合流制溢流調蓄與處理設施設計方案
——以武漢市廟湖水環境提升為例

杜立剛，楊 濤，石亞軍

(武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北武漢 430023)

隨著城市發展和國家對生態文明建設的愈發重視，城市水環境治理更加迫切。目前，我國許多城市污水處理率大幅提高，但水環境質量卻沒有顯著改善，合流制排口溢流污染成為水環境治理的重點[1]。我國雖已有合流制溢流治理的工程實踐，但多以調蓄為主，且溢流頻次、調蓄規模及針對合流制溢流污水處理等的設計方法缺失。以武漢市東湖子湖——廟湖水環境提升為例，介紹針對合流溢流調蓄與處理設施的方案設計，以期為類似工程提供設計思路與參考。

1 工程概況

廟湖為武漢市東湖子湖之一，位于東湖西南側，水域面積為1.71 km2，流域面積為11.31 km2，現狀水質為V類，低于東湖全湖的平均水質。目前，廟湖旱季污水截流已完成，雨季卓北閘和濱湖閘2個大型合流排口的溢流污染成為影響廟湖水質的主要污染源之一。卓北閘排口位于廟湖西南側湖衩、卓刀泉北路東側，匯水面積約為2.2 km2，匯水范圍內為已建成區。濱湖閘排口位于廟湖東南側湖衩、湖濱花園酒店東北側，匯水面積約為4.5 km2，匯水范圍內也為已建成區。為盡快提升廟湖水質，廟湖水環境提升工程擬采取“截流+調蓄+離線處理”的模式對兩大合流排口進行治理。考慮到用地受限，同時為節省工程投資和減小環境影響，本工程采用“分散調蓄+集中處理”的方案，即在濱湖閘排口處設置調蓄處理站，在卓北閘排口處僅設置調蓄設施和提升泵。下雨時，截流的合流污水分別存儲于排口處的調蓄設施；雨后，卓北閘調蓄設施調蓄的合流污水再經泵抽排至湖濱調蓄處理站集中處理。工程內容包括新建調蓄設施、提升設施及處理設施，工程總體布置如圖1所示。

圖1 工程總體布置圖Fig.1 General Layout of the Project

2 溢流控制標準

我國現行標準規范中未有明確的溢流控制標準，工程設計中通常采用以截流倍數或溢流次數為效果導向的控制標準。相關規范規定[2]，截流倍數宜采用2～5。關于溢流次數，國內暫無相關規范和標準。《武漢溢流污染及面源污染治理系統建設規劃》研究表明，受納水體為達標水體時，年均溢流次數宜控制在10次以內；受納水體為非達標水體時，年均溢流次數宜控制在4～6次。鑒于廟湖所在區位及其對東湖整體水環境的影響，并參考美國環保局關于CSO控制政策[3]，本方案采用較高的溢流控制標準，即年均溢流次數控制在4～6次(24 h內場次降雨的溢流定義為1次溢流事件)。

通過對武漢市1982年—2015年共計4 012場降雨數據的統計分析，得出了不同場次降雨量對應的年均降雨日數，大于某一場次降雨量的年均降雨日數累加值即為該控制降雨量對應的年均溢流次數。溢流次數與控制降雨量的對應關系如表1所示。由表1可知，按年均溢流4～6次控制對應的控制降雨量約為50 mm。

表1 溢流次數與控制降雨量對應表Tab.1 Corresponding Table of Overflow Times and Rainfall Control

3 調蓄規模與方案設計

3.1 規模模擬計算

本方案采用Infoworks ICM模型軟件，根據現狀管線測量資料及管網運行狀況，采用綜合徑流系數法構建了廟湖卓北閘和濱湖閘排口匯水區水力計算模型。綜合徑流系數按源頭海綿城市改造后考慮，通過選取典型年降雨中場次降雨約為50 mm的降雨數據，進行模擬2個排口的出流量，如圖2和圖3所示。

圖2 卓北閘排口出流量Fig.2 Flow of Zhuobei Gate Outlet

圖3 濱湖閘排口出流量Fig.3 Flow of Hubin Gate Outlet

由圖2和圖3可知，卓北閘排口累計出流量約為39 600 m3，濱湖閘排口累計出流量約為50 100 m3。考慮一定的安全系數，卓北閘調蓄設施調蓄規模取4.5萬m3，濱湖閘調蓄設施調蓄規模取5.5萬m3。

3.2 規模復核

根據上述確定的規模，采用典型年降雨數據進行溢流次數復核，結果如圖4和圖5所示。實線(上方)表示典型年降水曲線，虛線(下方)表示典型年溢流曲線。

圖4 卓北閘排口典型年溢流次數分析Fig.4 Typical Year Overflow Frequency Analysis of Zhuobei Gate Outlet

圖5 濱湖閘排口典型年溢流次數分析Fig.5 Typical Year Overflow Frequency Analysis of Hubin Gate Outlet

由圖4和圖5可知，在考慮上游規劃海綿措施的條件下，卓北閘調蓄設施規模取4.5萬m3，濱湖閘調蓄設施調蓄規模取5.5萬m3，均能控制年均溢流6次以內，即上述確定的調蓄規模滿足溢流控制標準要求。

3.3 調蓄設施方案設計

卓北閘周邊綠化用地不足以滿足調蓄設施用地需求，鑒于兩湖隧道工程中地面段需對現狀卓刀泉北路東側進行拓寬，為了減少兩工程實施期間對周邊環境的影響、縮小占地面積及降低實施難度，確定利用卓刀泉北路拓寬段地下空間建設調蓄箱涵。結合卓刀泉北路平面及豎向設計、現狀及規劃管線的平面位置和豎向情況，確定調蓄箱涵采用雙孔B×H=5 m×6 m的斷面形式，長約900 m，真空沖洗系統進行沖洗，坡度為0.001～0.002，有效水深為5.5 m。

根據濱湖閘周邊用地現狀和用地規劃，擬將濱湖調蓄處理站設置在現狀濱湖泵站西北側、廟湖西南岸的現狀綠化內，占地約20 000 m2。為減小工程用地，且與周邊環境相協調，調蓄處理站擬采取全地下式雙層結構，埋深約為19 m，地下二層主要為調蓄單元，采用真空沖洗系統進行沖洗，地下一層主要為處理單元，地面為景觀公園。

4 處理設施規模與工藝

4.1 處理規模

卓北閘調蓄箱涵調蓄量為4.5萬m3，濱湖調蓄處理站調蓄量為5.5萬m3，總調蓄量為10萬m3。綜合考慮武漢市降雨特性和現狀排水設施輸水能力，調蓄設施內的初雨及溢流污水應在2～3 d處理完，以便為下一場降雨騰退調蓄空間。根據現狀排水設施調查結果，八一路污水泵站及配套管網已滿負荷運行，無富余能力；濱湖污水泵站及配套管網、下游龍王嘴污水處理廠尚有1萬～2萬m3/d的能力富余。因此，本方案優先利用濱湖污水泵站1.5萬m3/d的富余，再新建規模為2萬m3/d的就地處理設施。

4.2 設計進、出水水質

現階段缺少該兩大排口水質監測數據，參考國內已建設的調蓄池進水水質，同時，考慮地域差異、城市發展水平以及降雨事件的不同，結合本工程所在區域的特點，確定了本工程設計進水水質。

目前，我國對初雨及溢流污水處理沒有明確的尾水排放標準，若采用較高的出水標準，存在工程投資高、占地大、旱季處理設施利用率不高等問題。因此，選擇占地面積小、節省投資的處理工藝，最大程度去除污染物總量，是本工程處理初雨及溢流污水的目標。相關文獻[4-6]對污染物之間相關性的研究表明，COD、TN、TP與SS具有較好的相關性，因此，本方案對SS從嚴控制。

綜合考慮以上因素，結合本工程位于東湖風景區、受納水體為東湖等特點，參考國內類似案例設計參數，設計進、出水水質如表2所示。

表2 設計進出水水質及處理程度Tab.2 Design Influent and Effluent Water Quality and Degree of Treatment

4.3 處理工藝方案選擇

4.3.1 預處理工藝

合流制溢流污水水質波動大，漂浮物多，SS較高，預處理單元以去除漂浮物及無機砂等為主，本方案預處理工藝采用“粗格柵+隔油沉砂池+調蓄池+細格柵”。

4.3.2 生物處理工藝

常規初雨處理控制指標主要為COD和SS，因此，處理工藝一般為一級強化處理。本工程處理對象為合流制溢流污水，控制指標除了COD和SS外，同時還要求NH3-N和TP達到相應出水標準，而NH3-N的去除需通過生物處理實現。生物處理單元的選擇是整體工藝流程的核心，生物處理階段主要處理對象為COD和NH3-N等。合流污水水質變化明顯，沖擊負荷大，與傳統懸浮相活性污泥法相比，生物膜法更為合適。綜合考慮進出水水質、用地、處理負荷、投資成本等方面，參考類似工程項目，本方案生物處理工藝推薦采用高效沉淀池沉淀池+生物接觸氧化池。

合流制溢流污水處理設施為間歇運行，間歇時間過長不利于生物處理單元中微生物的培養。本方案晴天時利用少量旱流污水，以滿足微生物生長需求，進而保證雨季時生物處理單元能滿負荷運行。

4.3.3 深度處理工藝

為確保TP及SS穩定達標，生物處理單元后需增加深度處理單元。結合工程用地，本方案深度處理單元采用“斜管沉淀池+機械濾池”工藝，通過混凝沉淀及過濾等物理化學過程去除難溶解及難生物降解的SS、TP及少量的COD。此外，本方案對排口進行生態化改造，進一步凈化出水水質。

4.3.4 污泥處理工藝

根據當地環保要求，污泥脫水至80%后方可外運。鑒于調蓄處理站為全地下式，用地緊張，本方案采用板框壓濾脫水工藝，具有處理效果好、設備穩定可靠、運行維護方便、占地小、土建工程量少等特點。

4.3.5 調蓄處理工藝流程

通過對進、出水水質及運行特點進行分析，確定調蓄處理工藝流程，如圖6所示。

圖6 調蓄處理工藝流程圖Fig.6 Process Flow Diagram of Storage and Treatment

4.4 主要構筑物設計

4.4.1 粗格柵間、隔油沉砂池、調蓄池及提升泵

為節省工程用地，粗格柵、隔油沉砂池、調蓄池與提升泵合建。粗格柵和隔油沉砂池按濱湖閘排口峰值流量為8.8 m3/s進行設計。粗格柵6條渠，渠寬為2.0 m，采用鋼絲繩格柵除污機，柵條間距為20 mm，設計過柵流速為0.7 m/s。隔油沉砂池6格，池寬為4 m，水平流速為0.15 m/s，停留時間為3.3 min，采用鏈條式刮油刮泥機。調蓄池設計規模為5.5萬m3，平面尺寸B×L=60 m×105 m，有效水深為9 m，采用真空水力沖洗系統進行沖洗。提升泵規模為2萬m3/d，設4臺潛污泵(3用1備)，單泵Q=278 m3/h，H=17 m。

4.4.2 細格柵

渠道數3條，單渠流量278 m3/h，選用內進流孔板式格柵除污機，板孔直徑為6 mm。

4.4.3 高效沉淀池

成套設備2套，單套規模為1萬m3/d，單套尺寸為10.9 m×13.2 m×6.5 m，混合時間t=3.7 min，絮凝時間t=9.0 min，表面負荷為10.4 m3/(m2·h)，污泥回流比為5%。

4.4.4 生物接觸氧化池

設置2座，每座分4組，每組處理規模為2 500 m3/d，單池尺寸為40 m×6 m×5 m，有效停留時間為11.5 h，設計容積負荷為3.5 kg COD/(m3·d)，氣水比為12∶1。

4.4.5 斜管沉淀池

設置2座，單座處理規模為1萬m3/d，單池尺寸為24 m×6 m×5 m，表面水力負荷為2 m3/(m2·h)，池內停留時間為47 min。

4.4.6 機械濾池

成套設備2套，單套規模為1萬m3/d，單套尺寸為3.2 m×1.8 m×2.3 m，功率為4 kW。

4.4.7 污泥濃縮脫水機房

污泥濃縮脫水機房主要是對高效沉淀池、斜管沉淀池排泥進行濃縮、脫水，減少污泥外運量，脫水污泥含水率≤80%。配套板框壓濾脫水機2套，單套Q=30 m3/h，功率為30 kW。

5 效益分析

(1)本工程的建設，順應了國家生態建設的號召，貫徹落實了市政府關于水環境治理的要求，為改善區域水環境狀況做出貢獻，為經濟效益和社會效益奠定基礎。

(2)調蓄處理設施的應用提高了東湖水系面源污染消減率，減小了雨季溢流次數，年均消減約70%的溢流水量。

(3)本方案中調蓄處理站采取全地下式的建設形式，地面為景觀公園，使調蓄處理站與周邊環境融為一體，大大減少了對周邊環境的影響。

(4)建成投入運營后，初步估算處理成本約為1.4元/m3。

6 結語

(1)本工程采用“分散調蓄+集中處理”的方案，年均溢流次數控制在4～6次，采用Infoworks ICM模型軟件模擬計算和復核調蓄規模，采用“預處理+高效沉淀池+生物接觸氧化池+斜管沉淀池+機械濾池+人工生態系統”的組合處理工藝，確保出水穩定達標。該設計方案可為類似工程的設計提供參考和借鑒。

(2)合流制排口治理為近期工程，不能徹底解決地區的污染問題，仍需盡快實施地區雨污分流制改造和城市徑流污染控制工程。