汙水截流設施設計技術探討

為(wei) 貫徹落實《水汙染防治行動計劃》《城鎮汙水處理提質增效三年行動方案(2019-2021年)》““十四五”城鎮汙水處理及資源化利用發展規劃》的要求,各省市都在大力推進黑臭水體(ti) 綜合治理、排水管網雨汙分流改造、雨季合流製係統溢流汙染控製排水小區正本清源行動。加快補齊汙水收集和處理。

設施短板,盡快實現汙水管網全覆蓋、全收集、全處理。從(cong) 源頭減排、過程控製和係統治理著手,控製城市雨水徑流,提高城市雨汙分流率,著力恢複城市原有自然水文特征和水生態環境,從(cong) 而實現修複城市水生態、涵養(yang) 城市水資源、改善城市水環境,提高城市水安全的多重目標。

根據 CB 50318-2017《城市排水工程規劃規範》除幹旱地區外,城市新建地區和舊城改造地區的排水係統應采用分流製，不具備改造條件的合流製地區可采用截流式合流製排水係統。從(cong) 宏觀政策角度看,我國雖然大力推進雨汙分流排水體(ti) 製建設,但是受空間條件、工程建設投資以及曆史文化保護等諸多現實因素製約,很多區域仍然保留著合流製排水係統,分流製改造不徹底而仍然存在著錯接混接問題。根據《城鎮排水與(yu) 汙水處理條例》第十九條,建議對不適宜分流改造的合流製地區,按照城鎮排水與(yu) 汙水處理規劃要求,推行合流製溢流(Combined Sewer0verflow,CS0)汙染控製設施的建設和改造,合理確定截流倍數,加強對CS0的排放調控和汙染控製。

為(wei) 保障汙水處理廠日常安全運行,減少對河道水體(ti) 的溢流汙染,對合流製和雨汙分流不徹底的排水區域以及雨汙分流改造建設周期較長暫時還需要采取汙染控製過渡措施的區域,短期內(nei) 在合適位置設置截流設施是行之有效的重要措施。因此,在推進雨汙分流的同時,加強汙水截流係統的改造和構建是很有必要的。

筆者對多種截流設施的優(you) 缺點和截流控製方法進行探討。由於(yu) 傳(chuan) 統截流設施截流過程缺乏精準控製,截流設施逐步向集成智控設施轉變,而降雨徑流區域、曆時、強度等均具有隨機性,因此有必要結合在線監測技術與(yu) 數學模型技術,對截流係統建立長效評估機製,以實現動態調控和精準截流。

截流設施設置位置選擇

進行區域排水係統梳理時,雨水管渠一般根據水體(ti) 流域和排河口劃片逐段分級,汙水管網則根據汙水處理廠劃片逐段分級。截流設施應盡量設置在汙染源頭,以減小對後續排水係統的影響。截流設施一般設置在以下位置:

1)建築紅線內(nei) 混接排水立管末端，在我國南方,建築排水立管混接汙水和雨水的情況比較常見。當空間條件受限或是建築層高超過14層時,舊有建築物難以新建排水立管實現雨汙分流,此時可在混接排水立管末端設置截流設施，

2)建築紅線內(nei) 合流排口末端。

受空間條件限製,建築紅線內(nei) 無法進行徹底的雨汙分流改造時,可在合流排口末端設置截流設施。

3)建築紅線外截流式排水係統合流幹管與(yu) 截汙幹管相交處。

市政排水管道無法實現源頭正本清源時,可在截流式排水係統合流幹管與(yu) 截汙幹管相交處設置截流設施。

截流量確定

根據截流設施設置的位置及其他特定情況,選取合適的截流量。截流設施應能保證受納範圍內(nei) ,晴天時最大汙水排放流量不發生溢流汙染,雨天時盡可能提高清汙分流率。國內(nei) 設計規程和設計手冊(ce) 中的汙水截流井為(wei) 無恒定截流設施,推薦截流倍數為(wei) 2~5。祁建華中建議,截流倍數的選擇可從(cong) 借鑒其他城市取值情況、衡量當地排水管網及汙水處理廠的負荷、截流區域初期雨水收集要求,截流區域特征4個(ge) 方麵來考點，

截流設施介紹

為(wei) 保證後續傳(chuan) 輸和處理構築物的安全運行,截流設施應滿足精準截流的要求,即減小實際截流量與(yu) 設計截流量之間的誤差。

3.1 傳(chuan) 統截流井

傳(chuan) 統截流井主要有3種形式,即堰式截流井、槽式截流井和槽堰結合式截流井(見圖1)目前相關(guan) 設計規程和設計手冊(ce) 中給出了汙水截流管管徑為(wei) 300~600mm 時堰高和槽深的計算公式以及汙水截流管管徑為(wei) 300~500mm 時槽堰結合式截流井槽堰總高和堰高的計算公式。傳(chuan) 統截流井結構簡單、建造成本低,但是截流過程不受控製,實際截流量往往與(yu) 設計截流量存在較大偏差,同時存在汙水及自然水體(ti) 倒灌、影響排澇行洪等缺點。溢流時,當截流管內(nei) 水流由重力流變為(wei) 壓力流時,實際截流量遠大於(yu) 設計截流量,會(hui) 對截流管後汙水管道的輸送能力、汙水提升泵站的提升負荷和汙水處理廠的運行造成安全隱患:對於(yu) 降雨中、後期較為(wei) 幹淨的雨水同樣進行截流,從(cong) 而降低汙染物的截流處理效率。

楊根權≌通過研究得出有作用水頭的截流管可等效視為(wei) 一段坡度增大的無壓滿流管,兩(liang) 者流速相差不大。筆者采用設計截流量 0=350 L/s,截流管長L=20 m,截流管管徑 D=300~600 mm,當截流管內(nei) 水流由重力流變為(wei) 壓力流時,對3種傳(chuan) 統截流井實際截流量進行試算,結果見表1。

由表1可知,對於(yu) 同一設計截流量,當截流管管徑相同時,槽堰結合式截流井的實際截流量較設計截流量增大的倍數最大,堰式截流井次之,槽式截流井最小。對於(yu) 同一形式的截流井,截流量增大倍數與(yu) 截流管管徑成正比,這從(cong) 側(ce) 麵反映出截流井與(yu) 汙水截流幹管分開采用管道連接的並聯方式相比於(yu) 截流井與(yu) 汙水截流幹管直接相連的串聯方式更加合理,能減少溢流汙染及降低上遊汙水稀釋程度3.2 樓宇雨汙分流器

樓宇雨汙分流器(見圖2)是針對混接排水立管分流改造的一體(ti) 化設備,設置在排水立管末端,一般埋地安裝。其本質是在槽堰結合式截流井的基礎上，增設微型提籃式格柵來除渣以免堵塞,增設浮球控製的拍門削減雨天較清潔的排水進人下遊汙水管。設備使用前需調查混接排水立管接入情況,嚴(yan) 禁馬桶或蹲坑汙水接人,以免較大雜物堵塞進水口使其功能喪(sang) 失。另外,由於(yu) 上遊管道基本沒有調蓄容量實際使用中瞬時排水量較大時,容易造成汙水溢流進入下遊雨水管。

輔助截流設備3.3

3.3.1 疊梁閘

采用由多塊閥板組成的疊梁閘(見圖3)替代固定堰高堰牆,設置鋼絲(si) 牽引疊梁閘,四周采用止水膠條封堵,打開或閉合不同數量的閥板以實現截流量的調配,用以適配不同降雨曆時或暴雨強度的降雨。疊梁閘較傳(chuan) 統堰式截流井使用更加靈活,但存在滲漏問題。

3.3.2翻板堰

采用翻板堰(見圖4)替代固定堰高堰牆,堰係統配有傾(qing) 角儀(yi) 和上、下限位開關(guan) ,設定井內(nei) 警戒液位,采用液位儀(yi) 監測堰門前井內(nei) 液位和堰門後自然水體(ti) 液位。當井內(nei) 液位大於(yu) 警戒液位且至少大於(yu) 自然水體(ti) 液位0.1m時,翻板堰由閉合狀態變為(wei) 開啟狀態,開啟角度可以調節,進而控製出水管方向的流量。翻板堰主要適用於(yu) 小排口截流改造。

3.3.3 下開式堰門

采用下開式堰門(見圖5)替代固定堰高堰牆可以靈活調節溢流量,同時防止自然水體(ti) 倒灌。晴天時,下開式堰門處於(yu) 關(guan) 閉狀態。雨天時,根據井內(nei) 水位與(yu) 警戒水位的關(guan) 係,控製限流閘門逐步關(guan) 閉，下開式堰門逐步開啟。下開式堰門比翻板堰更穩定,但造價(jia) 較高。王彬等?通過實踐證明,在沿湖混流排口截汙改造工程中,小於(yu) DN800 mm 的排口,選用翻板堰;大於(yu) 等於(yu) DN800 mm 的排口,選用下開式堰門。

3.3.4 浮筒式控流閥

浮筒式控流閥安裝在截流管前端,是傳(chuan) 統堰式截流井的一種改進方式。浮筒式控流閥由浮筒、傳(chuan) 動裝置和閘板3部分組成(見圖6),適合小口徑(DN500 mm 及以下)截汙口。程明濤等!認為(wei) ,在不同水位條件下,通過具有特殊水力曲線切割的閥體(ti) 開啟度變化可得到一個(ge) 恒定的設計流量,限流控製精度可達 3%~6%。

3.3.5 旋流限流閥

在傳(chuan) 統堰式截流井內(nei) 截流管前端安裝旋流限流閥,使進水經過旋流限流閥後進入截流管。旋流限流閥工作時利用其腔體(ti) 內(nei) 外的進水壓力差,使得進水以正切角的方向切入腔體(ti) ,能精確控製截流量,截流汙水能均勻穩定地排放至下遊構築物。旋流限流閥上遊需設置必要的攔汙設施,保證閥體(ti) 正常運行。

根據旋流限流閥與(yu) 合(混)流進水管是否安裝在同一隔斷井室內(nei) ,旋流限流閥可分為(wei) 濕式安裝和幹式安裝(見圖7)。趙奇奇等的研究表明,旋流限流閥截流量不會(hui) 隨著降雨強度和降雨曆時的改變而發生大幅度變化,不會(hui) 對汙水處理廠的日常運行造成較大的水量衝(chong) 擊。旋流限流閥的口徑越大,則重力流階段和限流階段的最大截流量越大:安裝角度越大,則重力流階段的最大截流量越大,而限流階段的最大截流量基本不變。

智慧截流井3.4

傳(chuan) 統截流井和截流設備多采用水位法控製,在精準截流、嚴(yan) 防外部河(海)水倒灌和高水平控製管理等方麵還存在不足之處。智慧截流井是在傳(chuan) 統截流井基礎上改進而成,由截流井體(ti) 設備和智能控製係統組成,可通過自動識別降雨量或感知汙染物濃度進行自動分流,最大限度地收集上遊汙水、汙染雨水,並順利排出清潔雨水或洪水,可實現遠程查看運行狀態並控製。智慧截流井主要采用水位法、雨量法、時間法和水質法進行控製",其運行效果較傳(chuan) 統截流井更好[81。華錚等!9認為(wei) 智慧截流井的基本功能包括:1)具備感知降雨量、排水液位、排水流量的能力;2)具備智能自動化控製係統,可以根據早季、雨季排水狀況,按照預設的程序自動控製限流閘門啟閉及排水方向調整;3)對超警戒水位、設備故障等情況,具備報警功能;4)具備遠程控製和管理功能。

3.4.1 智能控製參數的選取

水位法建立在井內(nei) 液位衛、井內(nei) 設定液位警戒液位和外排水體(ti) 液位之間相對關(guan) 係的基礎上。原則上晴天排水均通過截流管排至下遊處理構築物,溢流出水管關(guan) 閉。雨天時,當H≤H,時,截流井內(nei) 排水全部通過截流管排至下遊處理構築物;當衛>H,時,截流管全部或部分關(guan) 閉,溢流出水管開啟;當 H>H且 H>H+ΔH 時,截流管關(guan) 閉,溢流出水管開啟,AH 一般取 0.1 m。

雨量法主要建立在降雨量基礎上。研究表明,屋麵初期雨水棄流厚度為(wei) 1~3mm、路麵初期雨水棄流厚度為(wei) 6~8mm 時,汙染物負荷削減量能達到 60%以上[0]。GB 51174-2017《城鎮雨水調蓄工程技術規範》規定,當無資料時,屋麵初期雨水棄流量可為(wei) 2~3 mm,地麵初期雨水棄流量可為(wei) 4~8 mm。時間法主要根據常規降雨初期時間來判定,一般認為(wei) 初期 10~30 min[1-4]降雨汙染物負荷較高,常規按排放口前 30 min 截流量進行精準截流。水質法通過監測截流井內(nei) 水質指標控製設備開啟度。水質指標主要為(wei) 支撐水體(ti) 設計用途的生物化學或物理指標,是從(cong) 科學角度製定的,不受經濟和社會(hui) 因素影響,但很難持續保持達標。研究表明懸浮物(SS)與(yu) 化學需氧量(CODc)和生化需氧量(BOD,)存在較好的相關(guan) 性"5-6,同時 SS 在線監測儀(yi) 表反應速度比較快,截流井內(nei) 實時SS 質量濃度可作為(wei) 截流井精準截流的控製條件。GB18918-2002《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》中三級標準的SS最高允許排放質量濃度(日均值)為(wei) 50mg。GB513452018《海綿城市建設評價(jia) 標準》對CS0 提出處理設施處理 SS 質量濃度月均值不應大於(yu) 50 mg, 的量化要求,可以把 SS 質量濃度為(wei) 50 mg, 作為(wei) 控製限值。雨天時,當截流井內(nei) SS 質量濃度小於(yu) 50 mg幾時,截流管前液壓閘門關(guan) 閉,溢流出水管前可調堰門開啟設置截流井的目的是通過精準控製截流量達到較為(wei) 理想的徑流汙染控製率,同時與(yu) 下遊傳(chuan) 輸及處理設施規模相匹配,保障其運營安全。理論上來說,以上4種控製參數選取的本質都是使截流井達到清汙分離的目的,汙水排至下遊處理構築物處理後排放,而潔淨雨水排河。城市地形地貌、下墊麵特性、土壤本底條件、排水設施完善程度的不同,會(hui) 導致不同強度的降雨在相同時間內(nei) 的徑流量和衝(chong) 刷特性差異較大,而降雨徑流總量在降雨初期也無法確定。水位法、雨量法和時間法臨(lin) 界值的選用與(yu) 截流倍數選取類似,存在一定範圍,但針對一場隨機的特定降雨,為(wei) 達到較理想的徑流汙染控製率,其精準臨(lin) 界值難以確定。車伍等!7指出,美國控製 CSO汙染多采用“水質控製體(ti) 積”,即為(wei) 了達到控製徑流汙染、保證水質的目標而需處理的雨水體(ti) 積。

3.4.2 智慧截流井組成

截流井體(ti) 設備包含調節閥、控製堰、擋渣板等智能控製係統則包含由雨量計、液位計、水質檢測設備構成的傳(chuan) 感子係統以及由通信模塊、控製模塊和控製邏輯構成的自動控製子係統。智慧集成平台能顯示截流井的水位、運行狀態等信息,具有顯示實時數據、存儲(chu) 曆史數據、遠程操控、報警、視頻接入等功能。智慧截流井一般在截流管前安裝液動限流閘門,對流向汙水處理廠的汙水量進行控製,並防止下遊汙水回流。采用翻板堰或是下開式堰門替代傳(chuan) 統固定堰,安裝在溢流出水管前,方便靈活調節開啟度。

3.5 一體(ti) 化智慧截流提升井

當下遊截流管高程受限時,可以采用泵站截流將提籃格柵、提升潛汙泵、活動堰門、智慧控製設備等集成為(wei) 一體(ti) 化智慧截流提升井(見圖8)。施工時隻需要完成基坑開挖、底板澆築即可,施工量小、工期短。智能控製係統可以實現遠程控製、故障報警和統一調度,無需人員值守,其運行維護費用較低。王雷!8指出,一體(ti) 化智慧截流提升井采用計算流體(ti) 動力學技術模擬設計的自清潔底部,能最大程度降低截流井底部淤積。

建立截流控製效果的長效評估機製

在傳(chuan) 統截流井基礎上增設的截流設備和智能監測控製設備,使截流設施的截流量可以根據不同降雨情況進行調節。建立截流控製效果的長效評估機製,根據評估結果回頭檢視已建截流設施運行情況並結合實際進行調整,可以彌補設計計算選取的截流倍數對隨機降雨適配性的不足。在工程措施落地的同時,通過管理手段動態調控閘門、堰門的啟閉,調試並收集不同降雨條件下的最佳運行參數,以減少截流設施端口溢流頻次和汙染物溢流總量。截流設施設置合理性的評估方法主要有在線監測評估法和數值模擬評估法。在線監測評估法通過對截流設施排放端口開展實時在線監測進行定量化反演,該方法的評估結果具有現實性,但受限於(yu) 人力和物力,且需要長時間的數據累積以掌握設備最佳運行參數。數值模擬評估法主要利用SWMMMike、InfoWorks ICM 等模型軟件構建相同降雨特征下的不同截流方案或不同降雨特征下的特定截流方案等,能在建設前期對項目建成效益進行評估,避免工程經濟浪費,但其難點在於(yu) 構建與(yu) 實際相匹配的可靠模型。王生願等!9指出,結合在線監測技術與(yu) 數學模型技術,能夠突破在線監測易受現場工況和經濟因素等限製的問題,同時又可以基於(yu) 實時監測數據對模型模擬精度進行校準,充分發揮數學模型技術在方案評估中的作用,為(wei) 本底參數和經驗的積累提供數據支撐。

5 結語

相比於(yu) 雨汙分流製排水係統,設置汙水截流設施的目的也是進行清汙分離，隻是分離程度不夠徹底。在開展流域水體(ti) 環境治理和汙水處理提質增效的過程中,汙水截流係統在一定時期內(nei) 還會(hui) 大量存在,截流設施需要從(cong) 傳(chuan) 統手動、液動運行模式轉變為(wei) 智能運營模式,從(cong) 粗放設置改進為(wei) 動態調控和精準截汙,遠期實現與(yu) 排水管網、調蓄設施、汙水處理廠整體(ti) 聯動,為(wei) 智能化調度管理提供支持。針對截流係統,可對截流溢流排口雨天排放製定獨立水質排放標準,由環保部門或水務運營管理部門對該類排口進行單獨審批和監督管理。

截流設施隻是源頭、中途和末端3級係統化方案中的一個(ge) 環節,建立截流控製效果的長效評估機製,進行全過程專(zhuan) 業(ye) 管理,根據水環境綜合治理工程的實施進度、河道水位控製狀況、截流效率要求新技術運行、汙水截流係統服務區域麵積變化等諸多因素及時調整截流設施的規模、形式和運行參數:同時減少截流幹管和支管壓力流過載時間,使之與(yu) 排水係統匹配,按輕重緩急原則實施改造工程,避免無效投資和工程風險，

在大數據技術快速發展的背景下,通過逐步搭建可視化智慧水務平台,可以實現水務數據的共建共享和互聯互通,打通信息孤島和業(ye) 績隔閡,利用監測數據累積和挖掘,提高數學模型與(yu) 區域水文特征的匹配度,優(you) 化截流智能運行參數,提高排水係統調控的科學合理性、高效性、前瞻性和主動性,在確保防止內(nei) 澇、廠站運行安全的前提下,做到精準截流,進一步提高雨汙分流率,保障水環境安全。