城鎮污水系統中外水排查方法研究

王 偉,李 明,韓 建, 左 晴

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

中國城鎮污水系統一直面臨著排水管網建設不完善，污水進廠濃度過低等問題，導致出現污水處理廠超負荷運轉，處理效率低和區域水環境嚴重污染的現象[1-2]。為加快補齊城鎮污水收集和處理設施短板，盡快實現污水管網全覆蓋、全收集、全處理，住房和城鄉建設部、生態環境部和國家發展和改革委員會在2018年共同發布了《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019—2021年)》[3]。之后外水排查和污水提質增效問題研究被重點關注，相關研究逐漸增多，戴永康和洪亮亮等人對污水處理提質增效研究中[4]提到：與升級污水處理廠自身的設備和規模相比，提升污水管網收集處理能力更加有效，能夠從根本上解決城鎮污水系統存在問題，達到提質增效目標[5]。其中外水匯入污水管網擠占管道容量，造成旱天滿管，高水位運行，是污水處理廠進水濃度低的根本原因[6]。因此，確定污水管網系統中外水來源和水量，通過工程措施實現清污分流是污水系統提質增效的重要工作之一。

城鎮污水系統中污水主要有居民生活污水、工業廢水和受污染的雨水，外水是指混入污水中的清潔水源，包括河水、山溪水、施工降水、地下水和清潔雨水等。外水排查主要有兩種方法：第一種為地毯式排查[2]，對工程區域內進行全面排查，確定污水系統中所有外水來源，此類做法可以排查出區域內絕大部分外水入侵，同時外水剝離工程實施對污水處理廠進水濃度提升的作用十分明顯，但該做法需要投入大量人力物力，投資大，排查歷時較長；第二種為針對式排查[7]，根據地區實際情況對某類影響較大的外水來源進行排查，此類做法可以排查出區域內特定的外水入侵，不需要投入大量人力物力，排查歷時相對較短；但是該做法外水排查不夠深入，外水剝離工程實施對污水處理廠進水濃度提升效果有限。由于外水排查被關注的時間尚短，目前國內相關研究仍局限于外水類型及工程措施探討和分析，相關的外水排查方法實踐研究尚顯不足。因此，為提高排查效率，平衡外水排查資源的投入和外水入侵成果的產出，需要研究出一種更加科學的外水排查方法。

本文提出一種基于水質檢測和水質水量定量分析的外水排查方法，并將其應用于工程中，在旱天條件下，針對污水系統進行水質水量定量分析，篩選出重點排查區域后開展外水排查，確定污水系統中外水來源，分析外水剝離在提升污水管網收集處理能力中的作用，以期為我國其他城市污水系統提質增效中外水排查剝離提供支撐。

1 研究區概況

研究區為廣東省深圳市某污水處理廠服務范圍。經過近幾年的排水管網系統建設，市政上已基本形成分流制排水體制，但仍存在較多截流系統。研究區內污水管網分為2套污水系統如圖1所示，分別為梧桐山河污水系統與大康河污水系統，主要通過沿河截污管收集2個流域內污水輸送至末端污水處理廠。梧桐山河流域污水系統分為一期配套干管及二期配套干管，管徑為DN400～DN1800，污水干管總長約為43.50 km；大康河流域污水干支管主要進入橫崗二期污水處理廠，管徑為DN400～DN1800，污水干管總長約為22.00 km。

圖1 研究區污水管網系統

該污水處理廠共分兩期，現狀一期、二期規模共20萬m3/d，規劃規模25萬m3/d。其范圍內服務常住人口約40.9萬人，服務面積約43.0 km2。一期出水排放主要指標執行GB 3838-2002《地表水環境質量標準》V類(TN≤15 mg/L)、二期出水排放標準為《地表水環境質量標準》準Ⅳ類。

2 存在問題

2.1 污水管網運行問題

通過對污水管網問題診斷發現市政道路管網錯混接約650處，城中村及排水小區管網錯混接約6 100處；市政管網總缺陷密度約50處/km，3、4級缺陷密度約5處/km，排水小區管網總缺陷密度約40處/km，3、4級缺陷密度約7處/km；污水系統末端滿水管段共4.11 km，占總干管總長20%。因此研究區現狀污水系統存在雨污錯混接嚴重、部分管道老舊、管道高水位低流速運行等問題，致使外水從錯混接、管道缺陷等方面入侵污水系統，導致進廠污水濃度下降。

2.2 污水處理廠水量、水質波動問題

根據2019年污水處理廠的運行數據，繪制月降雨量與進廠總水量和月進水平均BOD5濃度之間的關系，如圖2～3所示。

圖2 進廠水量與每月總降雨量的關系

圖3 進廠BOD5濃度與每月總降雨量的關系

圖2～3可知，研究區內月降雨量與進廠總水量之間有顯著的正相關性、進廠平均BOD5濃度之間有顯著的負相關性。隨著降雨量的增加，進廠水量明顯上升，進水水質濃度下降，說明降雨時雨水會侵入污水管網，對進廠水量、水質產生較大沖擊，影響污水處理廠的穩定運行，造成其處理低效和污染物溢流入河。

根據該污水處理廠運行資料分析，2019年一、二期進廠平均BOD5濃度分別為60.41 mg/L和78.00 mg/L，達不到污水處理設施的污水濃度需求，遠低于提質增效工程目標；該污水處理廠現狀設計規模20萬m3/d，而2019年日均實際污水處理量為21.40萬m3/d，已經明顯高于其現狀設計規模，處于高負荷運行狀態。

2.3 區域自然因素問題

據當地氣象資料統計，多年平均氣溫為22℃，日氣溫高于30℃的天數為123 d，多年平均降雨天數140 d，降水量約為1 870 mm。該地區降水量充沛，易造成大量雨水從雨污管道錯混接處流入污水管網。在地質條件上，其地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖類裂隙水，地下水埋深較淺，地下水位高于污水管道，導致地下水易于管道缺陷處滲漏到污水管內稀釋污水濃度。從地形條件來看，研究區內屬于丘陵地帶，水系縱橫導致山泉水和河湖水通過雨污水錯混接處和截流設施等方式流入污水系統，容易造成污水處理廠進水濃度低的問題。

綜上，面臨復雜多樣的外水入侵，造成研究區污水系統運行效能低、污水處理廠現狀進水濃度低，高負荷運行等問題，亟需一種高效便捷的排查方法尋找區域內污水系統中的外水來源，為下一步有效地采取工程措施剝離外水提供有力的支撐，實現區域內污水系統提質增效的目標。

3 外水排查方法

研究區內存在沿河截流系統，大量城中村未實現雨污分流，市政污水干管存在較多錯混接，雨天時受污染的雨水(包括初期雨水、面源污染地區徑流雨水等)與清潔雨水的界限難以準確區分量化，同時雨水影響了地下水入滲、河水倒灌等外水量，導致雨天情況雨水對進廠濃度影響十分復雜，因此本研究不考慮雨天情況的外水匯入排查和分析。針對旱天時研究區內污水系統中外水來源，經過實踐分析，本研究將排水小區水質檢測與排水溯源相結合，提出一套較為系統的外水排查方法，具體如下：

(1)對排水小區、污水處理廠進水口進行實驗室水質檢測，根據水質水量平衡法進行水質水量分析計算，確定區域內的外水入侵總量。

(2)經過排水地塊與市政管網接駁口和市政污水干管進行水質快檢，依據于水質水量分析，將水質濃度低，流量較大的排水地塊確定為重點排查區域，開展詳細摸查和溯源確定外水來源。

3.1 水質水量分析計算

本研究水質水量分析使用的水質指標為BOD5，通過實驗室內的5 d培養法進行測定。采用水質水量平衡測算研究區內所匯入的理論外水量，其公式如下：

Q外×C外=Q總×C總-Q污×C污×φ

(1)

Q總=Q外+Q污

(2)

由公式(1)～(2)可得：

(3)

上述公式中Q總、Q污和Q外分別為污水處理廠進水總量、污水量和外水量，萬m3/d。本研究使用BOD5作為計算外水的水質指標，C總、C污和C外分別為污水處理廠中BOD5的進水濃度，污水濃度和外水濃度，mg/L。為污水中污染物的降解系數，根據相關研究和經驗一般取10%[8-9]。平衡公式中污水量(Q污)包含了生活污水，工業污水及其他污水，污水濃度是不同污水類型進行水量加權平均后的濃度值，計算公式如下：

(4)

公式(4)中：C村、C區和C工分別為城中村，小區和工業區的污水濃度本底值，mg/L；W村、W區和W工分別為城中村，小區和工業區的用水量，L/(cap·d)。本研究根據實地調查了城中村，小區和工業區的用水情況并結合相關研究[10]后將W村、W區和W工的值取250、250 L/(cap·d)和300 L/(cap·d)。

3.2 理論外水總量測算

為準確評估研究區內排水單元的污水出口濃度，本研究分別對城中村，小區和工業區的化糞池或污水口進行采樣，實驗室測定其BOD5濃度值，最終獲取了95份污水樣品(詳見表1)，其平均BOD5濃度值約為165.80 mg/L。結合研究區內城中村，小區和工業區的人口數及用水情況，經過公式(4)計算研究區內源頭污水量約為10.22萬m3/d，因此通過排水單元本底濃度和用水量可以估算得到污水處理廠進水的BOD5污染物通量應為1.7 kg/d；另一方面，通過實地調查該污水處理廠的進水資料可知：進廠水量為21.35萬m3/d，進水濃度平均值為69.67 mg/L,其對應的BOD5污染物通量為1.5 kg/d。

表1 排水小區源頭污水BOD濃度值調查信息

根據調查結果計算可知：污染源頭計算的污染物通量為1.7 kg/d高于其污水處理廠進水口實測值1.5 kg/d，說明源頭到污水處理廠的過程中污水管道內沉積污染物的累計效應大于污染物降解效應使得污染濃度在污水運移過程中濃度呈增加趨勢。基于最不利原則，本研究忽略污染物遷移過程中降解效果，直接采用污水處理廠進水口處的污染物通量用于測算外水量。根據經驗和相關研究[10]，外水的BOD5濃度一般低于10 mg/L,將以上數值帶入公式(3)后計算研究區內外水理論量為7.52萬 m3/d。

3.3 外水排查內容和步驟

(1)研究區排水地塊劃分

因城鎮住戶小區內通常具有較為獨立的排水系統，所以本研究在住戶小區的基礎上依據已有排水管網物探資料和周圍地形進行劃分匯水分區，將研究區分成若干個排水小區，并通過管網流向分析識別出排水小區與市政路污水主干管的接駁井，下文簡稱為污水接駁口。

(2)污水接駁口水樣采樣時間確定及水質檢測

本研究考慮到降水會使排水小區內匯集的雨水通過雨水管道和雨污混接點匯入污水管網，導致污水接駁口濃度改變。有研究表明[11]：對于合流地塊，建城區住戶小區范圍內降水2 h后，地表徑流對污水接駁口水質濃度的影響可以忽略不計，為盡量減小降水產生地下徑流從管道缺陷處滲入對水質影響，現場水質檢測需在24 h內未發生降水的排水小區進行;同時，住戶用水高峰期會很大影響污水接駁口的水質濃度變化，導致難以判斷排水小區是否有外水匯入，因此當天采樣時間選擇當地非高峰用水時間段。

由于BOD5檢測周期長，難度大，實時性較差，所以本研究采用COD和氨氮兩項指標用于外水排查中，采用日本共立理化學研究所生產的化學需氧量水質簡易測定器[WAK-COD(H)-2](測定范圍為0～250 mg/L)和銨/氨氮水質簡易測定器[WAK-NH4-4](測定范圍為0.2～10 mg/L)，因水質簡易測定器的測定時間為3～10 min，檢測快速便捷，有利于大范圍內開展污水接駁口水質濃度的定性觀測，也能夠滿足分析排水小區內是否有外水匯入。依據本產品測定指南對排水小區的污水接駁口進行COD和氨氮兩項指標的水質檢測，采樣過程在同一采樣時間，進行3次采樣后取其混合樣后，再分別進行3次水質快檢，對3次檢測結果取平均值以減少其誤差。如果指標濃度超過水質簡易測定器的最大量程，則采用定量量筒將水樣稀釋五倍后重新測定其水質指標。

有研究提及在污水系統提質增效的外水排查中可將NH3-N作為主要識別指標[12]，同時考慮到進水溫度會影響污水處理廠的實際運行[13-14]，依據《城市黑臭水體整治工作指南》中將氨氮濃度于8～10 mg/L內定義為輕度黑臭水體，所以本研究考慮將低于輕度黑臭水體的氨氮濃度作為主要參考，同時考慮到水質簡易測定器的刻度值，本研究將氨氮值為5 mg/L作為參考臨界值。由于研究區內工業企業和管道沉積物等因素的影響，易導致低氨氮，高COD的情況下，因此需要以COD值小于60 mg/L作為輔助參考。綜上，對于污水排水口的水質指標中以氨氮濃度作為主要判斷依據，COD值作為輔助參考指標，根據水質水量分析，將水量較大、水質低于兩個指標臨界值的污水接駁口定義為“低濃度污水接駁口”，其對應的排水小區被列為重點調查小區。

針對于重點調查小區的“低濃度污水接駁口”展開外水溯源工作，需要根據排水小區內已有管線資料，對排口及其周邊排水系統大致走向等進行了解，現場采用管道潛望鏡(QV)檢測技術等工具進行輔助，從而追溯到管道中外水源頭。針對于源頭水量根據水質水量平衡進行校核，保證能夠與污水接駁口的流量相匹配。

3.4 開展外水排查工作

根據研究區內排水管網，地形和下墊面資料進行匯水分析結合實地調查資料，將整個研究區劃分出了642個排水小區，在2020年5月至2020年8月對排水小區化糞池和污水立管開展BOD5檢測，對污水接駁口及河道排水口開展COD和氨氮水質快速檢測，同時對低濃度的檢測點開展詳細外水溯源工作。最終根據野外調查結果，分析研究區內外水分布情況及來源。

4 結果分析

4.1 污水接駁口水質檢測

對排水小區的排水管網進行分析，在642個排水小區中確定出2 359處市政接駁口，其中1 227處污水接駁口。由于實際排查過程中發現部分污水接駁井為干井，死井，廢棄井等無法取水樣的接駁口共有391處。因此采用水質快速檢測方法(下文簡稱“快檢”)對可以取樣的污水接駁口進行檢測后共獲得836處水質結果，其分類匯總結果見表2。

表2 排水小區污水接駁口水質快速檢測結果

4.2 污水接駁口水質結果分析

根據《第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊》生活污水情況，深圳市在該手冊中屬于二區一類地區，其生活污水量取值定量為185 L/(cap·d)，COD和氨氮取值定量分別為63～79 L/(cap·d)和9.4～9.7 L/(cap·d)，則生活污水出口濃度分別為341.00～427.00 mg/L和50.81～52.43 mg/L。

根據快檢結果統計，研究區內排水小區污水接駁口COD指標均值為131.47 mg/L，氨氮指標均值為21.90 mg/L，遠低于《第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊》生活污水出口濃度(COD和氨氮值分別為：341.00～427.00 mg/L和50.81～52.43 mg/L)，說明研究區內水質濃度較低，較大影響了污水處理廠污水處理效率，采取針對措施進行污水系統提質增效工程十分必要；另一方面也說明排水小區內外水入侵情況較為嚴重，如果能夠剝離排水小區內的外水，提高污水接駁口出水濃度，將對整個研究區污水系統提質增效起到重要作用。

果桑是以產果為主、果葉兼用型桑樹的統稱，其果實桑椹具有豐富的營養和藥用價值，花青素含量極高，抗氧化功效明顯，具有促進造血細胞生長、降血糖、降血脂等藥理作用，被衛生部列為“既是食品又是藥品”名單［1，2］。桑椹除直接食用外，目前已開發出果汁飲品、桑果酒、桑果醬、桑椹膏及花青素等產品，表現出巨大的產業發展潛力和廣闊的市場前景［3，4］。 然而在果桑產業發展過程中，桑椹菌核病來勢猛、發病快，發病率高達30%～90%，有些果桑園甚至絕產［5］，桑椹菌核病已成為限制果桑產業發展的瓶頸問題。

根據深圳市規劃與自然資源局網站(http://pnr.sz.gov.cn/)所提供信息可以得到研究區內居民用地面積占比約為20%，工業用地約為7%，公共設施用地約為8%。據此可知以居民區為主的用地屬性使得生活污水中各種洗滌劑、垃圾和糞便等成為氨氮值的主要來源，導致超過60%以上排水小區的氨氮值指標都超過其最大量程。而COD值在低值區間分布呈梭型分布，較為合理，但是工業區排放水質中COD往往偏高，因此COD值大于250 mg/L的區間內主要是受工業區的影響所以呈現出占比高的情況。經過統計污水接駁口快檢結果中COD和氨氮值指標至少有一個小于其臨界值的數量為274個，其中氨氮值低于5 mg/L的有136個。由于研究區內以居民區為主，根據研究[12]氨氮指標更具有代表性所以重點關注氨氮值低于5 mg/L的排水小區，現場調查是否有外水來源，因此本研究主要關注136個重點區域進行詳細外水排查分析，重點區域面積約為區域總面積21.2%。

4.3 研究區外水排查結果

有實踐和研究表明[12]，建城區污水系統外水來源主要為山體河道基流(以下簡稱“清潔基流”)，河湖水倒灌，地下水入滲和施工降水等方面。本研究經過調查重點區域后，共發現了97處外水來源，共發現了5.42萬m3/d外水量，以下對外水排查成果進行分析匯總結果見表3，最終總結了5類主要外水來源。通過公式(1)、(2)計算若將已發現外水量進行充分剝離后，旱季污水處理廠一期最終可實現進廠BOD5濃度為103.39 mg/L，二期最終可實現進廠BOD5濃度為115.63 mg/L。

表3 外水信息統計表

4.4 各類外水排查結果分析

(1)清潔基流

通過結果得到:研究區內的主要外水來源是來自于清潔基流，個數和水量占比都是遠高于其他外水類型。本研究將山體基流，湖泊等地表自然水體通過合流地塊管網，雨污錯混接和暗涵等方式進入污水系統的外水歸類為“清潔基流”。其特點是水質良好，分布廣，流量大，較大地影響污水處理廠的進口濃度。清潔基流調查過程中74處清潔基流中26處為山體基流，30處為河湖水基流入滲，表明：類似外水排查工作用應重點關注山體湖泊泄洪通道和暗涵等。

(2)施工降水

施工降水是基坑工程的配套工程措施，一般經過沉淀等措施處理達到標準后可以直接排入雨水管道和明渠河道。但是部分施工場地對當地管網情況不熟悉，就近接管等原因導致部分施工降水直接接入或者通過管網錯混接接入了污水管道，最終進入污水處理廠。

(3)地下水入滲

由于地下水入滲主要是通過檢查井壁滲水和管道結構缺陷滲水等途徑進入污水系統，最終流入污水處理廠。此類外水來源隱蔽不易識別，水質良好，單點流量小。雖然調查中地下水入滲量較少，但是研究區位于南方靠海地區，降水量充沛，地下水埋深較淺，其入滲量應遠大于所調查的值，但是調查難度很大。

(4)河流倒灌

研究區內沿河設有截污納管用于收集污水次干管內的污水輸運至污水處理廠，但是由于其檢查井和管道存在結構性缺陷，導致河道水位上漲時河水會倒灌至截污納管中，降低了污水處理廠濃度。河流倒灌入侵污水系統受河道水位影響很大。

(5)自來水廠

自來水廠排泥水的來源是日常的反應池、沉淀池、濾池反沖洗水等產生的排放水。廠區將處理后排泥水直接排入污水管道中，說明外水排查中可以關注自來水廠的排泥水去向，確定其是否為外水。

5 結 論

本文依托于研究區的排水管網數據，提出了一種基于水質檢測和水質水量定量分析的外水排查方法，并將其應用于實際外水排查工作，形成結論如下：

(1)在旱天條件下，通過開展污水系統水質檢測，利用水質水量定量分析篩選出了外水排查重點區域，開展針對性外水排查，為城鎮污水系統提質增效提出新的排查思路。

(2)根據本研究開展外水排查工作，將排查面積占研究區面積的比例從100%降低至約21.2%。該重點調查區域內共排查出5.42萬m3/d外水量，能夠滿足城鎮污水系統提質增效的需求，表明本研究能夠提高外水排查效率，展現了其經濟高效的優點。

(3)針對已排查的外水，若采取相應外水剝離工程，旱季污水處理廠一期最終可實現進廠BOD5濃度為103.39 mg/L，二期最終可實現進廠BOD5濃度為115.63 mg/L。污水處理廠的進廠濃度低和設施超負荷運行問題將得到很大的緩解。

6 建 議

(1)清潔基流的釋放工程是較為復雜的工程，應個例分析，單獨方案措施，合理地將清潔基流引入純雨水管道或者明渠。如：由于大水量基流的下游管渠尺寸很大，存在總口截留設施，可以考慮在沿程將污水支管接入其他污水系統，將其改為純雨水管渠，將總口打開，釋放清潔基流至河道中。

(2)由于研究區內基坑工程施工場地難以深入調查研究，所以獲取的個數偏少且流量偏低，現場調查過程中發現部分施工場地排泥水未經過處理直接排入河道和污水管網，對河道水質影響很大，排入管道也易造成堵塞，建議由當地政府部門對施工降水排放規范及配套設施應嚴格要求，加強監管，避免施工降水增加水體環境和污水管網負擔。

(3)對于南方地區，地下水位較高，部分排水管網低于地下水位，因此地下水入滲是難以避免的。工程一般通過存量管網缺陷修復，減少地下水從管道缺陷處入滲量。

(4)河流倒灌一般存在于局部，相對較為容易采取工程措施解決，通過修復檢查井和管道缺陷、對低水位排口設置拍門、管中止回閥等措施可以有效地降低河水倒灌入侵。

(5)自來水廠的排泥水難以剝離，建議自來水廠進一步循環利用減少排泥水釋放量。

城鎮中污水系統在整個城市系統中承擔重要作用，其“健康程度”直接影響了居民正常生產生活，也嚴重影響著污水處理廠的運行狀況，因此保障污水系統全覆蓋，對污水全收集，減少外水入侵是城市生態文明城市建設的根本保障。在進一步完善區域管網的基礎上，本研究著眼于外水排查方法，提出采用經濟高效且有針對性地調查方法，分析其污水系統中外水情況，能夠有助于研究區內污水處理廠進水濃度提高，實現污水系統提質增效。