定量分析：改造國內(nèi)污水管網(wǎng)系統(tǒng)需要綜合考慮的四個因素
【谷騰環(huán)保網(wǎng)訊】導(dǎo) 讀：污水管網(wǎng)外來水入侵、管網(wǎng)污水收集率、市政用水量和污水處理廠處理量是影響城市污水系統(tǒng)和城市水環(huán)境質(zhì)量的四個主要因素。污水系統(tǒng)改造不僅提升污染物收集率和污水管網(wǎng)中污染物(如COD)濃度，同時直接影響到對受納水體的污染物排放溢流負荷。使用簡化的城市污水系統(tǒng)模型和國內(nèi)外實際數(shù)據(jù), 定量表征和討論了四個因素對污水管網(wǎng)污水COD濃度和排放到受納水體的溢流污染物負荷的影響, 并就污水稀釋倍數(shù)、污水處理廠處理量、污染物去除效率、排放標準和溢流排放負荷之間的多重對應(yīng)關(guān)系進行了分析和討論，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)狀，提出改造和升級污水管網(wǎng)及污水處理廠需要考慮的三點建議。
1 研究背景與目標
近年來，不少城市通過改造升級污水管網(wǎng)和污水處理廠，提高了管網(wǎng)中COD濃度, 基本消除城市河流的黑臭現(xiàn)象，城市水環(huán)境質(zhì)量保護取得了重大進展。然而，由于城市建設(shè)的快速發(fā)展和部分基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相對滯后，一些城市仍存在污水管網(wǎng)COD濃度偏低、雨后河流“返黑返臭”等現(xiàn)象,需要進一步采用系統(tǒng)、綜合的方法, 將市政用水、污水管網(wǎng)、污水處理廠和受納水體作為一個系統(tǒng)加以研究和優(yōu)化，從而解決遺留的問題。污水系統(tǒng)在城市水環(huán)境保護中發(fā)揮著關(guān)鍵作用, 在規(guī)劃污水系統(tǒng)提質(zhì)增效時，城市水環(huán)境質(zhì)量改善為最終目標, 在考慮提高污水管網(wǎng)污染物(COD)濃度和污水處理廠效率時, 應(yīng)同時關(guān)注污染物溢流排放負荷對受納水體水質(zhì)的影響。研究表明, 污水管網(wǎng)外來水入侵、管網(wǎng)污水收集率、市政用水量(用水效率)和污水處理廠處理量四個因素在很大程度上決定了污水系統(tǒng)性能和效率。從某種意義上來說, 研究污水系統(tǒng)的改進和優(yōu)化就是探索和發(fā)現(xiàn)四個因素的因地制宜的最佳組合。本文應(yīng)用已驗證的簡化污水系統(tǒng)模型和質(zhì)量平衡原理, 結(jié)合國內(nèi)外實際數(shù)據(jù)進行了相關(guān)計算, 定量表征了在不同的條件下四個因素對管網(wǎng)污染物濃度和水環(huán)境排放負荷之間的關(guān)系, 討論了管網(wǎng)外來水、污水管網(wǎng)污水收集率、綜合用水量、污水處理廠處理量與去除效率和污水污染物濃度（COD）與溢流排放負荷之間的多重對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)國內(nèi)各地不同情況, 提出改造和升級污水系統(tǒng)的策略。本文內(nèi)容有助于在定量了解現(xiàn)存污水管網(wǎng)和污水處理廠的能力的基礎(chǔ)上，制定因地制宜、具有成本效益的改善城市污水系統(tǒng)效能和城市水環(huán)境的系統(tǒng)規(guī)劃。
2 研究方法
2.1 污水系統(tǒng)模型、參數(shù)與計算
圖1為本研究中采用已被驗證的基于質(zhì)量平衡原理的市政污水系統(tǒng)概念模型，系統(tǒng)包括市政供水、污水系統(tǒng)收集和運輸、污水處理廠、溢流排放和受納水體。
為便于與國際國內(nèi)數(shù)據(jù)對比，以個人日消耗和排放量作為相關(guān)模型參數(shù)質(zhì)量和轉(zhuǎn)化單位。模型參數(shù)包括: 人均日綜合用水量 (Specific Comprehensive Water Consumption, SCWC), L/(人·d); X: 管網(wǎng)污水收集率,%; 人均日外來水量(SQI/I), L/(人·d); SQOUT, 人均日污水處理廠處理量L/(人·d); SQSO, 人均日溢流污水量L/(人·d), 本文中既包括合流制系統(tǒng)和分流制系統(tǒng)的溢流(Combined Sewer Overflow, CSO或Separate Sewer Overflow, SSO)，也包括污水管網(wǎng)的泄漏量。除了第 3.4 節(jié)圖7~圖9外, 本文選用 COD 為指標污染物。假設(shè)條件: 服務(wù)區(qū)內(nèi)很少的制造業(yè)(污水幾乎都是市政污水)。COD在線降解可忽略不計, 污水流動橫截面充分混合, 外來水污染可忽略不計 (COD∽ 0 mg COD/L)，計算結(jié)果為在穩(wěn)態(tài)條件下獲得。
表1匯總了本文中使用的術(shù)語及其定義和計算公式。PLCOD［120 g/(人·d)］ 是污水系統(tǒng)產(chǎn)生的人均日COD負荷(系統(tǒng)總污染物負荷)。為便于與現(xiàn)有文獻進行比較, 假設(shè)在污水全收集條件下, 人均日綜合用水量即人均日排污水量和管網(wǎng)收集量［L/(人·d)］。本文中外來水為除污水管網(wǎng)收集的原污水之外三種外來水：入滲水、入流水(即業(yè)內(nèi)常說的“清水”)和雨水。稀釋倍數(shù)(DF)是表示外來水侵入程度的重要參數(shù), 根據(jù)表1中的定義, 當(dāng)SQI/I可以忽略不計時［∽0 L/(人·d)］, DF=1。污水處理廠處理量比(TR)定義為污水處理廠處理量與污水管網(wǎng)服務(wù)區(qū)用水量的比（污清比，SQOUT/SCWC）。CODMSW為污水處理廠進口COD濃度，可從當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S的監(jiān)測記錄中讀取或通過計算(見表1）, SQout可以從污水處理廠處理量和服務(wù)區(qū)人口數(shù)算得。溢流排放到受納水體的污染物負荷包括: CSO (或SSO) 、未收集的原污水和污水處理廠出水。文中在不同的部分使用了不同的溢出負荷項。3.4 節(jié)關(guān)于負荷比結(jié)果與討論同時適用于 COD、氮和磷。如表1所介紹, 四個因素和相關(guān)參數(shù)均可以從當(dāng)?shù)厮畽C構(gòu)收集或通過簡單計算獲得。
本文采用國內(nèi)和部分歐洲國家實際參數(shù)值和相關(guān)計算公式(見表1)進行計算, 引用了這些參數(shù)值和計算值結(jié)果定量表征入侵外來水（SQI/I）、污水收集率（X）、人均日綜合用水量 (SCWC)和污水處理廠處理量比四個因素對污水管網(wǎng)COD濃度和 溢流負荷的影響, 并根據(jù)質(zhì)量流和平衡原理, 探索污水管網(wǎng)污水收集率, 稀釋倍數(shù)、污水處理廠處理量、去除效率和溢流及處理廠排放負荷之間固有存在的市政用水、污水收集和運輸、污水處理廠的性能和受納水體水質(zhì)多重對應(yīng)關(guān)系。模型邊界可以是城市污水系統(tǒng)或一個污水處理廠服務(wù)的區(qū)域。
2.2 局限性
對于那些服務(wù)區(qū)域內(nèi)旅游業(yè)發(fā)達，有食品、啤酒或屠宰業(yè)或工業(yè)園區(qū), 或污染明顯的徑流，這些行業(yè)或徑流排放的污染物負荷構(gòu)成正常個人日排放負荷(PL)外的附加項, 為了避免低估外來水量, 應(yīng)用模型時需要修訂個人日排放負荷, 例如, 增加PLCOD［> 120 g/(人·d)］；同時，他們的用水也應(yīng)計為用水量的組成部分, 其余仍可用文獻和本文中所介紹的方法計算。另一種方法是在在模型中將上文提到的附加活動視為一個單獨的組成部分加入，特別是當(dāng)工業(yè)園區(qū)位于污水處理廠服務(wù)區(qū)內(nèi)時。為了減少由于COD參與污水管網(wǎng)運輸過程中的反應(yīng)造成的計算誤差，也可以用磷作為污染物指標。
3 結(jié)果和討論
本部分定量表征和論述四個因素和污水系統(tǒng)運行效率之間各自對應(yīng)影響關(guān)系, 這里污水系統(tǒng)運行效率的主要指標是排放到受納水體的污染物負荷和污水管道中的污染物濃度(主要是COD）。由于不同因素間相互關(guān)聯(lián)，在討論一個因素的影響時將涉及其他因素和條件。利用本文介紹的相關(guān)內(nèi)容，有興趣的讀者可以從一些易獲得的數(shù)據(jù)和信息開始, 定量估算和解析當(dāng)?shù)匚鬯到y(tǒng)的現(xiàn)狀, 然后進一步辨識改善污水系統(tǒng)效率的最大影響因素和估計達到污水系統(tǒng)改造目標需要滿足的條件。
3.1 外來水入侵
污水管網(wǎng)中外來水(SQI/I)在稀釋污染物濃度的同時, 也提高了管網(wǎng)污水輸送和污水處理廠處理量及向受納水體排放污染物負荷, 降低了污水系統(tǒng)效率, 增加了運營成本和受納水體水質(zhì)惡化的風(fēng)險。外來水入侵不僅發(fā)生在中國，而是一個世界性問題。外來水量與市政(綜合)用水量一起決定了污水管網(wǎng)中COD和濃度(見表1，以COD為例)？煽康耐鈦硭肭止浪闶俏鬯到y(tǒng)改造和規(guī)劃不可或缺的參數(shù)。圖2顯示了外來水、用水量和COD濃度之間關(guān)系。其中第二(右）Y軸的顏色對應(yīng)于圖中不同COD濃度的等值線。歐洲一些國家的污水管網(wǎng)外來水在 50 ~180 L/(人·d)［SCWC在140~200 L/(人·d），見3.3節(jié)］,對應(yīng)于污水管網(wǎng) COD 濃度500~700 mg/L。國內(nèi)污水管網(wǎng)外來水估算在 140~300 L/(人·d), 加之較高的SCWC(見3.3節(jié))，相當(dāng)部分污水管網(wǎng) COD濃度在200~400 mg/L，甚至更低。與歐洲一些國家相比, 由于有待改進污水管網(wǎng)質(zhì)量與管理水平, 國內(nèi)污水管網(wǎng)系統(tǒng)較高的外來水是管網(wǎng)污水(COD)低濃度的主要因素之一, 也是導(dǎo)致污水處理廠較低的運營效率的主要原因。當(dāng)然國內(nèi)也有一些質(zhì)量優(yōu)良、管理良好污水管網(wǎng)系統(tǒng)（如北京）, 其外來水較少, 加之較低的人均綜合用水量, 污水COD 濃度約在550 mg/L。
以SCWC作為基準稀釋倍數(shù)(Dilution Factor, DF)常用于表征管網(wǎng)中外來水的侵入和對污水的稀釋程度 (見表1)。比較不同估算外來水量方法，水量平衡法和濃度(水質(zhì)稀釋)法相對簡單和直接, 但濃度法較可靠，特別考慮到目前國內(nèi)污水處理廠處理能力限制(見3.4節(jié)), 相當(dāng)部分污水處理廠處理的污水只是污水管網(wǎng)中污水的一部分。圖3是由基于濃度法計算(見表1)制成, 其中第二(右）Y軸顏色對應(yīng)圖中不同的稀釋倍數(shù)等值線。一般水務(wù)機構(gòu)和公司都有污水處理廠進水COD濃度和SCWC數(shù)據(jù),可由此二數(shù)據(jù)從圖3直接或由內(nèi)插或外延讀得對應(yīng)的污水稀釋倍數(shù), 然后通過簡單的計算得知外來水(SQI/I)(見表1)。應(yīng)該注意的是, 取決于SCWC, 相同的稀釋倍數(shù)并不總是意味著相同數(shù)量的外來水侵入。歐洲一些國家的污水稀釋倍數(shù)在1.5~3, 國內(nèi)大部分污水管網(wǎng)污水稀釋倍數(shù)也在類似范圍內(nèi)。然而，由于歐洲一些國家的用水量較少，國內(nèi)的污水管網(wǎng)外來水入侵絕對量高于一些歐洲國家(見 3.3節(jié))。
總體而言, 修復(fù)污水管網(wǎng)減少外來水入侵仍然是當(dāng)前國內(nèi)改善城市水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵步驟和緊迫任務(wù), 尤其對南方一些城市而言。國內(nèi)外的實踐表明，這是一項高投資、長周期工作, 非一蹴而就，需要進行詳盡規(guī)劃。作為一種事前估計方法, 可將現(xiàn)有污水處理廠進水中COD 值(CODMSW)與管網(wǎng)理論最大 CODMAX (SQI/I=0 L/(人·d))進行比較(見圖6)，估計修復(fù)現(xiàn)有污水管網(wǎng)可能帶來的COD濃度增加幅度, 3.3節(jié)將對此給予進一步說明。
3.2 污水管網(wǎng)收集率
污水管網(wǎng)收集率為管網(wǎng)收集污水占市政產(chǎn)生污水的比例，與污水管網(wǎng)覆蓋率直接相關(guān)。管網(wǎng)污水收集率的大小影響污水處理廠進水COD濃度和溢流排放至受納水體的污染物負荷。圖5顯示了在SCWC為250 L/(人·d)、PLCOD 120 g COD/(人·d)和SQI/I從可忽略［∽0 L/(人·d)］增加到 300 L/(人·d)時, 污水收集率從50% 至 100% 時, 污水處理廠進水中的 COD 濃度的變化。當(dāng)SQl/I 可以忽略不計［∽0 L/(人·d)］, COD濃度達到最大值 (CODMAX) 480 mg/L,與收集率無關(guān)。在固定的SQl/I情況下, 管網(wǎng)COD濃度隨著管網(wǎng)污水收集率下降而降低，收集率每降低10%，COD下降約30 mg /L。在固定的收集率情況下, COD濃度隨著SQI/I下降而降增加。當(dāng)SQI/I從 200 L/(人·d)增加到 100 L/(人·d)時，COD 濃度可增加約 100 mg/L。圖5顯示，如果要達到最近住建部等四部委要求到2025 年污水集中收集率達70%和污水處理廠進水 BOD 濃度不低于100 mg/L (相對的COD估算為 250 mg/L, 按照1 mg BOD/L= 2.5 mg COD/L計算)的城市生活污水處理廠達90%以上，假設(shè)SCWC 250 L/(人·d),外來水SQI/I必須控制在160 L/(人·d)水平。
在許多情況下，管網(wǎng)污水收集率的高低在控制受納水體水質(zhì)方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用。舉例來說, 假設(shè)管網(wǎng)收集到污水都在污水處理廠得到處理(管網(wǎng)系統(tǒng)溢流排放可忽略)、且污水處理廠去除率保持80%的高水平，當(dāng)管網(wǎng)污水收集率分別為70% 和60% (未收集率30%和40%)時，未收集污水加上污水處理廠尾水排放到受納水體負荷可達總污水污染物負荷的36%和48%？紤]目前國內(nèi)污水系統(tǒng)和污水處理廠低SQOUT/SCWC（污清比）的情況，污染物排放到受納水體負荷率將更高。在這種情況下，進一步提高污水處理廠的去除效率或者單純依賴提高排放標準對改善受納水體水質(zhì)的影響可能有限, 3.4節(jié)中將進一步加以討論。
當(dāng)前國內(nèi)許多城市污水主干管網(wǎng)覆蓋率達到90%，接近歐盟、日本和美國等國家的水平。但由于城市的快速發(fā)展，支管與主干管網(wǎng)的聯(lián)接不夠完善。此外，一些城市污水管網(wǎng)建設(shè)落后于污水處理廠。如前所述, 管網(wǎng)低污水收集率不僅降低管網(wǎng)中污水COD濃度, 更嚴重的問題是直排污水可成為水環(huán)境惡化重要因素。為此，各城市應(yīng)遵循最近國家相關(guān)管理機構(gòu)要求, 將進一步提高污水管網(wǎng)覆蓋率、消除管網(wǎng)空白區(qū)和消除污水直排，把提升管網(wǎng)污水收集率放在優(yōu)先考慮位置，避免盲目提高污水處理廠出水標準。
3.3 市政綜合用水量
市政綜合用水量與市政污水產(chǎn)生量之間的耦合關(guān)系是顯而易見的：原污水(即不含外來水的污水）是供水被利用后直接產(chǎn)生的水(也稱用過水, used water)。在相同的外來水條件下, 用水量越少(用水效率越高）, 污水管網(wǎng)里(混合)污水量越少, 污染物濃度越高。西、北歐一些國家的SCWC介于140~200 L/（人·d），國內(nèi)2020年數(shù)據(jù)介于140~310 L/(人·d)［18］, 比歐洲一些國家值高。除了高外來水量(SQI/I)，較高的用水量(SCWC)是國內(nèi)市政污水污染物(COD以及氮和磷）濃度較低的另一重要因素(見表1、 圖 6、 圖3)。
圖6給出了在 SQI/I從微不足道到350 L/(人·d) 條件下, 人均日綜合用水量(SCWC)對管網(wǎng)污水COD濃度的影響。隨著SCWC增加, 管網(wǎng)COD濃度顯著降低。當(dāng)SCWC<200 L/(人·d)時, 尤其敏感。最上線代表在外來水可忽略條件下(SQI/I∽0）污水管網(wǎng)中COD在不同用水量(SCWC)可能達到的最高濃度 (CODMAX)。讀者可以根據(jù)當(dāng)?shù)?SCWC 值，從圖6中讀取對應(yīng)的管網(wǎng)CODMAX, 并與現(xiàn)有的污水處理廠進水中COD 濃度比較, 進而評估通過污水管網(wǎng)修復(fù)提高現(xiàn)有污水處理廠進水COD濃度潛在的空間。對于對那些外來水已得到很好控制(SQI/I<100 L/(人·d))的污水管網(wǎng) ，如北京和新加坡(COD>500 mg/L)［2］，進一步增加污水處理廠進水COD濃度的努力方向可能在于提高用水效率(減少SCWC); 對于那些COD濃度低的污水管網(wǎng)(<250 mg/L), 如在溫?zé)岫嘤曛槿堑貐^(qū)，在SCWC≥300 L/(人·d)條件下, 即使外來水入侵減少到100 L/(人·d), 管網(wǎng)污水COD最高濃度也只可以達到300 mg/L的水平(見表1、圖2、圖6)。所以, 污水管網(wǎng)修復(fù)和提高用水效率(降低用水量)應(yīng)同時進行。
總體而言, 修復(fù)污水管網(wǎng)減少外來水入侵仍然是當(dāng)前國內(nèi)改善城市水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵步驟和緊迫任務(wù), 尤其對南方一些城市而言。國內(nèi)外的實踐表明，這是一項高投資、長周期工作, 非一蹴而就，需要進行詳盡規(guī)劃。作為一種事前估計方法, 可將現(xiàn)有污水處理廠進水中COD 值(CODMSW)與管網(wǎng)理論最大 CODMAX (SQI/I=0 L/(人·d))進行比較(見圖6)，估計修復(fù)現(xiàn)有污水管網(wǎng)可能帶來的COD濃度增加幅度, 3.3節(jié)將對此給予進一步說明。
3.2 污水管網(wǎng)收集率
污水管網(wǎng)收集率為管網(wǎng)收集污水占市政產(chǎn)生污水的比例，與污水管網(wǎng)覆蓋率直接相關(guān)。管網(wǎng)污水收集率的大小影響污水處理廠進水COD濃度和溢流排放至受納水體的污染物負荷。圖5顯示了在SCWC為250 L/(人·d)、PLCOD 120 g COD/(人·d)和SQI/I從可忽略［∽0 L/(人·d)］增加到 300 L/(人·d)時, 污水收集率從50% 至 100% 時, 污水處理廠進水中的 COD 濃度的變化。當(dāng)SQl/I 可以忽略不計［∽0 L/(人·d)］, COD濃度達到最大值 (CODMAX) 480 mg/L,與收集率無關(guān)。在固定的SQl/I情況下, 管網(wǎng)COD濃度隨著管網(wǎng)污水收集率下降而降低，收集率每降低10%，COD下降約30 mg /L。在固定的收集率情況下, COD濃度隨著SQI/I下降而降增加。當(dāng)SQI/I從 200 L/(人·d)增加到 100 L/(人·d)時，COD 濃度可增加約 100 mg/L。圖5顯示，如果要達到最近住建部等四部委要求到2025 年污水集中收集率達70%和污水處理廠進水 BOD 濃度不低于100 mg/L (相對的COD估算為 250 mg/L, 按照1 mg BOD/L= 2.5 mg COD/L計算)的城市生活污水處理廠達90%以上，假設(shè)SCWC 250 L/(人·d),外來水SQI/I必須控制在160 L/(人·d)水平。
在許多情況下，管網(wǎng)污水收集率的高低在控制受納水體水質(zhì)方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用。舉例來說, 假設(shè)管網(wǎng)收集到污水都在污水處理廠得到處理(管網(wǎng)系統(tǒng)溢流排放可忽略)、且污水處理廠去除率保持80%的高水平，當(dāng)管網(wǎng)污水收集率分別為70% 和60% (未收集率30%和40%)時，未收集污水加上污水處理廠尾水排放到受納水體負荷可達總污水污染物負荷的36%和48%。考慮目前國內(nèi)污水系統(tǒng)和污水處理廠低SQOUT/SCWC（污清比）的情況，污染物排放到受納水體負荷率將更高。在這種情況下，進一步提高污水處理廠的去除效率或者單純依賴提高排放標準對改善受納水體水質(zhì)的影響可能有限, 3.4節(jié)中將進一步加以討論。
當(dāng)前國內(nèi)許多城市污水主干管網(wǎng)覆蓋率達到90%，接近歐盟、日本和美國等國家的水平。但由于城市的快速發(fā)展，支管與主干管網(wǎng)的聯(lián)接不夠完善。此外，一些城市污水管網(wǎng)建設(shè)落后于污水處理廠。如前所述, 管網(wǎng)低污水收集率不僅降低管網(wǎng)中污水COD濃度, 更嚴重的問題是直排污水可成為水環(huán)境惡化重要因素。為此，各城市應(yīng)遵循最近國家相關(guān)管理機構(gòu)要求, 將進一步提高污水管網(wǎng)覆蓋率、消除管網(wǎng)空白區(qū)和消除污水直排，把提升管網(wǎng)污水收集率放在優(yōu)先考慮位置，避免盲目提高污水處理廠出水標準。
3.3 市政綜合用水量
市政綜合用水量與市政污水產(chǎn)生量之間的耦合關(guān)系是顯而易見的：原污水(即不含外來水的污水）是供水被利用后直接產(chǎn)生的水(也稱用過水, used water)。在相同的外來水條件下, 用水量越少(用水效率越高）, 污水管網(wǎng)里(混合)污水量越少, 污染物濃度越高。西、北歐一些國家的SCWC介于140~200 L/（人·d），國內(nèi)2020年數(shù)據(jù)介于140~310 L/(人·d)［18］, 比歐洲一些國家值高。除了高外來水量(SQI/I)，較高的用水量(SCWC)是國內(nèi)市政污水污染物(COD以及氮和磷）濃度較低的另一重要因素(見表1、 圖 6、 圖3)。
圖6給出了在 SQI/I從微不足道到350 L/(人·d) 條件下, 人均日綜合用水量(SCWC)對管網(wǎng)污水COD濃度的影響。隨著SCWC增加, 管網(wǎng)COD濃度顯著降低。當(dāng)SCWC<200 L/(人·d)時, 尤其敏感。最上線代表在外來水可忽略條件下(SQI/I∽0）污水管網(wǎng)中COD在不同用水量(SCWC)可能達到的最高濃度 (CODMAX)。讀者可以根據(jù)當(dāng)?shù)?SCWC 值，從圖6中讀取對應(yīng)的管網(wǎng)CODMAX, 并與現(xiàn)有的污水處理廠進水中COD 濃度比較, 進而評估通過污水管網(wǎng)修復(fù)提高現(xiàn)有污水處理廠進水COD濃度潛在的空間。對于對那些外來水已得到很好控制(SQI/I<100 L/(人·d))的污水管網(wǎng) ，如北京和新加坡(COD>500 mg/L)［2］，進一步增加污水處理廠進水COD濃度的努力方向可能在于提高用水效率(減少SCWC); 對于那些COD濃度低的污水管網(wǎng)(<250 mg/L), 如在溫?zé)岫嘤曛槿堑貐^(qū)，在SCWC≥300 L/(人·d)條件下, 即使外來水入侵減少到100 L/(人·d), 管網(wǎng)污水COD最高濃度也只可以達到300 mg/L的水平(見表1、圖2、圖6)。所以, 污水管網(wǎng)修復(fù)和提高用水效率(降低用水量)應(yīng)同時進行。
3.4 污水處理廠處理量
城市污水管網(wǎng)排放到受納水體的污染物負荷可分為兩部分: 污水處理廠排放和管網(wǎng)的溢流排放(見圖1)。兩部分過量排放量都會導(dǎo)致受納水質(zhì)惡化。在一定混合污水稀釋倍數(shù)和管網(wǎng)污水接近全收集情況下, 污水處理廠處理量比(TR), SQOUT/SCWC(污清比)直接影響管網(wǎng)溢流排放負荷大小。一般來說,當(dāng)SQOUT/SCWC(見表1)較高時, 溢流排放負荷較少，反之管網(wǎng)溢流負荷較大。圖7展示了在污水全收集、SQOUT/SCWC為1, SCWC分別為200、250、300 L/(人·d)和污水稀釋倍數(shù)在1~2變化時, 污水處理廠進水COD濃度、管網(wǎng)溢流COD負荷對污水管網(wǎng)收集COD負荷比之間的關(guān)系。污水COD濃度隨著稀釋倍數(shù)的增加而減少, 但與SCWC無關(guān)，溢流負荷比隨著稀釋倍數(shù)的增加而增加。當(dāng)稀釋倍數(shù)為1.2, COD 溢流負荷比約20%;稀釋倍數(shù)為1.4時，負荷比約35%; 稀釋倍數(shù)為1.8時, 負荷比約43%。以上三種污水稀釋倍數(shù)在某種程度上對應(yīng)長三角部分城市污水幾乎全收集且泄漏得到合理控制的分流式管網(wǎng)系統(tǒng)旱季、年均和雨季平均值。對于那些污水高度稀釋如在旱季已經(jīng)滿管流的污水管網(wǎng), 溢流負荷比將更高。
需要注意的是, 污水管網(wǎng)中較高污染物濃度并不總是意味著較少量污染物溢流排放負荷, 在很大程度上后者取決于污水處理廠SQOUT/SCWC比。兩個擁有相同的SCWC和SQI/I的市政污水管網(wǎng)，管網(wǎng)中污水量和COD濃度相同,污水處理廠處理量比較大的管網(wǎng)的溢流負荷低于污水處理廠處理量比較小管網(wǎng)溢流負荷(見1.1節(jié))。一個SCWC=230L/(人·d)、SI/I= 160 L/(人·d) (稀釋倍數(shù)1.7)的污水管網(wǎng), 污水COD約340 mg/L，而另一個管網(wǎng)SCWC和SQI/I都為300L/(人·d)(稀釋倍數(shù)2)，污水COD濃度約200 mg/L。但在各污水處理廠SQOUT/SCWC分別1.2 和 1.7 (污水處理廠處理量/污水量比0.7和 0.9)情況下，各自污染物溢出負荷比分別為33%和15%(見表1)。一般來說,污水處理廠較高SQOUT/SCWC和較大處理量/管網(wǎng)污水量比有利于減少溢流排放負荷。所以，當(dāng)努力增加污水管網(wǎng)污水COD 時，應(yīng)該同時考慮到管網(wǎng)的溢出負荷。
圖8、圖9由污水量平衡原理計算所得, 結(jié)果與討論同時適用于COD、氮和磷。圖8顯示了污水稀釋倍數(shù)(DF)和污水處理廠TR（SQOUT/SCWC，污清比)與污染物溢流(不包括污水處理廠排放)負荷比的關(guān)系, 其中第二(右）Y軸的顏色對應(yīng)于圖中不同污染物溢流負荷比的等值線。當(dāng)SQOUT/SCWC等于或高于稀釋倍數(shù)（DF）時，幾乎沒有溢流。歐洲一些國家包括德國、奧地利、瑞士和北歐許多污水處理廠污水設(shè)計處理量上限≥3·QS,aM(QS,aM:市政用水量）,管網(wǎng)污水年均稀釋倍數(shù)仍在 1.5~3, 雖然上述大部分國家的50%以上的污水管網(wǎng)已經(jīng)是分流系統(tǒng)，但污水處理廠的高處理能力有效減少溢流排放。如蘇黎世 Werdhlzli和維也納MWWTP污水處理廠，均連接合流制污水管網(wǎng)，各自年均污染物溢流排放負荷僅為管網(wǎng)收集負荷的3%和7%。從圖8可見, 對應(yīng)稀釋倍數(shù)從 1.5、2和3，以30%作為溢流負荷控制目標, 污水處理廠SQOUT/SCWC（清污比）應(yīng)不小于 1.1、1.4、1.7；以20%作為控制目標SQOUT/SCWC應(yīng)不小于1.3、1.7、2.2。讀者可以根據(jù)當(dāng)?shù)毓芫W(wǎng)污水稀釋倍數(shù)和污水處理廠SQOUT/SCWC估算溢流污染物負荷, 也可以根據(jù)允許溢流污染物負荷思考現(xiàn)有污水處理廠處理能力SQOUT/SCWC是否合適。
圖9進一步展示在稀釋倍數(shù)(DF)為2，污水處理廠SQOUT/SCWC比在1~2，污染物去除率分別為75%和93%條件下，五種負荷對污水管網(wǎng)全收集負荷的比率。五種負荷分別是：①污水處理廠去除75%污染物后排放負荷；②污水處理廠去除93%污染物后的排放負荷；③污水管網(wǎng)溢流負荷；④污水處理廠在75%污染物去除率時排放負荷加污水管網(wǎng)溢流負荷；⑤污水處理廠在93%污染物去除率時的排放負荷加污水管網(wǎng)溢流負荷。假設(shè)進水中的總氮(TN)約為40 mg/L，75%去除率對應(yīng)出水總氮約10 mg N/L, 93%的去除率對應(yīng)出水總氮約3 mg/L(脫氮技術(shù)極限值)。為了區(qū)分處理后和管網(wǎng)溢出的兩部分污水負荷，圖9用污水處理廠處理量/管網(wǎng)污水量(SCWC·DF)比(TR/DF，表1)代替稀釋倍數(shù)和SQOUT/SCWC比用來：當(dāng)TR/DF≥1時，管網(wǎng)內(nèi)的污水全部進入污水處理廠處理；TR/DF<1時，管網(wǎng)污水溢流發(fā)生(見圖9)。
圖9表明：①在圖9的條件下，當(dāng)TR/DF從0.5的增加到1（對應(yīng)污水處理廠處理量為50%到100%管網(wǎng)內(nèi)污水）, 污水處理廠排放負荷比增加, 溢流負荷比減少, 總負荷比減少。在一定TR/DF條件下，污水處理廠的污染物去除效率對管網(wǎng)溢流負荷比沒有影響；②溢流和污水處理廠排放對總排放負荷的相對貢獻隨TR/DF變化。當(dāng)TR/DF為0.5，溢流負荷比50%， 污水處理廠排放負荷比在污水處理廠污染物75%和93%的去除率下分別為13%和3%，相應(yīng)的總排放負荷比分別為63% 和53%，污染物去除率減少了10個百分點；當(dāng)TR/DF為1，溢流負荷比忽略不計，污水處理廠在75%和93%的去除率下排放負荷比分別為25%和7%，相應(yīng)的總排放負荷比分別為25%和7%？偱欧咆摵杀容^TR/DF=0.5時減少18個百分點；③TR/DF值常決定了對受納水體的污染物排放負荷。當(dāng)TR/DF≤0.6，即使污水處理廠去除效率93%，仍有約44%的污染物排放到水環(huán)境中；如果排入受納水體排放負荷允許值為10%收集負荷，無論污水處理廠執(zhí)行多么嚴格排放標準，TR/DF必須≥0.95。在此說明，適當(dāng)?shù)腡R/FD而不僅是污水處理廠的去除效率對滿足受納水體允許排放負荷至關(guān)重要。
歐洲一些國家城市污水管理政策之一是：除了允許排放到水環(huán)境中的溢流外，原則上污水管網(wǎng)中的污水都必須經(jīng)處理后排放，即使增加運行成本。這些國家有賴于大于等于3倍SCWC的污水處理廠處理能力（TR，污清比）, 污水處理廠處理能力大于等于管網(wǎng)內(nèi)污水量(TR/DF≥1），加以污水處理廠高排放標準,在污水稀釋倍數(shù)1.5~3的情況下，即使在雨季，仍能有效控制污水系統(tǒng)溢流,保護了城市水生態(tài)環(huán)境。國內(nèi)污水處理廠設(shè)計處理量上限較低，2019年統(tǒng)計城市人均污水處理量對人均綜合用水量比值(TR/DF)在0.8~1.2，盡管近年來一些城市此項比率有所提高，但總體來說仍低于德國和荷蘭的年均值2和丹麥、瑞典的接近3的年均值。由圖8和圖9可見，當(dāng)污水處理廠處理量/SCWC=1.2，污水稀釋倍數(shù)2.0 和2.5，各自通過溢流排放污染物到城市水環(huán)境約占的污水管網(wǎng)收集污染物負荷40%和 50%，與文獻相近。在如此高對受納水體的溢流負荷下，提升污水處理廠高排放標準對受納水體水質(zhì)改善作用可能相當(dāng)有限。此外，相對于管網(wǎng)中較大混合污水流量，污水處理廠較低處理能力可導(dǎo)致管網(wǎng)流動截面增加，管內(nèi)污水流速降低甚至滿管運行，成為固體在管網(wǎng)運輸過程中沉降和發(fā)酵和部分管網(wǎng)修復(fù)效果不彰的可能原因之一。
考慮當(dāng)前國內(nèi)污水處理廠較低處理量和污水稀釋導(dǎo)致排放負荷對城市水環(huán)境的影響，有必要認真考慮提升現(xiàn)有部分污水處理廠處理能力的合理性和可行性。2021年《室外排水設(shè)計標準》(GB 50014-2021)已增加了與污水處理廠流量相關(guān)系數(shù)值，并要求在分流制管網(wǎng)和污水處理廠設(shè)計中考慮包括雨水在內(nèi)的外來水因素。許多污水處理廠擴容升級可以通過原位改造現(xiàn)有部分工藝單元來進行，但擴大處理廠規(guī)模涉及額外的投資，尤其考慮到當(dāng)前國內(nèi)較高用水量和污水管網(wǎng)外來水侵入情況，污水處理廠擴容需要根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r與其他選項進行比較或同時進行，前者包括: 管網(wǎng)改造增加污染物濃度、提高污水處理廠去除效率和改善用水效率以及應(yīng)用調(diào)蓄設(shè)施等，結(jié)合技術(shù)、管理、投資和實施時間多方面考慮。近幾年國內(nèi)污水管網(wǎng)改造增加污染物濃度經(jīng)驗和成果是與此相關(guān)寶貴的經(jīng)驗和知識。目前可就這個題目展開進一步討論，結(jié)合國內(nèi)特有經(jīng)驗如海綿城市等，選擇泄漏已獲較好控制管網(wǎng)道相連的污水處理廠開展示范工程，積累實踐經(jīng)驗。
3.5 三點建議
綜上所述, 污水系統(tǒng)的提質(zhì)增效應(yīng)綜合用水、污水收集、污水處理、溢流污染和受納水體之間內(nèi)在相互影響的關(guān)系, 追求技術(shù)、經(jīng)濟可行的解決方案，以滿足改善污水系統(tǒng)總體運行效率及質(zhì)量總目標。為此，提出了以下三項污水系統(tǒng)修復(fù)策略:
（1）對那些外來水入侵嚴重(旱季滿管運行、污水高度稀釋, COD<200 mg/L）污水管網(wǎng), 減少外來水入侵仍然是改善污水系統(tǒng)性能的主要措施。重點是“清(河流、溪流）污” 分流, 消除和減少“雨污混接”。對那些外來水入侵已獲得適當(dāng)控制的污水管網(wǎng)(COD 250~400 mg/L）, 可以減少外來水中外流水(“清水”)和部分雨水作為主要策略。對于管理優(yōu)良污水管網(wǎng)(COD > 400 mg/L），以定期維護作為污水管網(wǎng)管理的主要策略。當(dāng)用水效率明顯較低［例如SCWC >280L/(人·d)］, 應(yīng)同時考慮節(jié)水。
（2）提高污水管網(wǎng)污水收集率是改善城市水環(huán)境直接有效的途徑,較發(fā)達城市污水管網(wǎng)收集率應(yīng)努力維持大于80%。對于那些外來水入侵已獲得適當(dāng)控制的污水系統(tǒng) (COD > 300 mg/L, 稀釋倍數(shù) ≤ 2）, 應(yīng)考慮適當(dāng)增加現(xiàn)有污水處理廠處理量上限以減少溢流負荷。
（3）市政污水系統(tǒng)系統(tǒng)提質(zhì)增效, 應(yīng)在城市水環(huán)境保護視野下, 在受納水體的允許排放負荷基礎(chǔ)上, 確定和綜合考慮用水、污水管網(wǎng)、污水處理廠與受納水體水質(zhì)之間量化、多重關(guān)聯(lián)關(guān)系, 以控制并減少污染物負荷為總體目標, 提高污水COD濃度為手段, 辨識在污水系統(tǒng)修復(fù)和城市水質(zhì)改善中起支配作用的因素和最佳組合, 根據(jù)目標, 結(jié)合財政、管理和技術(shù)能力和污水系統(tǒng)修復(fù)需要的時間等因素，通過多種方案比較，尋求兼顧理想與實際、最具成本效益的方法。
4 結(jié)論
這項工作應(yīng)用簡化城市污水系統(tǒng)模型和基于質(zhì)量平衡原理計算, 定量表征了與污水系統(tǒng)性能和效率相關(guān)的污水管網(wǎng)外來水、管網(wǎng)污水收集率、市政綜合用水量和污水處理廠處理能力四個關(guān)鍵因素對污水管網(wǎng)COD濃度和溢流負荷之間的數(shù)量關(guān)系，并結(jié)合國內(nèi)外實際數(shù)據(jù)進行了定量討論和分析。有助于加強進行城市污水系統(tǒng)提質(zhì)增效時所需的對城市污水系統(tǒng)和子系統(tǒng)要素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系和影響程度的理解，提供綜合考慮城市用水、管網(wǎng)污水收集率、污水處理廠處理能力和污染物去除效率以及受納水體水質(zhì)的定量描述方法, 以控制并減少污染物負荷為總體目標, 提高污水管網(wǎng)內(nèi)污水COD濃度為手段, 辨識在污水系統(tǒng)修復(fù)和城市水質(zhì)改善中起支配作用的因素和最佳組合, 根據(jù)目標, 結(jié)合財政、管理和技術(shù)能力和污水系統(tǒng)修復(fù)需要的時間等因素，通過多種方案比較，尋求最具成本效益的方法和途徑, 在充分的定性和定量分析、評估的基礎(chǔ)上, 形成技術(shù)可行、經(jīng)濟有效的系統(tǒng)決策。
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