曹業(yè)始：當(dāng)前國內(nèi)污水管網(wǎng)系統(tǒng)改造應(yīng)綜合考慮的四個因素

　　“污水管網(wǎng)系統(tǒng)改造是當(dāng)前國內(nèi)許多城市普遍面臨的難題，我本身也有困惑：為什么歐美國家的混流制系統(tǒng)COD濃度比我們國家分流制系統(tǒng)還要高， 甚至在新建區(qū)域？有沒有簡單的計算公式，能夠較快估算出下水道系統(tǒng)中的外來水、污水量及污水管網(wǎng)內(nèi)COD濃度和溢流負(fù)荷，并可以應(yīng)用在投資和效益分析，從而為項目規(guī)劃提供支持？”中持新概念環(huán)境發(fā)展宜興有限公司總工藝師、新加坡PUB（國家水管理機(jī)構(gòu)）前首席專家曹業(yè)始博士在“2021（第十三屆）上海水業(yè)熱點論壇”上先談了進(jìn)行這項研究的動機(jī)。

　　論壇上，曹博士以西、北歐一些城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)和污水處理廠為例，比較國內(nèi)和歐洲國家污水管網(wǎng)外來水入侵等情況，并分析了造成國內(nèi)污水濃度偏低的因素,提出了估算公式。在詳實的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出污水管網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量平衡概念模型并討論模擬的結(jié)果。提出了改造當(dāng)前國內(nèi)下水道系統(tǒng)需要綜合考慮的四個因素及相關(guān)建議。

　　曹業(yè)始

　　影響污水管網(wǎng)性能和效率的四個因素

　　影響污水管網(wǎng)性能和效率的四個主要因素：1. 外來水入侵。城市污水主要由兩部分組成：城市供水使用后產(chǎn)生的污水 (used water)以及外來水。由滲透水、流入水、雨水組成的外來水。2.污水廠的處理能力。處理量相對應(yīng)于國內(nèi)的截流系數(shù)，國內(nèi)一般設(shè)置值為1.2, 即處理量是收集的污水的1.2倍 (最新指導(dǎo)文件將該系數(shù)擴(kuò)大到1.5)。3.用水效率, 4. 污水收集率。

　　下水道系統(tǒng)：邊界和因素

　　下圖將供水和污水關(guān)聯(lián)起來，供水方面有包括家庭、公共、工業(yè)三類水組成的綜合用水使用后進(jìn)入到污水管網(wǎng)，綜合用水量數(shù)據(jù)可以從城市的水務(wù)局和年鑒中查詢到。綜合用水加外水匯入下水道的總量形成了下水道里的污水。

　　污水分成兩股，一股送到污水廠處理，另一股從下水道溢出的污水排入水環(huán)境。

　　本文的討論為國內(nèi)的一線城市，這類城市制造業(yè)已經(jīng)外移，城市污水基本上是生活污水。在這樣的條件下，以個人污染物的日排放負(fù)荷作為計算基準(zhǔn)，如個人COD日產(chǎn)生量120g/人/天，個人綜合用水量(SCWC, 升/人/天)可以采用年度統(tǒng)計數(shù)值，從這些數(shù)據(jù)可以使用下面等式估算出外來水量(SQi/i)升/人/天、溢流污水量(SQE)升/人/天。

　　外來水占比、稀釋倍數(shù)和管內(nèi)污水流量提供估算方法

　　外來水占比定義為：外來水/(外來水+收集的污水)。稀釋倍數(shù) (DF)定義為：管網(wǎng)內(nèi)污水/收集污水(供水) ，如果DF為1，就表明沒有外水進(jìn)來，如果DF為2，就表明外水和收集的污水為一比一。

　　值得注意的是最大COD濃度值定義為個人排污量除以綜合用水量COD值，計算公式 為CODMAX = PLCOD(120)/SCWC。報告人指出，在污水全收集(X = 100%)且管網(wǎng)外來水可以忽略(DF≈1)的條件下，混合污水COD最大濃度為120/SCWC (g/L)，綜合用水量(SCWC)決定了下水道混合污水COD能夠達(dá)到最大濃度。

　　由于用污水廠處理量代替SRW存在的風(fēng)險，報告人建議用DF=COD_MAX/COD_RW,之中COD_RW為下水道COD濃度）計算DF值。

　　在得出稀釋倍數(shù)后，用稀釋倍數(shù)乘以綜合用水量（SCWC），即得出個人管內(nèi)污水流量SRW (升 /人/天)，公式為SRW=SCWC·DF。隨后既可以得出個人溢流污水量（SQE），公式為SQE = SRW – SCWC。報告人指出，需要注意的是，由于不同用水效率，相同的外來水占比或稀釋倍數(shù)并不意味著相同數(shù)量的外來水量。

　　污水(污水處理廠進(jìn)水)COD濃度估算

　　在污水全收集(X = 100%)的條件下，且雨水為干凈的水、的條件下，就得出了下圖第一個公式初步估算出管網(wǎng)中的COD濃度。公式表明，管網(wǎng)中污水COD的濃度取決于綜合用水量和稀釋倍數(shù)，前者與綜合用水效率有關(guān)，而后者與外來水(或管網(wǎng)滲漏)有關(guān)。

　　在下表中，選取了西歐和國內(nèi)七個案例，管網(wǎng)中公開文獻(xiàn)中與水有關(guān)的數(shù)據(jù)，用公式進(jìn)行計算，得出計算值與報告數(shù)據(jù)相當(dāng)接近，證明了公式的可用性。

　　部分歐洲國家和中國的人日均綜合用水量、人日均污水處理量、人日均(混合)污水量及污水COD濃度等相關(guān)數(shù)據(jù)

　　用水效率是國內(nèi)污水低濃度不可忽視的因素相之一

　　下圖匯集了來自西、北歐一些國家和城市與中國北京及另外兩個一線城市污水稀釋相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。從西、北歐地區(qū)城市的數(shù)據(jù)綜合來看，平均稀釋倍數(shù)大約達(dá)到2倍，也就是供水與外來水的比例為1:1。

　　報告人強(qiáng)調(diào)，這些數(shù)據(jù)表明，合流制系統(tǒng)外來水量占到管網(wǎng)內(nèi)污水量50%或以上，意味外來水量(Qi/i)和收集污水量(CWC)相當(dāng)甚至更多；對分流制系統(tǒng)，外來水占比差異較大，德國北部最低，但也有較高(50%)的情況， 如丹麥和挪威的案例所示。

　　同時可以看到，北京的外來水比例基本與德國北部處在一個水平上，表明我們可以做好下水道管理. 以上可見，污水管道泄漏是一個世界性的問題, 而從數(shù)值上面看, 國內(nèi)下水道外來水稀釋倍數(shù)和占比與西、北歐似乎差別不大。

　　但是依據(jù)綜合用水量和稀釋倍數(shù)和占比計算外來水的體積時, 如下圖示, 對應(yīng)相同的外來水占比或稀釋倍數(shù)，用水效率較高(低人日均綜合用水量）的一些西歐國家和城市相比用水效率較低(高人日均綜合用水量）的國內(nèi)城市，前者部分區(qū)域外來水量可以是后者部分區(qū)域的約50%。

　　相似的占比或稀釋倍數(shù)范圍內(nèi)，歐洲的污水管道里污水COD濃度仍可維持在400 ∽680mg/L 范圍(如德國和蘇黎世的合流制系統(tǒng)），遠(yuǎn)高于當(dāng)前許多國內(nèi)污水管道系統(tǒng)里的COD濃度。

編輯：王媛媛

　　如下圖所示, 一般來說, 國內(nèi)的綜合用水量以及外來水量的平均值(即使在新建城區(qū))，均高于西歐地區(qū)，說明國內(nèi)污水低濃度不僅僅是由于污水管道外來水侵入造成的，，用水效率應(yīng)該也是不可忽視的因素。

　　污水管網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量流和平衡概念模型

　　報告人提出，應(yīng)在整個流域的水環(huán)境范圍中綜合考量管網(wǎng)系統(tǒng)的更新改造，除了管道中的 COD,管網(wǎng)溢流量是另一個重要參數(shù)。

　　污水管網(wǎng)水力和污染物質(zhì)量流與平衡簡化模型

　　模型描述了五個不同的的場景，展示外來水入侵和含外來水混合污水的處理(污水處理廠的處理能力)、用水效率和污水收集率對管網(wǎng)里污水濃度和污染物溢流的影響。五個場景中，三個德國案例，兩個中國案例為長三角和珠三角兩個污水收集率均為85%的城市。對五個場景模型計算結(jié)果詳見下表。

　　五種不同場景下模型參數(shù)、輸入數(shù)據(jù)和計算污水COD濃度及溢流負(fù)荷

　　如表格中數(shù)據(jù)顯示，德國前兩個場景綜合用水量基本相當(dāng)，污水收集率≈100%，主要差別在于外來水量，外來水量小的分流制地區(qū)COD濃度為808mg/L，外來水量大的合流制系統(tǒng)COD濃度均為506mg/L。表明當(dāng)管網(wǎng)在用水效率很高的情況下，外來水往往是決定性因素。德國第二和第三合流制系統(tǒng)場景數(shù)據(jù)可以看出，在截流數(shù)分別為1.9及1的情況下，COD濃度是相同的。但是當(dāng)截流數(shù)從 1.9減少到 1 時，COD 溢流負(fù)荷從幾乎沒有高達(dá)輸入量的 48%,顯示污水處理廠量對溢流排放量的顯著影響 。

　　從中國兩個城市數(shù)據(jù)上看，珠三角地區(qū)的報告COD濃度為164mg/L，低于長三角地區(qū)的272 mg/L，而數(shù)據(jù)顯示珠三角城市溢流到水環(huán)境中COD負(fù)荷卻少于長三角地區(qū)城市。因此報告人指出，從整個流域范圍考慮管網(wǎng)改造問題時，我們不能僅僅將管網(wǎng)中的COD濃度看做是唯一的指標(biāo)，也要同時考慮流入水環(huán)境溢流負(fù)荷。

　　基于計算結(jié)果，報告人做了六點總結(jié)：

　　1、     德國北部分流制和其他地區(qū)合流制系統(tǒng)例子比較可以看出，外來水量的變化導(dǎo)致了cod濃度的變化，因此說明, 外來水入侵經(jīng)常是污水管網(wǎng)污水濃度的決定因素, 國內(nèi)相當(dāng)部分污水管網(wǎng)系統(tǒng)"即使在旱季也充滿外來水, 減少外流水是目前國內(nèi)管網(wǎng)改造緊迫任務(wù)。

　　2、     德國合流制系統(tǒng)例子和長、珠三角城市例子說明, 偏小污水處理廠處理負(fù)荷將導(dǎo)致溢流排放增加。

　　3、     德國北部和新加坡、北京例子說明, 用水效率是影響管網(wǎng)污水濃度的另一個重要因素, 尤其是外來水入侵得到有效控制的情況下。

　　4、     收集率和污染物對水環(huán)境排放負(fù)荷存在明顯關(guān)系, 低收集率意味著高溢出率。

　　5、     以低成本實現(xiàn)水環(huán)境中污染負(fù)荷排放量最大程度削減應(yīng)成為城市水環(huán)境和流域治理的整體評估指標(biāo)。

　　6、     各地情況不同, 四個因素的改進(jìn)對污水管網(wǎng)和污水處理提質(zhì)增效產(chǎn)生的影響不同，要因地制宜采取行動。

　　污水處理廠如何應(yīng)對外來水？

　　下圖顯示了蘇黎世Werdh?lzli污水處理廠雨季一周（2018年8月25至31日）運行情況，水力負(fù)荷變化幾乎10倍 (從0.5 m3/s (43 200 m3/d)提升至6.5 m3/s(561 600 m3/d，雨季最大的水力負(fù)荷)。

　　在峰值流量期，活性污泥SRT約14 d，HRT僅2.8 h，出水氨氮始終低于2 mg/L, 硝酸鹽氮低于12 mg/L，且管網(wǎng)無溢流發(fā)生。國內(nèi)不少城鎮(zhèn)污水處理廠活性污泥工藝SRT 和HRT設(shè)計偏于保守，基于設(shè)計安全系數(shù)，現(xiàn)有相當(dāng)部分生化處理單元應(yīng)能夠接受并處理外來水和雨季進(jìn)水額外負(fù)荷，面臨主要挑戰(zhàn)是那些以水力負(fù)荷為設(shè)計依據(jù)的單元(主要是物理和化學(xué)處理單元)。為此，需要對現(xiàn)有污水處理廠的相關(guān)單元、設(shè)施和設(shè)備能力和運營數(shù)據(jù)進(jìn)行評估和分析，確定有必要進(jìn)行升級改造的單元。與此同時，應(yīng)充分利用調(diào)蓄池和污水管網(wǎng)系統(tǒng)(管網(wǎng)、及泵站等）的潛在存儲容積、錯峰及流量控制，緩解峰值流量沖擊從而減少CSO (和SSO) 溢流排放

　　瑞士蘇黎世Werdh?lzli污水處理廠雨季（2018年8月25至8月31日）進(jìn)水流量、出水氨氮即硝態(tài)氮及調(diào)蓄池水位在線測量數(shù)據(jù)

　　使用四個因素可以快速幫助找出可能的改進(jìn)方法并幫助比較不同的選擇. 報告人舉例，假設(shè)綜合用水量(Q)為260 L/(人·天)，管內(nèi)污水COD為150 mg/L，計算出CODMAX約為460 mg/L，稀釋倍數(shù)(DF)約為3，當(dāng)污水廠處理設(shè)計的截流系數(shù)為1.2Q, 溢流污染物量就達(dá)到了1.8Q 。 顯然這是不合適的,或許有多個方案可以解決以上現(xiàn)狀，如：進(jìn)行修復(fù)下水道增加COD濃度、增加現(xiàn)有污水處理廠容量、提高下水道收集率、水利用效率等等，需要對這些方案導(dǎo)致的結(jié)果、需要的投資、項目的執(zhí)行時間等等諸多因素進(jìn)行多方面的比較與考量。如果調(diào)整污水廠的處理量，大的處理量帶來的是低溢流量，同時擴(kuò)大處理量需要投資，以及可能造成較多的外來水侵入。而如果提高管內(nèi)污水COD濃度, 帶來的是可以降低污水廠成本以及控制外來水,但需要進(jìn)行下水道修復(fù)投資。因此報告人提出，在規(guī)劃過程中能不能找出一個COD閾值，體現(xiàn)綜合協(xié)調(diào)各方面的考量？同時他也指出，在當(dāng)前污水處理廠或者水體治理項目投資規(guī)模都在幾十億甚至上百億的情況下，一份精心制定、考慮成本效益的中長期規(guī)劃是必不可少的。

　　最后，報告人總結(jié)以下四點：

編輯：王媛媛