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      中國給水排水2021年中國污水處理廠提標改造(污水處理提質增效)高級研討會 (第五屆)邀請函暨征稿啟事
       
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      世界性難題:污水管網外水入侵的歐洲經驗與中國現狀 來源:給水排水 作者:曹業始等

      放大字體  縮小字體 發布日期:2021-08-19  瀏覽次數:96
      核心提示:世界性難題:污水管網外水入侵的歐洲經驗與中國現狀 來源:給水排水 作者:曹業始等
      中國給水排水2021年中國排水管網大會(水環境綜合治理)邀請函(污水千人大會同期會議)

      中國給水排水2021年中國污水處理廠提標改造(污水處理提質增效)高級研討會
       














      世界性難題:污水管網外水入侵的歐洲經驗與中國現狀

        來源:給水排水  作者:曹業始等  
        關鍵詞:污水管網 污水收集 污水處理廠
       
       
       

       影響污水管網性能和效率的四個因素:外來水入侵、管網里含外來水混合污水的處理量(污水處理廠的處理能力)、城市用水效率、污水收集率。以維也納和蘇黎世合流式污水管網系統和污水處理廠為例,比較國內和一些歐洲國家在污水管網外來水入侵等情況,分析了造成國內污水濃度偏低的因素, 提出了估算公式。在此基礎上,進一步提出污水管網系統質量平衡概念模型及相關建議。

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      1 歐洲國家的相關數據

      維也納和蘇黎世的污水管網系統覆蓋97%以上市區,均以合流制為主。維也納主污水處理廠(VMWWTP)和蘇黎世Werdhölzli 污水處理廠分別是奧地利和瑞士最大的污水處理廠。表1給出了兩座城市各自污水管網和污水處理廠的主要設計和運行參數。維也納和蘇黎世兩個污水管網的外來水約為各自污水管網內污水量的36%和48%(見表2),合流制管網溢流(CSO)化學需氧量(COD)負荷約為各自污水負荷的7%和3%。維也納污水干管的坡度為0.4%。在旱季高峰水量運行時,截流干管內污水流速可達1 m/s,防止污水中固體在管網內輸送過程中的沉積。

      VMWWTP的進水設計濃度為: COD 750 mg/L、TN 60 mg/L、TP 9 mg/L,實際運行能力約為設計值的75%。Werdhölzli污水處理廠2019年進水平均濃度為:COD 400 mg/L、TN 33 mg/L、TP 4 mg/L。兩座污水處理廠的出水水質控制標準相同: COD<30 mg/L、TN<10 mg/L、TP<1 mg/L。兩座污水處理廠在能量回收方面工作都卓有成效。VMWWTP新建的厭氧消化池自2021年初開始滿負荷運行,可以實現電力和熱能自給。Werdhölzli污水處理廠除了在更早時候實現了電力和熱能自給,其污泥干燥和焚燒廠也實現了電力和熱能自給。

      一般來說,相對于合流制,分流制管網具有污水和溢流量少及管網內污染物濃度高等優點,因而在新開發和一些改造提升區域獲得較多應用,盡管投資費用很大, 特別是在大城市及人口稠密的老城區。在德國,合流制系統服務的人口占比從1983年的71.2%降低到2004年的58.3%。截至2019年,北部區域分流制系統占到約90%, 并顯示出色性能。在丹麥,截至2017年,分流制系統占比約68%,芬蘭分流制系統占比達73%。然而,需要指出的是,分流制管網也存在外來水和雨季溢流 (SSO)問題。一些調查表明,分流制系統在對營養物控制方面優于合流制系統,但后者在重金屬和COD的控制上則優于前者。在德國,分流制管網調蓄池容積比合流管網調蓄池容積大,雨季污水處理廠通常需要考慮盡可能對管網內污水輸送至污水處理廠進行全過程處理或對超量污水進行化學一級(強化)處理后排放。荷蘭經驗是,在連接分流制管網管道中, 5%的錯接是難以避免的,而降雨時分流制管網系統溢流污染負荷與合流制系統實際上是同一的數量級。因此,在荷蘭,將初雨引入污水管道系統或調蓄池的措施同時用于合流制系統和分流制系統。

      2 管網外來水量計算

      城市污水主要由如下兩部分組成:①城市供水使用后產生的污水 (used water);②外來水 (或寄生水) 。按照用水類別,第一部分污水來源為:a家庭生活用水;b行政/機構設施用水(或稱公共建筑用水);c工業用水。其中a和b相加稱之為公共用水 (PWC)。公共用水與c相加稱之為綜合用水 (CWC)。

      外來水由兩部分組成: 入滲水和入流水。在污水管網系統中(合流或分流系統),入滲水是指地下水、地表水(河道)或城市供水系統滲漏通過老舊管道的侵入污水系統的水。入流水是指雨水、河水和山泉水通過管網錯接點或者破損部位進入污水系統的水。影響外來水量的因素是多方面的,包括: 地下水位、城區河道水位、水文特性、土壤特征和降雨(降雨量和強度)及污水管道的施工質量、結構性狀況等。污水管網內污水(混合污水,RW)為收集污水和外來水之和。外來水經常被視為清潔水,外來水的侵入,降低了污水管網內混合污水的濃度。為了數據收集的便利和對比國內外案例,在后續論述中將用單位”人日均”為基礎來表征相關參數。

      外來水量對污水管網內混合污水(RW) 量比被稱為外來水占比值,混合污水對收集污水(CS)比值被稱為稀釋倍數(DF), 兩者常用來表示污水稀釋程度(或管道滲漏)。比較評估外來水量不同方法,水量平衡法和水質稀釋方法相對簡單和直接。式(1)(基于水量平衡)和式(2) (基于水質稀釋法)常用于計算稀釋倍數。

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      式中 SRW 為人日均管網中混合污水量;SCWC為人日均綜合用水量;PLCOD為人日均COD排放量;CRW 為管網中污水COD濃度。由于經常缺乏SRW數據,實際上式(2)被更多地用于計算稀釋倍數。

      表2匯集了主要來自歐洲國家的與城市污水稀釋相關的文獻數據。綜合來看,外來水占比范圍為25%~70%,對應的稀釋倍數范圍為1.4~4.0。奧地利污水管網外來水占比約為1/3,蘇黎世污水管網外來水占比為48%。德國和荷蘭的的合流制系統外來水占比高達60%,意味著每售出1 m3自來水,對應污水管網里約2.5m3混合污水。丹麥污水管網平均外來水占比為50%,對應稀釋倍數2。美國污水管網外來水占比50%~65%,其中入滲水量僅占15%,在峰值時約為30%。德國北部和東北部的分流制污水管網系統平均外來水占比僅14%,但是全德國的分流制系統平均外來水占比為34%。在芬蘭,與分流制系統連接48座污水處理廠的外來水占比平均值為41%。這些數據表明,合流制系統外來水量占到管網內污水量近50%或以上,意味外來水量和收集污水量(CWC)相當甚至更多;對分流制系統,外來水占比差異較大,德國北部最低, 但也有較高的情況, 如丹麥和挪威的案例所示。因此可見, 污水管道外來水入侵是一個世界性的問題, 并不僅僅只發生在中國。

      國內污水管道外來水定量報道不是很多。據近年文獻, 外來水占比約在30%~70%,對于維護良好的污水管道系統,地下水入滲量占比約在28%~40%?紤]到許多污水管道處在滿管或高水位運行,在正常水位運行條件下實際的外來水入侵可能比已報告的的數值更高。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并不意味著相同數量的外來水量。如表2和表3顯示,對應相同的外來水占比或稀釋倍數,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,外來水量僅是后者的約50%。但在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的COD濃度(見表3)。說明國內污水低濃度不僅僅是由于污水管道外來水侵入造成的,尤其在新建城區,用水效率應該是不可忽視的一個因素。

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      注:①在污水全收集條件下,等于人日均綜合用水量(SCWC),中國案例的用水量不包括由于供水管泄漏造成的水損失。② 奧地利和德國的人日均污水處理量(SRW)數據基于人口當量(PE),其余數據基于居民數。③文獻[1, 25]中數據的平均值。④沒有括號值由式(2)計算; 括號中的稀釋倍數是根據污水處理廠記錄的處理量作為人日均(混合)污水量(SRW)由式(1)計算。

      3 含外來水混合污水的處理量和降低外來水量的策略

      削減污水管網外來水入侵是全球城市水環境面對的一個持續挑戰。歐洲的經驗和教訓是:準確測定外滲水進入管網位置通常操作復雜、耗時良久,且費用不菲。而一般來講,入滲水量占外來水量相對較少,因此,減少入流水入侵常成為第一要務, 重點放在溪流、河道、施工排水和雨水等入流水量的減少上。以蘇黎世為例,自19世紀80年代起,河水、小溪流和“干凈”的雨水等天然水被逐漸隔離在合流制系統外, 由單獨管線(經沉淀后)排放,從而實現“清污分離”。由此,從1985年到2003年,蘇黎世合流制污水管網外來水量降低了約30%,其中的60%是通過將小溪和河水從合流制系統中分離得以實現的,通過減少入滲水僅占7%。國內相當部分污水管網系統,即使在旱季也充滿外來水,說明小溪、河道等外流水侵入情況嚴重。因此,污水管網系統提質增效實現“清污分離”應該是優先事項,這方面的任務包括將導入河道或雨水通道中的污水分離并接回到污水管網,消除河水通過溢水管進入(倒灌)污水管網,糾正雨水管與污水管之間的錯接,尤其是在那些具備條件的城市老舊住宅小區內等雨/污水管錯接和沿河截污的管網。最近在廣州和國內其他城市的項目說明了類似經驗的有效性。

      4 污水稀釋因素

      假設居民人數等于人口當量數 (PE),式 (3)被用于計算污水管網混合污水COD濃度 (CRw):

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      式中,PLCOD為人日均COD排放量;X為污水收集率;PLCOD,i/i為人日均外來水含COD量;SCWC為人日均綜合用水量;SQi/i為人日均外來水體積。

      研究數據表明,中國發達地區城市居民人日均COD排放量與歐洲人相近。因此,本研究可將式(3)簡化為式(4),后者被用來估算管網中混合污水COD的濃度。

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      式(4)表明,混合污水COD的濃度取決于綜合用水量和稀釋倍數,前者與用水效率有關,后者與外來水(或管網滲漏)有關。在污水全收集(X = 100%)且管網外來水可以忽略(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)決定了混合污水COD能夠達到最大濃度。德國柏林市主要城區污水管網為合流制,但由于較高的水利用效率[SCWC= 117 L/(人·d)]和出色的外來水控制 (或與較低降雨量550mm/年有關),混合污水COD和總磷(TP) 平均濃度分別達963 mg/L和15.5 mg/L (2016年)。因此,管網外來水入侵越少(管網施工質量和管理越好,滲漏越少),用水效率越高(用水量越少),污水收集率越高,混合污水的污染物濃度則越高。

      表3匯總了德國、奧地利、蘇黎世、北京、長三角和珠三角二城市與水有關的數據,還列出了基于污水處理廠記錄的人日均污水處理量數據。詳細的數據分析可參考文末原文。如表3顯示,除北京外,長三角和珠三角兩座代表性城市污水COD濃度均顯著低于德國,奧地利和蘇黎世污水COD濃度。因為高綜合用水量,國內的相當一部分污水管網外來水量要比德國等西歐國家高得多,盡管稀釋倍數(1.7~1.8)與一些歐洲國家相近。且如前所述,如果降低污水管網中的水位,外來水得到不有效控制,實際的外來水入侵可能進一步增加。改善國內污水管網系統泄漏、尤其是“擠外水”確實是一項緊迫任務。

      根據式(2)計算的稀釋倍數(1.7~1.8) 與使用污水處理廠的處理量作為式 (1)中SRW計算的稀釋倍數(1.0~1.2),可以估計約30%~40%的污水未經處理排放,接近文獻估值。這部分未經處理污水可分為兩部分: ① 未收集進污水管網; ②在污水輸送過程外滲和溢流設施(CSO, SSO)排出。

      5 污水管網系統質量流和平衡概念模型

      本節提供了一個簡化的污水管網系統質量流與平衡的概念模型 (見圖1)。

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      模型被用來描述五個不同的的場景,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里污水濃度和污染物溢流的影響。模型參數、輸入數據和計算結果見表4。五個場景中,三個為德國案例:場景1為以分流制排水系統為主的北部地區,場景2和3為以合流制為主的某州。場景1和2中污水處理廠能夠處理所有混合污水。為說明污水處理廠處理能力對溢流控制的重要性并與場景2相比,假定場景3中污水處理廠只能處理1×SCWC混合污水。前三個場景污水都是全收集(X=100%)。兩個為中國案例:長三角和珠三角二個城市,污水收集率均為85%。除了稀釋倍數,其他參數與表3中長三角和珠三角二城市情況相同,前者因下水道收集的污水流量減少而略高于表3中值。

      對五個場景模型計算結果詳見表4:

      當用水效率,污水收集率相似時,污水管網滲漏及外來水入侵是污水濃度的決定因素。根據目前國內情況,減少和控制外來水是一項緊迫的任務。

      外來水入侵造成管網混合污水流量增加,當超過污水處理廠水力處理負荷時,則導致溢流排放增加。因此,污水處理廠具備適當的水力處理負荷(截流倍數)對于控制溢流和受納水體的水質至關重要。

      用水效率是影響管網污水濃度的因素之一,尤其是外來水入侵得到適當控制的情況下。

      污水收集率和污染物對水環境排放負荷存在明顯關系。低收集率意味著高溢出率,盡管所致污水濃度降低現象可能并不明顯。今年發改環資等”十部門“在聯合發布關于推進污水資源化利用的指導意見中強調了增加污水收集率的重要性。

      以相對低成本策略實現排放到水環境中污染負荷總量的最大程度削減,應成為城市水環境和流域治理的優先方向和整體評估指標。

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      6 污水處理廠如何應對含外來水的超量混合污水

      圖2顯示了蘇黎世Werdhölzli污水處理廠雨季一周(2018年8月25至31日)水力負荷從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) 期間運行情況。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,且管網無溢流發生。國內不少城鎮污水處理廠活性污泥工藝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雨季進水額外負荷 。

      現有相當一部分污水處理廠是根據旱季狀況設計,雨季面臨主要挑戰是那些以水力負荷為設計依據的單元(主要是物理和化學處理單元)。為此,需要對現有污水處理廠的相關單元、設施和設備能力和運營數據進行評估和分析,確定有必要進行升級改造的單元。與此同時,應充分利用調蓄池和污水管網系統(管網、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。近些年在國內一些城市黑臭水體治理工作中,對管網溢流采用就地處理,改善了受納水體水質。但從長遠看,根據接收水體的功能,對現有污水處理廠進行適當改造,采用旁路化學強化一級處理、甚至全過程處理或許更具成本效益。

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      7 幾點建議

      (1)污水管網系統升級改造需綜合考慮的四個因素:外來水入侵、含外來水混合污水的處理量(污水處理廠的處理能力)、污水收集率和用水效率。

      (2)對現有污水管網影響因素進行定量分析,識別較易實現且經濟有效的行動的優先次序。

      (3)重新考慮和確定污水管網和污水處理廠設計規程。

      (4)新政策和法規。

       

       

       
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