節(jié)點流量衡算法預測污水處理廠外來水量

□文/王 剛 于國存 趙樂軍 李 喆 呂耀志 宋現(xiàn)財

因管道缺陷、管理不善等原因，雨水、河水、施工工地排水、地下水、地熱水可能進入污水系統(tǒng)或者合流制排水系統(tǒng)，預期之外進入污水系統(tǒng)或者合流制系統(tǒng)的水量稱為外來水。外來水的侵入，產(chǎn)生以下后果：

1）增加泵站提升費用；

2）污水管網(wǎng)的有效容量被擠占，可能引發(fā)污水外溢；

3）由于外來水通過污水或者合流制管網(wǎng)進入污水處理廠，降低了污水處理廠進水污染物濃度，影響污水處理廠處理效能；

4）對于合流制或者雨水系統(tǒng)，外來水使管網(wǎng)在沒有降雨時仍有較高水位，增加城市內(nèi)澇和管道溢流風險。

對于進入污水管網(wǎng)或者合流制系統(tǒng)的外來水，我國目前尚無系統(tǒng)的調(diào)查。部分城市調(diào)查的污水管網(wǎng)或者合流制排水管網(wǎng)的地下水入滲量在10%～30%之間[1]。2015年根據(jù)我國1 362座城鎮(zhèn)污水處理廠進水水質(zhì)分析，62%的城鎮(zhèn)污水處理廠年均進水COD濃度低于260 mg/L，可能的原因是外來水占比大[2]。控制排水管網(wǎng)外來水量，對污水處理提質(zhì)增效意義重大。按照目前我國城鎮(zhèn)污水處理廠處理污水656億m3/a計算，如果其中10%～20%為外來水，控制外來水進入，可減少外來水65.6億～131.2億m3/a，污水處理成本按照1.5元/t計算，可減少污水處理費98.4億～196.8億元/a。

外來水調(diào)查主要包括確定外來水源、可能位置、預測外來水量等內(nèi)容。各污水處理廠受到服務范圍內(nèi)地形、降雨量、河道情況、地下水位、排水管網(wǎng)埋深及健康狀況的影響，外來水占比不同。目前尚無系統(tǒng)規(guī)范的方法確定污水處理廠進水中的外來水量，僅有一定地下水入滲量的調(diào)查研究基礎[3]。

1 調(diào)查方法

地下水入滲量的調(diào)查常用方法有3 種：夜間最小流量法、用水量折算法和節(jié)點流量衡算法[4]。

1）夜間最小流量法是指調(diào)查夜間污水量，通過經(jīng)驗判斷污水管網(wǎng)中地下水入滲量。在法國，夜間流量的70%被認為是地下水入滲，在我國尚無經(jīng)驗數(shù)據(jù)[3]。夜間最小流量法是根據(jù)當?shù)厝松盍晳T所估算出的數(shù)據(jù)，因此其精度偏差較大。

2）用水量折算法是根據(jù)服務范圍內(nèi)的用水量估算進入排水系統(tǒng)的原生污水量，由進入污水處理廠的總量與原生污水量的差值，估算進入排水管網(wǎng)系統(tǒng)的外來水量。該方法預測的外來水量包括地下水之外的其他外來水。

3）節(jié)點流量衡算法是在排水系統(tǒng)的主要節(jié)點上安裝流量計，調(diào)查污水量，結(jié)合管道中污水流動規(guī)律，進行水量衡算，推測地下水入滲量。該方法相對其他兩種方法準確度較高、數(shù)據(jù)可信度大，但需要在排水管網(wǎng)系統(tǒng)中安裝流量計。

本文基于節(jié)點流量衡算法，通過在天津市某污水處理廠服務范圍內(nèi)的排水管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點安裝流量計，調(diào)查管道上下游流量差值，估算外來水量，初步定位外來水位置，為下一步是否開展管道電視檢測（CCTV檢測）以及需要檢測的重點管段確定提供依據(jù)。

2 項目背景及檢測方法

2.1 項目概況

研究區(qū)域為天津市某污水處理廠服務范圍內(nèi)的污水管網(wǎng)系統(tǒng)。該污水處理廠上游水主要來自商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)以及工業(yè)區(qū)；管道以HDPE 鋼帶增強管為主，個別段（約40 m）為混凝土管，埋深5～7 m，地下水均在管頂以上，水體礦化度均在1 g/L以上。調(diào)查時間為2019年10月—11月，期間無明顯降雨。

污水經(jīng)上游兩泵站提升后，由主干管輸送至污水處理廠；途中經(jīng)過極少量排水戶以及一條未啟用環(huán)湖管線，水量很少，可忽略不計。因此，在無外來水情況下，兩泵站水量之和應為污水處理廠進水量。根據(jù)污水處理廠以及上游兩座提升泵站提供的2018 年全年污水量統(tǒng)計結(jié)果分析，污水處理廠年進水量比兩座泵站輸送水量高 627.71 萬 m3，意味著平均 2 萬 m3/d 的外來水進入到污水管網(wǎng)系統(tǒng)中。

2.2 檢測方法

根據(jù)排水管網(wǎng)系統(tǒng)圖，選擇關(guān)鍵節(jié)點將系統(tǒng)分區(qū)進行水量監(jiān)控；共設置流量計5 個，測定周期30 d，測定頻率15 min/次。見圖1。

圖1 檢測點位

目前，用于排水管道流量檢測的設備主要有電磁感應流量計、差壓式流量計、轉(zhuǎn)子流量計和多普勒超聲波流量計。差壓流量計和轉(zhuǎn)子流量計安裝會破壞管體，安裝成本較高，本次試驗選用德國KDO 生產(chǎn)的HOH-L-01 型多普勒超聲波流量計。該流量計通過多普勒效應計算出管內(nèi)污水的瞬時流速，根據(jù)管道內(nèi)橫截面積計算出瞬時流量。

2.3 試驗參數(shù)

由于目前污水管網(wǎng)內(nèi)存在淤積，實際過水斷面比按照管徑計算出的過水斷面小，測得的流量小于實際流量；因此，通過人工下井，調(diào)查管道底泥厚度，采用支架將多普勒超聲波流量計探頭懸掛安裝在底泥上方，記錄安裝高度，計算管道內(nèi)污水流量時以流量計上方的橫截面積作為污水實際過水斷面面積，以便得到更加精確的流量數(shù)值。見表1。

表1 管道內(nèi)參數(shù)統(tǒng)計 mm

3 結(jié)果及討論

3.1 水位

抽取某一天數(shù)據(jù)對5個檢測點的實時水位進行分析。見圖2-圖6。

圖2 1#點位液位

圖3 2#點位液位

圖4 3#點位液位

圖5 4#點位液位

圖6 5#點位液位

5 個檢測點水位均處在3 m 以上，而水管網(wǎng)管徑最大為1 650 mm，說明管網(wǎng)常年高水位運行；另外夜間水位無明顯下降趨勢，造成這種情況的原因很可能是管道內(nèi)存在漏點，當污水進入量小時，管道內(nèi)水壓降低，一些外來水得以滲入。

3.2 水量

統(tǒng)計30 d的流量，得到5個檢測點的日均流量，見表2。

表2 各檢測點及泵站流量 m3/d

污水處理廠交匯井前端4#和5#檢測點水量之和可作為污水處理廠實際進水量。由表2 可知，4#和5#檢測點水量和為87 130 m3/d，而實際通過A、B兩泵站的污水量為67 493 m3/d，外來水19 637 m3/d，占污水總量的22.5%。

為精準識別外來水入滲區(qū)域，將整個檢測區(qū)域劃分為5 段相對獨立的排水管道，分別為A 泵站—1#檢測點、B泵站—5#檢測點、W2—W1、W3—W1、1#檢測點—4#檢測點。5段管線中，2#檢測點和3#檢測點排水量僅為400 m3/d 左右，與資料中描述的該段管網(wǎng)未啟用相符。上下游流量差比較大的為1#檢測點—4#檢測點段，差值為3 131 m3/d；還有B 泵站—5#檢測點段，差值為15 003 m3/d，分別占比總外來水入滲量的15.9%和76.4%。

4 結(jié)論與建議

該區(qū)域整體外來水占比較大，由于調(diào)查期間無降雨，外來水以地下水入滲為主，將問題管段修復后，預計可減少污水處理廠進水約19 637 m3/d，提高污水處理廠運行效率。若對該區(qū)域進行管道CCTV 檢測，建議將檢測重點放在入滲情況較嚴重的1#檢測點—4#檢測點和B泵站—5#檢測點兩段管網(wǎng)，減少工作量。

1）通過節(jié)點流量衡算法初步分析了外來水可能的進入管段，為下一步通過檢測確定管道缺陷位置提供了依據(jù)。

2）建議今后開展類似工作時要結(jié)合污水水質(zhì)及地下水位調(diào)查，使得結(jié)論更有說服力。

3）本研究得到的外來水不包括A泵站和B泵站上游的外來水，僅為污水處理廠外來水量的一部分，實際進入污水處理廠的外來水量可能更多。