深圳市水環境治理與三水分離工程的應用探討

唐雅雯，陳旺旺

(1.深圳市龍崗區水務工程建設管理中心，廣東 深圳 518008；2.深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518008)

水環境治理是生態文明建設的一項重要工作，2015年國務院頒布實施的《水污染防治行動計劃》(“水十條”)中明確指出，以城市人民政府牽頭，實現全國城市建成區黑臭水體消除。廣東省深圳市以往存在水環境惡化，城市建設、舊城改造問題錯綜復雜，區域洪(潮)澇災害、水污染現象交錯影響等問題，這些已成為制約城市發展的瓶頸。

縱觀國內外，水環境治理一直受到政府部門和眾多學者的重視。1971年日本頒布《水污染控制法》，制定嚴格的污水處理方式和排放標準，經過30余年才使日本琵琶湖污染得到有效控制[1]。20世紀60年代，德國為改善萊茵河水質，深入調查萊茵河污染源頭和污染程度，結合實況提出防污具體措施[2]。1858年英國為整治泰晤士河，運用截污排污、生物氧化等措施，同時保證水資源按自然規律進行合理、有效保護和開發利用[3-4]。國內也積極實施水環境治理措施[5-7]，2003年大連市深入分析當地自然條件和社會需求，逐步開展生態型河道治理，包含水源地與流域環境保護、地下水開采控制等手段[8]。2006年底至2015年深圳市開展排水管網清淤行動，以雨污分流、水環境改善為目標，從用戶開始梳理城市排水管網系統，通過工程改造、執法整改、行動動員等措施，糾正雨污水錯接亂排，完善小區及市政排水管網[9]。2008年至今，深圳市各流域在水環境治理中相繼建設沿河大型箱涵強化截流設施[10-11]。

近年來雖然研究了很多水環境整治對策，但由于深圳市局部排水系統不完善，存在排水盲區，導致混流污水依然直接進入河道截流系統。河流水質達標不穩定，老舊排水系統存在外水入滲使得污水處理廠進水濃度低，對此本文提出在深圳市水環境治理中應用三水分離工程的治理方案，結合深圳市龍崗河流域水質提升及污水處理提質增效工程，旨在為深圳市水環境整治提出一種有效的治理措施[12-15]。

1 流域概況

龍崗河流域位于深圳市東北部，發源于梧桐山北麓，流經深圳市龍崗區所轄的橫崗、園山、龍崗、龍城、坪地、坑梓等街道，從坑梓街道沙田村的北面開始，成為深圳市與惠州市的界河。龍崗河流域名錄內總共37條河流，總長138.81 km，龍崗河的一級支流主要包括梧桐山河、大康河、愛聯河、龍西河、南約河、丁山河、黃沙河等(圖1)。

圖1 龍崗河流域水系

2 龍崗河流域雨污管網系統現狀分析

2.1 排水體制現狀

針對工業廢水、生活污水和自然降水三大類排水，主要的排水制度分為合流制和分流制2種類型。首先是合流制排水系統(圖2)，這也是最傳統的排水方式，即將所有類型的污水混合直接通過一種排水管道排走。2015年以前龍崗片區除一些新建工業區、住宅小區、市政道路外，基本都采用合流制排水系統，通過直排式合流管渠，將雨水和生活污水排入附近水體，污水直排導致水體污染，并因此影響城鎮居民的生活環境。

第二類為分流制排水系統(圖3)，它是指污水排水和雨水排水完全分開，由2套完全獨立的排水管道實現排放。2016—2018年龍崗區雨污分流管網工程和正本清源工程的建設，以及2019年龍崗河流域(龍崗片區)消除黑臭及河流水質保障工程一階段和增補階段項目的實施，2020年龍崗河流域內市政道路實現雨污分流的分流率為74%，工業倉儲、公共建筑、商業住宅地塊的大部分小區已初步實現雨污分流。

圖3 分流制排水體制

2.2 污水處理設施現狀

龍崗河流域現狀分橫崗、橫嶺兩大污水服務區，服務范圍分別為43.2、110.9 km2。橫崗片區(園山、橫崗、龍城街道)片區內有污水處理廠2座，分別為橫崗一期、橫崗二期，主要收集橫崗街道、園山街道范圍內污水，污水處理能力為20萬m3/d；橫嶺片區(龍城、龍崗、寶龍、坪地街道)片區內有污水處理廠2座，分別為橫嶺一期、橫嶺二期，主要收集龍城街道、龍崗街道、坪地街道、寶龍街道范圍內污水，污水處理能力為60萬m3/d。

由表1數據可知，龍崗河流域污水處理廠除橫崗污水處理廠(二期)外，其余污水處理廠進水BOD濃度均低于設計濃度，這是由于一方面該片區現狀仍存在合流制排水，末端采取截流方式進入污水管，另一方面4—9月份屬于深圳的雨季，污水處理廠排水系統內有大量外水進入。另外橫崗污水處理廠(一期)、橫崗污水處理廠(二期)、橫嶺污水處理廠(一期)、橫嶺污水處理廠(二期)汛期的COD、NH3-N、BOD進廠濃度均比非汛期低，主要影響因素是雨季降雨量增大，污水處理廠的超負荷運行，可能會導致污水的溢流，對河道造成污染。針對以上問題，龍崗河流域急需實施剝離污水管道中外水的措施。

表1 龍崗河流域污水處理廠進水濃度統計(2018年汛期、非汛期、差值)

2.3 污水收集系統現狀

根據流域內現狀正本清源及總口設置情況，除2019年全面消黑工程實施正本清源全覆蓋的大康河沙河路上游、梧桐山河敬老院橋上游、新生排水渠、龍崗中學排水渠、南約河干流、沙背瀝、茅湖水、寶龍工業區、丁山河左岸(龍崗大道以北)、黃沙河石豹水、石壁水流域外，流域內其他片區合流污水均通過沿河截污系統進入調蓄池。

龍崗河現狀實施污水整治的河道共32條，污水截流標準n=2.0的河道有27條，截流標準為7 mm/1.5 h的河道有5條。回龍河源頭段、南約河流域沿河截污系統和市政系統未實現相互獨立，截污系統末端接駁至橫嶺污水處理廠配套市政干管。龍崗河流域河道周邊正本清源及雨污分流未完全覆蓋，沿河截污系統規模不足以收集初小雨水，雨季合流區存在溢流污染風險。

由于龍崗河流域各片區初小雨直接進入河道或通過沿河截污管收集，龍崗河干流363個排放口中有134個仍在晴天排放污水入沿河截污箱涵。龍西河干流、丁山河干流等擁有2套系統的河道混流口均通過截污井截流至市政污水干管，溢流水再通過沿河截污管截流，造成污水干管混流初小雨及上游大面積混流管入滲外水進入污水干管，擠壓污水轉輸空間，降低污水濃度。由此可見，流域內還未實現三水分離。

3 龍崗河流域提質增效方案思路

根據龍崗區2020年“提升污水處理廠進水BOD濃度”的治水目標，2020年底前，污水處理廠BOD濃度要求達到100 mg/L。2019年市政管網完善、正本清源及雨污分流等工程的實施后，龍崗河流域污水處理廠進廠BOD濃度尚未達到100 mg/L，與2020年目標仍存在差距。主要原因是點截流和沿線截流并存，沒有與市政污水管道剝離，另外截流倍數低，控制溢流污染能力弱，強降雨時段截流系統中雨水混入污水管，稀釋進廠BOD濃度。綜上評估，提出三水分離貫通系統，通過該工程的實施可有效剝離外水，提升污水處理廠進水濃度。

3.1 三水分離總體思路

三水分離以排水口為中心，以重點排口溯源分流、截污點改造為手段，實現清潔基流釋放。三水分離工程后形成“封閉的污水系統、開放的雨水系統以及高效的截流系統”(圖4)。封閉的污水系統減少外水進入，管內流量穩定，雨水系統前端通過水土保持、海綿城市建設等措施，雨水進入雨水系統時排除大部分污染沉積物，獨立的截流系統解決(路面)面源污染，收集的初(小)雨在調蓄池中沉淀。三水分離工程可以有效解決管道沉積物溢流、污水處理廠提質增效、強化管網系統運維調度的問題。

圖4 三水分離排水系統

3.2 三水分離總體方案

工程三水分離主要圍繞污水、雨水、初(小)雨水三大水體，以河道為中心、管網為基礎、排口為單元、按問題和目標雙導向，圍繞“提升河道水質穩定達標、提升污水進廠BOD濃度”的目標，按照“上分、中通、下改”設計理念，梳理出龍崗河流域雨污混流量大的高濃度排口與水量大濃度低的低效排放口，溯源分析其匯水范圍實施正本清源改造。同時，通過對有條件的沿河截污管道貫通，對重點排口實施精準截流。根據深圳市降雨數據為基礎以及污水處理廠運行數據統計，按照10 mm/1.5 h初期雨水收集標準設計初雨調蓄池的容積，調蓄池起到初雨收集、截流和調蓄的作用，既解決城市徑流污染，也減少管道沉積物溢流現象。污水系統與初雨系統互聯互通檢修及清污分離工程，達到提高河道水質保證率，提升水質凈化廠進水濃度的目標，最終實現三水分離的目標。三水分離設計思路見表2。

表2 三水分離設計思路

續表2 三水分離設計思路

通過排口溯源改造、清污分流、沿河截污管貫通、精準截流布置、互聯互通檢修五大措施實現三水分離，即形成封閉的污水系統、開放的雨水系統以及高效的截流系統(圖5、6)。

圖5 三水分離總體方案

圖6 三水分離工程措施與效果

3.3 方案實施效果分析

2020年三水分離工程的實施既是2019年龍崗河流域全面消黑成果的延續，也是治理目標的進一步提升。龍崗河流域污水處理廠2020年底進廠BOD濃度需達到100 mg/L，通過比對龍崗河流域4座污水處理廠2019、2020年進水濃度數值，分析三水分離工程的實施效果。

橫崗一期污水處理廠2019年1—12月進水BOD濃度平均值為62.5 mg/L，距離目標差值37.5 mg/L；橫崗二期污水處理廠2019年1—12月進水BOD濃度平均值為108.0 mg/L，BOD濃度年均值雖已達到100 mg/L濃度要求，但部分時間段還達不到100 mg/L；橫嶺一期污水處理廠2019年1—12月進水BOD濃度平均值為71.5 mg/L，距離目標差值28.5 mg/L；橫嶺二期污水處理廠2019年1—12月進水BOD濃度平均值為57.5 mg/L，距離目標差值42.5 mg/L。

由圖7可以看出，龍崗河流域4座污水處理廠進水BOD5濃度整體趨勢為4—9月較低，10—12、1—3月較高。2019年4月雨季開始后，BOD5濃度呈現波動式下降的趨勢，主要是因為該片區實施了各類沿河截污工程，河道增設了大量總口截污措施，使得河水和雨水混入污水系統，降低了入廠濃度。

a)橫崗一期

相比2019年，龍崗河流域4座水質凈化廠進廠濃度在2020年下半年逐漸提升(受疫情影響，2020年2、3月水質數據不作參考)，尤其是橫崗一期污水處理廠改造成果顯著。這是由于隨著三水分離工程的實施，2020年底貫通了龍崗河流域沿河截流系統，完善了雨污水干支管網，并對雨污錯混接進行整改，提高了污水管內的污水濃度，進入污水處理廠的外水減少，污水處理廠進水BOD5濃度得到提升。

c)橫嶺一期

根據圖8分析可知，龍崗河流域4座污水處理廠2019年的年平均進水BOD5濃度分別為62.5、108.0、71.5、57.5 mg/L；2020年的年平均進水BOD5濃度分別為70.7、119.4、73.8、60.3 mg/L(受疫情影響，2020年2、3月水質數據不作參考)。對數據分析得到：通過三水分離工程的實施，龍崗河流域污水處理廠進水濃度總體上升，其中橫崗一期污水處理廠進水BOD5濃度提升最高，提升率為13%。因此，三水分離工程的實施對龍崗河流域的水環境治理非常有必要。

圖8 2019、2020年污水處理年平均進水濃度

4 結論

a)排水體制的選擇應根據城市規劃、城市建設的實際情況、當地降雨情況和污水排放標準、原有排水設施、污水處理和利用情況、地形和水體等條件綜合考慮確定。排水體制對城市的規劃和環境的保護影響深遠，同時也影響排水系統的投資和運行維護費用。

b)水環境治理的主要措施在于確保污水進入污水系統，初小雨進入沿河截污系統，潔凈雨水進入河道，實現濃淡污水分離進入污水處理廠，進一步提升河道水質，建立完善長效管護機制，全面消除黑臭水體。

c)基于三水分離總體方案，通過排口溯源改造、清污分流、沿河截污管貫通、精準截流布置、互聯互通檢修五大措施，消除了大量河道排口排污情況，釋放了清潔基流入河，將外水從污水系統中剝離，提高了污水管內的濃度，使得2020年龍崗河流域污水處理廠進水BOD濃度明顯上升。

d)基于深圳市龍崗河流域水質提升及污水處理提質增效工程，提出三水分離工程的治理方案，鑒于深圳市屬于典型的濱海城市，其在快速發展的同時排水系統建設相對成熟，這也為三水分離工程的運用提供改造前提。若三水分離總體方案運用在其他城市，需結合當地水污染治理基礎設施的建設程度調整改造措施，同時不同地區降雨類型、降雨強度不同，初小雨截流系統也要根據當地截流標準和截流規模計算。