“污水管網(wǎng)系統改造是當前國內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COD濃度比我們國家分流制系統還要高， 甚至在新建區域？有沒(méi)有簡(jiǎn)單的計算公式，能夠較快估算出下水道系統中的外來(lái)水、污水量及污水管網(wǎng)內COD濃度和溢流負荷，并可以應用在投資和效益分析，從而為項目規劃提供支持？”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（國家水管理機構）前首席專(zhuān)家曹業(yè)始博士在“2021（第十三屆）上海水業(yè)熱點(diǎn)論壇”上先談了進(jìn)行這項研究的動(dòng)機。

　　論壇上，曹博士以西、北歐一些城市污水管網(wǎng)系統和污水處理廠(chǎng)為例，比較國內和歐洲國家污水管網(wǎng)外來(lái)水入侵等情況，并分析了造成國內污水濃度偏低的因素,提出了估算公式。在詳實(shí)的數據分析基礎上，進(jìn)一步提出污水管網(wǎng)系統質(zhì)量平衡概念模型并討論模擬的結果。提出了改造當前國內下水道系統需要綜合考慮的四個(gè)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(gè)因素

　　影響污水管網(wǎng)性能和效率的四個(gè)主要因素：1. 外來(lái)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(lái)水。由滲透水、流入水、雨水組成的外來(lái)水。2.污水廠(chǎng)的處理能力。處理量相對應于國內的截流系數，國內一般設置值為1.2, 即處理量是收集的污水的1.2倍 (最新指導文件將該系數擴大到1.5)。3.用水效率, 4. 污水收集率。

　　下水道系統：邊界和因素

　　下圖將供水和污水關(guān)聯(lián)起來(lái)，供水方面有包括家庭、公共、工業(yè)三類(lèi)水組成的綜合用水使用后進(jìn)入到污水管網(wǎng)，綜合用水量數據可以從城市的水務(wù)局和年鑒中查詢(xún)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(chǎng)處理，另一股從下水道溢出的污水排入水環(huán)境。

　　本文的討論為國內的一線(xiàn)城市，這類(lèi)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(gè)人污染物的日排放負荷作為計算基準，如個(gè)人COD日產(chǎn)生量120g/人/天，個(gè)人綜合用水量(SCWC, 升/人/天)可以采用年度統計數值，從這些數據可以使用下面等式估算出外來(lái)水量(SQi/i)升/人/天、溢流污水量(SQE)升/人/天。

　　外來(lái)水占比、稀釋倍數和管內污水流量提供估算方法

　　外來(lái)水占比定義為：外來(lái)水/(外來(lái)水+收集的污水)。稀釋倍數 (DF)定義為：管網(wǎng)內污水/收集污水(供水) ，如果DF為1，就表明沒(méi)有外水進(jìn)來(lái)，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(gè)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(lái)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能夠達到最大濃度。

　　由于用污水廠(chǎng)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。

　　在得出稀釋倍數后，用稀釋倍數乘以綜合用水量（SCWC），即得出個(gè)人管內污水流量SRW (升 /人/天)，公式為SRW=SCWC·DF。隨后既可以得出個(gè)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(lái)水占比或稀釋倍數并不意味著(zhù)相同數量的外來(lái)水量。

　　污水(污水處理廠(chǎng)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(gè)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，前者與綜合用水效率有關(guān)，而后者與外來(lái)水(或管網(wǎng)滲漏)有關(guān)。

　　在下表中，選取了西歐和國內七個(gè)案例，管網(wǎng)中公開(kāi)文獻中與水有關(guān)的數據，用公式進(jìn)行計算，得出計算值與報告數據相當接近，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)數據

　　用水效率是國內污水低濃度不可忽視的因素相之一

　　下圖匯集了來(lái)自西、北歐一些國家和城市與中國北京及另外兩個(gè)一線(xiàn)城市污水稀釋相關(guān)的文獻數據。從西、北歐地區城市的數據綜合來(lái)看，平均稀釋倍數大約達到2倍，也就是供水與外來(lái)水的比例為1:1。

　　報告人強調，這些數據表明，合流制系統外來(lái)水量占到管網(wǎng)內污水量50%或以上，意味外來(lái)水量(Qi/i)和收集污水量(CWC)相當甚至更多；對分流制系統，外來(lái)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(shí)可以看到，北京的外來(lái)水比例基本與德國北部處在一個(gè)水平上，表明我們可以做好下水道管理. 以上可見(jiàn)，污水管道泄漏是一個(gè)世界性的問(wèn)題, 而從數值上面看, 國內下水道外來(lái)水稀釋倍數和占比與西、北歐似乎差別不大。

　　但是依據綜合用水量和稀釋倍數和占比計算外來(lái)水的體積時(shí), 如下圖示, 對應相同的外來(lái)水占比或稀釋倍數，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）的國內城市，前者部分區域外來(lái)水量可以是后者部分區域的約50%。

　　相似的占比或稀釋倍數范圍內，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），遠高于當前許多國內污水管道系統里的COD濃度。

編輯：王媛媛

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

　　污水管網(wǎng)系統質(zhì)量流和平衡概念模型

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

　　污水管網(wǎng)水力和污染物質(zhì)量流與平衡簡(jiǎn)化模型

　　模型描述了五個(gè)不同的的場(chǎng)景，展示外來(lái)水入侵和含外來(lái)水混合污水的處理(污水處理廠(chǎng)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(gè)場(chǎng)景中，三個(gè)德國案例，兩個(gè)中國案例為長(cháng)三角和珠三角兩個(gè)污水收集率均為85%的城市。對五個(gè)場(chǎng)景模型計算結果詳見(jiàn)下表。

　　五種不同場(chǎng)景下模型參數、輸入數據和計算污水COD濃度及溢流負荷

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

　　從中國兩個(gè)城市數據上看，珠三角地區的報告COD濃度為164mg/L，低于長(cháng)三角地區的272 mg/L，而數據顯示珠三角城市溢流到水環(huán)境中COD負荷卻少于長(cháng)三角地區城市。因此報告人指出，從整個(gè)流域范圍考慮管網(wǎng)改造問(wèn)題時(shí)，我們不能僅僅將管網(wǎng)中的COD濃度看做是唯一的指標，也要同時(shí)考慮流入水環(huán)境溢流負荷。

　　基于計算結果，報告人做了六點(diǎn)總結：

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

　　2、     德國合流制系統例子和長(cháng)、珠三角城市例子說(shuō)明, 偏小污水處理廠(chǎng)處理負荷將導致溢流排放增加。

　　3、     德國北部和新加坡、北京例子說(shuō)明, 用水效率是影響管網(wǎng)污水濃度的另一個(gè)重要因素, 尤其是外來(lái)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)境排放負荷存在明顯關(guān)系, 低收集率意味著(zhù)高溢出率。

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

　　6、     各地情況不同, 四個(gè)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(dòng)。

　　污水處理廠(chǎng)如何應對外來(lái)水？

　　下圖顯示了蘇黎世Werdh?lzli污水處理廠(chǎng)雨季一周（2018年8月25至31日）運行情況，水力負荷變化幾乎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(wú)溢流發(fā)生。國內不少城鎮污水處理廠(chǎng)活性污泥工藝SRT 和HRT設計偏于保守，基于設計安全系數，現有相當部分生化處理單元應能夠接受并處理外來(lái)水和雨季進(jìn)水額外負荷，面臨主要挑戰是那些以水力負荷為設計依據的單元(主要是物理和化學(xué)處理單元)。為此，需要對現有污水處理廠(chǎng)的相關(guān)單元、設施和設備能力和運營(yíng)數據進(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(shí)，應充分利用調蓄池和污水管網(wǎng)系統(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(chǎng)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)氮及調蓄池水位在線(xiàn)測量數據

　　使用四個(gè)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，假設綜合用水量(Q)為260 L/(人·天)，管內污水COD為150 mg/L，計算出CODMAX約為460 mg/L，稀釋倍數(DF)約為3，當污水廠(chǎng)處理設計的截流系數為1.2Q, 溢流污染物量就達到了1.8Q 。 顯然這是不合適的,或許有多個(gè)方案可以解決以上現狀，如：進(jìn)行修復下水道增加COD濃度、增加現有污水處理廠(chǎng)容量、提高下水道收集率、水利用效率等等，需要對這些方案導致的結果、需要的投資、項目的執行時(shí)間等等諸多因素進(jìn)行多方面的比較與考量。如果調整污水廠(chǎng)的處理量，大的處理量帶來(lái)的是低溢流量，同時(shí)擴大處理量需要投資，以及可能造成較多的外來(lái)水侵入。而如果提高管內污水COD濃度, 帶來(lái)的是可以降低污水廠(chǎng)成本以及控制外來(lái)水,但需要進(jìn)行下水道修復投資。因此報告人提出，在規劃過(guò)程中能不能找出一個(gè)COD閾值，體現綜合協(xié)調各方面的考量？同時(shí)他也指出，在當前污水處理廠(chǎng)或者水體治理項目投資規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(cháng)期規劃是必不可少的。

　　最后，報告人總結以下四點(diǎn)：

編輯：王媛媛