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平原河网地区排水管网提质增效案例

   日期:2022-06-01     来源:给水排水    

平原河网密集区域大量外水入渗导致污水处理厂进水浓度低、收水量超负荷问题时常发生,排水系统入渗问题严重且亟待解决。以某污水服务片区为例,前期通过水质平衡定性水质异常原因,以主管表征点水质作为溯源依据,对关键节点水质/水量分析,准确定位重点问题片区,排查共发现影响水质浓度问题120处,对较严重问题点修复后,管网液位整体下降,污水处理厂进水COD浓度稳定提升至250 mg/L水平,对比污水处理厂处理量“挤外水”率达到40.6%。

1 项目概况

某污水处理厂位于太湖流域内,降雨充沛,水系发达湖荡众多,河道储水量大。污水处理厂近期建设0.5万m³/d,负责收集处理约3.68km²居民生活污水,服务片区包括:污水管网75 km,提升泵站1座,小区40余个,其中市政干管16km、小区支管59km,规划设计为雨污分流排水体制。该区域地下水丰富且水位偏高,河道景观水位常年高水位,由于小区雨污水分流不彻底、错接混接问题较多、检查井及管网年久失修等问题,导致外水入渗严重,管网长期保持高液位运行,污水处理厂进水水质浓度偏淡。

2“一厂一策”管网提质增效思路

2.1 排水系统现状评估

夜间最小流量法、用水量折算和污染物平衡计算法是排水系统中较为常用的三种评估方法,由于水质、水量及河道等因素均为动态变化值,不同评估结果只可作为提质增效的本底数据作参考。

(1)夜间最小流量评估法。在某连续晴天选取进厂前市政窨井作为监测点,通过安装流量计进行液位、流量及瞬时流速监测,选取最具有特征性流量曲线进行分析。

ALKASE在研究马来西亚小区用水规律时确定夜间最小流量为3:00~3:30时间段,陆尘宇在测定深圳居民用水曲线时认为4:00是该地区最小用水时间。根据监测流量曲线来看瞬时流量的高峰基本与用水量高峰一致,但夜间自来水售水量较少的情况下仍有较大流量水流,考虑不同地域用水习惯略有偏差,但大致最小夜间流量时间段基本一致,选取1:00~4:00的时间段内979m³作为外水入渗量,通过连续监测该区域日均流量为179.7m³/h,日监测流量为4313.3 m³,当日污水处理厂处理量为4246 m³(核算监测与统计误差,数据基本一致),选用最小夜间流量法计算外水入渗量为22.7%,见图1。


(2)用水量折算法。污水处理厂收水片区约3.68 km²,常住人口约2.7万人,年日均售水量约3 100 m³/d,污水处理量约4 200 m³/d,按照售水量与污水收水平衡计算(自来水产污系数按0.85折算)外水入渗量为1 565 m³/d,入渗量为37.26%。

(3)污染物浓度平衡评估法。采用污染物特征因子法估算外水入渗量,污水处理厂进厂BOD5浓度与排水户出口BOD5浓度之差主要由外水入渗导致,通过式(1)定量计算入渗量:


式中 C污水处理厂——污水处理厂进水BOD浓度,取全年平均值30 mg/L;

Q污水处理厂——污水处理厂进水水量,取全年平均值4 200 m³/d;

C出户——排水户出户BOD数据参照《第二次全国污染源普查-生活污染源产排系数手册》中平均值118 mg/L。

经估算该排水系统日均外水入渗量约3 132 m³/d,入渗率超过74.5%。考虑该区域管网常时间高水位运行,容易造成外水入渗充满管网而污水无法进入情况,三种评估结果差异较大,但综合几种外水入渗量评估结果来看,该片区外水入渗问题十分严重亟待解决。

2.2 溯源排查思路及问题摸底

2.2.1 沿线水质浓度情况调查

地下水入渗和河道水倒灌是主要异常来水类型,混接错接、检查井接口渗漏和管网破裂是雨污分流排水系统中外水入渗的主要方式。以“快速提高水质浓度、减少外水进入”为提质增效目标,针对75 km管网展开初步排查和系统性排查,排查手段包括人工快速查混接错接、CCTV/QV等机器人设备系统性排查管网破损导致的外水入渗点。

梳理管网拓扑关系,确定市政主干管通过3条主水路进入污水处理厂内,因此将排水区域划3个排查区块,以污水处理厂为起点沿3条主干管为路径向上溯源至排水小区,以排水小区为节点沿小区支管为路径追踪至住宅排水户。对市政主干管关键节点进行水质检测,形成水质低浓度重点排查区域;并将小区污水井与市政主干管的接口处上一口污水井作为主要观测对象,从而确定异常排水小区,见图2。


晴天对沿线主干管布置8处水质监测点,以8#作为A片区水质表征点、2#作为B片区水质表征点、7#作为C片区水质表征点,对COD和NH3-N等指标进行检测。除污水处理厂进水COD浓度常年100mg/L外,B、C片区收水浓度较低,且B片区收水量占污水处理厂收水量的60%以上,通过对B片区沿线主干管分析,发现水质浓度由上游至下游呈现逐级递减趋势,至B片区末端后COD浓度仅有89mg/L,见图3,对此将B、C片区作为重点排查问题区域,并在此基础上展开溯源。


2.2.2 河道及降雨与管网浓度协同变化规律

平原河网地区外水入渗的主要两个因素是降雨及区域河道液位。根据近一年来管网水质污染物浓度、区域附近河道液位(2020年10月前河道液位数据缺失)及月降雨量数据,发现河道液位与月降雨量基本成正相关趋势;2021年3月以后经过查修后,管网水质浓度基本稳定在200mg/L,见图4,受降雨及河道液位变化影响,管网水质浓度开始出现波动,变化趋势基本与河道液位及降雨呈负相关,管网水质浓度与降雨、液位变化规律与前期文献研究结论基本一致,但该结论还需更多数据进行支撑。


2.3 管网提质增效经验探讨

2.3.1 外水入流入渗控制

管道入流入渗是排水系统提质增效不可忽视的问题,入流是通过不同源进入收集系统的雨水,如屋顶、集水池、人孔盖、雨水管道错接和地表径流等。入流是通过管网坍塌处、检查井破损处和管网破裂而渗入到污水管网中的外水,入渗作为造成管网水量波动的主要原因,其外水占比率可达到70%~80%。入流入渗一方面会导致管道堵塞壅水,另一方面也会增加运城成本费用的增加,当管网流量超出管网容量便会产生溢流问题,造成环境污染。

以此案例进行讨论,地下水入渗和混接错接是此片区入渗的主要原因。地下水入渗主要体现在检查井井壁、管道接口破裂处和管道破裂、渗漏缺陷中,该案例此类问题共计75处,作为重点修复内容;分流制排水体制中,雨污混接后不仅会出现污水入河问题,当河道液位没过排口时便会产生倒灌,河道通过混接点倒灌进入污水系统,不仅增加污水系统处理负荷还会出现管网污染物浓度稀释问题。

2.3.2 管道排查及成果分析

排查分为两阶段排查,第一阶段为快速粗查,主要找到混接及检查井渗漏问题,常采用人工开井判断QV设备辅助;第二阶段为系统性排查,主要对管道内部存在功能性、结构性缺陷进行缺陷一张图统计工作,常采用CCTV等机械设备。

该案例对75km污水管网初步排查共发现问题80处,检查井渗漏和混接错接问题为主,约56.3%的问题在小区支管上,见表1。排查中发现检查井渗漏多为井壁渗漏,其次由于施工质量及区域地下水位高和土壤流沙层结构等影响,检查井接口和井底板渗漏问题也较多。


通过CCTV、QV和水下机器人等设备进行“三同步”系统查,旨在发现所有影响水质的问题。排查以市政、小区和企事业单位同步查,雨水污水同步查,阳台立管和预处理措施等设备同步查,查清后对于影响水质浓度问题的结构性缺陷(如渗漏、破损)立即修复,功能性缺陷及其他低等级结构性缺陷形成缺陷台账进行分批修复。系统性排查共发现缺陷384处,其中三级及以上缺陷超过66.4%,影响水质浓度的渗漏性缺陷40处,其中小区管道渗漏占比72.5%(见表2)。


2.3.3 管道修复探讨

管道修复包括开挖修复与非开挖修复两种,非开挖修复凭借施工周期短、道路占用率低和工程造价低等优势逐步替代开挖修复,如热塑成型技术、紫外光固化技术、原位固化和注浆等修复技术等。该案例通过排查共发现问题464处,其中80处检查井渗漏、混接错接和40处管道破裂、渗漏缺陷作为即查即改主要修复内容,其他功能性缺陷在排查过程中通过清淤等养护手段解决,剩余管道功能性缺陷问题作为下阶段修复工作内容,见图5~图8。

结合平原河网地区地下水丰富特性制定修复原则:

  • 非开挖修复为主,非特严重坍塌不采取开挖;

  • 检查井和管网修复前须进行注浆预处理;

  • 对于破裂、渗漏缺陷优先选择局部修复,当同一管道出现缺陷超过4处,采取整体修复工艺。

3 管网提质增效成果

经过6个月的全面排查修复,污水处理厂管网提质增效效果显著,主要体现在“挤外水”和“进水水质浓度”上。2018年以来污水处理厂进水COD浓度常年低于100mg/L,经过初步排查对大的混接错接点封堵后,COD浓度开始上升至107mg/L,系统性排查对40处管道渗漏点修复后,水质浓度逐步提升并接近200mg/L。

2021年3月份开始,大的渗漏点和混接错接点基本处理后,通过泵站启停液位控制降低管网液位,保证大部分检查井可见流槽,进水水质浓度也稳定增加到250mg/L。对比排查前后污水处理厂进水COD浓度增加了180mg/L;污水处理厂总处理量由4 293m³/d减少至2 550m³/d,“挤外水”率达到40.6%,对比前期3种入渗评估结论来看,夜间最小流量法与用水量折算法评估较为保守,见图9。


结 语

(1)平原河网地区生活污水处理提质增效不仅要深化厂内工艺段改良,更应关注管网的提质增效。管网排查要有明确的思路,并以结果为导向展开,大规模铺开式的清淤检测会花费大量人力物力和时间,管网排查的侧重点不仅仅在管道内,检查井缺陷也是影响排水系统的重要因素。总结此案例经验,我们发现通过主干管水质表征点可以快速定位水质异常区域,可帮助排查快速发现问题。

(2)平原河网地区排水系统入渗量受降雨和地下水位影响较大,常用几种评估方法可对入渗严重程度定性,某一时间节点的水量评估只代表该运行环境下的入渗量且未考虑入流情况,未来如何协同控制厂站网液位、实时定量分析入流入渗量将会下一步工作方向。

(3)此案例污水处理厂投入运行时间不超过10年,部分支管检查井及管材建设年限不超过5年,经“两阶段”发现问题共计464处,平均8.14处/km,可见加强管网建设质量的管控十分必要。排查中如何查出快速缺陷,查到的缺陷如何修复是管网提质增效的关键。


 
 
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