CN102193562A - 一种合流制排水体制下的合流污水溢流和城市面源控制方法 - Google Patents

一种合流制排水体制下的合流污水溢流和城市面源控制方法 Download PDF

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张怀宇
陈才高
李树苑
杨文进
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一种合流制排水体制下的合流污水溢流和城市面源控制方法,其步骤如下:⑴采取截流、调蓄同时进行;⑵截流、调蓄采取如下数字模型的有机联系的方式:x=m(S+An0)n。其优点是:建立了控制合流污水溢流和城市面源的两种方法:截流倍数、调蓄量对污染物截留率的贡献的定量关系,从而使雨季合流污水溢流污染物的控制目标具备工程可行性;首次明确了截流倍数和调蓄量之间转换的定量关系,为城市合流制排水系统的升级改造提供了新的思路;根据给定的数学模型,可以获得达到预定污染物截留率下、实现最低改造成本和运行成本的截流倍数和调蓄量组合,即以最低的成本实现预定的污染物截留率,或根据给定的城市状况获得最大的污染物截流率,具有显著的环境效益和经济效益。

Description

一种合流制排水体制下的合流污水溢流和城市面源控制方
技术领域
[0001] 本发明涉及水资源环境保护技术领域,具体的说是一种合流制排水体制下的合流污水溢流和城市面源控制方法。
背景技术
[0002] 在合流制排水体制下,城市化地区面源污染通过进入合流管,以溢流的形式表现出来。它将严重污染城市排水收纳水体的水质,影响受纳水体的水生生物、造成水体富营养化、破坏水体景观美感及潜在威胁人类健康。
[0003] 其排放和污染过程具有以下特点:
⑴污染主要受城市水文循环过程(主要为降雨及降雨形成径流过程)的影响和支配,发生具有随机性;
⑵污染的范围与地质地理条件和城市发展状况(土地利用方式、人口密度等)相关,污染负荷的时间变化和空间变化幅度大;
⑶污染物的组成相当复杂,主要受关注的污染物为病原体、耗氧物质、营养物、有毒物质、TSS、悬浮颗粒物等。
[0004] 此溢流和污染具有随机性大、形成机理模糊、潜伏性强、滞后发生和管理控制难度大的特点。
[0005] 为解决合流制排水系统溢流和城市面源污染排放的问题,可采用设置截流、调蓄等措施。
[0006] 截流的方法,就是设置截流倍数〜>(),即使截污主干管的通水能力和受纳的污水处理厂的处理能力超过旱流流量,超量的倍数的合流污水能够得以转输和处理。这是广泛采用的方法之一,我国现行的《室外排水设计规范》也采用这一方法。
[0007] 雨水调蓄池作为近20年发达国家用来控制污染与排涝矛盾的有效措施之一,也适用较为广泛。它除了可以削减雨天峰值流量外,还可消除和减少排水管道的堵塞,提高入污水厂水质(WEF/ASCE,1992)。
[0008] 根据研究,无论是截流还是调蓄都有一定的局限性,甚至可能会造成单位投资的环境效益低下,而其协同作用是可行的,可有效提高污染物截留率。
发明内容
[0009] 本发明的目的是研究一种采取截流、调蓄同时进行控制污水溢流和面源污染的合流制排水体制下的合流污水溢流和城市面源控制方法。
[0010] 本发明一种合流制排水体制下的合流污水溢流和城市面源控制方法,其步骤如下:
⑴采取截流、调蓄同时进行;
⑵截流、调蓄采取如下数字模型的有机联系的方式:
3x=m(S+An0)n 式中:
χ——COD截留率,单位:% ; S——调蓄量,单位:mm(以不透水地面计); n0——截流倍数,无量纲;
A——截流倍数-调蓄敏感因子,综合反映单位截流倍数和单位调蓄量对污染物截流的贡献比值,不同城市的取值有所差异,昆明、广州、武汉等三城市参考取值分别为8. 0,2. 8、 3. 6 ;
m、η——幂函数系数,不同城市的取值有所差异,昆明、广州、武汉等三城市m参考取值分别为 19. 94、19. 97,5. 274,η 参考取值分别为 0. 444,0. 550,0. 752。 [0011 ] 所述调蓄量S、截流倍数IV截流倍数-调蓄敏感因子Α、幂函数系数m、n依以下方法确定:
选取城市典型合流制排水管,划分其收集范围,测定旱流污水水量水质。并对合流管雨时同步测定瞬时流量及水质指标,其频率降雨强度大时一般每IOmin〜20min—次、强度弱时每30〜60min—次。针对不同典型降雨(中雨、大雨、暴雨等)测定数次,获取流量和污染物质总量的历时曲线,并先后对截流倍数-调蓄敏感因子A、幂函数系数m和η进行拟合,即可完成参数率定。
[0012] 专利申请人在国家重大科技攻关项目、国家863科技攻关项目和地方科技项目支持下,“八五”期间对武汉东湖重污染区(以下简称W市)、“九五”期间对广州市主城区(以下简称G市)、“十五”期间对昆明城区的合流制排水系统的溢流和面源污染(以下简称K市)进行了深入研究,并在国家“十一五”重大水专项的支持下进行了系统总结。
[0013] 本发明数字模型的具体研究步骤如下: ⑴研究地域与测定方法
不同区域、不同城市因雨量雨型、建成区地面特征、合流污水收集系统等的差异,截流倍数%和调蓄量S的关系和作用均会有所差异;本申请以实测为基础,针对西南、华南、华中的不同城市进行对比研究,分析其内在规律、不同城市的异同,并提出不同城市的推荐参数;
对西南、华南、华中的K市、G市、W市等三城市选取合流管,并以城市排水管道竣工图及地形图为准,确定集水区域,并分析下垫面;
合流管雨时同步测定瞬时流量及水质指标COD、TN(或TKN)、TP、SS等,其频率降雨强度大时一般每IOmin〜20min —次、强度弱时每30〜60min —次;
K市选取主城区城东片某排水管的上游、中游、下游各选断面A〜C,断面服务面积分别为 45hm2、635hm2、1041hm2,监测三场雨雨量分别为 llmm、28. 6mm、41mm ;
G市选取主城区中部和东部各一根合流管D和E,服务面积分别为U9hm2、30hm2,监测二场降雨雨量两处平均值分别为22mm、37mm ;
W市选取东湖重污染区一根合流管F,服务面积475hm2,监测三场降雨雨量分别为 19. 9mm、38mm、65· 4mm ;
各断面同步测定流量及取样分析;B、C断面各有两条管渠,断面流量取同步测定的流量值叠加、断面污染物浓度取同步采样的污染物浓度按流量加权平均;雨前测定旱流本底值;
⑵不同城市的降雨及合流污染特征
6个断面不同场次降雨时的降雨量、旱流量、合流水量如表1所示; 为分析降雨的水质特征,绘制COD累积比率L与累积流量比率F的相关性曲线如图1〜 图3;该曲线通常称为M(V)曲线。厶与^可用幂函数拟和,即:£ = |7气其中b为初期冲刷系数,当b<l时表明存在初期冲刷效应;
表1合流管渠的流量及雨时COD污染物量
Figure CN102193562AD00051
表2降雨时合流管渠的流量及污染物量特征
Figure CN102193562AD00052
由上述测定,各城市的初期效应系数b<i,均表现出一定程度的初期冲刷效应,其初期效应从大到小排序为:G市〉W市>1(市;K市、G市、W市等三城市旱流污水水量占合流污水水量的比例分别为31. 4%、18. 2%,29. 9%,表明地表径流在合流污水水量中基本居于主导地位;合流污水中旱流COD的比率依次为47. 6%、11. 0%、42. 4%,三城市雨时合流水中的面源污染总量均高于点源,若仅仅将合流制改造为分流制,不处理雨水径流携带的污染物,城市排入水体的污染物量仍相当可观;
⑶截流倍数、调蓄量对污染截留贡献的解析方法及相关关系
绘制各城市不同截流倍数和调蓄量作用下的等COD截留率曲线如图4〜图6 ;由图可见,在COD截留率40%〜85%的范围内,随着截流倍数Iitl或调蓄量S的增加,COD截留率增加,且不同城市的等COD截留曲线呈各自斜率相近的直线;其中K市,其斜率近似为-8. 0 ;G 市,斜率近似为-2. 8 ;W市,斜率近似为-3. 6 ;故截流倍数相对于调蓄的敏感因子为A分别为 8· 0、2· 8、3· 6 ;
由表2可见,合流污水中旱流污染比重越小、雨水径流携带的污染物比例越高(xdyxc 越小),合流流量峰值越高(Qmax/Qare越小),则初期效应越显著(初期效应b越小);
对于雨时的合流污水,全历时流量分布越均勻、污染物浓度越平均,此时初期效应系数 b接近于1,则提高截流倍数的作用越显著;反之初期效应系数b越小、初期效应越显著,则调蓄的作用越显著;截流倍数一调蓄敏感因子A反映截流倍数相对于调蓄对污染物截留率的贡献,因而随着初期效应系数b趋于1,截流倍数-调蓄敏感因子A逐渐上升,如图7所示;
⑷COD截留函数及推荐截流倍数、调蓄量的解析及方法
绘制截流和调蓄联合作用下的COD截留率如图8所示;并以以下形式幂函数进行拟合: X=m(S+An(1)n,式中χ为COD截留率,单位:% ;S为调蓄量,单位:mm(以不透水地面计);nQ为截流倍数,无量纲;A为截流倍数一调蓄敏感因子,综合反映单位截流倍数和单位调蓄量对污染物截流的贡献比值;m、η为幂函数系数;
由图8可见,合流管可通过截流倍数与调蓄的控制实现60〜80%的COD截留率,高于分流条件下K市、G市、W市的47. 6%、11. 0%、42· 4% ;
根据图8,得到K市、G市、W市三城市不同截流倍数和调蓄量协调作用下的COD截留率拟合公式分别如式(1)〜式(3)且相关性较好:
x=19. 94(S+8. On0)0'444 (1)
x=19. 97(S+2. 8n0)0·550 ( 2)
x=5. 274 (S+3. 6n0)0·752 ( 3)
三城市COD截留率拟合公式中均有指数η<1,表明随着截流倍数Iitl及调蓄量S的增加, COD截留率χ曲线斜率下降,即同等的截流倍数Iitl及调蓄量S的增量,COD截流率χ的增量减缓,相应的环境效益与投入之比下降;
COD截留率60%〜80%,此时COD截留率近似随S+An(1线性增长,在此范围内增加S及 n0对提高COD截留率的效率较高;
据式(1)〜式(3),计算60%〜80%C0D截留率下,不同城市的等效调蓄量S+An(l或等效截流倍数no+S/A如表3 ;值得注意的是,由于调蓄是以雨时存贮合流水、两场雨的间歇通过污水处理厂的额外处理能力处理,因此在较低的污水处理厂额外处理能力或截流倍数下, 较高的调蓄量是无法实现的;此外,当所需的COD截留率改变时,表3中对应的调蓄量或截流倍数相应有所变化;
由表3可见,对提高COD截留率而言,K市提高截流倍数较为有效,而G市提高调蓄量较为有效,W市提高两者的效率均低于K市及G市;
表3 COD截留率60%〜80%条件下,不同城市的截流倍数和调蓄量取值
Figure CN102193562AD00071
ω成果总结
研究表明,无论是截流还是调蓄,都有一定的局限性:对于急促型的暴雨雨型,形成的地表径流峰值高、延时短,此时截流的效率低下;对于连续型的雨型,形成的地表径流延续时间长、往往无突出峰值,此时调蓄的效率低下;并且提高截流倍数需要增加管道投资和污水处理厂投资,其提升受限于污水处理厂用地;设置调蓄则受限于截流井附近的建设用地; 只有将两者有效结合才能最大限度削减污染物质的排放量。
[0014] 研究获取了实现污染物有效截留和设置截流、设置调蓄的有机联系,并建立数学模型:
x=m(S+An0)n 式中:
χ——COD截留率,单位:% ; S——调蓄量,单位:mm(以不透水地面计); n0——截流倍数,无量纲;
A——截流倍数-调蓄敏感因子,综合反映单位截流倍数和单位调蓄量对污染物截流的贡献比值,不同城市的取值有所差异,昆明、广州、武汉等三城市参考取值分别为8. 0,2. 8、 3. 6 ;
m、η——幂函数系数,不同城市的取值有所差异,昆明、广州、武汉等三城市m参考取值分别为 19. 94、19. 97,5. 274,η 参考取值分别为 0. 444,0. 550,0. 752。
[0015] 对于尚未测定的城市,或者虽然测定、当地的气候条件和城市状况发生重大变化时,可依以下方法率定参数:
选取城市典型合流制排水管,划分其收集范围,测定旱流污水水量水质。并对合流管雨时同步测定瞬时流量及水质指标,其频率降雨强度大时一般每IOmin〜20min—次、强度弱时每30〜60min—次。针对不同典型降雨(中雨、大雨、暴雨等)测定数次,获取流量和污染物质总量的历时曲线,并先后对截流倍数-调蓄敏感因子A、幂函数系数m和η进行拟合,即可完成参数率定。
[0016] 本发明一种合流制排水体制下的合流污水溢流和城市面源控制方法的优点是: 建立了控制合流污水溢流和城市面源的两种方法:截流倍数、调蓄量对污染物截留率
的贡献的定量关系,从而使雨季合流污水溢流污染物的控制目标具备工程可行性;
首次明确了截流倍数和调蓄量之间转换的定量关系,可在城市合流制排水系统的升级改造过程中根据用地、污水系统状况等实际情况充分利用两种方法组合,为城市合流制排水系统的升级改造提供了新的思路;
根据给定的数学模型,可以获得达到预定污染物截留率下、实现最低改造成本和运行成本的截流倍数和调蓄量组合,即以最低的成本实现预定的污染物截留率,或根据给定的城市状况获得最大的污染物截流率,因而具有显著的环境效益和经济效益。附图说明
[0017] 图1为A〜C断面合流污水M (V)曲线。
[0018] 图2为D、E断面合流污水M(V)曲线。
[0019] 图3为F断面合流污水M (V)曲线。
[0020] 图4为A〜C断面不同截流倍数和调蓄量作用下的等COD截留率曲线。
[0021] 图5为D〜E断面不同截流倍数和调蓄量作用下的等COD截留率曲线。
[0022] 图6为F断面不同截流倍数和调蓄量作用下的等COD截留率曲线。
[0023] 图7为初期效应系数b与截流倍数-调蓄敏感因子A关系曲线。
[0024] 图8为不同截流倍数和调蓄量协同作用下的COD截留率。
具体实施方式
[0025] 实施例一
根据图1-8所示,昆明市某排水区域,包含两个子系统,集水面积分别为2. 83 km2、l. 19 km2,合计4. 02km2。现状为合流制排水系统,超过污水处理厂的部分溢流从河道排入滇池(即 n0=0)o区域旱流污水量7.5万m3/d。为保护滇池,需要采取措施应对溢流污染。
[0026] 通过对污水处理厂的校核,可实现nQ=0. 8 ;通过在厂外建设调蓄及预处理设施,实现调蓄容积3. 83mm (以不透水地面计)、n0=l. 6。
[0027] 直接应用昆明的参数取值,代入模型,可知污染物可截留区域总量80%。其中通过厂内扩容和调蓄实现截留56%、通过预处理实现截留对%。
[0028] 以2006年水平年计,可收集区域的地表径流量约1. 67 X 10V,水平年削减污染物总量大致相当于3. 5万〜4. O万m3/d规模的现状深度处理设施满负荷运行一年。可有效降低区域面源污染和溢流污染对滇池的危害。
[0029] 实施例二
根据图1-8所示,某市某区域,汇水面积为45hm2,现状合流制,雨量雨型接近广州,旱流污水量5000m3/d。污水处理厂不由市政部门管理,故改造难度大,提升处理能力有限。
[0030] 在区域末端空地设置调蓄容积5. 60mm(以不透水地面计)、预处理能力η。=2· 0, 调蓄的合流污水可在低峰时转输至污水处理厂。模型参数直接套用广州的取值,计算可知可截留COD污染物75%,考虑预处理效率及污水处理厂的效率,估算COD污染物的削减率为 45%。
[0031] 实施例三
根据图1-8所示,某市重污染排水中心城区,汇水面积150hm2,采用合流制排水系统。
[0032] 选取城市典型合流制排水管,划分其收集范围,测定旱流污水水量水质。并对合流管雨时同步测定瞬时流量及水质指标,其频率降雨强度大时一般每IOmin〜20min—次、强度弱时每30〜60min—次。针对不同典型降雨(中雨、大雨、暴雨等)测定数次,获取流量和污染物质总量的历时曲线,并先后对截流倍数-调蓄敏感因子A、幂函数系数m和η进行拟合,即可完成参数率定。
[0033] 根据率定参数,确定恰当的截留倍数Iitl和调蓄量S的取值,获得较高的单位投资环境效益和所需的污染物截留率。[0034] 本发明不限于以上实施例,可以通过三方面应用:在已经率定参数取值的地区直接应用;和已经率定参数取值具有相似的雨量雨型特征和城市特征时,参考套用;其它地区,根据给定的方法通过测定和参数拟合完成参数率定,再应用。据此可广泛应用于合流制排水系统的提升改造。在提升改造中,可经过技术经济比较单独增加截流或单独增加调蓄, 也可以调蓄和截流两者按一定比例组合。

Claims (2)

1. 一种合流制排水体制下的合流污水溢流和城市面源控制方法,其特征在于:其步骤如下:⑴采取截流、调蓄同时进行;⑵截流、调蓄采取如下数字模型的有机联系的方式:x=m(S+An0)n式中:χ——COD截留率,单位:% ; S——调蓄量,单位:mm,以不透水地面计; n0——截流倍数,无量纲;A——截流倍数-调蓄敏感因子,综合反映单位截流倍数和单位调蓄量对污染物截流的贡献比值,不同城市的取值有所差异,昆明、广州、武汉等三城市参考取值分别为8. 0,2. 8、 3. 6 ;m、η——幂函数系数,不同城市的取值有所差异,昆明、广州、武汉等三城市m参考取值分别为 19. 94、19. 97,5. 274,η 参考取值分别为 0. 444,0. 550,0. 752。
2.根据权利要求1所述的合流制排水体制下的合流污水溢流和城市面源控制方法,其特征在于:所述调蓄量S、截流倍数Iitl、截流倍数-调蓄敏感因子Α、幂函数系数m、n依以下方法确定:选取城市典型合流制排水管,划分其收集范围,测定旱流污水水量水质;并对合流管雨时同步测定瞬时流量及水质指标,其频率降雨强度大时一般每IOmin〜20min—次、强度弱时每30〜60min—次;针对不同典型降雨测定数次,获取流量和污染物质总量的历时曲线, 并先后对截流倍数-调蓄敏感因子A、幂函数系数m和η进行拟合,即可完成参数率定。
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