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污水管网系统“入渗入流”诊断方法与实践
时间: 2019-6-4 来源: 作者: 刘龙志,崔诺

  2019年4月,为全面贯彻落实全国生态环境保护大会、中央经济工作会议精神和《政府工作报告》部署要求,加快补齐城镇污水收集和处理设施短板,住房和城乡建设部、生态环境部、发展改革委印发《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》,以期实现地级及以上城市建成区基本无生活污水直排口,基本消除城中村、老旧城区和城乡结合部生活污水收集处理设施空白区,基本消除黑臭水体,城市生活污水集中收集效能显著提高的目标。

  管网提质增效大目标,重点难点也是首要问题即“清污分流”,不仅是要在雨天的雨水和污水的分流,更是在旱天地下水、河水等客水在污水管网中与污水的分流。针对此类情况,中国工程建设协会发布了《城镇分流制系统雨污混接调查及治理技术规程》的征求意见稿,对分流制混接调查方法进行了详细的描述,但是缺少对合流制排水体制及分流制污水体系的提质增效入渗入流的调查研究方法,目前为止,我们在这方面已经开展了提质增效入渗入流的调查研究方法,并在玉溪、拉萨、天津及多个长江大保护试点城市进行了案例实践,故在此写成技术路线方法与实践案例总结分享,与大家探讨交流。管网提质增效的另一个战略技术路线是“一厂一策”,最大可能避免对所有水厂“一刀切”的绝对路线,保证最大限度体现出提质增效带来的明显效果。归根结底,“一厂一策”体现在水厂,核心在管网,我们也在多个城市开展了“一厂一策”技术路线的实践,之后会与大家共同讨论交流。

 

 

  我国污水系统现状

  目前,根据我国城市每年发布的环境公报可以看出,各地污水处理率基本都在90%以上,污水收集处理率和欧美国家接近,但是城市水体水质差距较大。原因是大量地下水或其他客水排入污水处理厂,虚高了城市污水处理率。截至2015年底,我国城市排水管道总长度达到54×104km,其中26.1×104km的排水管网使用时间在10年以上。由于污水腐蚀、侵蚀、冲刷、沉积及地面荷载等影响,污水管道破损严重的问题在我国城市普遍存在。敷设在地下水位以下的排水管道,地下水进入污水管网,挤占了污水管网的输送容量,降低了污水处理厂的进水浓度,我国4000多座污水处理厂中约有1000座进水COD在150mg/L以下,污水处理厂设计进水COD是350 mg/L,两者相比说明污水处理厂处理的并不全是污水,污水系统存在入渗入流现象。

  入渗入流预判

  诊断区域内污水系统存在以下现象时,可初步判断该污水系统存在入渗入流现象:

  在雨天或河道水位增加时污水系统内流量大幅度增加;

  污水系统晴天输送污水的水质浓度偏低。

 

 

  入渗入流诊断资料收集

  入渗入流诊断资料收集主要包括管网资料、河道水位标高、地下水位标高、污水厂和泵站运行情况、区域用水量。

 

 

  (1)管网资料

  管网资料包括污水管网系统的平面位置、高程、埋深、走向(流向)、规格、材质以及管线附属构筑物的信息。

  (2)河道水位标高

  河水主要通过排口倒灌、穿河管或埋河管破损、公园等地景观引水后排入市政管网等方式进入污水系统。对于排口倒灌或管道渗漏导致的河水入侵,可通过调查不同季节的河道水位变化来判断。

  (3)地下水水位标高

  地下水主要通过工地基坑排水、管道破损等方式进入污水系统。对于管道破损导致地下水入渗的管段,可通过比对区域内地下水位与管道管内底标高来初步判断。

  (4)污水厂、泵站运行情况

  包括污水厂地理位置、设计规模、现状日进水量、进水水质情况等,泵站地理位置、现状运行情况等。

  (5)区域用水量

  包括整个诊断区域排水户的接管情况以及接入市政管网内用户的用水量信息。

  入渗入流区域划定

  入渗入流区域的划定原则:

  (1)根据管网划分诊断排水分区

  首先应根据管网走向与连接关系将诊断区域划分为几个面积或管网长度相近的诊断排水分区,每个诊断排水分区都应有一个末端监测点可以代表整个分区的排水情况。

  (2)诊断分区晴天末端水质浓度偏低

  划分诊断排水分区后对应每一个末端监测点进行晴天连续水质监测,水质浓度低则可初步判断该区域为入渗入流区域。

  (3)诊断分区雨天末端流量增加

  划分诊断排水分区后对应每一个末端监测点进行连续流量监测(至少包含一次降雨),若出现雨天末端流量明显增加现象,则可初步判断该区域为入渗入流区域。

  (4)诊断分区内河道水位增加导致末端流量增加

  若诊断区域内存在可能发生倒灌的排口、穿河管或埋河管,需根据该区域内河道水位年际变化情况初步判断管道或排口是否有河水入侵的可能,在河道水位增加时段内安装流量计,若末端流量随河道水位增加,则可初步判断该区域为入渗入流区域。

  入渗入流点的调查和诊断

  入渗入流调查与诊断的技术路线:

 

 

  (1)本底水质调查以及特征因子的确定

  本底水质调查包括诊断区域内生活污水(灰水、黑水)、河水、地下水、自来水。通过本底水质检测确定至少两种水质特征因子作为相互校核以及验证。

  特征因子用以指示某种水类型区别于其他类型的物理、化学指示因子。用于入渗入流诊断的水质特征因子选择应满足以下4个条件:

  不同类型的水质特征因子浓度有较为明显的差别;

  水质特征因子在排水管道内基本无沉降、无降解;

  水质特征因子在同一类型水质中检出值较为稳定,差异性较小;

  分析方法简单且检测限、测试精度、安全性和重视性均较为理想。

  根据现阶段已完成诊断区域的本底调查结果显示,在常规指标中NH3-N在排水管道中较为稳定且在生活污水中较其他类型水质浓度差异较为明显,可作为理想的生活污水水质特征因子;在非常规指标中一些阴离子、阳离子在地下水中较其他类型水质浓度差异较为明显,在部分地区可作为理想的地下水水质特征因子。

 

 

  (2)现场勘察优化监测方案

  对于根据诊断排水分区末端的监测结果可以初步判断存在入渗入流的区域,然后进行关键节点的流量水质监测。根据资料调查以及现场勘察优化监测节点布置方案,优化布置应满足以下原则:

  资料调查以及现场勘查区域应覆盖诊断分区内所有管段交叉节点;

  通过标高比对去除不可能发生入渗入流管段区域的监测点;

  通过现场调查确定晴天检查井无流量、检查井上游管段不会发生地下水入渗或河水入侵现象;

  根据现场调查情况为监测节点确定监测等级,按照一级监测点–二级监测点–三级监测点的监测顺序优先确定诊断区域内的主要问题。

 

 

  (3)基于监测结果流量水质分析

  根据优化监测节点方案进行流量水质监测,其中流量监测要结合现场情况确定连续流量监测点与短时流量监测点,水质监测要根据每个监测节点第1天的流量监测结果确定高峰与低峰排水时段的取样时间,流量水质监测要满足以下要求:

 

 

  通过流量水质监测结果,有以下监测结果可认为该管段有入渗入流情况发生:

  晴天管段上下游节点流量水质发生突变:下游节点低峰时段流量较上游节点低峰时段流量大幅度增加,且下游节点水质浓度明显低于上游节点水质浓度;

  雨天时监测点流量发生突变:流量较晴天监测流量明显增加;

  河道水位增加时流量发生突变:流量较河道水位低于管内底标高或排口标高时明显增加。

 

 

  (4)综合手段找到客水入侵点位

  根据流量水质监测分析结果对确定入渗入流管段进行综合手段排查,如管道潜望镜检测(QV)、声呐检测、管道闭路电视检测(CCTV)等,找到客水入侵点位。各种检测手段的适用条件如下表所示:

 

 

  (5)客水入侵点位流量水质监测

  对已经确定的客水入侵点位进行流量水质监测,根据该检测结果结合末端流量水质情况对诊断区域进行整体水质水量平衡测算。

 

 

  入渗入流成效分析及评估

  (1)污水系统入渗入流程度评估

  ①各个监测分区渗入流量测算:

  根据监测分区按入渗入流量分成3个严重等级:

  1级:大于30%

  2级:20%~30%

  3级:15%~20%

  小于15%认为是正常范围,暂不考虑修复,可根据入渗入流量等级评价的顺序对管网进行详细排查。

  ②管网破损程度综合评价:

  按照1级–2级–3级的顺序对监测分区的管段进行逐段排查,对管网破损程度进行判定,管网破损指数m可表示为:

  m=q/q0

  式中:q为管道实际客水入侵量;q0为管道允许客水入侵量(按照管道中监测水量的15%考虑)。

  m≤1:管网基本不破损;1<m≤2:管网轻度破损;m>2:管网严重破损。

  根据管网破损程度排查结果制作污水管网破损程度综合评价图,可根据该成果图依据管网破损程度对该区域管网进行检测与修复。

  (2)诊断区域水质水量平衡测算

  污水系统旱天水量来源为生活污水和其他客水,通过监测手段获得管网中关键节点的流量水质,可建立整个管网系统的水量和化学质量平衡方程:

  QJ=QS+QK

  QJCJ=QSCS+QKCK

  式中:QJ为管网监测点流量;CJ为管网监测点水质特征因子浓度;QS为管网中生活污水水量;CS为管网中生活污水水质特征因子浓度;QK为管网中客水水量;CK为管网中客水水质特征因子浓度。

 

 

  根据上述方程解析可得:

  QS=QJ(CJ-CK)/(CS-CK)

  QK=QJ(CS-CJ)/(CS-CK)

  客水比例m=(CS-CJ)/(CS-CK)

  案例1:玉溪市海绵城市试点建设项目管网诊断

  玉溪市海绵城市建设试点区包括老城区和近期规划向北新拓展的新城区,城市诊断区域存在大量地下水入渗现象,需通过管网诊断技术定性定量地下水入渗点位,为城市黑臭水体治理、污水系统提质增效以及海绵城市建设提供改造建议与技术支持。

 

 

  重度渗漏管段8处,地下水总渗入量为3.3×104m3/d,严重淤积管道18km;

  通过混接区域进行改造,恢复现状5条雨水主箱涵和1条盖板河道功能,节省12km新建雨水箱涵,节约投资2.4亿元;

  重新梳理分流改造和海绵化改造项目,减少不必要的海绵化改造项目42个,减少不合理的分流改造区域3.6km2,降低投资3.6亿元(扣除增加的调蓄池费用);

  优化截污方案,减小截污管长度和管径,降低投资1.3亿元;

  对主要漏损管道进行修复,减少进入污水厂的地下水量2.6×104m3/d,每年节省运行费支出860万元;

  通过设计优化,在保证海绵城市各项考核目标的前提下,工程投资降低约20%。

  案例2:拉萨市主城区合流制管网客水入侵诊断

  根据拉萨市在主城区排水管网诊断需求以及“十三五”规划提出的建设要求,本次排水管网诊断工作在管线勘察成果的基础上进行管网校核,并综合采用在线流量监测、水质化验、视频监测等手段获取准确数据,通过数据分析结果对客水入侵问题进行量化诊断和评估,为管网改造设计、管网信息化平台建设提供重要的数据支撑,逐步实现“城镇污水处理设施全覆盖” “基本消除黑臭水体”的建设目标。

  通过合流制管网末端水质水量监测与化学平衡质量测算,客水入侵比例为26.8%~27.6%。

  结语

  污水系统提质增效核心在管网诊断,管网诊断不仅仅要选择有效的科学方法,更要秉承行业良心,没有花哨的捷径可走,稳扎稳打步步为营,就如同绣花针,管网要一段接一段、小区要一个挨一个,只有这样细致的排查与踏实作业,方可一点一滴的实现管网提质增效的大目标。

 

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