專家視角|徐祖信院士:城市排水系統(tǒng)提質(zhì)增效關(guān)鍵技術(shù)研究——以馬鞍山市為例
為貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶“共抓大保護(hù),不搞大開發(fā)”的重要指示精神,落實(shí)《長(zhǎng)江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》,生態(tài)環(huán)境部組織開展了長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)駐點(diǎn)跟蹤研究工作,深入一線進(jìn)行駐點(diǎn)研究和技術(shù)指導(dǎo),服務(wù)地方政府水污染防治的科學(xué)決策與精準(zhǔn)施策。同濟(jì)大學(xué)牽頭組建馬鞍山市駐點(diǎn)工作組,在馬鞍山市政府和各相關(guān)部門支持協(xié)作下,重點(diǎn)針對(duì)馬鞍山市中心城區(qū)水環(huán)境質(zhì)量改善面臨的突出問題,圍繞精準(zhǔn)控源截污和雨天排放污染控制等方面,開展城市河流水系水質(zhì)提升關(guān)鍵技術(shù)研究,為慈湖河小流域水環(huán)境治理項(xiàng)目提供技術(shù)支撐,在多方共同努力下,成功消除了城市水體黑臭,河流水質(zhì)得到穩(wěn)定改善。2019年11月,韓正副總理視察馬鞍山市期間,對(duì)馬鞍山市水環(huán)境保護(hù)工作取得的成效給予高度肯定;2020年8月,習(xí)近平總書記視察馬鞍山市時(shí),提出了打造安徽的“杭嘉湖”、長(zhǎng)三角的“白菜心”新發(fā)展定位。
1. 長(zhǎng)江中下游城市水環(huán)境治理的瓶頸問題
現(xiàn)階段,城鎮(zhèn)環(huán)境與市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)趨于完善,但城市水環(huán)境仍面臨較多問題。研究表明,長(zhǎng)江中下游城市污水管網(wǎng)覆蓋率、污水處理率高達(dá)90%以上,但是城市河流仍然面臨雨天反復(fù)污染問題。主要體現(xiàn)在:1)排水管網(wǎng)錯(cuò)接和破損,導(dǎo)致雨水和地下水嚴(yán)重?cái)D占污水管網(wǎng)輸送容量,造成末端的污水處理廠進(jìn)水濃度不高。有些雨水管道接入污水管網(wǎng),導(dǎo)致污水處理廠雨天進(jìn)水量明顯增加,暴雨時(shí)甚至發(fā)生漫流并超標(biāo)排放。污水管道破損嚴(yán)重,導(dǎo)致地下水(占比高達(dá)28%~40%)進(jìn)入污水管道。2)排水管網(wǎng)雨污混接,導(dǎo)致污水直排河道,管網(wǎng)截污效率低。相關(guān)研究表明,長(zhǎng)江中下游城市排水管網(wǎng)雨污混接比例平均約為26%,最高可達(dá)70%。雨水管道晴天流速較低,污染物沉淀,下雨時(shí)沉積物隨雨水排入河道,造成污染。3)為了確保城市防洪安全,當(dāng)降水產(chǎn)生的徑流量超過合流管網(wǎng)輸送容量時(shí),合流管網(wǎng)發(fā)生污水溢流。合流管網(wǎng)晴天流速低,污染物沉積嚴(yán)重,尤其是遠(yuǎn)距離輸送的合流管道,近1/3的顆粒態(tài)污染物沿程沉積;而雨天沉積污染物受管道匯流雨水沖刷泛起,形成“零存整取”的污染效應(yīng),對(duì)河道造成沖擊性污染。目前,多數(shù)城市河道雨天反復(fù)污染甚至黑臭,與合流管網(wǎng)雨天污水溢流相關(guān)。因此,城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)錯(cuò)接和破損、管網(wǎng)混接以及溢流污染是我國(guó)長(zhǎng)江中下游城市水環(huán)境治理面臨的瓶頸問題,是我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程中產(chǎn)生的獨(dú)特問題,也是發(fā)展中國(guó)家城市水污染的共性問題。該瓶頸問題在歐美國(guó)家城市河流污染治理經(jīng)驗(yàn)中無先例可循,其有效解決直接關(guān)系到治理城市黑臭水體的成效以及水污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)的成敗得失。為此,針對(duì)城市排水系統(tǒng)提質(zhì)增效關(guān)鍵技術(shù),開展自主創(chuàng)新研發(fā)至關(guān)重要且意義深遠(yuǎn)。
2.研究區(qū)概況與主要水環(huán)境問題
2.1 研究區(qū)概況
馬鞍山市位于安徽省最東部,橫跨長(zhǎng)江兩岸,屬長(zhǎng)江中下游沖積平原的蕪湖—馬鞍山丘陵水網(wǎng)平原區(qū)?,F(xiàn)轄3縣(含山縣、和縣、當(dāng)涂縣)3區(qū)(花山區(qū)、雨山區(qū)和博望區(qū)),面積為4 049 km2,全市人口為229.14萬人,城鎮(zhèn)化率為69.12%,2020年地區(qū)生產(chǎn)總值為2 186.9億元。馬鞍山市河道縱橫,湖泊眾多,溝塘密布,水域總面積約360 km2。長(zhǎng)江是馬鞍山市最大的過境水體,其他主要城市內(nèi)河包括慈湖河、雨山河、采石河、姑溪河、得勝河等,均匯入長(zhǎng)江干流。
2.2 主要水環(huán)境問題分析
“十三五”期間,馬鞍山市地表水水質(zhì)總體呈改善趨勢(shì),2020年,5個(gè)國(guó)控?cái)嗝婺昃|(zhì)達(dá)標(biāo)率為100%,但部分省控?cái)嗝妫ㄈ绱群拥龋┰戮|(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo),尤其是雨天水質(zhì)污染問題較為突出。慈湖河是馬鞍山市境內(nèi)最長(zhǎng)的入江河流,全長(zhǎng)約26.1 km,流域面積為124.8 km2,共有36條支流水系,主要由上游洋河和慈湖河水系構(gòu)成。慈湖河水系流經(jīng)城市主要建成區(qū),經(jīng)過多年治理,已建成較為完善的環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施和防洪排澇系統(tǒng),沿線已建成14個(gè)排澇泵站、3座城鎮(zhèn)污水處理廠和1個(gè)城鎮(zhèn)污水處理廠尾水處理濕地。
通過駐點(diǎn)團(tuán)隊(duì)調(diào)研發(fā)現(xiàn),慈湖河水系水環(huán)境治理面臨的主要問題如下:1)上游向山鎮(zhèn)區(qū)排水系統(tǒng)建設(shè)不完善,部分旱季污水雨天直排洋河,沿河生活污水未經(jīng)處理直接或間接排入洋河,影響下游慈湖河水質(zhì)。2)慈湖河是雨源型河流,生態(tài)基流嚴(yán)重匱乏,現(xiàn)狀水源主要是污水處理廠尾水經(jīng)過濕地深度處理后實(shí)施的干流補(bǔ)水;慈湖河支流已建泵閘,雨季防洪排澇導(dǎo)致支流雨天排放污染嚴(yán)重,水質(zhì)惡化明顯。3)慈湖河水系主要建成區(qū)涉及16個(gè)排水片區(qū),據(jù)初步調(diào)查,中心城區(qū)90%以上的分流制管網(wǎng)存在不同程度的混接,雨天初期雨水污染嚴(yán)重。4)慈湖河區(qū)域內(nèi)地下水和雨水進(jìn)入污水管道問題突出,污水處理廠進(jìn)水濃度偏低,其中化學(xué)需氧量(COD)和氨氮平均進(jìn)水濃度僅為78 和5.6 mg/L。慈湖河下游省控?cái)嗝嫠|(zhì)為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類~劣Ⅴ類,水質(zhì)穩(wěn)定改善任務(wù)迫切。
3.城市排水系統(tǒng)提質(zhì)增效技術(shù)研究
3.1 基于網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)的排污口溯源方法
城市水環(huán)境治理的首要措施是識(shí)別和控制污染源,排污口調(diào)查與整治是提高污染物截流能力的基礎(chǔ)性工作,其中水下排污口肉眼無法直接可見,是調(diào)查工作的難點(diǎn)。近年來,我國(guó)各地在排污口排查方面投入較大,水下機(jī)器人、熱成像儀等被運(yùn)用于隱蔽排污口的探測(cè)排查,但操作復(fù)雜,夜間難以實(shí)施。由此,提出基于河流網(wǎng)格化水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)的排污口溯源方法,其特點(diǎn)是水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)不需要水下作業(yè)且可在1 d內(nèi)不同時(shí)段實(shí)施靈活性的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),并與反問題方法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物排放的定量解析,確定排污口調(diào)查的重點(diǎn)河段。網(wǎng)格化水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)與排污口溯源示意如圖1所示,河段斷面濃度計(jì)算公式如下:
式中:C2為第2個(gè)河段斷面污染物濃度,mg/L;C1為第1個(gè)河段斷面污染物濃度,mg/L;Ce2為第2個(gè)河段排污口污染物排放濃度,mg/L;Qe2為第2個(gè)河段排污口排放水量,m3/s;QT2為第2個(gè)河段支流入流水量,m3/s;Q12為第1個(gè)河段出流水量,m3/s;Q23為第2個(gè)河段出流水量,m3/s;V2為第2個(gè)河段的體積,m3。
若采用保守型水質(zhì)指標(biāo)(如氯離子),則不需要考慮污染物在河流中的降解量,可進(jìn)一步簡(jiǎn)化污染物降解參數(shù)K2,相應(yīng)技術(shù)流程如圖2所示。
以慈湖河干流為例,開展基于網(wǎng)格化水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)的污染物溯源解析研究。于2021年9月24—25日(旱天期間),在慈湖河中上游流經(jīng)城區(qū)6.8 km長(zhǎng)的河段(入秀山湖口—橋山路與慈湖河路交叉口)布設(shè)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(1#~7#),對(duì)流速、水位和水質(zhì)(氯化物濃度)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中,流速、水位監(jiān)測(cè)在白天進(jìn)行,每個(gè)點(diǎn)位每天檢測(cè)3次,水質(zhì)指標(biāo)采樣頻次為4 h/次,每個(gè)點(diǎn)位連續(xù)監(jiān)測(cè)24 h。
基于各斷面流量和氯化物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖3),確定7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位每日的氯化物通量分別為4 275、6 710、18 317、30 544、36 440、36 820和41 861 kg/d。計(jì)算以7個(gè)點(diǎn)位劃分的6個(gè)河段氯化物負(fù)荷增加量和流量增加量的比值,結(jié)果表明,6個(gè)河段的氯化物負(fù)荷增量分別為49.1(1#~2#點(diǎn)位)、54.7(2#~3#點(diǎn)位)、85.8(3#~4#點(diǎn)位)、262.0(4#~5#點(diǎn)位)、83.9(5#~6#點(diǎn)位)、92.9 g/m3(6#~7#點(diǎn)位)。其中4#~5#點(diǎn)位之間河段的氯化物負(fù)荷增加遠(yuǎn)高于其他5個(gè)河段,這與高氯化物濃度的污水排放有關(guān),因此可確定4#~5#點(diǎn)位之間為排污口溯源排查的重點(diǎn)河段,而其他河段的氯化物負(fù)荷增加主要與污水處理廠尾水補(bǔ)充有關(guān)。
3.2 雨水管網(wǎng)混接、破損診斷技術(shù)
確定雨水管網(wǎng)混接、破損的具體位置是排水系統(tǒng)提質(zhì)增效的重點(diǎn)。雨水管網(wǎng)水流情況復(fù)雜,受諸多不確定性因素影響,目前閉路電視物理檢測(cè)和定位的方法費(fèi)用昂貴、人力效率低下,且識(shí)別精度較差。因此,基于數(shù)值模型與管網(wǎng)非開挖檢測(cè),建立雨水管網(wǎng)混接、破損反演定位技術(shù),可以低成本、高效率地開展雨水管網(wǎng)混接、破損定位。如何用較簡(jiǎn)單的反演算法與最少的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)精準(zhǔn)定位到混接破損點(diǎn)是本技術(shù)的核心難點(diǎn)。
基于水質(zhì)特征因子構(gòu)建蒙特卡洛-化學(xué)質(zhì)量平衡模型,確定管網(wǎng)污水混接、地下水入滲量,診斷雨水管網(wǎng)總體混接、破損情況。在此基礎(chǔ)上,通過耦合管網(wǎng)水動(dòng)力模型和優(yōu)化算法,構(gòu)建雨水管網(wǎng)混接破損反演優(yōu)化模型,對(duì)節(jié)點(diǎn)流量進(jìn)行解析,實(shí)現(xiàn)問題點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。以慈湖河X排區(qū)為示范區(qū)域,開展雨水管網(wǎng)混接破損精準(zhǔn)定位研究。X排區(qū)是分流制排水體制,市政主干管雨水管道總長(zhǎng)6.61 km,雨水管網(wǎng)覆蓋面積約1.49 km2。在X排區(qū)雨水管網(wǎng)中布設(shè)18個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水位、水質(zhì)(氨氮、總硬度)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)時(shí)間為2020年8月4日08:00—17:00,前期晴天數(shù)為5 d,監(jiān)測(cè)頻次為3 h/次。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況,將X排區(qū)雨水管網(wǎng)劃分為6個(gè)子片區(qū)〔圖4(a)〕,分別采用氨氮、總硬度表征生活污水、地下水,建立水質(zhì)特征因子基準(zhǔn)濃度庫(kù)。根據(jù)管網(wǎng)的入流、出流搭建化學(xué)質(zhì)量平衡模型,采用蒙特卡洛算法計(jì)算雨水管網(wǎng)總體的日平均混接流量及日平均地下水入滲流量〔圖4(b)〕,以判斷雨水管網(wǎng)總體混接、破損情況。雨水管網(wǎng)的不同區(qū)域混接、入滲分布不均勻,其中子片區(qū)2、3是混接、破損的重點(diǎn)區(qū)域,其管網(wǎng)長(zhǎng)度占排區(qū)總長(zhǎng)度的16%,但混接污水量占全排區(qū)污水量的80.7%,地下水入滲量占全排區(qū)入滲量的59.0%。
為進(jìn)一步確定生活污水混接和地下水入滲的具體點(diǎn)位,研究建立耦合管網(wǎng)水動(dòng)力模型和優(yōu)化算法的雨水管網(wǎng)混接破損定位模型?;赬排區(qū)內(nèi)雨水管道、檢查井、截污泵站的基本參數(shù),采用SWMM模型軟件構(gòu)建了X排區(qū)雨水管網(wǎng)水動(dòng)力模型,旱天雨水管網(wǎng)模型的外部入流由污水混接量、地下水入滲量2種類型組成。同時(shí),采用二次開發(fā)模塊PySWMM對(duì)于雨水管網(wǎng)水動(dòng)力模型進(jìn)行控制,在管網(wǎng)總體混接、入滲流量的約束條件下,利用MGA算法對(duì)管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)外部入流量進(jìn)行自動(dòng)分配,并以關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模擬水位與監(jiān)測(cè)水位的均方根誤差為目標(biāo)函數(shù),衡量節(jié)點(diǎn)外部入流量分配方案的優(yōu)劣,直至獲得最小目標(biāo)函數(shù)下的最優(yōu)解,從而實(shí)現(xiàn)混接、破損定位。MGA算法中設(shè)置種群大小為50,迭代代數(shù)為200,交叉率為0.005,整個(gè)自優(yōu)化過程迭代計(jì)算10 000次。
計(jì)算得到管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)混接、入滲流量數(shù)值呈現(xiàn)一定的聚集性規(guī)律,并且形成了特定點(diǎn)位流量聚集區(qū)。依據(jù)流量值的聚集程度,評(píng)估混接、入滲風(fēng)險(xiǎn)并繪制地圖如圖5所示。由圖5(a)可知,模型定位出A1、A2為混接高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,區(qū)域混接總量為397.38 m3/d,約占全管網(wǎng)混接總量的77.8%,節(jié)點(diǎn)的混接水量為6.49~34.13 m3/d,紅、藍(lán)色標(biāo)記節(jié)點(diǎn)為重點(diǎn)混接節(jié)點(diǎn),需要優(yōu)先進(jìn)行混接改造。由圖5(b)可知,B1、C1、D1片區(qū)為定位的地下水入滲高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),區(qū)域地下水入滲總量為587.75 m3/d,約占總管網(wǎng)入滲水量的87.2%,片區(qū)各管段入滲水量為2.06~40.06 m3/d,黃色和深藍(lán)色標(biāo)記管段為重點(diǎn)入滲管段,需要優(yōu)先進(jìn)行管道修復(fù)。
3.3 基于多因素影響的“濃度-體積”優(yōu)化調(diào)蓄設(shè)計(jì)方法
調(diào)蓄池是初期雨水污染控制的有效手段之一,調(diào)蓄池容積設(shè)計(jì)方法主要考慮截留的雨水量。但對(duì)于存在污水混接的雨水系統(tǒng),污染物在管道中旱天累積雨天沖刷,溢流污染嚴(yán)重;而且,排水管網(wǎng)末端排放濃度過程線受降雨特征、前期晴天數(shù)、管道沉積物、混接污水等多因素協(xié)同影響,雨天溢流污染濃度動(dòng)態(tài)變化復(fù)雜,因此僅考慮水量的調(diào)蓄容積設(shè)計(jì)方法不能有效截留高濃度溢流污水。目前我國(guó)部分建有調(diào)蓄池的排水系統(tǒng),雨天仍有高濃度溢流污染排放,河道水質(zhì)雨天頻現(xiàn)黑臭,不利于河道水環(huán)境質(zhì)量改善。另外,城市集聚區(qū)人口多、污染來源復(fù)雜,排水系統(tǒng)初期雨水污染更為嚴(yán)重,且土地資源緊張,調(diào)蓄池設(shè)計(jì)更應(yīng)注重經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。如何基于河道水環(huán)境目標(biāo),提高調(diào)蓄池溢流污染截流效率,結(jié)合污染物濃度優(yōu)化調(diào)蓄池設(shè)計(jì)方法是有效控制溢流污染的難點(diǎn)。
采用SWMM模型構(gòu)建“雨水匯流—管道輸運(yùn)—沉積沖刷”溢流污染模型,建立基于多因素影響的“濃度-體積”優(yōu)化調(diào)蓄設(shè)計(jì)方法,對(duì)傳統(tǒng)調(diào)蓄方法進(jìn)行優(yōu)化,提升調(diào)蓄池的調(diào)蓄效率與效益。首先,建立排水系統(tǒng)的污染負(fù)荷平衡關(guān)系〔式(2)〕,根據(jù)降雨徑流及溢流污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算雨天溢流污染中沉積物事件平均濃度,計(jì)算公式如下:
式中:W1為混接污水的負(fù)荷,kg;W2為雨水徑流流入排水管道的負(fù)荷,kg;W3為地下水入滲的負(fù)荷,kg;W4為管道沉積物的負(fù)荷,kg;W5為排水系統(tǒng)末端雨污混合水污染的負(fù)荷,kg;W6為排水系統(tǒng)截流泵截流的負(fù)荷,kg;W7為調(diào)蓄設(shè)施儲(chǔ)存的負(fù)荷,kg;EMC為雨天溢流污染中沉積物事件平均濃度,mg/L;Q為雨天溢流水量,m3。
其次,基于SWMM模型構(gòu)建“雨水匯流—管道輸運(yùn)—沉積沖刷”溢流污染模型,通過區(qū)域晴天和雨天排水系統(tǒng)末端溢流濃度、降雨徑流濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),率定驗(yàn)證模型參數(shù),提升溢流污染模擬精度。最后,通過設(shè)計(jì)典型降雨,模擬不同前期晴天數(shù)下末端排口水質(zhì)和水量動(dòng)態(tài)過程線。根據(jù)水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)界定最大排放濃度,確定水質(zhì)水量過程線中污染物濃度高于目標(biāo)截流濃度的時(shí)間段(T1~T2),根據(jù)流量過程線在T1~T2積分得到該曲線與時(shí)間軸圍成的面積,即截流水量,從而確定雨水調(diào)蓄池的容積(圖6)。與傳統(tǒng)調(diào)蓄設(shè)計(jì)方法相比,基于多因素影響的“濃度-體積”優(yōu)化調(diào)蓄設(shè)計(jì)方法能夠在同等調(diào)蓄體積下截留高濃度初期雨水,提升調(diào)蓄池污染物去除效率,減少初期雨水對(duì)河道的污染。
基于上述研究方法,以馬鞍山慈湖河片區(qū)XHC排區(qū)為研究區(qū)域,開展雨水調(diào)蓄池的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 。馬鞍山慈湖河XHC排區(qū)為分流制排水體制,匯水面積為2.30 km2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),雨天泵站排放COD、氨氮濃度最高達(dá)77和14.2 mg/L,明顯高于地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。通過模擬不同前期晴天數(shù)下末端雨水排口排放水質(zhì)和水量過程線,確定不同截流濃度閾值下實(shí)時(shí)調(diào)蓄控制對(duì)應(yīng)的調(diào)蓄池體積(圖7)。隨著前期晴天數(shù)的增加,初期沖刷效應(yīng)越強(qiáng),峰值污染物濃度隨之增大,前期晴天數(shù)為3、6和9 d時(shí)對(duì)應(yīng)的COD峰值約為84、104和118 mg/L。當(dāng)截流COD閾值為40 mg/L,前期晴天數(shù)為3、6和9 d時(shí)所對(duì)應(yīng)的調(diào)蓄池體積分別為8 918、9 992和10 438 m3,削減的污染負(fù)荷分別為601.8、790.6和915.0 kg。當(dāng)截流COD固定時(shí),隨前期晴天數(shù)增加,調(diào)蓄池體積增大。此外,參考GB 3838—2002的Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A和一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn),選擇COD分別為40、50和60 mg/L作為截流閾值,當(dāng)前期晴天數(shù)為3 d時(shí),所對(duì)應(yīng)的調(diào)蓄池體積分別為8 918、7 587和6 246 m3。隨著截流COD閾值降低,調(diào)蓄池體積顯著增加,更低的截流閾值對(duì)應(yīng)更大的調(diào)蓄容積。與傳統(tǒng)調(diào)蓄方法相比,相同調(diào)蓄體積下,“濃度-體積”優(yōu)化調(diào)蓄設(shè)計(jì)方法溢流污染截留負(fù)荷得到明顯提升。
3.4 排水系統(tǒng)溢流污染高效控制技術(shù)
合流制排水系統(tǒng)溢流污染是河道雨天污染的重要原因?;炷?絮凝作為一種高效的處理方法,在雨天溢流末端處理中能夠有效削減污染負(fù)荷,但仍存在耗時(shí)長(zhǎng)、占地面積大等問題。因此,提出混凝-絮凝原位處理技術(shù),利用排水管道的管段完成混凝-絮凝過程,實(shí)現(xiàn)溢流污水的高效快速處理。
管道原位混凝-絮凝的基本原理是通過檢查井向管道中投加混凝劑、絮凝劑,進(jìn)行混凝-絮凝反應(yīng),利用管道內(nèi)的空間和水體流動(dòng)產(chǎn)生的水力條件以及沖刷沉積物產(chǎn)生的湍動(dòng)、明滿流交替時(shí)產(chǎn)生的湍動(dòng)等實(shí)現(xiàn)混凝劑、絮凝劑與雨污水的充分反應(yīng),再通過沉降實(shí)現(xiàn)固液分離,完成混凝-絮凝及沉淀過程?;炷?絮凝處理后大量污染物隨污泥沉降至沉淀池底部,上清液則通過水泵泵入河道,從而降低溢流污水中的污染物濃度。降雨過后再將沉淀池污泥收集轉(zhuǎn)運(yùn)至污水處理廠進(jìn)行無害化處理處置。
通過燒杯試驗(yàn)確定混凝-絮凝常用參數(shù)。篩選確定混凝劑選用聚合硫酸鋁(PAS),絮凝劑選用陰離子聚丙烯酰胺(APAM),通過控制變量法確定PAS和APAM的用量、比例及投加方式。試驗(yàn)結(jié)果表明,PAS和APAM先后間隔投加,PAS:APAM取100:1,PAS取40~300 mg/L,APAM取0.4~3 mg/L時(shí),可以得到濁度、總化學(xué)需氧量(TCOD)等污染物的最佳去除效果。TCOD的去除以顆粒態(tài)化學(xué)需氧量(PCOD)為主,溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)去除率較低。上述優(yōu)化條件下,濁度、TCOD、SCOD、PCOD的最高去除率分別為98.5%、93.7%、24.3%和99.7%。研究表明,混凝-絮凝處理雨天溢流污水的機(jī)制主要包括電中和、吸附架橋、卷掃網(wǎng)捕作用,且加藥后體系Zeta電位為-10 mV左右可以達(dá)到污染物最佳去除效果。
利用環(huán)形水槽模擬管道原位混凝-絮凝過程,固定PAS用量為80 mg/L,APAM用量為0.8 mg/L,研究不同參數(shù)對(duì)管道原位混凝-絮凝效果的影響。結(jié)果表明,固定流速為1.13 m/s時(shí),傳輸距離400 m左右可以實(shí)現(xiàn)濁度、TCOD、TP等污染的高效去除,沉淀3 min即可達(dá)到最好的沉降效果(圖8),遠(yuǎn)低于類似研究所需25 min以上的沉淀時(shí)間,主要原因是管道沉積物中的大量顆粒物可以起到負(fù)載物的作用,加快絮體沉降。
對(duì)比不同流速下污染物的去除效果,結(jié)果表明,過低流速(0.51 m/s)下各污染物去除率普遍較低,原因是過低流速下,管道中紊流強(qiáng)度小,藥劑與污水無法實(shí)現(xiàn)充分混合反應(yīng)。中高流速(0.81~1.80 m/s)下污染物去除率保持高值,一是因?yàn)橹懈吡魉傧挛闪鲝?qiáng)度大,藥劑與污水混合反應(yīng)充分;二是因?yàn)樵诠潭▊鬏斁嚯x時(shí),管道流速與混合反應(yīng)時(shí)間成反比,二者能夠效果互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)中高流速范圍內(nèi)污染物的高效去除。
針對(duì)不同污染物濃度的研究發(fā)現(xiàn),濁度、TP、PCOD在低濃度下去除率略低,原因是研究中固定的藥劑用量偏大,低污染物濃度的污水體系發(fā)生電荷反轉(zhuǎn),不易形成絮體沉降被去除;而中高濃度,即濁度為186.3~701 NTU,PCOD為284~884 mg/L,TP濃度為3.42~5.88 mg/L時(shí),污染物去除率均大于95%。
基于上述燒杯試驗(yàn)和環(huán)形水槽模擬試驗(yàn),論證了管道原位混凝-絮凝具有處理雨天溢流污水的可行性。該技術(shù)對(duì)于溢流污染末端控制、水環(huán)境改善具有重要的應(yīng)用價(jià)值和積極意義,駐點(diǎn)團(tuán)隊(duì)目前正在中心城區(qū)排水系統(tǒng)謀劃中對(duì)該技術(shù)進(jìn)行實(shí)證研究和示范應(yīng)用。
4.結(jié)語
長(zhǎng)江中下游城市普遍存在排水系統(tǒng)提質(zhì)增效問題,成為制約城市水環(huán)境長(zhǎng)效改善的關(guān)鍵瓶頸。本研究以長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)馬鞍山駐點(diǎn)城市為案例,在慈湖河水系精準(zhǔn)控源截污和雨天排放污染控制等方面,開展了4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究:1)建立基于網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)的排污口溯源方法,實(shí)現(xiàn)低成本、高效率確定排污口排查的重點(diǎn)河段;2)基于蒙特卡洛-化學(xué)質(zhì)量平衡模型,耦合管網(wǎng)水動(dòng)力模型和優(yōu)化算法,實(shí)現(xiàn)混接和破損點(diǎn)的精準(zhǔn)定位,識(shí)別慈湖河主要排區(qū)雨水管道混接量和地下水入滲量,繪制混接風(fēng)險(xiǎn)和入滲風(fēng)險(xiǎn)地圖;3)綜合考慮降雨特征、前期晴天數(shù)、管道沉積物、混接污水等多因素影響,構(gòu)建“雨水匯流—管道運(yùn)輸—沉積沖刷”溢流污染模型,建立水質(zhì)和水量動(dòng)態(tài)過程線,優(yōu)化調(diào)蓄池設(shè)計(jì),提高污染物的截留負(fù)荷;4)提出并探究了管道原位絮凝的溢流污染高效控制技術(shù)的可行性和主要控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)濁度、COD、TP的高效去除。駐點(diǎn)研究工作為進(jìn)一步提升長(zhǎng)江中下游城市水環(huán)境綜合治理成效提供了科技支撐。