為貫徹落實《水污染防治行動計劃》《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案(2019-2021年)》““十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》的要求,各省市都在大力推進黑臭水體綜合治理、排水管網(wǎng)雨污分流改造、雨季合流制系統(tǒng)溢流污染控制排水小區(qū)正本清源行動。加快補齊污水收集和處理。

設(shè)施短板,盡快實現(xiàn)污水管網(wǎng)全覆蓋、全收集、全處理。從源頭減排、過程控制和系統(tǒng)治理著手,控制城市雨水徑流,提高城市雨污分流率,著力恢復(fù)城市原有自然水文特征和水生態(tài)環(huán)境,從而實現(xiàn)修復(fù)城市水生態(tài)、涵養(yǎng)城市水資源、改善城市水環(huán)境,提高城市水安全的多重目標。

根據(jù) CB 50318-2017《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》除干旱地區(qū)外,城市新建地區(qū)和舊城改造地區(qū)的排水系統(tǒng)應(yīng)采用分流制，不具備改造條件的合流制地區(qū)可采用截流式合流制排水系統(tǒng)。從宏觀政策角度看,我國雖然大力推進雨污分流排水體制建設(shè),但是受空間條件、工程建設(shè)投資以及歷史文化保護等諸多現(xiàn)實因素制約,很多區(qū)域仍然保留著合流制排水系統(tǒng),分流制改造不徹底而仍然存在著錯接混接問題。根據(jù)《城鎮(zhèn)排水與污水處理條例》第十九條,建議對不適宜分流改造的合流制地區(qū),按照城鎮(zhèn)排水與污水處理規(guī)劃要求,推行合流制溢流(Combined Sewer0verflow,CS0)污染控制設(shè)施的建設(shè)和改造,合理確定截流倍數(shù),加強對CS0的排放調(diào)控和污染控制。

為保障污水處理廠日常安全運行,減少對河道水體的溢流污染,對合流制和雨污分流不徹底的排水區(qū)域以及雨污分流改造建設(shè)周期較長暫時還需要采取污染控制過渡措施的區(qū)域,短期內(nèi)在合適位置設(shè)置截流設(shè)施是行之有效的重要措施。因此,在推進雨污分流的同時,加強污水截流系統(tǒng)的改造和構(gòu)建是很有必要的。

筆者對多種截流設(shè)施的優(yōu)缺點和截流控制方法進行探討。由于傳統(tǒng)截流設(shè)施截流過程缺乏精準控制,截流設(shè)施逐步向集成智控設(shè)施轉(zhuǎn)變,而降雨徑流區(qū)域、歷時、強度等均具有隨機性,因此有必要結(jié)合在線監(jiān)測技術(shù)與數(shù)學(xué)模型技術(shù),對截流系統(tǒng)建立長效評估機制,以實現(xiàn)動態(tài)調(diào)控和精準截流。

截流設(shè)施設(shè)置位置選擇

進行區(qū)域排水系統(tǒng)梳理時,雨水管渠一般根據(jù)水體流域和排河口劃片逐段分級,污水管網(wǎng)則根據(jù)污水處理廠劃片逐段分級。截流設(shè)施應(yīng)盡量設(shè)置在污染源頭,以減小對后續(xù)排水系統(tǒng)的影響。截流設(shè)施一般設(shè)置在以下位置:

1)建筑紅線內(nèi)混接排水立管末端，在我國南方,建筑排水立管混接污水和雨水的情況比較常見。當(dāng)空間條件受限或是建筑層高超過14層時,舊有建筑物難以新建排水立管實現(xiàn)雨污分流,此時可在混接排水立管末端設(shè)置截流設(shè)施，

2)建筑紅線內(nèi)合流排口末端。

受空間條件限制,建筑紅線內(nèi)無法進行徹底的雨污分流改造時,可在合流排口末端設(shè)置截流設(shè)施。

3)建筑紅線外截流式排水系統(tǒng)合流干管與截污干管相交處。

市政排水管道無法實現(xiàn)源頭正本清源時,可在截流式排水系統(tǒng)合流干管與截污干管相交處設(shè)置截流設(shè)施。

截流量確定

根據(jù)截流設(shè)施設(shè)置的位置及其他特定情況,選取合適的截流量。截流設(shè)施應(yīng)能保證受納范圍內(nèi),晴天時最大污水排放流量不發(fā)生溢流污染,雨天時盡可能提高清污分流率。國內(nèi)設(shè)計規(guī)程和設(shè)計手冊中的污水截流井為無恒定截流設(shè)施,推薦截流倍數(shù)為2~5。祁建華中建議,截流倍數(shù)的選擇可從借鑒其他城市取值情況、衡量當(dāng)?shù)嘏潘芫W(wǎng)及污水處理廠的負荷、截流區(qū)域初期雨水收集要求,截流區(qū)域特征4個方面來考點，

截流設(shè)施介紹

為保證后續(xù)傳輸和處理構(gòu)筑物的安全運行,截流設(shè)施應(yīng)滿足精準截流的要求,即減小實際截流量與設(shè)計截流量之間的誤差。

3.1 傳統(tǒng)截流井

傳統(tǒng)截流井主要有3種形式,即堰式截流井、槽式截流井和槽堰結(jié)合式截流井(見圖1)目前相關(guān)設(shè)計規(guī)程和設(shè)計手冊中給出了污水截流管管徑為300~600mm 時堰高和槽深的計算公式以及污水截流管管徑為 300~500mm 時槽堰結(jié)合式截流井槽堰總高和堰高的計算公式。傳統(tǒng)截流井結(jié)構(gòu)簡單、建造成本低,但是截流過程不受控制,實際截流量往往與設(shè)計截流量存在較大偏差,同時存在污水及自然水體倒灌、影響排澇行洪等缺點。溢流時,當(dāng)截流管內(nèi)水流由重力流變?yōu)閴毫α鲿r,實際截流量遠大于設(shè)計截流量,會對截流管后污水管道的輸送能力、污水提升泵站的提升負荷和污水處理廠的運行造成安全隱患:對于降雨中、后期較為干凈的雨水同樣進行截流,從而降低污染物的截流處理效率。

楊根權(quán)≌通過研究得出有作用水頭的截流管可等效視為一段坡度增大的無壓滿流管,兩者流速相差不大。筆者采用設(shè)計截流量 0=350 L/s,截流管長L=20 m,截流管管徑 D=300~600 mm,當(dāng)截流管內(nèi)水流由重力流變?yōu)閴毫α鲿r,對3種傳統(tǒng)截流井實際截流量進行試算,結(jié)果見表1。

由表1可知,對于同一設(shè)計截流量,當(dāng)截流管管徑相同時,槽堰結(jié)合式截流井的實際截流量較設(shè)計截流量增大的倍數(shù)最大,堰式截流井次之,槽式截流井最小。對于同一形式的截流井,截流量增大倍數(shù)與截流管管徑成正比,這從側(cè)面反映出截流井與污水截流干管分開采用管道連接的并聯(lián)方式相比于截流井與污水截流干管直接相連的串聯(lián)方式更加合理,能減少溢流污染及降低上游污水稀釋程度3.2 樓宇雨污分流器

樓宇雨污分流器(見圖2)是針對混接排水立管分流改造的一體化設(shè)備,設(shè)置在排水立管末端,一般埋地安裝。其本質(zhì)是在槽堰結(jié)合式截流井的基礎(chǔ)上，增設(shè)微型提籃式格柵來除渣以免堵塞,增設(shè)浮球控制的拍門削減雨天較清潔的排水進人下游污水管。設(shè)備使用前需調(diào)查混接排水立管接入情況,嚴禁馬桶或蹲坑污水接人,以免較大雜物堵塞進水口使其功能喪失。另外,由于上游管道基本沒有調(diào)蓄容量實際使用中瞬時排水量較大時,容易造成污水溢流進入下游雨水管。

輔助截流設(shè)備3.3

3.3.1 疊梁閘

采用由多塊閥板組成的疊梁閘(見圖3)替代固定堰高堰墻,設(shè)置鋼絲牽引疊梁閘,四周采用止水膠條封堵,打開或閉合不同數(shù)量的閥板以實現(xiàn)截流量的調(diào)配,用以適配不同降雨歷時或暴雨強度的降雨。疊梁閘較傳統(tǒng)堰式截流井使用更加靈活,但存在滲漏問題。

3.3.2翻板堰

采用翻板堰(見圖4)替代固定堰高堰墻,堰系統(tǒng)配有傾角儀和上、下限位開關(guān),設(shè)定井內(nèi)警戒液位,采用液位儀監(jiān)測堰門前井內(nèi)液位和堰門后自然水體液位。當(dāng)井內(nèi)液位大于警戒液位且至少大于自然水體液位0.1m時,翻板堰由閉合狀態(tài)變?yōu)殚_啟狀態(tài),開啟角度可以調(diào)節(jié),進而控制出水管方向的流量。翻板堰主要適用于小排口截流改造。

3.3.3 下開式堰門

采用下開式堰門(見圖5)替代固定堰高堰墻可以靈活調(diào)節(jié)溢流量,同時防止自然水體倒灌。晴天時,下開式堰門處于關(guān)閉狀態(tài)。雨天時,根據(jù)井內(nèi)水位與警戒水位的關(guān)系,控制限流閘門逐步關(guān)閉，下開式堰門逐步開啟。下開式堰門比翻板堰更穩(wěn)定,但造價較高。王彬等?通過實踐證明,在沿湖混流排口截污改造工程中,小于 DN800 mm 的排口,選用翻板堰;大于等于 DN800 mm 的排口,選用下開式堰門。

3.3.4 浮筒式控流閥

浮筒式控流閥安裝在截流管前端,是傳統(tǒng)堰式截流井的一種改進方式。浮筒式控流閥由浮筒、傳動裝置和閘板3部分組成(見圖6),適合小口徑(DN500 mm 及以下)截污口。程明濤等!認為,在不同水位條件下,通過具有特殊水力曲線切割的閥體開啟度變化可得到一個恒定的設(shè)計流量,限流控制精度可達 3%~6%。

3.3.5 旋流限流閥

在傳統(tǒng)堰式截流井內(nèi)截流管前端安裝旋流限流閥,使進水經(jīng)過旋流限流閥后進入截流管。旋流限流閥工作時利用其腔體內(nèi)外的進水壓力差,使得進水以正切角的方向切入腔體,能精確控制截流量,截流污水能均勻穩(wěn)定地排放至下游構(gòu)筑物。旋流限流閥上游需設(shè)置必要的攔污設(shè)施,保證閥體正常運行。

根據(jù)旋流限流閥與合(混)流進水管是否安裝在同一隔斷井室內(nèi),旋流限流閥可分為濕式安裝和干式安裝(見圖7)。趙奇奇等的研究表明,旋流限流閥截流量不會隨著降雨強度和降雨歷時的改變而發(fā)生大幅度變化,不會對污水處理廠的日常運行造成較大的水量沖擊。旋流限流閥的口徑越大,則重力流階段和限流階段的最大截流量越大:安裝角度越大,則重力流階段的最大截流量越大,而限流階段的最大截流量基本不變。

智慧截流井3.4

傳統(tǒng)截流井和截流設(shè)備多采用水位法控制,在精準截流、嚴防外部河(海)水倒灌和高水平控制管理等方面還存在不足之處。智慧截流井是在傳統(tǒng)截流井基礎(chǔ)上改進而成,由截流井體設(shè)備和智能控制系統(tǒng)組成,可通過自動識別降雨量或感知污染物濃度進行自動分流,最大限度地收集上游污水、污染雨水,并順利排出清潔雨水或洪水,可實現(xiàn)遠程查看運行狀態(tài)并控制。智慧截流井主要采用水位法、雨量法、時間法和水質(zhì)法進行控制",其運行效果較傳統(tǒng)截流井更好[81。華錚等!9認為智慧截流井的基本功能包括:1)具備感知降雨量、排水液位、排水流量的能力;2)具備智能自動化控制系統(tǒng),可以根據(jù)早季、雨季排水狀況,按照預(yù)設(shè)的程序自動控制限流閘門啟閉及排水方向調(diào)整;3)對超警戒水位、設(shè)備故障等情況,具備報警功能;4)具備遠程控制和管理功能。

3.4.1 智能控制參數(shù)的選取

水位法建立在井內(nèi)液位衛(wèi)、井內(nèi)設(shè)定液位警戒液位和外排水體液位之間相對關(guān)系的基礎(chǔ)上。原則上晴天排水均通過截流管排至下游處理構(gòu)筑物,溢流出水管關(guān)閉。雨天時,當(dāng)H≤H,時,截流井內(nèi)排水全部通過截流管排至下游處理構(gòu)筑物;當(dāng)衛(wèi)>H,時,截流管全部或部分關(guān)閉,溢流出水管開啟;當(dāng) H>H且 H>H+ΔH 時,截流管關(guān)閉,溢流出水管開啟,AH 一般取 0.1 m。

雨量法主要建立在降雨量基礎(chǔ)上。研究表明,屋面初期雨水棄流厚度為1~3mm、路面初期雨水棄流厚度為6~8mm 時,污染物負荷削減量能達到 60%以上[0]。GB 51174-2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,當(dāng)無資料時,屋面初期雨水棄流量可為2~3 mm,地面初期雨水棄流量可為 4~8 mm。時間法主要根據(jù)常規(guī)降雨初期時間來判定,一般認為初期 10~30 min[1-4]降雨污染物負荷較高,常規(guī)按排放口前 30 min 截流量進行精準截流。水質(zhì)法通過監(jiān)測截流井內(nèi)水質(zhì)指標控制設(shè)備開啟度。水質(zhì)指標主要為支撐水體設(shè)計用途的生物化學(xué)或物理指標,是從科學(xué)角度制定的,不受經(jīng)濟和社會因素影響,但很難持續(xù)保持達標。研究表明懸浮物(SS)與化學(xué)需氧量(CODc)和生化需氧量(BOD,)存在較好的相關(guān)性"5-6,同時 SS 在線監(jiān)測儀表反應(yīng)速度比較快,截流井內(nèi)實時SS 質(zhì)量濃度可作為截流井精準截流的控制條件。GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中三級標準的SS最高允許排放質(zhì)量濃度(日均值)為50mg。GB513452018《海綿城市建設(shè)評價標準》對CS0 提出處理設(shè)施處理 SS 質(zhì)量濃度月均值不應(yīng)大于 50 mg, 的量化要求,可以把 SS 質(zhì)量濃度為 50 mg, 作為控制限值。雨天時,當(dāng)截流井內(nèi) SS 質(zhì)量濃度小于 50 mg幾時,截流管前液壓閘門關(guān)閉,溢流出水管前可調(diào)堰門開啟設(shè)置截流井的目的是通過精準控制截流量達到較為理想的徑流污染控制率,同時與下游傳輸及處理設(shè)施規(guī)模相匹配,保障其運營安全。理論上來說,以上4種控制參數(shù)選取的本質(zhì)都是使截流井達到清污分離的目的,污水排至下游處理構(gòu)筑物處理后排放,而潔凈雨水排河。城市地形地貌、下墊面特性、土壤本底條件、排水設(shè)施完善程度的不同,會導(dǎo)致不同強度的降雨在相同時間內(nèi)的徑流量和沖刷特性差異較大,而降雨徑流總量在降雨初期也無法確定。水位法、雨量法和時間法臨界值的選用與截流倍數(shù)選取類似,存在一定范圍,但針對一場隨機的特定降雨,為達到較理想的徑流污染控制率,其精準臨界值難以確定。車伍等!7指出,美國控制 CSO污染多采用“水質(zhì)控制體積”,即為了達到控制徑流污染、保證水質(zhì)的目標而需處理的雨水體積。

3.4.2 智慧截流井組成

截流井體設(shè)備包含調(diào)節(jié)閥、控制堰、擋渣板等智能控制系統(tǒng)則包含由雨量計、液位計、水質(zhì)檢測設(shè)備構(gòu)成的傳感子系統(tǒng)以及由通信模塊、控制模塊和控制邏輯構(gòu)成的自動控制子系統(tǒng)。智慧集成平臺能顯示截流井的水位、運行狀態(tài)等信息,具有顯示實時數(shù)據(jù)、存儲歷史數(shù)據(jù)、遠程操控、報警、視頻接入等功能。智慧截流井一般在截流管前安裝液動限流閘門,對流向污水處理廠的污水量進行控制,并防止下游污水回流。采用翻板堰或是下開式堰門替代傳統(tǒng)固定堰,安裝在溢流出水管前,方便靈活調(diào)節(jié)開啟度。

3.5 一體化智慧截流提升井

當(dāng)下游截流管高程受限時,可以采用泵站截流將提籃格柵、提升潛污泵、活動堰門、智慧控制設(shè)備等集成為一體化智慧截流提升井(見圖8)。施工時只需要完成基坑開挖、底板澆筑即可,施工量小、工期短。智能控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程控制、故障報警和統(tǒng)一調(diào)度,無需人員值守,其運行維護費用較低。王雷!8指出,一體化智慧截流提升井采用計算流體動力學(xué)技術(shù)模擬設(shè)計的自清潔底部,能最大程度降低截流井底部淤積。

建立截流控制效果的長效評估機制

在傳統(tǒng)截流井基礎(chǔ)上增設(shè)的截流設(shè)備和智能監(jiān)測控制設(shè)備,使截流設(shè)施的截流量可以根據(jù)不同降雨情況進行調(diào)節(jié)。建立截流控制效果的長效評估機制,根據(jù)評估結(jié)果回頭檢視已建截流設(shè)施運行情況并結(jié)合實際進行調(diào)整,可以彌補設(shè)計計算選取的截流倍數(shù)對隨機降雨適配性的不足。在工程措施落地的同時,通過管理手段動態(tài)調(diào)控閘門、堰門的啟閉,調(diào)試并收集不同降雨條件下的最佳運行參數(shù),以減少截流設(shè)施端口溢流頻次和污染物溢流總量。截流設(shè)施設(shè)置合理性的評估方法主要有在線監(jiān)測評估法和數(shù)值模擬評估法。在線監(jiān)測評估法通過對截流設(shè)施排放端口開展實時在線監(jiān)測進行定量化反演,該方法的評估結(jié)果具有現(xiàn)實性,但受限于人力和物力,且需要長時間的數(shù)據(jù)累積以掌握設(shè)備最佳運行參數(shù)。數(shù)值模擬評估法主要利用SWMMMike、InfoWorks ICM 等模型軟件構(gòu)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,能在建設(shè)前期對項目建成效益進行評估,避免工程經(jīng)濟浪費,但其難點在于構(gòu)建與實際相匹配的可靠模型。王生愿等!9指出,結(jié)合在線監(jiān)測技術(shù)與數(shù)學(xué)模型技術(shù),能夠突破在線監(jiān)測易受現(xiàn)場工況和經(jīng)濟因素等限制的問題,同時又可以基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型模擬精度進行校準,充分發(fā)揮數(shù)學(xué)模型技術(shù)在方案評估中的作用,為本底參數(shù)和經(jīng)驗的積累提供數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)語

相比于雨污分流制排水系統(tǒng),設(shè)置污水截流設(shè)施的目的也是進行清污分離，只是分離程度不夠徹底。在開展流域水體環(huán)境治理和污水處理提質(zhì)增效的過程中,污水截流系統(tǒng)在一定時期內(nèi)還會大量存在,截流設(shè)施需要從傳統(tǒng)手動、液動運行模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苓\營模式,從粗放設(shè)置改進為動態(tài)調(diào)控和精準截污,遠期實現(xiàn)與排水管網(wǎng)、調(diào)蓄設(shè)施、污水處理廠整體聯(lián)動,為智能化調(diào)度管理提供支持。針對截流系統(tǒng),可對截流溢流排口雨天排放制定獨立水質(zhì)排放標準,由環(huán)保部門或水務(wù)運營管理部門對該類排口進行單獨審批和監(jiān)督管理。

截流設(shè)施只是源頭、中途和末端3級系統(tǒng)化方案中的一個環(huán)節(jié),建立截流控制效果的長效評估機制,進行全過程專業(yè)管理,根據(jù)水環(huán)境綜合治理工程的實施進度、河道水位控制狀況、截流效率要求新技術(shù)運行、污水截流系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域面積變化等諸多因素及時調(diào)整截流設(shè)施的規(guī)模、形式和運行參數(shù):同時減少截流干管和支管壓力流過載時間,使之與排水系統(tǒng)匹配,按輕重緩急原則實施改造工程,避免無效投資和工程風(fēng)險，

在大數(shù)據(jù)技術(shù)快速發(fā)展的背景下,通過逐步搭建可視化智慧水務(wù)平臺,可以實現(xiàn)水務(wù)數(shù)據(jù)的共建共享和互聯(lián)互通,打通信息孤島和業(yè)績隔閡,利用監(jiān)測數(shù)據(jù)累積和挖掘,提高數(shù)學(xué)模型與區(qū)域水文特征的匹配度,優(yōu)化截流智能運行參數(shù),提高排水系統(tǒng)調(diào)控的科學(xué)合理性、高效性、前瞻性和主動性,在確保防止內(nèi)澇、廠站運行安全的前提下,做到精準截流,進一步提高雨污分流率,保障水環(huán)境安全。