城市污水分區排水管網排查中的水質檢測技術研究

王言之

（青島市排水運營服務中心，山東 青島 266000）

引言

城市級排水系統是現代化生活中最為重要的基礎性設施，其承擔著城市給排水的收集、運輸與處理工作，系統運行時間較長、負擔較大，在長期運行的過程中容易出現因地基變形、管道銹腐、水質變化而引發的給排水管道功能性缺陷或結構性問題。想要保障城市給排水系統的穩定運行，及時排除隱患，需要相關管理部門加強對城市污水分區排水管網的關注，借助更科學的水質檢測技術優化排水管網排查工作的質量，避免水質隱患問題對排水管道、周邊建筑物、公共交通乃至城市用水安全、周邊生態環境等造成負面影響。

1 城市污水分區排水管網運行以及排查工作中常見的問題

近幾十年來，我國城鎮化建設不斷提速，在現代化城市覆蓋范圍不斷擴張的基礎上，配套的排水管網建設效果卻稍顯落后。城市污水分區排水管網的運行過程中存在一定的負面問題。排水管道在制造、運輸、敷設以及運行過程中所產生的諸如沉積、管道銹腐、管道變形、異物穿入、雜質冗余等情況都會導致排水管出現結構性、功能性故障；傳統直流式、合流式流制所存在的改造難度大、污染程度高等問題致使城市部分區域雨污混接現象普遍；地下排水系統既有的不良土壤、工程開挖遺留問題等所造成的管道、水質負面影響都是現階段城市污水分區排水管網急需解決與優化的問題[1]。為緩解上述問題，應該基于城市污水分區排水管網的運行情況構建相對科學的排查工作體系，定期對排水管的質量以及水質等進行檢測，為后期的修復、養護、升級改造等工作提供基礎依據[2]。

2 現階段城市污水分區管網排查中常用的檢測技術方案

2.1 排水管網流量檢測技術

水質是衡量城市污水分區排水管網運行質量的核心依據，為強化水質檢測技術的應用效果，應采用更專業的檢測工具對排水管網中的各項關鍵數據指標進行提取與分析，判斷綜合水質是否滿足國家相關水質標準。而排水管網流量檢測技術方案能夠利用管網節點或是敷設在雨污混接點的流量計量設備，對不同管道中諸如生活污水、工業污水、雨水等進行計量分析[3]。綜合判斷地下水深入狀態，反映管道的整體狀況的過程中需要實現對目標檢測區域的排水管進行前期調研，并在管道關鍵節點中安裝壓力損失較好且測量范圍較大的流量計，以滿足不同時段具有較大差異的流量檢測需求[4]。

現代城市污水分區排水管網污水檢測工作中常用的流量計類型可以分為電磁流量計、超聲波流量計、轉子流量計等。其中以多普勒超聲波流量計的應用范圍更廣、使用效果更好，踐行該技術方案的過程中需同步配備超聲波發射器以及水深壓力傳感器，在此之中超聲波發射器會利用相位差法對排水管中的水流流速進行測量，而后利用探頭發出能夠在液體中傳播的聲波，最終利用接收器接收并分析聲波[5]。相較于水質較好的給排水而言，污水中往往存在更多的氣泡或顆粒狀雜質，因此在超聲波接觸到水中的雜質時，相關系統中的超聲波接收器所接收信號的頻率與相位便會發生改變，以此系統所生成的數據也會發生一定變化，產生多普勒頻移，進而測量出相關水體的流速。除此之外，相關傳感器還可以利用水壓分析水體的高程、面積等數據，再結合速度面積流量法獲得排水瞬時流量，其公式如下：

公式（1）（2）中，?f標識為超聲波發射裝置與接收換能器之間的頻率差；f0標識為超聲波發射的固定頻率，其單位為Hz；A表示被測量管道的橫截面積，其單位為m3；θ表示為超聲波與流體流速方向之間的夾角；c標識為相關設備所發出超聲波在給排水中的傳播速度，單位為m/s；v表示為給排水傳播速度，單位為m/s。

在明確排水流速后，還需要利用用水量折算法計算排水管網中的污水差值[6]。基于排水系統中水量是由原生污水以及地下水滲入相組合而成的原理，利用目標區域內的供水量估算排水系統中的原生污水，如城市生活用水、工業用水等。其公式如下：

公式（3）中，Qi表示為目標測量排水管網中地下水的滲入量，單位為m3；Qa表示為非雨雪天氣下排水管網中的總污水量，單位為m3；P表示為目標排水管網所覆蓋的區域人口數量；Tw表示為區域范圍人均、日均生活廢水量，單位為m3/d；Qin表示為區域范圍內日均產生的工業廢水量，單位為m3/d。

2.2 水質特征因子檢測指標

可利用化學質量平衡法對排水管網中的各類水質因子進行檢測與分析。相對而言，一個泵站受納范圍內的排水管網更傾向于一個相對封閉的系統，因此在無特殊情況（降水、地下滲水等）下，排水管網之中污染物的輸入與輸出具有一定的平衡關系[7]。利用化學質量平衡法對管網中主要來水的表征來源進行跟蹤分析，獲取不同的水質參數，并對各種來水建立聯立方程組，從而定量分析各種來水中的污染因子成分定量。其約束條件公式如下：

公式（4）－（6）中，Pi表示為特定區域范圍內第i個水質特征因子；Ai表示為第i個來水的水量比例；Cii表示為特定區域范圍內第i個來水的第i個水質特征因子濃度，單位為mg/L；Qi表示為第i個非雨雪天氣下來水的總水量，單位為m3；Q表示為該區域范圍內非雨水天氣的總排水流量，單位為m3；n表示為不同排水來源的水量。

基于城市污水分區排水管網的工作性質進行分析，其既有的水質特征分子可以分為水下微生物、氨氮元素、去污劑等類別，但隨著城市居民生活質量的提升，生活用水污染物以及工業污染物的種類也發生了一定改變[8]。本次研究選取常見的CODCr（化學需氧量）、BOD5（生化需氧量）、NH3-N（氨氮）、pH（酸堿度）為水質檢測指標進行分析，探求S市某污水分區排水管網水質。

3 案例概述

S市某污水分區位于該市西南方，其總面積為105.28 m3，合流制區域面積約占總面積的68%，其中所收集的污水全部轉移至S市南部的污水處理廠進行統一處理。結合該區域2021年的管線普查數據可知，該污水分區排水管網總長度約為685 km。該污水分區常住人口約為822 126人，南部污水廠日均處理水量維持在30萬t左右，污水處理廠進水的年平均BOD5濃度約為65.23 mg/L，能夠承擔S市污水分區中53.1%的生活與工業污水，整體進水濃度及城市生活/工業污水處理率較差。

4 基于案例的水質檢測方案與結果

4.1 水質檢測方案

基于案例污水分區排水管網分布情況，選取污水主管接入干管節點下、游節點以及主要污水排水口節點共12處作為本次水質檢測的主要節點，采用排水管網流量監測與水質特征因子分析相結合的技術方案對該區域排水管網內污水水質變化進行研究。同時選取甲、乙、丙三個建設年代的小區為目標，分別對其化糞池前端、化糞池后端以及小區與市政管網交接處的污水進行采樣，分析小區污染物排放特征。本次選取的檢測指標為CODCr、BOD5、NH3-N、pH值，為保障檢測質量，選擇在降雨后72 h的晴天開展檢測工作，并依照不同節點的特殊性以及用水高低峰設置檢測頻次。其中，針對關鍵的排水管網節點連續檢測72 h，同時保持每24小時中的用水高峰期（7∶00～9∶00 pm）用水低峰期（2∶00-4∶00 am）各檢測一次；針對源頭小區節點共檢測24 h，主要在用水高峰期對不同點位進行3次檢測，每次檢測工作結束后需間隔30 min以上方可進行下一次的檢測。

4.2 水質檢測結果

對不同節點的排水流速以及污染物濃度進行檢測與計算。污水分區排水主干管網關鍵節點的BOD5平均濃度為45.12 mg/L，整體污染物濃度較低，水質較好。以污水處理廠為終點，分析不同污水干渠、干管或是截污管內污水匯入至主干管網后，各個節點的污染物濃度變化趨勢。源頭小區污水匯入至市政排水主管網之前，不同節點之中的污水污染物濃度趨于一致且相對較低。甲乙丙三個小區匯入市政排水主管網前BOD5的平均濃度分別為59.50 mg/L、60.50 mg/L以及62.48 mg/L。參考相關部門所頒布的《第二次全國污染源普查生活污染源產排污系數手冊（試用版）》對相關數值進行計算[9]。可知目標污水分區所在S市屬于較為發達的城市，因此人均產污系數的平均值應在116 mg/L以下，可知三個小區排水節點的實測數值要遠低于理論計算數值。

對三個小區的化糞池前、后污水污染物濃度進行檢測，可知不同小區化糞池后污水中BOD5的濃度都要稍高于化糞池之前，結合化糞池自身對水質的影響機制，整理水質檢測結果，如圖1。

圖1 甲乙丙源頭小區不同節點的污水 BOD5 濃度比較圖

結合水質檢測結果進行分析，可推測源頭小區內部排水管網可能存在外水入侵（地下滲水、鄰近河水倒灌），或是管網破裂等問題，導致小區污水匯入市政管網之前的濃度要低于匯入市政管網后的濃度。同時三個小區也可能存在化糞池掏清工作不及時、不到位的情況，最終導致化糞池后污水濃度普遍高于化糞池前的問題[10]。

除此之外，對三個小區早、中、晚三個時間段的污水出戶井水質水位進行測量，得出結果如表1所示。結合表中數據可知，三個源頭小區每日排水BOD5濃度范圍在25.4～115.2 mg/L之間浮動，過程中其閾值都沒有超出116 mg/L的標準。但由于居民生活習慣的影響，使得早中晚三個時間段中排水的水質變化較大，并且新建小區（丙）的出戶井濃度要高于老舊居住小區（甲乙），最高濃度鄰近116 mg/L的標準值。

表1 三個小區早、中、晚三個時間段的污水出戶井水質水位檢測結果

4.3 基于檢測結果的污水分區排水管網排查方案優化方向

基于上述結果，依照問題的嚴重程度，相關工作人員提出應優先開展市政排水管網的排查工作，而后再基于小區的新舊程度以及實際污水濃度依次開展不同程度的排查與治理工作。同步采用了管道潛望鏡（QV）、閉路電視檢測（CCTV）、聲吶檢測（SI）等輔助類檢測設備與技術。明確優化方案后，針對既有的排查結果進行重新排查，并對上述案例中污水濃度更高或是存在顯著問題的區域進行重點排查與檢測。

最終得出如下排查結果：（1）源頭小區與當地沿河、沿江管網交界處的截污干管存在江河水倒灌的問題，而這也是導致源頭小區管網污水濃度較高的主要原因。且新建丙小區周邊截污干管存在溢流口拍門密封不嚴的情況，致使河水以及地下水倒灌至截污干管中，導致水質變差；（2）本地沿河、沿江截污干管的截污井常處于滿流狀態，考慮是污水分區排水管網系統不完善、管道破損、排水管渠埋深過高或是相關工作人員工作效果不佳所致，導致其水質較差且排污性能不佳。相關部門可以結合實際情況采用具有實際效益的補漏與更換方案。

4 結語

綜上所述，結合城市排水管網的實際排查與管理工作需求，采用更具針對性的水質檢測技術方案是治理城市黑臭水體、提升污水處理系統運行質量的基礎。以城市污水分區為基礎，對排水管網關鍵節點的水質進行檢測、分析并制定排水管網排查工作方案，對整體城市給排水系統的穩定運轉而言具有十分重要的現實意義。對排水管網關鍵節點水質的判斷有助于相關技術人員精準判斷管網存在的重大問題，進一步計算、篩選出需要重點檢測與治理的區域，以此有效減少排水管網的排查時間，降低支出成本。