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一厂一策:广州城镇污水处理提质增效案例

  导 读
  针对广州市增城区石滩污水处理系统污水浓度不稳定、管道高水位运行及服务范围内仍存在河涌黑臭的现状,通过从排水源头、管网、泵闸站以及污水处理厂各环节分析摸查,对现状污水系统进行剖析,建立工作整治台账,采取有针对性的工程和非工程性措施,制定“一厂一策”系统化整治方案,其中重点整治外水入侵,完善污水收集设施,改善现有排水系统质量及河涌水质。本研究坚持的“清源头、补短板、提质效、强制监”工作原则更好的指导城镇生活污水处理系统提质增效工作有效的进行。
  0引言
  近年来,我国城市水处理厂数量激增,污水日处理能力从2007年的0.78亿m³/d增加到2019年的2.28亿m³/d,但也出现了一个怪现象,即污水处理规模逐年增长,平均进水COD和BOD浓度却逐年下降。广州市增城区也不例外,存在污水处理厂进水浓度降低和进水总量增大的问题,污水处理效能低下,造成浪费。
  为此,广州市增城区于2019年7月通过了《增城区城镇污水处理提质增效三年行动实施方案(2019—2021)》,要求实现“建成区基本无生活污水直排口,基本消除城中村、老旧城区和城乡结合部生活污水收集处理设施空白区,城市生活污水集中收集效能显著提高,基本消除全区黑臭河涌,实现东江北干流大墩国考断面水质达标”的目标。自2020年3月以来,增城水务部门以石滩污水处理系统为对象,围绕服务片区管网制定“一厂一策”系统化整治方案,开展石滩镇墟污水处理系统提质增效工程,截止2020年12月底,石滩污水处理系统已挤掉外水约2万m³/d,进水COD和氨氮浓度大幅度提升,已达到初期考核目标(COD 180 mg/L,氨氮21.7 mg/L),为广州市及其他类似城市污水提质增效提供技术决策,也为新的城市污水治理模式“厂—网—河—城”一体化积累实践经验基础。
  1石滩污水系统概况
  1.1 区域概况
  石滩镇地处广州东部增城区,石滩污水处理系统服务面积共计77.4 km²。如图1所示,石滩污水系统范围内水系发达,西临西福河,东靠增江。内部亦有众多河涌穿过,且多为雨源性河道,具有分布广、数目多、干流短等特点,雨季为河涌,旱季为沟。这些河涌大都与增江和东江北干流相连通,一方面导致这些河涌流量、流速、水位和水质等都易受暴雨影响;另一方面也易受不正规半日潮混合潮型影响,夏季潮位一般高于冬季,最高潮位一般出现在6至9月。
  
 图1 石滩污水系统和河涌水系
  1.2 污水收集处理设施现状情况
  石滩污水处理厂位于北三环高速与石顺大道交叉口东北角,于2010年8月投产使用,总占地面积120亩(1亩≈667 m²),污水处理厂设计规模为25万m³/d,采用改良AAO工艺,出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准,现状主干管系统有2个泵站,见表1。
  表1 石滩污水系统泵站汇总
  
  本项目范围内基本为合流制排水体制,大部分城中村和老旧小区均只有1套合流排水系统。石滩污水处理厂共有3条进厂总管,西侧如丰大道总管通过泵站进入污水处理厂提升泵站进水池,压力管管径DN200;东侧石顺大道总管重力流进入配水井,管径DN1 200,南侧立新西路总管重力流进入配水井,管径DN1 200。
  1.3 现状存在问题
  石滩污水处理厂投产使用后,进水量逐年增长,但一直未满负荷运行。本项目统计分析了石滩污水处理厂2018年8月至2020年6月每日进水COD、氨氮浓度、日实际处理量及运行负荷率等数据,具体变化曲线见图2(数据按月计)。石滩污水处理厂进水量5 000~15 000 m³/d,负荷介于21%~62%;进水COD平均浓度94.1 mg/L,氨氮平均浓度14.5 mg/L,与增城区提质增效目标要求差距较大,但现场摸查发现石滩污水处理厂现状3条进厂总管长期满管、高水位运行,明显石滩污水处理厂—泵站—管网调度系统不协调。因此,石滩污水系统主要存在三大类问题:一是存在大量外水进入石滩污水处理厂,导致进水浓度低;二是外水挤占管渠空间,造成污水溢流河涌,污染河涌;三是地下水携带管体周围泥沙进入污水管道,易造成管道上方地面塌陷,带来安全隐患。
  
  图2 石滩污水处理厂水质水量变化
  1.4 治理目标
  通过本项目的实施,完善石滩镇污水管网、雨水管网,提升污水收集率,提升石滩污水处理厂进水浓度,消除石滩镇建成区生活污水直排口,消除城中村、老旧城区及城乡结合部生活污水收集处理设施空白区,消除黑臭河涌,全面实现石滩镇污水处理系统的提质增效。
  2问题原因分析
  2.1 污水系统外水组成
  本研究主要对象为污水系统中外来水(下文均简称“外水”),主要由以下4类组成:
  山水:上游为山体的合流管渠,山体的山水易通过末端截污的方式进入污水管网系统;
  河水和潮水:河涌边大都设有临河埋管、过河管、涌边截污管、溢流口和拍门等排水设施,当河水、潮水上涨时,容易管道缺陷或者溢流口设施倒灌进入污水管网系统;
  地下水:主要是通过管道结构性缺陷进入污水系统;
  其他外水:雨水、自来水、工地基坑水、鱼塘水、政策性外水等。
  2.2 山水影响分析
  石滩镇北部地势较高,南部较低,以冲积平原为主,本研究中山水主要为增塘水库和塘头水库水通过泄洪通道排入下游河涌,在通过现状管网破损处、截污设施和雨污错混接进入污水管网,进而影响污水处理厂进厂水质。摸查时发现山水1处,水量约100 m³/d,占本次外水总量的0.32%,另外结合本研究区域地势来看,山水入渗不是本研究区域主要外水来源。
  2.3 河水、潮水影响分析
  石滩污水处理系统服务范围内河网密集,河涌、灌溉渠和众多暗渠犬牙交错,沿途有大量临河埋管、过河管、涌边挂管、截污管、截污闸、截污堰、截污井、排水口及闸门和拍门,同时部分河涌需兼顾灌溉、景观和泄洪需求。如大滨海河涌,流经增塘排水分区与新城排水分区,一方面担任增塘水库泄洪通道,另一方面也担负流域范围内农业灌溉,当河涌水位较高时,大量河涌水直接通过管网结构性缺陷处、排放口和拍门进去污水管网。因此,2020年10月25日至29日,增城水务局通过控制大滨海河涌(现为枯水期)水闸和增塘水库水闸启闭,并同步监测如丰大道泵井水位和水质,具体结果见表2。如丰大道主管泵站运行水质和水位受大滨海河涌水位影响显著,关闸后,泵站运行水位降幅在51%~59%;进水COD浓度增幅在100%~108%;氨氮增幅在62%~108%。
  表2 大滨海河涌降水前后如丰大道泵站水质水量情况变化
  
  2.4 地下水影响分析
  本研究区域地下水水位高,稳定水位埋深0.5~2.1 m,现状污水主管和新建管网大部分埋深均在1.5 m以下,地下水能通过与外界连通的管道缺陷进入污水系统。
  石滩污水系统现状排水管材类型众多,质量参差不齐,存在大量不同程度结构性缺陷,例如如丰大道DN1 200主管,从2020年3至12月,雨季长期满管,如丰大道泵站运行水位8.5 m左右,而旱季也基本满管,但若排水分区范围内水系源头增塘水库关闸,则附近河涌基本无水,如丰大道泵站运行水位则2.9 m,1万多立方米污水消失无踪,可见如大道主管管网已是“千疮百孔”。
  2.5 其他外水影响分析
  除了上述外水之外,雨水、自来水、工地基坑水、鱼塘水和政策性外水等也不能忽视。雨水主要通过雨污错混接、截污系统和管道缺陷等方式进入污水系统。石滩污水系统现状大部分区域均为截流式合流制,新建排水单元虽是分流制,但由于市政管网与排水单元建设的不同步,市政接驳处仍存在大量错混接。雨季时大量雨水通过上述方式进入污水管网,加重污水系统负担,降低污水处理厂处理效率。本研究对石滩污水系统雨水入侵做了水质调查,分别在晴天和雨天对污水处理厂进厂水质进行检测,其中2020年7月24日至28日与8月1日至5日连续降雨,COD、氨氮浓度和降雨量如图3。由水质监测结果可知,随着降雨的持续,水质浓度下降更加明显,能将COD稀释到旱季浓度的21.6%。
  
  图3 石滩污水处理厂典型晴雨天水质变化曲线
  自来水泄漏也是导致污水进厂浓度降低的主要因素之一。石滩镇属于增城区偏远地带,自来水管网设施老旧,在对现状管网全线巡查与检测时,共发现7处较大自来水泄漏点,总水量约1 200 m³/d。
  施工工地基坑泥浆水排入污水系统,不仅会降低污水浓度,也易堵塞管道。本研究区域内共有4个大型建设工地,经巡查发现,有2个工地内泥浆水直排入污水系统,总水量约3 100 m³/d。
  综上所述,石滩污水系统的主要问题是河涌水、自来水、工地基坑水和汛期雨水排入污水管网,造成污水处理厂进水浓度长期偏低,再加上石滩污水处理厂—泵站—管网调度系统不协调,造成现状管网高水位运行,但污水处理厂运行负荷却偏低。
  3主要治理思路及做法
  3.1 系统摸查
  针对石滩污水管网系统存在大量外水等情况,2020年4月至9月,增城区水务局组织各参建单位先控制河涌水位,降低管网水位,再对片区现状主管进行封堵、降水,利用QV和CCTV等手段对石滩污水系统范围内65 km污水主管、暗渠和重点片区支管进行摸查,查找管网外水点、错混接点、倒灌点和末端截污设施。项目区域内暗渠是摸查重点,这些暗渠兼顾泄洪和污水转输功能,是造成河涌黑臭和管网高水位运行的重要因素,为摸查清楚这些问题,对于不满足摸查条件的暗渠,要进行揭盖复涌,无法揭盖的也必须增设检查井,满足检修和清淤条件。对于河涌排口,也要开展溯源摸查,针对项目区域内7条河涌,共计245个排放口开展徒步巡河摸查,逐一排查清楚并形成排口清单及时处理,对存在河涌倒灌风险的排放口优先溯源摸查,石滩污水系统拓扑结构如图4。
  
  图4 石滩污水系统
 
  3.2 精细分析
  石滩污水系统水量初步估算结果见表3,其中已纳入污水量通过污水量概化与分配原则估算。
  表3 石滩污水系统现状水量摸查结果
  
  由表3可知,地下水入渗量若按10%计,如丰大道泵站(近期设计规模4 800 m³/d)已不能保障市政主管正常运行,而实际外水量为泵站设计规模的302%,一方面,该泵站需开展远期改造,另一方也需同步开展“挤外水”工程。此外,本研究也复核了石滩污水处理厂提升泵站进水池运行情况,见图5。
  
 图5 石滩污水处理厂提升泵井进水池示意(水厂水质检测井)
  石顺大道和立新西路主管在进水井前汇合,通过DN1 200倒虹管进入进水池,而如丰大道采用DN200压力管跌水进入前池。污水处理厂取样检测水质(表层取水)时,按照进水井运行水位高度,污水处理厂水质检测结果主要受如丰大道水质影响,可在进水池出水口深度处取样,此外,如丰大道泵站开启时,也易导致污水倒灌石顺大道和立新西路主管,造成其高水位运行。
  另外,在石滩系统内管网关键节点处布点,对COD<100 mg/L 或氨氮<5 mg/L 的检测点进行梳理,可参照图4,大致锁定各类外水的分布范围与位置。
  3.3 对症施策
  采用城镇污水处理提质增效“十步法”,先收集基础资料,再根据上述一手摸查资料和数据,抓住重点,以点带面,对症施策,其中关键节点是控制外水入侵。再根据上述分析的石滩污水系统入侵外水来源,其针对性实施策略如下:
  (1) 管网完善。通过系统摸查,由于规划滞后、建设滞后,石滩污水系统污水管网覆盖不完全,存在部分污水收集空白区域,造成污水直排。现已完善苹果街、新城大道支路、乔安西路和朱石路等14条道路公共收集管网,同时也全面推进了麻车村,塘头村和郑田村等城中村管网建设,消除未覆盖空白区。
  (2) 排口改造。在彻底清污分流实施完成之前,排查现状截污点,废除重复截污点,对截污量小的点位可降低截流堰高度,对截流量大的设置先进的限流闸阀,精准控制截流量。此外,本研究也对存在倒灌风险的4处排放口及漏水的6处拍门逐一整改。
  (3) 排水单元达标改造。本研究拟在项目服务范围内开展排水单元达标攻坚工作,将排水区域模块化,分为住宅类、机关事业单位(含学校)、部队、工业类、商业类等,并开展“洗楼”“洗井”“洗管”行动,分片各个击破,并落实海绵城市理念,最终实现提质增效。以增塘排水分区和新城排水分区为例,其排水单元摸查情况如表4。本工程流域内的排水单元主要以合流制为主,按照排水单元面积统计,合流制区域占比99.48%,分流制区域占比0.52%,可见本项目内排水单元雨污混流严重。本研究已建立排水单元达标创建工程台账,采用“地毯式”的攻坚方式实行正本清源,改造一个,达标一个,逐步实现提质增效。
  表4 排水单元排水体制统计(增塘排水分区和新城排水分区)
  
  (4) 管网修复及养护。本项目技术层面主要采用QV初测,清淤抽水后CCTV复测,保障污水管网检测的质量。本次检测共发现管道功能性缺陷1957处,结构性缺陷4017处,其中在结构性中,渗漏、破裂、变形、错口和脱节为主要问题。本次摸查也发现检查井渗漏120处,较大外水点89处。根据摸查结果形成管道缺陷台账和外水台账,制定并落实更新与修复计划,按照影响程度大小,先后处理,开展封堵和修复,逐一销项,最终形成健康运行的管网系统。
  (5) 明、暗渠箱整治。石滩镇前期已进行过黑臭河涌整理,但仅限于主涌,部分支涌和暗渠并未处理。从源头处理排口是整治黑臭水体最有效的工程措施,对于有条件的暗渠,要进行揭盖复涌,无法揭盖的也必须增设检查井,满足检修和清淤条件。本项目范围内仅3条暗渠,目前已进行揭盖处理。
  (6) 控制河涌水位。石滩镇河涌大都直接排入增江或东江,大部分河涌都兼具泄洪、景观和灌溉功能,不能为了河涌景观和灌溉盲目调高河涌水位,要通过估算实际需求来控制河涌水位,此外通过降低河道水位,如在不通航的河道可直接利用下游水闸启闭控制河道水位,改变河道感潮特性,可减少河水的顶托倒灌[2]。如大滨海河涌,源头为增塘水库,可通过估算沿途灌溉和景观需要来控制增塘水库的放水量。
  (7) 挤外水。山水、河水、潮水、地下水、雨水和池塘水均能通过上述工程措施进行处理,自来水和工地基坑排水需行政手段督导处理。对于自来水入渗,需协调自来水公司修复破损的的管网;而工地基坑水需政府管理部门督促工地加建“小蓝管”,将处理过的基坑水排入雨水管道或自然水体,这样就能腾出污水管网被挤占的空间,使污水管网系统正常运行。
  (8) 加强宣传与管理。为实现提质增效效果的长效保持,必须将工程措施和非工程措施相结合。例如,在本项目已实施清污分流的区域,部分居民仍将污水和垃圾倒入雨水口,严重影响提质增效的进程。因此,应积极向大众宣传雨污分流的理念、将排水许可证切实落到实处,并加强执法力度,对偷排、漏排和错排的排水户进行严厉处罚。
  4实施效果
  4.1 管网水质与水量
  本项目自2020年4月进场以来,已开展上述一系列工程措施,其中挤外水措施主要在2020年9月之后行实施。石滩污水处理厂进厂水量、COD和氨氮浓度变化见图6。
  
  图6 石滩污水系统提质增效前后进厂水质水量变化曲线
  COD浓度自2020年9月之后,总体呈上升趋势,2020年12月平均浓度达172 mg/L,较以往月份水质平均提高了43.89%。氨氮浓度上升趋势较小,2020年12月平均浓度达23 mg/L,目前已初步实现了污水处理厂进水水质的提质增效,随着本项目的进一步实施,其效果将进一步提高。郭翔研究CCTV管道检测在扬州污水提质增效行动中的应用,发现市政管网修复后,污水处理厂进厂水质浓度大幅度提升,污水处理厂受雨水冲击得到有效控制,这与本研究结果基本一致。此外,关于广州市猎德污水处理系统“一厂一策”系统化整治研究也印证了本研究结果,随着“挤外水”工作的不断深入,其COD浓度增幅2019年较2018年提升45%。可见本研究的提质增效已初见成效。
  4.2 河涌水质
  在该片区提质增效前,石滩污水系统存在河涌直排口,再加上大量污水溢流,导致大滨海河涌、岗贝涌等河涌经常黑臭,水质常年属于劣Ⅴ类水体。以大滨海河涌为例,整治后,沿河直排污水转输至污水处理厂,截污井彻底取消,据统计,大滨海河涌直排污水量和溢量约减少900 m³/d。此外,结合散乱污关停和沿河违建清拆等控源措施,根据水体检测的COD、氨氮和透明度指标数据,可以看出片区内河涌水质有明显改善,且2020年11月氨氮同比降低7.38%。
  5结论
  污水处理厂进厂浓度低的原因既有其普遍性又有其特殊性,因此,需找准问题根源,因地制宜,制定提质增效“一厂一策”。提质增效也不是一项一朝一夕的工作,要建立长效维管机制,这样才能进一步提升污水处理效能和实现河涌的“长制久清”目标。
  (1)提质增效工作的基础是开展科学调查与诊断工作,以污水处理厂污水收集范围为系统单元,全面系统的从排水源头、管网、泵闸站以及污水处理厂各环节开展。片区河涌溯源需坚持摸查初测与全线徒步复核相结合。
  (2)防止外水入侵污水系统的对策是:避免重复截污、准确控制截流量减少雨水截流量,并通过彻底的清污分流逐渐废除截污系统;通过管道修复解决管道缺陷导致的地下水、河水和山水入渗问题;通过设置闸门控制河道水位,或优化排水口拍门、鸭嘴阀、下开式堰门等设施,减少河水和潮水的倒灌;利用行政手段督导自来水和工地水入渗污水系统等问题。
  (3)提质增效工作要充分发挥“厂—网—河—城”一体化管理调控机制的作用,确保排水设施安全高效运行。此外,也可通过主动调控河道水位,使其发挥生态补水功能,保障河道水质。
   来源:给水排水
  微信对原文有修改。原文标题:广州市增城区石滩污水处理系统提质增效案例分析;作者:马兰、林林、段军波;作者单位:中恩工程技术有限公司。刊登在《给水排水》2021年第9期。