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Theoretical influent assessment of wastewater treatment plant based on investigation of extraneous water
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摘要: 针对长江流域某片区污水系统地下水、雨水入流入渗造成污水处理厂进水量上升、进水COD浓度下降的现象，在实施排水系统提质增效过程中，基于现场实地调查和其他地区的评估经验，采用经验值法、现场试验法和水质特征因子法评估该片区旱天的地下水理论入渗量，通过典型旱、雨天水量对比分析雨天入流入渗量，最后计算得到污水处理厂在旱、雨天情景下的日均进水量。结果表明：该片区污水管道每千米管长地下水入渗量为67.0 m3/d，雨水入流量为71.6 m3/d；污水处理厂旱天进水均值为4.07 万m3/d，雨天为5.15 万m3/d。该结果可为后续提质增效项目的开展和整治效果评估提供理论依据，并为片区排水系统的日常运维提供参考。Abstract: The inflow and infiltration in the sewer system in a certain area of the Yangtze River Basin caused a significant increase of water inflow and decrease of influent concentration of the wastewater treatment plant. The project of improving the quality and efficiency of the sewer system was implemented, and the area was systematically rectified with “one plant, one policy”. During the process, based on the evaluation experience in other areas and on-site field investigation, the theoretical range of groundwater infiltration in dry days in the area was evaluated by the empirical value method, field test method and water quality characteristic factor method. The inflow and infiltration of rainwater in the area were calculated, and the theoretical inflow of the wastewater treatment plant in the area under drought and rain conditions was finally calculated. The results show that the average groundwater infiltration amount per kilometer of the wastewater pipeline in this area is 67.0 m3/d, and the rain-induced inflow amount is 71.6 m3/(km·d); the average influent of the wastewater treatment plant is 40,700 m3/d in dry days and 51,500 m3/d in rainy days. The results can provide a theoretical basis for the subsequent quality and efficiency improvement projects and the evaluation of the improvement effect, and provide a reference for the daily operation and maintenance of the drainage system in the area.
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随着城镇化进程的加快，我国城市基础设施尤其是排水系统建设，在质和量的方面都有了长足的进步。2020年我国城市建成区排水管网长80.3万 km，管道密度为11.1 km/km2，城市污水处理厂数量为2 618 座，城市污水处理率达到97.53%[1]。但随着国家高质量发展不断深入，我国排水系统短板依然明显，在运行效率和质量方面都存在较大的优化空间[2]。特别是在以长江生态环境根本好转为主要目标的长江大保护战略开展过程中，补齐城镇污水收集和处理设施短板、实施污水处理提质增效，不仅是推进城镇排水系统高质量运行的关键任务，更是消灭黑臭水体、提升水环境质量的关键步骤[3-4]。
基于《城镇污水处理提质增效三年行动方案》的要求，在围绕排水片区实施“一厂一策”的系统化整治过程中，排水管网中雨水、地下水等外来水的入流入渗是降低排水系统输送和处理效率，造成污水处理厂水质稀释，甚至污水溢流污染的重要因素[5]。因此，准确评估排水系统外来水状况，是制定具体排水系统整治措施、提升管网系统健康度、实现提质增效和水环境治理目标的关键工作[6-7]。针对长江流域某片区污水处理厂进水水量大、水质低的状况，在实地调查的基础上，基于经验值法、现场实测法、水质特征因子法和旱雨天对比等方法，评估典型旱、雨天情景下片区排污系统中地下水和雨水入流入渗量，为后续提质增效工程的目标制定和效果评估提供依据，并为排水系统的日常运维提供参考。
1. 研究区域概况
研究区域位于长江下游某沿江城市，某污水处理厂的服务面积约90 km2，地势平坦，属亚热带季风气候，多年平均降雨量1227 mm。区域内水资源丰富，地下水位较高，普遍位于地面下1.00~1.25 m。用地类型以工业用地为主，以及较少的居住用地和待开发地块。图1为片区污水系统示意，片区管网为雨污分流制，雨水管线总长266.14 km，污水管线总长150.75 km，污水干管沿程设有4座提升泵站，污水最终汇入片区最北端的污水处理厂，根据泵站和水厂的相对位置，可将片区划分为5个子汇水区。
污水处理厂一期设计处理能力为6 万m3/d，设计进水水质为化学需氧量（COD）400 mg/L、氨氮30 mg/L、总氮40 mg/L、总磷4 mg/L，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A标准。2018年前由于片区内管网建设滞后，仅主要收集了子汇水区⑤内的污水，污水处理厂日均进水量不到1万m3/d，未能实现片区内污水的全面收集和处理，经多年完善后最终形成了当前的排水体系。
2. 问题分析
前期经过系统性污水纳网整治后，片区污水收集量明显上升，但水量和水质方面仍存在问题，这表明片区排水系统运行管理的重心应由提升污水纳网水平转移至进一步提质增效。具体问题体现在：
（1）污水厂进水量过大，管网水位偏高。图2为片区污水处理厂2018年1月至2020年12月的进水流量，由于片区内新建主干管陆续投用（如箭头①~③所示），污水处理厂进水量由2018年的日均1.29 万m3/d，提升至2020年的日均3.77 万m3/d，超过了2020年片区范围内的用水户3.24 万m3/d的日均用水量，这表明水厂进水包含了较大比例的外来水量。调查发现片区污水管网满水管段合计占比超过污水管线总长的50%，整个片区污水系统长期处于高水位运行状态。这说明片区管网存在普遍的外来水入侵，造成排水系统运行不畅。
（2）污水处理厂进水浓度长期偏低。图3为片区污水处理厂2018年1月至2020年12月的进水水质情况，其中进水COD下降明显，由2018年的平均97 mg/L降至2020年的平均57 mg/L。结合水厂进水量同步上升的趋势，可以看出随着片区管网系统的完善，污水收集量提升的同时，也将更多外来水量纳入了排水系统。从管道敷设条件看，因片区污水泵站较少，很多明挖施工和顶管施工的管段埋深较大（主干管为6.5~8.0 m），位于渗透系数较大的杂填土与素填土层内，且处于地下水位线以下，建成管段易受地下水入渗影响而降低污水浓度。
为推进片区管网系统的综合治理，该市于2019年开展了污水系统提质增效项目，对管网整体外来水入侵状况进行预诊断与评估将是项目的重要前置任务，可为管网整治修复工作的绩效评估提供参考，也可为排水系统日常运维提供指导。
3. 片区外来水入侵状况评估
排水系统外来水来源一般有地下水、地面雨水径流、河湖倒灌水、自来水漏损和基坑排水等[5]。由于研究片区为雨污分流制，且实施过雨污混接整治，因此基本排除河湖倒灌因素。另外，自来水漏损、基坑排水等不是持续性的外来水源，并且在片区整治过程中已对现存的基坑排水进行了控制（禁止排放至污水管道），因此地下水入渗和雨天时地面雨水径流是本片区排水系统外来水的主要来源。
3.1 旱天地下水入渗量评估
3.1.1 经验值法
经验值法是指为便于排水系统的设计规划，相关单位对代表性排水管道的地下水入渗量进行实地测量，然后评估得到管道外来水入渗量估算指标，以供评估时参考。在进行管道实际水量水质调查前，经验值法是了解片区外来水总体状况最直接有效的办法。冯杭华等[7-8]对上海市10条典型管道和居民小区管道的外来水入渗量进行了实地测量，确定排水片区的外来水量可取原生污水总量的10%~20%，或按单位管长50~75 m3/(km·d)计，当管龄长、埋深大且为流沙地质时，应采用指标上限。《室外排水设计标准》（GB 50014—2021）中也根据国内外研究提供了相应的经验指标范围，如表1所示。
表 1 根据经验值法确定片区地下水入渗量Table 1. Groundwater infiltration amount of the catchment analyzed by the empirical value序号 参考来源 经验指标范围 地下水入渗量范围 1 李田等[8] 单位管长按50~75 m3/(km·d)计 (0.75~1.31) 万m3/d 2 《室外排水设计标准》（GB 50014—2021） 按原生污水总量的10%~15%计 (0.30~0.46) 万m3/d 3 GB 50014—2021中日本经验指标 按原生污水总量的10%~20%计 (0.30~0.60) 万m3/d 4 GB 50014—2021中德国经验指标 管网服务区域单位面积内<0.15 L/(hm2·s) <11.7 万m3/d 5 GB 50014—2021中美国经验指标 管网服务区域单位面积内按0.2~28 m3/(hm2·d)计 (0.18~25.2) 万m3/d 研究片区2021年日均用水量为3.6 万m3/d，污水排放系数取0.85，由此得到理论原生污水量应为3.06 万m3/d，再结合表1各项经验指标，可得到片区地下水入渗量范围。由于片区为流沙地质，大部分管道埋设于地下水位以下，因此评估时按经验值上限计算。其中德国和美国的经验指标都以管网服务单位面积为基准提供参考值，而本次评估区域内存在较多尚未配制排水管道的未开发区域，因此其评估结果的上限较高，不宜采用。根据上海、《室外排水设计标准》和日本经验值指标的计算结果在(0.30~1.31) 万m3/d，较符合本区域的实际情况。
3.1.2 现场试验法
为了更好地掌握本研究片区内外来水入流入渗的实际情况，于2020年11月22日和2021年11月10日（均为旱天）对片区内3条污水管道的地下水入流入渗量进行了现场测验。排水管道入渗量现场测定方法通常有3种，即水桶量测法、标尺水位定量法和抽水计量法。本次试验采用标尺水位定量法。试验时需要选取长直无支管的管道，先用气囊封堵上游来水，待排尽管内水流后，再封堵管道下游，通过定时读取封堵管道的液位，换算得到管内入渗量。为便于掌握管道实时液位，现场试验时用在线水位计替代水位标尺。
3段管道的基本状况和现场试验数据如表2所示。计算得到3条管段单位管长的入渗量分别为111.60、86.78和22.00 m3/(km·d)，其中管段1、2结果高于表1所示的上海典型管段经验指标，管段3结果低于此范围，因此不同管段管材、管龄、缺陷状况等方面的差异，会导致其地下水渗入量出现差别。根据试验前期的管道CCTV（管道闭路电视）检测记录可知，3条管道中只有管段1出现了一级渗漏缺陷（点漏），另外2条管道分别存在破裂和错口的结构性缺陷，但现场试验时也测得了一定外来水入渗量，这表明破裂、错口等结构性缺陷极易受到降雨、地下水位升降等因素的影响而演变成为渗漏缺陷，同样会造成管道外来水入侵。根据以上实测结果，结合片区污水管网规模，得到片区整体地下水入渗量为(0.33~1.68)万 m3/d，均值1.01 万m3/d，其下限值位于经验值法的计算结果范围内，而上限值则更高，这表明该片区管网的地下水入侵状况相比经验地区更为严重。由于同一片区的管道条件通常较为复杂，因此基于典型管段的现场试验法的评估结果也具有一定的不确定性，只能反映地下水入渗量的大致状况。
表 2 污水管道入渗量现场测定试验Table 2. Field measurement test of pipeline infiltration amount测定
项目管材 管径 管长/
m管底埋
深/m缺陷状况 起始液位/m 最终液
位/m试验历
时/h单位管长入渗量/
(m3·(km·d)−1)片区入渗量/
(万m3·d−1)管段1 波纹管 DN400 69.8 2.0 1级渗漏点1处 0.07 0.20 13.5 111.60 1.68 管段2 钢筋混凝土 DN400 80.2 2.5 2级腐蚀、1级破裂，视频无明显渗漏 0.06 0.24 15.4 86.78 1.31 管段3 钢筋混凝土 DN400 100.0 3.6 2级错口，1级结垢，视频无明显渗漏 0.08 0.15 24.0 22.00 0.33 3.1.3 水质特征因子法
水质特征因子法是利用管网污水中赋存的污染物作为示踪剂（也称水质特征因子）来进行外来水调查，由于水质特征因子在管网中的浓度会随外来水的进入而产生突变，因此可通过管网中的特定水质指标浓度，来对系统外来水进行定量评估[9]。解析原理如下所示，其中式（1）为排水系统水量平衡方程，式（2）为排水系统化学质量平衡方程：
$$ {Q_{{\text{IN}}}} = {Q_{{\text{SW}}}} + {Q_{{\text{GW}}}} $$ (1) $$ {Q_{{\text{IN}}}}{C_{{\text{IN}}}} = {Q_{{\text{SW}}}}{C_{{\text{SW}}}} + {Q_{{\text{GW}}}}{C_{{\text{GW}}}} $$ (2) $$ {R_{{\text{GW}}}} = {{{Q_{{\text{GW}}}}}}/{{{Q_{{\text{IN}}}}}}\times 100\% = ({{{C_{{\text{SW}}}} - {C_{{\text{IN}}}}}})/({{{C_{{\text{SW}}}} - {C_{{\text{GW}}}}}})\times 100\% $$ (3) 式中：QIN、CIN分别为旱天污水处理厂总进水量和水质；QSW、CSW分别为片区原生污水量和水质；QGW、CGW为地下水入渗量和水质；RGW为地下水入渗比，即地下水入渗量占进厂总水量的比例，反映入渗的严重程度。
根据水质特征因子的选取原则，理想的水质特征因子在不同的排水系统水量来源中应具有显著的浓度差异，同时还应能够在线监测。根据实地调查，片区内地下水水质良好，地下水COD浓度可以忽略不计（CGW≈0 mg/L），因此COD指标可以满足不同水量来源浓度差异显著的要求，并且各泵站和污水处理厂都安装了COD在线监测仪，因此采用COD指标作为特征因子进行地下水入流入渗状况评估。
为了掌握片区原生污水的COD浓度CSW，对片区内379处用水户的污水排口全部进行了水质采样检测，采样期间为旱天，除去无水流的排口和异常数据后，统计得到工业企业、公共建筑和居民小区3种用水户排放污水的COD分布状况。如图4所示，片区内工业企业污废水排放口最多，COD浓度普遍较低，其中COD低于100 mg/L的排口数量为91个，占工业企业排口总数的46%，这部分工业废水直接进入管网，是造成原生污水浓度偏低的原因之一[10]。居民小区排口虽然数量较少，但是其排放COD浓度高于工业企业，主要分布在300~400 mg/L。基于以上排口COD浓度和2020年各用水户用水量进行了加权平均，得到平均COD浓度作为该片区原生污水的理论浓度CSW，计算用水量为3.16 万m3/d，接近2021年3.6 万m3/d片区日均总用水量，因此计算得到的理论原生污水浓度可代表整个片区的实际状况，计算结果为CSW=158 mg/L。考虑到片区范围较大，污水在管网中的水力停留时间较长，管道微生物降解作用会使COD沿程衰减[11]，取降解率7.5%计，即CSW=147 mg/L。
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图 4 不同用水户排放污水COD浓度状况Figure 4. COD concentration of sewage discharged by different water usersQIN、CIN取连续5个典型旱天污水处理厂的每日进水量和进水COD均值，时间为2021年9月24日至9月28日（5日进水量较为平稳），其天气状况和水厂进水水质水量如表3所示。
表 3 典型旱天污水厂进水状况Table 3. Influent condition of wastewater treatment plant in typical dry days日期 天气 日进水量/(m3·d−1) 进水COD均值/(mg·L−1) 2021-09-24 多云 42 960 116.7 2021-09-25 多云 43 325 94.2 2021-09-26 晴 44 645 96.1 2021-09-27 多云 42 390 98.3 2021-09-28 晴 47 085 110.3 根据式（3）对连续5个旱天内污水处理厂进水的水量组成进行了评估，结果如图5所示，连续5个旱天的片区排水系统的地下水入渗量范围为0.77~1.46 万m3/d，均值为1.1 万m3/d，地下水入渗比为18%~34%。
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图 5 典型旱天地下水量入渗量Figure 5. Groundwater infiltration amount of sewer system in typical dry days因经验值法受限于多种环境因素的影响，易导致不同地区评估结果差异性较大，故参考近似区域上海市的经验值，得到入渗量范围为（0.75~1.31）万m3/d，均值1.03 万m3/d。现场试验法和COD示踪法均基于现场实测，入渗量范围分别为（0.33~1.68）万m3/d和（0.77~1.46）万m3/d，均值分别为1.01 万m3/d和1.12 万m3/d。综合以上3种方法的评估结果，得到片区地下水入流入渗量范围为（0.33~1.68）万m3/d，取其平均值1.01 万m3/d作为该片区的日均地下水入渗量评估值。
3.2 雨天入流入渗量评估
雨水进入污水管道，将占据排污管道输送空间，降低污水输送效率，造成局部区域污水溢流，也会稀释水厂进水浓度。通过对比分析污水处理厂晴、雨天进水量的变化，进一步评估片区雨水入网的占比，评价方法如下：
$$ {Q_{{\text{RDII}}}} = {Q_{{\text{RIN}}}} - {Q_{{\text{IN}}}},\quad{R_{{\text{RDII}}}} = {{{Q_{{\text{RDII}}}}}}/{{{Q_{{\text{RIN}}}}}} \times 100\% $$ (4) 式中：QRIN为片区雨天污水处理厂进水量；由于QIN中已经包含地下水入渗量，因此QRDII表示降雨导致的雨水入流入渗量；RRDII表示雨天入流入渗量占雨天水厂总进水量的比例。
分别选取2个典型旱雨天事件，每个事件分为3个典型旱天（连续3天进水量平稳）及紧接的3个连续雨天，期间天气和水厂的进水状况如表4所示。其中旱天与雨天进水水量和水质都有明显差异，因此可作为用于分析雨水入流入渗的典型降雨事件。
表 4 典型旱雨天水厂进水和天气状况Table 4. Wastewater treatment plant influent and climate conditions of typical dry and wet days事件 日期 天气 日进厂水量/
(m3·d−1)日均进厂COD/
(mg·L−1)降雨事件1 2021-02-23 多云 38 450 95.90 2021-02-24 多云~晴 38 466 95.62 2021-02-25 多云~晴 39 186 93.61 2021-02-26 中雨 45 834 71.57 2021-02-27 小雨 53 160 85.40 2021-02-28 小雨~阴 48 060 85.52 降雨事件2 2021-06-10 阴 44 660 74.00 2021-06-11 阴~多云 44 460 75.30 2021-06-12 阴~多云 44 140 87.00 2021-06-13 中雨~雷阵雨 58 355 149.60 2021-06-14 中雨~雷阵雨 56 280 100.10 2021-06-15 小雨~中雨 54 165 103.50 两次降雨事件期间片区排水系统雨水入流入渗量分析结果如图6所示。其中降雨事件1旱天进厂本底水量为3.87 万m3/d，降雨后的QRDII为（0.71~1.45）万m3/d，QRDII为16%~27%；事件2旱天进厂本底水量为4.44 万m3/d，降雨后的QRDII为（0.97~1.39）万m3/d，QRDII为18%~24%。两次分析结果比较接近，因此综合得到降雨入流入渗量范围为（0.71~1.45）万m3/d，取其均值1.08万 m3/d作为该片区雨水入流入渗的评估值。
3.3 片区日均进厂污水量评估分析
综上，根据用水量折算法得到片区理论原生污水量为3.06 万m3/d，地下水入渗量为（0.33~1.68）万m3/d，均值1.01 万m3/d，每千米管长入渗量为67.0 m3/d，因此旱天日进厂水量评估值为（3.39~4.74）万m3/d，均值4.07 万m3/d，地下水入渗比RGW为24%；雨天雨水入流入渗量为（0.71~1.45）万m3/d，均值1.08 万m3/d，单位管长为71.6 m3/(km·d)，因此雨天进厂水量评估值应为（4.10~6.19）万m3/d，均值5.15 万m3/d，雨水入流入渗比RRDII为21%。
4. 结 语
针对污水处理厂进水过量、水质稀释的现象，基于多种水量水质调查方法，分析评估旱雨天情景下污水处理厂的日均进水量组成，为后续提质增效任务的目标制定、绩效评估和日常运维提供了重要参考。
通过经验指标法、现场试验法、水质特征因子法评估的旱天排污系统单位管长地下水平均入渗量为67.0 m3/(km·d)，通过典型旱雨天水量对比分析得到片区单位管长雨水入流入渗量为71.6 m3/(km·d)，因此旱天日均进水均值应为4.07 万m3/d，雨天应为5.15 万m3/d，与2021年水厂实际进水状况较为符合。根据片区用水户排污浓度调查，得到加权计算的原生污水COD理论浓度为158 mg/L，这表明片区内用水户用水效率普遍偏低，是水厂进水浓度较低的重要原因。根据现场试验法和水质特征因子法评估得到的地下水入渗量和入渗率，均高于经验值法的相关指标，这表明受不同地区实际状况的影响，外来水入渗状况存在差异。
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图 4 不同用水户排放污水COD浓度状况
Figure 4. COD concentration of sewage discharged by different water users
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图 5 典型旱天地下水量入渗量
Figure 5. Groundwater infiltration amount of sewer system in typical dry days
表 1 根据经验值法确定片区地下水入渗量
Table 1 Groundwater infiltration amount of the catchment analyzed by the empirical value
序号 参考来源 经验指标范围 地下水入渗量范围 1 李田等[8] 单位管长按50~75 m3/(km·d)计 (0.75~1.31) 万m3/d 2 《室外排水设计标准》（GB 50014—2021） 按原生污水总量的10%~15%计 (0.30~0.46) 万m3/d 3 GB 50014—2021中日本经验指标 按原生污水总量的10%~20%计 (0.30~0.60) 万m3/d 4 GB 50014—2021中德国经验指标 管网服务区域单位面积内<0.15 L/(hm2·s) <11.7 万m3/d 5 GB 50014—2021中美国经验指标 管网服务区域单位面积内按0.2~28 m3/(hm2·d)计 (0.18~25.2) 万m3/d 
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表 2 污水管道入渗量现场测定试验
Table 2 Field measurement test of pipeline infiltration amount
测定
项目管材 管径 管长/
m管底埋
深/m缺陷状况 起始液位/m 最终液
位/m试验历
时/h单位管长入渗量/
(m3·(km·d)−1)片区入渗量/
(万m3·d−1)管段1 波纹管 DN400 69.8 2.0 1级渗漏点1处 0.07 0.20 13.5 111.60 1.68 管段2 钢筋混凝土 DN400 80.2 2.5 2级腐蚀、1级破裂，视频无明显渗漏 0.06 0.24 15.4 86.78 1.31 管段3 钢筋混凝土 DN400 100.0 3.6 2级错口，1级结垢，视频无明显渗漏 0.08 0.15 24.0 22.00 0.33
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表 3 典型旱天污水厂进水状况
Table 3 Influent condition of wastewater treatment plant in typical dry days
日期 天气 日进水量/(m3·d−1) 进水COD均值/(mg·L−1) 2021-09-24 多云 42 960 116.7 2021-09-25 多云 43 325 94.2 2021-09-26 晴 44 645 96.1 2021-09-27 多云 42 390 98.3 2021-09-28 晴 47 085 110.3
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表 4 典型旱雨天水厂进水和天气状况
Table 4 Wastewater treatment plant influent and climate conditions of typical dry and wet days
事件 日期 天气 日进厂水量/
(m3·d−1)日均进厂COD/
(mg·L−1)降雨事件1 2021-02-23 多云 38 450 95.90 2021-02-24 多云~晴 38 466 95.62 2021-02-25 多云~晴 39 186 93.61 2021-02-26 中雨 45 834 71.57 2021-02-27 小雨 53 160 85.40 2021-02-28 小雨~阴 48 060 85.52 降雨事件2 2021-06-10 阴 44 660 74.00 2021-06-11 阴~多云 44 460 75.30 2021-06-12 阴~多云 44 140 87.00 2021-06-13 中雨~雷阵雨 58 355 149.60 2021-06-14 中雨~雷阵雨 56 280 100.10 2021-06-15 小雨~中雨 54 165 103.50
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