类型地表径流中氨氮浓度变化情况Fig. 4 Variation of ammonia nitrogen concentration in surface runoff of different land types during rainfall

3.2 优化调控对策

现有截流式合流制系统存在2 个问题： ①5 座截流井处超越管管底高程相差较大，其中截流井3处超越管管底高程最低为12.58 m，这将导致降雨期在调蓄池满液位时，其他截流井截流污水将通过截污管流入截流井3 处超越，造成主截流管道中较高浓度污水发生溢流，增加了降雨期的入河溢流污染负荷。 ②各截流井在降雨期截流污水浓度的时空差异大，调蓄池处理能力有限，导致整个截流系统不能充分截流高浓度时段和管网段污水，降低了截流调蓄系统的污染物削减效果。

针对现状典型问题，在各截流井截流管段增设鸭嘴阀，避免截流干管高浓度污水从截流支管倒流入截流井并超越溢流。在截流井节点增设在线仪表，在主截流管段设置电动闸门，充分考虑降雨对合流制污水稀释作用，利用在降雨初期和末期雨水汇流量小导致截流式合流制污水浓度高，中间时段汇流量大污水浓度偏低的污染特征，同时结合在线水质反馈及时起闭电动闸门，在调蓄池调蓄空间有限的情境下，避免截流氨氮质量浓度2 mg／L 及以下合流制污水（调蓄工程处理后出水氨氮标准为2 mg／L 以下），实施截流的RTC 智能控制，充分截流高浓度时段合流制污水，提高系统的污染削减能力，具体示意见图5。

图5 截流式合流制系统优化及调控示意Fig. 5 Optimization and regulation of interception confluence sewerage system

4 模拟论证

4.1 应用模型

基于InfoWorks ICM 5.5 软件构建研究区域排水管网模型［7-10］，在模型校核基础上，模拟分析截流式合流制管网优化调控对策的实施效果。

4.2 模拟结果分析

（1）原截流系统截流污水氨氮浓度模拟。针对全年降雨情境，模拟截流调蓄系统全年降雨期截流调蓄特征。截流系统截流与溢流氨氮浓度模拟结果见图6。由图6 可知， 2 场典型降雨场次模拟中，降雨起始时，较高浓度的合流污水被截流至调蓄池中，随着降雨持续，入调蓄池截流污水浓度逐渐降低，并发生截流井溢流，在降雨后期，溢流浓度呈现增长趋势，受调蓄池调蓄能力影响，溢流浓度要高于调蓄池浓度。

图6 截流系统截流与溢流氨氮浓度模拟结果Fig. 6 Simulation results of ammonia nitrogen concentrations in interception system and overflow

因此，截流调蓄系统截流时应充分结合合流污水在降雨期水质变化特征，预留调蓄池的调蓄量，保证对高负荷时段合流污水的截流效果。

（2）各截流井处增设鸭嘴阀前后截流效果对比。对比各截流井处增设鸭嘴阀后对整个截流调蓄系统降雨期截流效果的影响。单次降雨情境下增设鸭嘴阀后各截流井溢流氨氮负荷量如图7 所示，增设鸭嘴阀后前后单次降雨情境下截流系统溢流氨氮总量对比如图8 所示。

图7 单次降雨情境下增设鸭嘴阀后各截流井溢流氨氮负荷量Fig. 7 Overflow ammonia nitrogen load of each interception well under single rainfall after adding duckbill valve

图8 增设鸭嘴阀前后单次降雨情景下截留系统溢流氨氮总量对比Fig. 8 Comparison of total amount of overflow ammonia nitrogen of closure system under single rainfall situation before and after the addition of duckbill valve

由图7、图8 可知，增设鸭嘴阀后，当调蓄池无调蓄空间时，各截流井分别溢流，单次降雨情境下溢流氨氮总量为35.681 kg。而未增设鸭嘴阀时，单次降雨情境下，主要从截流井3 处发生溢流，造成主截流管道的混合污水溢流，总溢流氨氮量为43.092 kg。通过截流系统的优化，能够使单次降雨情境下，溢流污水氨氮总量削减17.2%。

（3）基于在线水质反馈的RTC 智能截流效果模拟结果。结合降雨期溢流污水氨氮变化特征呈现先降后升的特点，且各截流井溢流污水浓度存在差异，通过调蓄池前段设置电动闸门，并在截污井1处设置在线氨氮仪表，模拟合流制污水RTC 智能截流的效果，截流效果对比如图9 所示。

图9 基于在线水质的RTC 智能截流效果对比Fig. 9 Comparison of RTC intelligent interception effect based on on-line water quality

由图9 可知，采用RTC 控制时，能够提升降雨期合流污水氨氮的截流总量，运行后效果较原工况提高氨氮削减量7.5%。

通过对截流式合流制管网优化调控对策实施效果模拟论证，在各截流井截流管段增设鸭嘴阀，同时设置在线水质仪表，并对截流系统采用RTC 智能截流，能够显著提高整个截流调蓄系统的截流效率，降低降雨期污染物的溢流入河量。

5 实施成效

在模拟论证基础上，截流井截流管段增设了鸭嘴阀，并在截流井1、 2 设置在线仪表，对现有系统实施了智能截流调控措施。通过对实施前后调蓄工程中调蓄池水质监测结果对比（见图10），截流系统优化后，截流至调蓄池的氨氮浓度有所提高，氨氮日均质量浓度由16.4 mg／L 提升至19.7 mg／L，有效提升了降雨期截流调蓄工程对于合流制污水的污染物削减量，进一步改善了受纳水体水质。

图10 截流调蓄系统优化前后调蓄池实际氨氮浓度对比Fig. 10 Changes of actual ammonia nitrogen concentration in storage tank before and after optimization of interception storage system