節點流量衡算法預測污水處理廠外來水量

□文/王 剛 于國存 趙樂軍 李 喆 呂耀志 宋現財

因管道缺陷、管理不善等原因，雨水、河水、施工工地排水、地下水、地熱水可能進入污水系統或者合流制排水系統，預期之外進入污水系統或者合流制系統的水量稱為外來水。外來水的侵入，產生以下后果：

1）增加泵站提升費用；

2）污水管網的有效容量被擠占，可能引發污水外溢；

3）由于外來水通過污水或者合流制管網進入污水處理廠，降低了污水處理廠進水污染物濃度，影響污水處理廠處理效能；

4）對于合流制或者雨水系統，外來水使管網在沒有降雨時仍有較高水位，增加城市內澇和管道溢流風險。

對于進入污水管網或者合流制系統的外來水，我國目前尚無系統的調查。部分城市調查的污水管網或者合流制排水管網的地下水入滲量在10%～30%之間[1]。2015年根據我國1 362座城鎮污水處理廠進水水質分析，62%的城鎮污水處理廠年均進水COD濃度低于260 mg/L，可能的原因是外來水占比大[2]。控制排水管網外來水量，對污水處理提質增效意義重大。按照目前我國城鎮污水處理廠處理污水656億m3/a計算，如果其中10%～20%為外來水，控制外來水進入，可減少外來水65.6億～131.2億m3/a，污水處理成本按照1.5元/t計算，可減少污水處理費98.4億～196.8億元/a。

外來水調查主要包括確定外來水源、可能位置、預測外來水量等內容。各污水處理廠受到服務范圍內地形、降雨量、河道情況、地下水位、排水管網埋深及健康狀況的影響，外來水占比不同。目前尚無系統規范的方法確定污水處理廠進水中的外來水量，僅有一定地下水入滲量的調查研究基礎[3]。

1 調查方法

地下水入滲量的調查常用方法有3 種：夜間最小流量法、用水量折算法和節點流量衡算法[4]。

1）夜間最小流量法是指調查夜間污水量，通過經驗判斷污水管網中地下水入滲量。在法國，夜間流量的70%被認為是地下水入滲，在我國尚無經驗數據[3]。夜間最小流量法是根據當地人生活習慣所估算出的數據，因此其精度偏差較大。

2）用水量折算法是根據服務范圍內的用水量估算進入排水系統的原生污水量，由進入污水處理廠的總量與原生污水量的差值，估算進入排水管網系統的外來水量。該方法預測的外來水量包括地下水之外的其他外來水。

3）節點流量衡算法是在排水系統的主要節點上安裝流量計，調查污水量，結合管道中污水流動規律，進行水量衡算，推測地下水入滲量。該方法相對其他兩種方法準確度較高、數據可信度大，但需要在排水管網系統中安裝流量計。

本文基于節點流量衡算法，通過在天津市某污水處理廠服務范圍內的排水管網關鍵節點安裝流量計，調查管道上下游流量差值，估算外來水量，初步定位外來水位置，為下一步是否開展管道電視檢測（CCTV檢測）以及需要檢測的重點管段確定提供依據。

2 項目背景及檢測方法

2.1 項目概況

研究區域為天津市某污水處理廠服務范圍內的污水管網系統。該污水處理廠上游水主要來自商業區、住宅區以及工業區；管道以HDPE 鋼帶增強管為主，個別段（約40 m）為混凝土管，埋深5～7 m，地下水均在管頂以上，水體礦化度均在1 g/L以上。調查時間為2019年10月—11月，期間無明顯降雨。

污水經上游兩泵站提升后，由主干管輸送至污水處理廠；途中經過極少量排水戶以及一條未啟用環湖管線，水量很少，可忽略不計。因此，在無外來水情況下，兩泵站水量之和應為污水處理廠進水量。根據污水處理廠以及上游兩座提升泵站提供的2018 年全年污水量統計結果分析，污水處理廠年進水量比兩座泵站輸送水量高 627.71 萬 m3，意味著平均 2 萬 m3/d 的外來水進入到污水管網系統中。

2.2 檢測方法

根據排水管網系統圖，選擇關鍵節點將系統分區進行水量監控；共設置流量計5 個，測定周期30 d，測定頻率15 min/次。見圖1。

圖1 檢測點位

目前，用于排水管道流量檢測的設備主要有電磁感應流量計、差壓式流量計、轉子流量計和多普勒超聲波流量計。差壓流量計和轉子流量計安裝會破壞管體，安裝成本較高，本次試驗選用德國KDO 生產的HOH-L-01 型多普勒超聲波流量計。該流量計通過多普勒效應計算出管內污水的瞬時流速，根據管道內橫截面積計算出瞬時流量。

2.3 試驗參數

由于目前污水管網內存在淤積，實際過水斷面比按照管徑計算出的過水斷面小，測得的流量小于實際流量；因此，通過人工下井，調查管道底泥厚度，采用支架將多普勒超聲波流量計探頭懸掛安裝在底泥上方，記錄安裝高度，計算管道內污水流量時以流量計上方的橫截面積作為污水實際過水斷面面積，以便得到更加精確的流量數值。見表1。

表1 管道內參數統計 mm

3 結果及討論

3.1 水位

抽取某一天數據對5個檢測點的實時水位進行分析。見圖2-圖6。

圖2 1#點位液位

圖3 2#點位液位

圖4 3#點位液位

圖5 4#點位液位

圖6 5#點位液位

5 個檢測點水位均處在3 m 以上，而水管網管徑最大為1 650 mm，說明管網常年高水位運行；另外夜間水位無明顯下降趨勢，造成這種情況的原因很可能是管道內存在漏點，當污水進入量小時，管道內水壓降低，一些外來水得以滲入。

3.2 水量

統計30 d的流量，得到5個檢測點的日均流量，見表2。

表2 各檢測點及泵站流量 m3/d

污水處理廠交匯井前端4#和5#檢測點水量之和可作為污水處理廠實際進水量。由表2 可知，4#和5#檢測點水量和為87 130 m3/d，而實際通過A、B兩泵站的污水量為67 493 m3/d，外來水19 637 m3/d，占污水總量的22.5%。

為精準識別外來水入滲區域，將整個檢測區域劃分為5 段相對獨立的排水管道，分別為A 泵站—1#檢測點、B泵站—5#檢測點、W2—W1、W3—W1、1#檢測點—4#檢測點。5段管線中，2#檢測點和3#檢測點排水量僅為400 m3/d 左右，與資料中描述的該段管網未啟用相符。上下游流量差比較大的為1#檢測點—4#檢測點段，差值為3 131 m3/d；還有B 泵站—5#檢測點段，差值為15 003 m3/d，分別占比總外來水入滲量的15.9%和76.4%。

4 結論與建議

該區域整體外來水占比較大，由于調查期間無降雨，外來水以地下水入滲為主，將問題管段修復后，預計可減少污水處理廠進水約19 637 m3/d，提高污水處理廠運行效率。若對該區域進行管道CCTV 檢測，建議將檢測重點放在入滲情況較嚴重的1#檢測點—4#檢測點和B泵站—5#檢測點兩段管網，減少工作量。

1）通過節點流量衡算法初步分析了外來水可能的進入管段，為下一步通過檢測確定管道缺陷位置提供了依據。

2）建議今后開展類似工作時要結合污水水質及地下水位調查，使得結論更有說服力。

3）本研究得到的外來水不包括A泵站和B泵站上游的外來水，僅為污水處理廠外來水量的一部分，實際進入污水處理廠的外來水量可能更多。