沿海地區污水處理廠雨水混入率對設計規模的影響

王 凱，李一平，賴秋英，秦文凱，蒲亞帥

(河海大學環境學院，江蘇 南京 210098)

沿海地區城市發展速度較快，城市老城區多采用雨污合流，雨污管混接、錯接、漏接造成大量雨水進入污水管網，不僅容易造成管網收集、管網輸送、泵站提升的困難和污水處理廠處理水量和水質負荷增加，更會造成污水處理廠污水溢流污染環境，造成巨大的經濟損失。南方沿海地區全年雨量充沛，污水處理廠的穩定運行更易受降雨影響，明確沿海地區排水管網的雨水混入與污水處理廠水質水量響應關系尤為關鍵。針對污水水質、水量對污水處理廠運行的影響，國內外都進行了相關研究，卞明明等[1]指出雨季大量含高濃度懸浮物污水進入污水處理廠，會導致進水水質顯著變差；文彪[2]分析得出雨天污水處理廠設計進水量遠低于最大進水量，且晴天進水水質濃度顯著高于雨天進水水質濃度；楊文進等[3]研究得出地下水滲入排水管道的水量與地下水位具有顯著線性關系；盛政等[4]對西南某市測量點分析得出降雨量與降雨入滲量呈顯著正相關，降雨入滲導致管道設計水量低于實際水量；紅海西岸蘇丹喀土穆污水處理廠因雨水混入導致實際進水BOD濃度只達到設計濃度的一半[5]；濱海地區深圳市福田區管道塌陷、雨污管錯接導致地下水滲入量占總污水量的1/4[6]。目前，國內外研究更注重雨水地下水混入污水管網的定性研究和地下水混入管道的定量測定，但對污水排水管網雨水混入導致污水處理廠負荷沖擊的影響缺少研究。

本研究以沿海地區臺州某污水處理廠為例，對污水處理廠進廠污水水量和水質進行分析，從而得出沿海地區污水處理廠實際運行能力參考值，減少雨水混入管網對污水處理廠造成沖擊負荷，以期為保證排水水質達標排放提供科學有效的支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

臺州市椒江區地處浙江省東部沿海，介于東經121°20′24″～121°32′02″，北緯28°34′25″～28°46′53″之間，位于溫黃平原，平原面積占全區面積的62.34%。2017年臺州全市平均降水量1 376.1 mm,降水量時空分布不均勻，6—9月降水量占全年降水量的53%；6月降水量為全年最大，占全年降水量的25%，各站降水量基本都在250 mm以上；2月降水量為全年最小，占全年降水量的2%。降水量空間分布總體不均勻，高值區出現在臺州中西部，年降水量達1 200～1 500 mm，低值區出現在臺州南片，年降水量為1 000～1 100 mm。

臺州市椒江區分為椒南和椒北兩個區塊，椒南片區位于溫黃平原沿海東南部，是臺州的經濟和政治中心。本研究選取位于椒南區塊的某污水處理廠(圖1)，其建設共分為兩期工程，設計處理能力為15萬t/d，一期工程設計處理能力為5萬t/d，采用AO處理工藝，進水以城市生活污水為主，處理后的出水水質達到生活雜用水標準；二期工程設計處理能力為10萬t/d，采用“改良型AB法”處理工藝，處理后的出水水質達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A標準，排放至臺州灣。

圖1 臺州某污水處理廠服務范圍

椒南片區現狀老舊城區為雨污合流制，根據《椒江區污水工程專項規劃(2017—2030)》，截流倍數為3，新建區塊均為雨污分流制。由于歷史的原因和越來越高的發展要求，椒南片區污水管網亟待改進的問題包括：部分管網高程不匹配，開發區和老城區污水管道存在高水位運行；雨季時農村污水管網下游管網內水位較高，排水不暢，造成污水返溢；老城區水污管道運行年限超30年，管網漏水率達10%；老城區雨污合流現象嚴重；雨污分流區域陽臺廢水排入雨水管網，造成雨水排出口被堵后雨水進入污水系統；污水管道結構性缺陷和功能性缺陷現象普遍，地下水通過管節和破裂處滲入管內，同時污水容易通過缺陷處外溢，影響管道正常排水功能。

1.2 計算方法

選取2017年8月至2018年8月作為研究時段，進廠污水水質、水量數據來自污水處理廠在線監測系統，降水量來自椒江區氣象局。采用三角形法[7]對雨水混入污水系統進行定量分析。初期雨水體積、負荷削減率和污水處理廠處理率的計算公式分別為

V=Ahφ

(1)

(2)

(3)

式中:V為初期雨水體積；A為匯水面積，椒南片區共計匯水面積98.55 km2；φ為折減系數，根據 GB 50014—2006《室外排水設計規范》，φ取0.6；h為設計水深，取4～8 mm；PLRR為負荷削減率；RPL為城市污水處理廠的污染物削減量；PE為城市污水系統服務的總當量人口；DPL為人均日污染物排放量[8]；η為污水處理廠處理率；Q1為污水處理廠處理污水量；Q2為污水產生量。

根據《椒江區椒北污水管網系統工程規劃(2010—2020)》中椒江水體功能，處理出水水質執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A排放標準，污水處理廠設計進水COD、NH3-N、TP和TN的質量濃度分別為350 mg/L、30 mg/L、4 mg/L和40 mg/L。依據CJ 343—2010《污水排入城鎮下水道水質標準》《全國水環境容量核定技術指南》、GB 50014—2006《室外排水設計規范》等進行參數選取，按照濃度當量進行污水處理廠污染負荷削減率計算。

2 結果與分析

2.1 降雨對污水處理廠處理量的影響

選取的某污水處理廠2017年8月至2018年8月日污水量與降水量變化曲線見圖2。由圖2可見，日污水量變化浮動較大，范圍在6～23萬m3/d之間,最高日污水量約為設計處理規模的1.58倍，最低日污水量約為設計處理規模的40%，日污水量達設計處理規模(15萬m3/d)的天數占全年總天數比例為63%。日降水量小于25 mm的天數占一年總天數比例為90%。進一步分析發現，當日污水量高于污水處理廠設計處理規模時，污水處理廠日污水量與降水量相關性較弱，并沒有明顯一致性；日污水量低于污水處理廠設計處理規模時，污水處理廠日污水量與降水量存在較為明顯的相關性。不同月份污水處理率和降水量見圖3，可以發現，污水處理率始終維持在60%～70%，不同月份污水處理率并未隨降水量不同而出現較大變化，這說明污水處理廠長期處于滿負荷的運行狀態，僅在短期的非滿負荷運行條件下，降雨才會對污水處理廠進水量產生影響。降雨對污水處理廠的影響更多體現在雨水的混入比例上，翁晟琳等[9]對雨水混入臺州生活污水處理廠比例的研究中也說明了這一點。

圖2 2017年8月至2018年8月日污水量與降水量變化曲線

圖3 不同月份污水處理率和降水量

2.2 雨水混入的定量計算

根據國家氣象局頒布的降水規模等級劃分標準，24 h內降水總量在0.1～10.0 mm為小雨、10.0～25.0 mm為中雨、25.0～50.0 mm為大雨、大于 50 mm 為暴雨。因臺州椒江區降雨強度達暴雨頻率較低，不具有代表性，故以小、中、大雨為主進行分析。根據臺州某污水處理廠提供的2017年8月至2018年8月在線監測數據，晴天、小雨、中雨和大雨時污水處理廠實際污水量均超過設計處理量 15萬t/d，污水處理廠的污水量并沒有明顯變化，污水處理廠運行負荷處于高水平。利用三角形法(圖4)對雨水混入量進行分析，將污水處理廠2017年8月至2018年8月的日污水量按時間進行升序排列，得到一條曲線，將橫坐標以一年總天數365天做均一化處理、縱坐標為日污水量占最大日污水量的比例，則矩形區域代表原生污水量，藍色區域代表地下水滲入量，橘色區域代表河水滲入量，青色區域代表雨水混入量。結果發現此污水處理廠日均雨水混入量約3.42萬t，占污水處理廠日均污水量22.3%。薛梅等[10]通過水量平衡法研究日本關東平原地區得出雨天混入管道雨水量占污水總水量比例高達59%，而日本管網漏水率為9%；上海市多數地區地下水、雨水滲入比例值是設計時滲入比例值的2～3倍[11]；Flood等[12]指出降雨與地下水滲入管網有明顯關系，美國沿海北卡羅來納海灘污水處理廠滲入率達15%。可見沿海地區污水處理廠普遍存在雨水混入污水管網的現象，雨水實際混入管網比例遠大于一般考慮的混入比例10%，主要原因是沿海城市雨量豐沛，地下水位相對較高，城市老城區多采用雨污合流，市政基礎建設較為復雜，使用年限較長，容易發生管網入滲現象。

圖4 三角形法原理

中國南方濱海城市一年中降雨天數占總天數比例近60%，圖5為雨水混入比例與不同降雨規模出現頻率關系。由圖5可見，小雨的降雨頻率最高，但雨水混入污水比例較低；中雨和大雨的降雨頻率較高，雨水混入污水比例也較大；暴雨的雨水混入污水比例較高，但降雨頻率較低。故以降水量為10.0～50.0 mm的區間為主導分析污水中混入雨水的比例。通過計算得小雨時雨水混入污水比例為12.8%，中雨時雨水混入污水比例升高為19.6%，大雨時雨水混入污水比例進一步升高至37.7%，但當達到暴雨時雨水混入污水比例降至26.2%。可見，在一定降水量范圍內，降水量越大，雨水混入管網比例越大，雨水混入對污水管網產生的影響越大，管網的排水能力越差，而降水量大于50 mm時，雨水混入污水比例反而變小。造成這種現象的原因是污水量到達一定限值后，為了避免長時間高負荷運行對污水處理廠造成危害，污水處理廠部分泵站會被關閉，泵站不再發揮調節作用，多余的水量通過超越管直接排至河道。沿海地區污水處理廠流量設計經驗公式[13]為

Qs=1.4QhKZ

(4)

式中:Qs為污水處理廠設計規模；Qh為混合總污水量；KZ為污水量總變化系數；1.4是根據臺州某污水處理廠雨水混入率計算結果得到的修正系數。

圖5 雨水混入比例與各區間降雨頻率關系

2.3 降雨對污水處理廠進水水質的影響

從長期運行數據看，污水處理廠實際進水水質指標具有一定規律，晴天時進廠污水各指標質量濃度較低，原因是地下水混入管網比例較大，造成污水水質指標質量濃度偏低；降雨時，污染物總量明顯增加，進廠污水COD、NH3-N、TP、TN的質量濃度波動較大，其最高質量濃度分別可達1 000 mg/L、80 mg/L、54 mg/L和218 mg/L,分別是污水處理廠相應指標設計能力的2.86倍、2.67倍、13.5倍和5.45倍。進水的水質波動較大可能是因為污水系統的運行管理模式導致的，泵站的啟閉、間斷性運行對進水水質、水量造成影響，這給處理系統穩定運行帶來較大不確定性。取2017年8月至2018年8月中63場小雨、41場中雨、37場大雨進行分析，場次降雨時間間隔為不小于2 h，部分降雨的特征值見表1。

表1 部分降雨的特征值

表2為進水水質指標的質量濃度與降雨規模的關系。從表2可以看出，小雨時，降雨徑流量小，進水COD、TP的質量濃度較晴天均較大幅度提高，進水TN、NH3-N的質量濃度較晴天幾乎不變，這是初期雨水污染物質量濃度高導致的。臺州椒江初期雨水量為33.61萬～67.22萬m3，初期雨水溶解了空氣中大量工廠廢氣、汽車尾氣、酸性氣體等氣體，降落地面后會沖刷屋面、道路等，導致大量的懸浮固體、可降解有機物、營養物質、有毒有害物質等污染物存在其中[14]。根據測量，臺州椒江區地表徑流以固體懸浮物為主,由細小顆粒物、膠體物質、PAHs及有機大分子組成。中雨時，降雨徑流量變大，進水中COD、NH3-N、TN、TP的質量濃度均降低,原因是中雨時大量雨水混入污水管道，稀釋作用讓進水水質指標的質量濃度降低；但大量的面源污染混入污水管道使TN和NH3-N的質量濃度下降幅度較小。大雨時，降雨徑流量大，隨著時間的推移，大量雨水混入污水管道，雨量的稀釋占主要作用，污水水質各項指標的質量濃度均大幅度降低。施萍等[15]研究表明位于典型平原河網地區的靖江市污水處理廠由于市轄各鎮地區排水體制以雨污合流為主，污水處理系統不能完全發揮效益，導致靖江老城區河道水環境質量普遍較差；Giokas等[16]對希臘沿海地區伊萬尼納廢水處理廠研究發現雨天日流量變化較大，進、出水COD負荷明顯增加，進水TN負荷增加約25%；林源[17]的研究表明沿海地區深圳濱河污水處理廠一年中進水水質BOD5濃度低于設計值的天數達半數以上。可見沿海地區污水處理廠進水水質易受雨水影響，平原河網地區、濱海地區城市化程度相對較高，城市不透水面積較大，部分城區雨污混流制，雨天大量雨水易混入污水管網系統，污水管道中污染物的濃度隨降水量的不同而波動，造成對污水處理廠污染物負荷沖擊。

表2 進水水質指標質量濃度與降雨規模的關系

Table 2 Relationship between quality concentration of inflow water quality index and rainfall scale mg/L

降雨規模ρ(COD)ρ(TP)ρ(NH3-N)ρ(TN)晴天177.722.8931.5538.95小雨233.054.1131.8338.42中雨174.183.9320.9232.14大雨118.402.3016.5517.18

計算不同降雨規模下的污染負荷削減率，結果見圖6。由圖6可見，臺州某污水處理廠平均污染負荷削減率遠低于全國平均負荷削減率63%[8]，且隨著降雨規模的增大，污染負荷削減率逐漸降低。原因是臺州城市污水管網運行狀況不佳，大量雨水混入污水系統，造成污水處理廠污水水量超負荷運行，且隨著降雨規模的增大，進廠水質低負荷沖擊進一步加劇。此外，通過相關性分析,污染負荷削減率與進水水質具有一定的相關性，在置信區間為95%的情況下，污染負荷削減率與進水COD、NH3-N、TP、TN的質量濃度相關性系數分別0.679、0.488、0.621、0.899，即進水水質的質量濃度可作為評價污水處理廠處理效率的一項重要參數，且較高的污水進水水質指標質量濃度有利于提高污水處理廠效率。

圖6 污染負荷削減率與降雨規模的關系

2.4 沿海地區污水處理廠實際設計參數的合理選擇

城市污水處理廠實際設計參數主要分為進廠污水水量和水質兩部分[18]。污水水量和水質一般與污水處理廠所服務范圍內的人口數量、人均用水定額、污染物排放系數、工業廢水等有關，同時雨水、地下水滲入對污水處理廠設計參數的合理確定也有重要的影響。中國南方若干城市污水處理廠并不能充分發揮作用、效益較低的主要原因就是未充分考慮實際天氣和地形情況。雨水混入污水系統對處理廠污水量影響方面，國內外已有一定研究，張日霞等[19]的研究表明西安市管網漏水率達20%以上，某污水處理廠進水污水量實際總變化系數K是初始設計值的1.4倍；Bertrand-Krajeski等[20]的研究表明一次強降雨中進入污水處理廠的流量約為晴天流量的3.08倍，TSS、BOD和NH3-N的進水質量負荷分別是晴天負荷的10倍、7倍和1.2倍，排放到河流TSS質量負荷是晴天的7倍；中國沿海地區上海市白龍港和竹園污水處理廠因設計時未充分考慮雨季合流制系統雨水混入的影響，導致污水處理廠溢流直排COD總量約達年排放總量的1/3[21]；美國北卡羅來納州東部沿海平原地區污水處理廠受降雨影響顯著，進入管網的量超總流量的10%，且降雨與入管網雨水量之間的正相關性和雨水徑流對水質的影響相似[22]；瑞典西南沿海城市Helsingborg市，雨水和地下水滲入量達污水處理廠平均年流量的42%[23]。在雨水混入污水系統影響污水處理廠水質方面，古凌艷等[24]通過對沿海地區廣東省某污水處理廠研究發現，天氣對該廠進水水質有較大影響，旱季(10月至次年4月)進水水質超過設計標準，但在雨季(5—9月)卻遠低于設計標準；Berthouex等[25]通過對15個運行良好的污水處理廠研究發現，其中BOD和TSS濃度異常的污水處理廠中分別有11%和19%是由高進水流量負荷導致的；大雨時，法國弗朗德平原地區里爾污水處理廠進水水質受雨水影響較大,進水BOD、COD和TP最高質量濃度分別可達污水處理廠設計標準13.45倍、13.52倍和2.83倍[26]；位于淮北平原亳州市污水處理廠因雨水混入導致進水COD、BOD、NH3-N和TN的質量濃度較低，分別只達設計水質指標的16.6%、23.8%、19.7%和37.5%[27]。總的來說，水量方面，國內外污水處理廠普遍因雨水混入導致實際進廠污水量超過設計水量的20%，且平原和沿海地區的雨水混入比例高于非平原和內陸地區。水質方面，國內外污水處理廠普遍因外水混入導致進水水質濃度遠小于設計值，進水水質濃度小于設計值的天數達半數以上，出水水質達標率較低。對本研究區域來說，污水處理廠水量設計規模應考慮20%～35%的雨水混入量，水質設計參數應考慮進水水質的波動。小雨時，進水中COD、NH3-N、TP、TN平均質量濃度是晴天相應指標的1.4倍、1.15倍、1.7倍、1.1倍；中雨時，進水中COD、NH3-N、TP、TN平均質量濃度是晴天相應指標的57%、62%、49%、41%；大雨時，進水中COD、NH3-N、TP、TN平均質量濃度是晴天相應指標的84%、87%、103%、64%。臺州椒江區外水混入比例較大，可進一步開展管網排查工作，強化老舊管網合流制管網改造，具備條件的地區可加快實施雨污分流改造，原有雨污合流管網在清淤、疏通后可作為雨水管，并新建污水管道；暫不具備改造條件的地區，應通過建設調蓄設施、增大截流倍數等措施，預防雨污合流引起的溢流污染。

3 結 論

a. 雨水混入污水排水管網使沿海臺州某污水處理廠實際進水水質總體上小于設計值。小雨時和大雨時，進水水質波動對污水處理廠影響最大，污水處理廠設計參數和處理工藝選擇時宜著重考慮小雨和大雨時進水水質的變化范圍；臺州地表徑流污染物以固體懸浮物為主，控制初期降雨徑流、去除地表徑流固體懸浮物是臺州治理降雨徑流污染、降低污水處理廠負荷的有效手段。

b. 臺州某污水處理廠處理水質效率較低，污染負荷消減率遠低于全國負荷削減率平均值，且污染負荷削減率隨著降雨強度的增大而減小。不同降雨強度下污水處理廠COD、NH3-N、TP、TN負荷削減率分別為33%～39%、48%～63%、47%～56%、32%～51%；污水處理廠滿負荷運行，污水量處理率較低，大致維持在60%～70%。

c. 臺州某污水處理廠實際進水量遠大于設計值。小雨、中雨、大雨和暴雨時，雨水混入污水比例分別為12.8%、19.6%、37.7%和26.2%。考慮雨水混入對沿海地區污水處理廠規模影響，建議沿海地區污水處理廠水量設計規模宜考慮乘以一個1.4的修正系數。