平原河網地區排水管網提質增效案例
平原河網密集區域大量外水入滲導致污水處理廠進水濃度低、收水量超負荷問題時常發生，排水系統入滲問題嚴重且亟待解決。以某污水服務片區為例，前期通過水質平衡定性水質異常原因，以主管表征點水質作為溯源依據，對關鍵節點水質/水量分析，準確定位重點問題片區，排查共發現影響水質濃度問題120處，對較嚴重問題點修復后，管網液位整體下降，污水處理廠進水COD濃度穩定提升至250 mg/L水平，對比污水處理廠處理量“擠外水”率達到40.6%。
1 項目概況
某污水處理廠位于太湖流域內，降雨充沛，水系發達湖蕩眾多，河道儲水量大。污水處理廠近期建設0.5萬m3/d，負責收集處理約3.68km2居民生活污水，服務片區包括：污水管網75 km，提升泵站1座，小區40余個，其中市政干管16km、小區支管59km，規劃設計為雨污分流排水體制。該區域地下水豐富且水位偏高，河道景觀水位常年高水位，由于小區雨污水分流不徹底、錯接混接問題較多、檢查井及管網年久失修等問題，導致外水入滲嚴重，管網長期保持高液位運行，污水處理廠進水水質濃度偏淡。
2“一廠一策”管網提質增效思路
2.1 排水系統現狀評估
夜間最小流量法、用水量折算和污染物平衡計算法是排水系統中較為常用的三種評估方法，由于水質、水量及河道等因素均為動態變化值，不同評估結果只可作為提質增效的本底數據作參考。
（1）夜間最小流量評估法。在某連續晴天選取進廠前市政窨井作為監測點，通過安裝流量計進行液位、流量及瞬時流速監測，選取最具有特征性流量曲線進行分析。
ALKASE在研究馬來西亞小區用水規律時確定夜間最小流量為3：00~3:30時間段，陸塵宇在測定深圳居民用水曲線時認為4：00是該地區最小用水時間。根據監測流量曲線來看瞬時流量的高峰基本與用水量高峰一致，但夜間自來水售水量較少的情況下仍有較大流量水流，考慮不同地域用水習慣略有偏差，但大致最小夜間流量時間段基本一致，選取1:00~4:00的時間段內979m3作為外水入滲量，通過連續監測該區域日均流量為179.7m3/h，日監測流量為4313.3 m3，當日污水處理廠處理量為4246 m3（核算監測與統計誤差，數據基本一致），選用最小夜間流量法計算外水入滲量為22.7%，見圖1。
（2）用水量折算法。污水處理廠收水片區約3.68 km2，常住人口約2.7萬人，年日均售水量約3 100 m3/d，污水處理量約4 200 m3/d，按照售水量與污水收水平衡計算（自來水產污系數按0.85折算）外水入滲量為1 565 m3/d，入滲量為37.26%。
（3）污染物濃度平衡評估法。采用污染物特征因子法估算外水入滲量，污水處理廠進廠BOD5濃度與排水戶出口BOD5濃度之差主要由外水入滲導致，通過式（1）定量計算入滲量：
式中 C污水處理廠——污水處理廠進水BOD濃度，取全年平均值30 mg/L;
Q污水處理廠——污水處理廠進水水量，取全年平均值4 200 m3/d；
C出戶——排水戶出戶BOD數據參照《第二次全國污染源普查-生活污染源產排系數手冊》中平均值118 mg/L。
經估算該排水系統日均外水入滲量約3 132 m3/d，入滲率超過74.5%。考慮該區域管網常時間高水位運行，容易造成外水入滲充滿管網而污水無法進入情況，三種評估結果差異較大，但綜合幾種外水入滲量評估結果來看，該片區外水入滲問題十分嚴重亟待解決。
2.2 溯源排查思路及問題摸底
2.2.1 沿線水質濃度情況調查
地下水入滲和河道水倒灌是主要異常來水類型，混接錯接、檢查井接口滲漏和管網破裂是雨污分流排水系統中外水入滲的主要方式。以“快速提高水質濃度、減少外水進入”為提質增效目標，針對75 km管網展開初步排查和系統性排查，排查手段包括人工快速查混接錯接、CCTV/QV等機器人設備系統性排查管網破損導致的外水入滲點。
梳理管網拓撲關系，確定市政主干管通過3條主水路進入污水處理廠內，因此將排水區域劃3個排查區塊，以污水處理廠為起點沿3條主干管為路徑向上溯源至排水小區，以排水小區為節點沿小區支管為路徑追蹤至住宅排水戶。對市政主干管關鍵節點進行水質檢測，形成水質低濃度重點排查區域；并將小區污水井與市政主干管的接口處上一口污水井作為主要觀測對象，從而確定異常排水小區，見圖2。
晴天對沿線主干管布置8處水質監測點，以8#作為A片區水質表征點、2#作為B片區水質表征點、7#作為C片區水質表征點，對COD和NH3-N等指標進行檢測。除污水處理廠進水COD濃度常年100mg/L外，B、C片區收水濃度較低，且B片區收水量占污水處理廠收水量的60%以上，通過對B片區沿線主干管分析，發現水質濃度由上游至下游呈現逐級遞減趨勢，至B片區末端后COD濃度僅有89mg/L，見圖3，對此將B、C片區作為重點排查問題區域，并在此基礎上展開溯源。
2.2.2 河道及降雨與管網濃度協同變化規律
平原河網地區外水入滲的主要兩個因素是降雨及區域河道液位。根據近一年來管網水質污染物濃度、區域附近河道液位（2020年10月前河道液位數據缺失）及月降雨量數據，發現河道液位與月降雨量基本成正相關趨勢；2021年3月以后經過查修后，管網水質濃度基本穩定在200mg/L，見圖4，受降雨及河道液位變化影響，管網水質濃度開始出現波動，變化趨勢基本與河道液位及降雨呈負相關，管網水質濃度與降雨、液位變化規律與前期文獻研究結論基本一致，但該結論還需更多數據進行支撐。
2.3 管網提質增效經驗探討
2.3.1 外水入流入滲控制
管道入流入滲是排水系統提質增效不可忽視的問題，入流是通過不同源進入收集系統的雨水，如屋頂、集水池、人孔蓋、雨水管道錯接和地表徑流等。入流是通過管網坍塌處、檢查井破損處和管網破裂而滲入到污水管網中的外水，入滲作為造成管網水量波動的主要原因，其外水占比率可達到70%~80%。入流入滲一方面會導致管道堵塞壅水，另一方面也會增加運城成本費用的增加，當管網流量超出管網容量便會產生溢流問題，造成環境污染。
以此案例進行討論，地下水入滲和混接錯接是此片區入滲的主要原因。地下水入滲主要體現在檢查井井壁、管道接口破裂處和管道破裂、滲漏缺陷中，該案例此類問題共計75處，作為重點修復內容；分流制排水體制中，雨污混接后不僅會出現污水入河問題，當河道液位沒過排口時便會產生倒灌，河道通過混接點倒灌進入污水系統，不僅增加污水系統處理負荷還會出現管網污染物濃度稀釋問題。
2.3.2 管道排查及成果分析
排查分為兩階段排查，第一階段為快速粗查，主要找到混接及檢查井滲漏問題，常采用人工開井判斷QV設備輔助；第二階段為系統性排查，主要對管道內部存在功能性、結構性缺陷進行缺陷一張圖統計工作，常采用CCTV等機械設備。
該案例對75km污水管網初步排查共發現問題80處，檢查井滲漏和混接錯接問題為主，約56.3%的問題在小區支管上，見表1。排查中發現檢查井滲漏多為井壁滲漏，其次由于施工質量及區域地下水位高和土壤流沙層結構等影響，檢查井接口和井底板滲漏問題也較多。
通過CCTV、QV和水下機器人等設備進行“三同步”系統查，旨在發現所有影響水質的問題。排查以市政、小區和企事業單位同步查，雨水污水同步查，陽臺立管和預處理措施等設備同步查，查清后對于影響水質濃度問題的結構性缺陷（如滲漏、破損）立即修復，功能性缺陷及其他低等級結構性缺陷形成缺陷臺賬進行分批修復。系統性排查共發現缺陷384處，其中三級及以上缺陷超過66.4%，影響水質濃度的滲漏性缺陷40處，其中小區管道滲漏占比72.5%（見表2）。
2.3.3 管道修復探討
管道修復包括開挖修復與非開挖修復兩種，非開挖修復憑借施工周期短、道路占用率低和工程造價低等優勢逐步替代開挖修復，如熱塑成型技術、紫外光固化技術、原位固化和注漿等修復技術等。該案例通過排查共發現問題464處，其中80處檢查井滲漏、混接錯接和40處管道破裂、滲漏缺陷作為即查即改主要修復內容，其他功能性缺陷在排查過程中通過清淤等養護手段解決，剩余管道功能性缺陷問題作為下階段修復工作內容，見圖5~圖8。
結合平原河網地區地下水豐富特性制定修復原則：
非開挖修復為主，非特嚴重坍塌不采取開挖；
檢查井和管網修復前須進行注漿預處理；
對于破裂、滲漏缺陷優先選擇局部修復，當同一管道出現缺陷超過4處，采取整體修復工藝。
3 管網提質增效成果
經過6個月的全面排查修復，污水處理廠管網提質增效效果顯著，主要體現在“擠外水”和“進水水質濃度”上。2018年以來污水處理廠進水COD濃度常年低于100mg/L，經過初步排查對大的混接錯接點封堵后，COD濃度開始上升至107mg/L，系統性排查對40處管道滲漏點修復后，水質濃度逐步提升并接近200mg/L。
2021年3月份開始，大的滲漏點和混接錯接點基本處理后，通過泵站啟停液位控制降低管網液位，保證大部分檢查井可見流槽，進水水質濃度也穩定增加到250mg/L。對比排查前后污水處理廠進水COD濃度增加了180mg/L；污水處理廠總處理量由4 293m3/d減少至2 550m3/d，“擠外水”率達到40.6%，對比前期3種入滲評估結論來看，夜間最小流量法與用水量折算法評估較為保守，見圖9。
結 語
（1）平原河網地區生活污水處理提質增效不僅要深化廠內工藝段改良，更應關注管網的提質增效。管網排查要有明確的思路，并以結果為導向展開，大規模鋪開式的清淤檢測會花費大量人力物力和時間，管網排查的側重點不僅僅在管道內，檢查井缺陷也是影響排水系統的重要因素。總結此案例經驗，我們發現通過主干管水質表征點可以快速定位水質異常區域，可幫助排查快速發現問題。
（2）平原河網地區排水系統入滲量受降雨和地下水位影響較大，常用幾種評估方法可對入滲嚴重程度定性，某一時間節點的水量評估只代表該運行環境下的入滲量且未考慮入流情況，未來如何協同控制廠站網液位、實時定量分析入流入滲量將會下一步工作方向。
（3）此案例污水處理廠投入運行時間不超過10年，部分支管檢查井及管材建設年限不超過5年，經“兩階段”發現問題共計464處，平均8.14處/km，可見加強管網建設質量的管控十分必要。排查中如何查出快速缺陷，查到的缺陷如何修復是管網提質增效的關鍵。
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