污水截流设施设计技术探讨

为贯彻落实《水污染防治行动计划》《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019-2021年)》““十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》的要求,各省市都在大力推进黑臭水体综合治理、排水管网雨污分流改造、雨季合流制系统溢流污染控制排水小区正本清源行动。加快补齐污水收集和处理。

设施短板,尽快实现污水管网全覆盖、全收集、全处理。从源头减排、过程控制和系统治理着手,控制城市雨水径流,提高城市雨污分流率,着力恢复城市原有自然水文特征和水生态环境,从而实现修复城市水生态、涵养城市水资源、改善城市水环境,提高城市水安全的多重目标。

根据 CB 50318-2017《城市排水工程规划规范》除干旱地区外,城市新建地区和旧城改造地区的排水系统应采用分流制，不具备改造条件的合流制地区可采用截流式合流制排水系统。从宏观政策角度看,我国虽然大力推进雨污分流排水体制建设,但是受空间条件、工程建设投资以及历史文化保护等诸多现实因素制约,很多区域仍然保留着合流制排水系统,分流制改造不彻底而仍然存在着错接混接问题。根据《城镇排水与污水处理条例》第十九条,建议对不适宜分流改造的合流制地区,按照城镇排水与污水处理规划要求,推行合流制溢流(Combined Sewer0verflow,CS0)污染控制设施的建设和改造,合理确定截流倍数,加强对CS0的排放调控和污染控制。

为保障污水处理厂日常安全运行,减少对河道水体的溢流污染,对合流制和雨污分流不彻底的排水区域以及雨污分流改造建设周期较长暂时还需要采取污染控制过渡措施的区域,短期内在合适位置设置截流设施是行之有效的重要措施。因此,在推进雨污分流的同时,加强污水截流系统的改造和构建是很有必要的。

笔者对多种截流设施的优缺点和截流控制方法进行探讨。由于传统截流设施截流过程缺乏精准控制,截流设施逐步向集成智控设施转变,而降雨径流区域、历时、强度等均具有随机性,因此有必要结合在线监测技术与数学模型技术,对截流系统建立长效评估机制,以实现动态调控和精准截流。

截流设施设置位置选择

进行区域排水系统梳理时,雨水管渠一般根据水体流域和排河口划片逐段分级,污水管网则根据污水处理厂划片逐段分级。截流设施应尽量设置在污染源头,以减小对后续排水系统的影响。截流设施一般设置在以下位置:

1)建筑红线内混接排水立管末端，在我国南方,建筑排水立管混接污水和雨水的情况比较常见。当空间条件受限或是建筑层高超过14层时,旧有建筑物难以新建排水立管实现雨污分流,此时可在混接排水立管末端设置截流设施，

2)建筑红线内合流排口末端。

受空间条件限制,建筑红线内无法进行彻底的雨污分流改造时,可在合流排口末端设置截流设施。

3)建筑红线外截流式排水系统合流干管与截污干管相交处。

市政排水管道无法实现源头正本清源时,可在截流式排水系统合流干管与截污干管相交处设置截流设施。

截流量确定

根据截流设施设置的位置及其他特定情况,选取合适的截流量。截流设施应能保证受纳范围内,晴天时最大污水排放流量不发生溢流污染,雨天时尽可能提高清污分流率。国内设计规程和设计手册中的污水截流井为无恒定截流设施,推荐截流倍数为2~5。祁建华中建议,截流倍数的选择可从借鉴其他城市取值情况、衡量当地排水管网及污水处理厂的负荷、截流区域初期雨水收集要求,截流区域特征4个方面来考点，

截流设施介绍

为保证后续传输和处理构筑物的安全运行,截流设施应满足精准截流的要求,即减小实际截流量与设计截流量之间的误差。

3.1 传统截流井

传统截流井主要有3种形式,即堰式截流井、槽式截流井和槽堰结合式截流井(见图1)目前相关设计规程和设计手册中给出了污水截流管管径为300~600mm 时堰高和槽深的计算公式以及污水截流管管径为 300~500mm 时槽堰结合式截流井槽堰总高和堰高的计算公式。传统截流井结构简单、建造成本低,但是截流过程不受控制,实际截流量往往与设计截流量存在较大偏差,同时存在污水及自然水体倒灌、影响排涝行洪等缺点。溢流时,当截流管内水流由重力流变为压力流时,实际截流量远大于设计截流量,会对截流管后污水管道的输送能力、污水提升泵站的提升负荷和污水处理厂的运行造成安全隐患:对于降雨中、后期较为干净的雨水同样进行截流,从而降低污染物的截流处理效率。

杨根权≌通过研究得出有作用水头的截流管可等效视为一段坡度增大的无压满流管,两者流速相差不大。笔者采用设计截流量 0=350 L/s,截流管长L=20 m,截流管管径 D=300~600 mm,当截流管内水流由重力流变为压力流时,对3种传统截流井实际截流量进行试算,结果见表1。

由表1可知,对于同一设计截流量,当截流管管径相同时,槽堰结合式截流井的实际截流量较设计截流量增大的倍数最大,堰式截流井次之,槽式截流井最小。对于同一形式的截流井,截流量增大倍数与截流管管径成正比,这从侧面反映出截流井与污水截流干管分开采用管道连接的并联方式相比于截流井与污水截流干管直接相连的串联方式更加合理,能减少溢流污染及降低上游污水稀释程度3.2 楼宇雨污分流器

楼宇雨污分流器(见图2)是针对混接排水立管分流改造的一体化设备,设置在排水立管末端,一般埋地安装。其本质是在槽堰结合式截流井的基础上，增设微型提篮式格栅来除渣以免堵塞,增设浮球控制的拍门削减雨天较清洁的排水进人下游污水管。设备使用前需调查混接排水立管接入情况,严禁马桶或蹲坑污水接人,以免较大杂物堵塞进水口使其功能丧失。另外,由于上游管道基本没有调蓄容量实际使用中瞬时排水量较大时,容易造成污水溢流进入下游雨水管。

辅助截流设备3.3

3.3.1 叠梁闸

采用由多块阀板组成的叠梁闸(见图3)替代固定堰高堰墙,设置钢丝牵引叠梁闸,四周采用止水胶条封堵,打开或闭合不同数量的阀板以实现截流量的调配,用以适配不同降雨历时或暴雨强度的降雨。叠梁闸较传统堰式截流井使用更加灵活,但存在渗漏问题。

3.3.2翻板堰

采用翻板堰(见图4)替代固定堰高堰墙,堰系统配有倾角仪和上、下限位开关,设定井内警戒液位,采用液位仪监测堰门前井内液位和堰门后自然水体液位。当井内液位大于警戒液位且至少大于自然水体液位0.1m时,翻板堰由闭合状态变为开启状态,开启角度可以调节,进而控制出水管方向的流量。翻板堰主要适用于小排口截流改造。

3.3.3 下开式堰门

采用下开式堰门(见图5)替代固定堰高堰墙可以灵活调节溢流量,同时防止自然水体倒灌。晴天时,下开式堰门处于关闭状态。雨天时,根据井内水位与警戒水位的关系,控制限流闸门逐步关闭，下开式堰门逐步开启。下开式堰门比翻板堰更稳定,但造价较高。王彬等?通过实践证明,在沿湖混流排口截污改造工程中,小于 DN800 mm 的排口,选用翻板堰;大于等于 DN800 mm 的排口,选用下开式堰门。

3.3.4 浮筒式控流阀

浮筒式控流阀安装在截流管前端,是传统堰式截流井的一种改进方式。浮筒式控流阀由浮筒、传动装置和闸板3部分组成(见图6),适合小口径(DN500 mm 及以下)截污口。程明涛等!认为,在不同水位条件下,通过具有特殊水力曲线切割的阀体开启度变化可得到一个恒定的设计流量,限流控制精度可达 3%~6%。

3.3.5 旋流限流阀

在传统堰式截流井内截流管前端安装旋流限流阀,使进水经过旋流限流阀后进入截流管。旋流限流阀工作时利用其腔体内外的进水压力差,使得进水以正切角的方向切入腔体,能精确控制截流量,截流污水能均匀稳定地排放至下游构筑物。旋流限流阀上游需设置必要的拦污设施,保证阀体正常运行。

根据旋流限流阀与合(混)流进水管是否安装在同一隔断井室内,旋流限流阀可分为湿式安装和干式安装(见图7)。赵奇奇等的研究表明,旋流限流阀截流量不会随着降雨强度和降雨历时的改变而发生大幅度变化,不会对污水处理厂的日常运行造成较大的水量冲击。旋流限流阀的口径越大,则重力流阶段和限流阶段的最大截流量越大:安装角度越大,则重力流阶段的最大截流量越大,而限流阶段的最大截流量基本不变。

智慧截流井3.4

传统截流井和截流设备多采用水位法控制,在精准截流、严防外部河(海)水倒灌和高水平控制管理等方面还存在不足之处。智慧截流井是在传统截流井基础上改进而成,由截流井体设备和智能控制系统组成,可通过自动识别降雨量或感知污染物浓度进行自动分流,最大限度地收集上游污水、污染雨水,并顺利排出清洁雨水或洪水,可实现远程查看运行状态并控制。智慧截流井主要采用水位法、雨量法、时间法和水质法进行控制",其运行效果较传统截流井更好[81。华铮等!9认为智慧截流井的基本功能包括:1)具备感知降雨量、排水液位、排水流量的能力;2)具备智能自动化控制系统,可以根据早季、雨季排水状况,按照预设的程序自动控制限流闸门启闭及排水方向调整;3)对超警戒水位、设备故障等情况,具备报警功能;4)具备远程控制和管理功能。

3.4.1 智能控制参数的选取

水位法建立在井内液位卫、井内设定液位警戒液位和外排水体液位之间相对关系的基础上。原则上晴天排水均通过截流管排至下游处理构筑物,溢流出水管关闭。雨天时,当H≤H,时,截流井内排水全部通过截流管排至下游处理构筑物;当卫>H,时,截流管全部或部分关闭,溢流出水管开启;当 H>H且 H>H+ΔH 时,截流管关闭,溢流出水管开启,AH 一般取 0.1 m。

雨量法主要建立在降雨量基础上。研究表明,屋面初期雨水弃流厚度为1~3mm、路面初期雨水弃流厚度为6~8mm 时,污染物负荷削减量能达到 60%以上[0]。GB 51174-2017《城镇雨水调蓄工程技术规范》规定,当无资料时,屋面初期雨水弃流量可为2~3 mm,地面初期雨水弃流量可为 4~8 mm。时间法主要根据常规降雨初期时间来判定,一般认为初期 10~30 min[1-4]降雨污染物负荷较高,常规按排放口前 30 min 截流量进行精准截流。水质法通过监测截流井内水质指标控制设备开启度。水质指标主要为支撑水体设计用途的生物化学或物理指标,是从科学角度制定的,不受经济和社会因素影响,但很难持续保持达标。研究表明悬浮物(SS)与化学需氧量(CODc)和生化需氧量(BOD,)存在较好的相关性"5-6,同时 SS 在线监测仪表反应速度比较快,截流井内实时SS 质量浓度可作为截流井精准截流的控制条件。GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中三级标准的SS最高允许排放质量浓度(日均值)为50mg。GB513452018《海绵城市建设评价标准》对CS0 提出处理设施处理 SS 质量浓度月均值不应大于 50 mg, 的量化要求,可以把 SS 质量浓度为 50 mg, 作为控制限值。雨天时,当截流井内 SS 质量浓度小于 50 mg几时,截流管前液压闸门关闭,溢流出水管前可调堰门开启设置截流井的目的是通过精准控制截流量达到较为理想的径流污染控制率,同时与下游传输及处理设施规模相匹配,保障其运营安全。理论上来说,以上4种控制参数选取的本质都是使截流井达到清污分离的目的,污水排至下游处理构筑物处理后排放,而洁净雨水排河。城市地形地貌、下垫面特性、土壤本底条件、排水设施完善程度的不同,会导致不同强度的降雨在相同时间内的径流量和冲刷特性差异较大,而降雨径流总量在降雨初期也无法确定。水位法、雨量法和时间法临界值的选用与截流倍数选取类似,存在一定范围,但针对一场随机的特定降雨,为达到较理想的径流污染控制率,其精准临界值难以确定。车伍等!7指出,美国控制 CSO污染多采用“水质控制体积”,即为了达到控制径流污染、保证水质的目标而需处理的雨水体积。

3.4.2 智慧截流井组成

截流井体设备包含调节阀、控制堰、挡渣板等智能控制系统则包含由雨量计、液位计、水质检测设备构成的传感子系统以及由通信模块、控制模块和控制逻辑构成的自动控制子系统。智慧集成平台能显示截流井的水位、运行状态等信息,具有显示实时数据、存储历史数据、远程操控、报警、视频接入等功能。智慧截流井一般在截流管前安装液动限流闸门,对流向污水处理厂的污水量进行控制,并防止下游污水回流。采用翻板堰或是下开式堰门替代传统固定堰,安装在溢流出水管前,方便灵活调节开启度。

3.5 一体化智慧截流提升井

当下游截流管高程受限时,可以采用泵站截流将提篮格栅、提升潜污泵、活动堰门、智慧控制设备等集成为一体化智慧截流提升井(见图8)。施工时只需要完成基坑开挖、底板浇筑即可,施工量小、工期短。智能控制系统可以实现远程控制、故障报警和统一调度,无需人员值守,其运行维护费用较低。王雷!8指出,一体化智慧截流提升井采用计算流体动力学技术模拟设计的自清洁底部,能最大程度降低截流井底部淤积。

建立截流控制效果的长效评估机制

在传统截流井基础上增设的截流设备和智能监测控制设备,使截流设施的截流量可以根据不同降雨情况进行调节。建立截流控制效果的长效评估机制,根据评估结果回头检视已建截流设施运行情况并结合实际进行调整,可以弥补设计计算选取的截流倍数对随机降雨适配性的不足。在工程措施落地的同时,通过管理手段动态调控闸门、堰门的启闭,调试并收集不同降雨条件下的最佳运行参数,以减少截流设施端口溢流频次和污染物溢流总量。截流设施设置合理性的评估方法主要有在线监测评估法和数值模拟评估法。在线监测评估法通过对截流设施排放端口开展实时在线监测进行定量化反演,该方法的评估结果具有现实性,但受限于人力和物力,且需要长时间的数据累积以掌握设备最佳运行参数。数值模拟评估法主要利用SWMMMike、InfoWorks ICM 等模型软件构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,能在建设前期对项目建成效益进行评估,避免工程经济浪费,但其难点在于构建与实际相匹配的可靠模型。王生愿等!9指出,结合在线监测技术与数学模型技术,能够突破在线监测易受现场工况和经济因素等限制的问题,同时又可以基于实时监测数据对模型模拟精度进行校准,充分发挥数学模型技术在方案评估中的作用,为本底参数和经验的积累提供数据支撑。

5 结语

相比于雨污分流制排水系统,设置污水截流设施的目的也是进行清污分离，只是分离程度不够彻底。在开展流域水体环境治理和污水处理提质增效的过程中,污水截流系统在一定时期内还会大量存在,截流设施需要从传统手动、液动运行模式转变为智能运营模式,从粗放设置改进为动态调控和精准截污,远期实现与排水管网、调蓄设施、污水处理厂整体联动,为智能化调度管理提供支持。针对截流系统,可对截流溢流排口雨天排放制定独立水质排放标准,由环保部门或水务运营管理部门对该类排口进行单独审批和监督管理。

截流设施只是源头、中途和末端3级系统化方案中的一个环节,建立截流控制效果的长效评估机制,进行全过程专业管理,根据水环境综合治理工程的实施进度、河道水位控制状况、截流效率要求新技术运行、污水截流系统服务区域面积变化等诸多因素及时调整截流设施的规模、形式和运行参数:同时减少截流干管和支管压力流过载时间,使之与排水系统匹配,按轻重缓急原则实施改造工程,避免无效投资和工程风险，

在大数据技术快速发展的背景下,通过逐步搭建可视化智慧水务平台,可以实现水务数据的共建共享和互联互通,打通信息孤岛和业绩隔阂,利用监测数据累积和挖掘,提高数学模型与区域水文特征的匹配度,优化截流智能运行参数,提高排水系统调控的科学合理性、高效性、前瞻性和主动性,在确保防止内涝、厂站运行安全的前提下,做到精准截流,进一步提高雨污分流率,保障水环境安全。