杜立刚,杨 涛,石亚军
(武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北武汉 430023)
随着城市发展和国家对生态文明建设的愈发重视,城市水环境治理更加迫切。目前,我国许多城市污水处理率大幅提高,但水环境质量却没有显著改善,合流制排口溢流污染成为水环境治理的重点[1]。我国虽已有合流制溢流治理的工程实践,但多以调蓄为主,且溢流频次、调蓄规模及针对合流制溢流污水处理等的设计方法缺失。以武汉市东湖子湖——庙湖水环境提升为例,介绍针对合流溢流调蓄与处理设施的方案设计,以期为类似工程提供设计思路与参考。
庙湖为武汉市东湖子湖之一,位于东湖西南侧,水域面积为1.71 km2,流域面积为11.31 km2,现状水质为V类,低于东湖全湖的平均水质。目前,庙湖旱季污水截流已完成,雨季卓北闸和滨湖闸2个大型合流排口的溢流污染成为影响庙湖水质的主要污染源之一。卓北闸排口位于庙湖西南侧湖衩、卓刀泉北路东侧,汇水面积约为2.2 km2,汇水范围内为已建成区。滨湖闸排口位于庙湖东南侧湖衩、湖滨花园酒店东北侧,汇水面积约为4.5 km2,汇水范围内也为已建成区。为尽快提升庙湖水质,庙湖水环境提升工程拟采取“截流+调蓄+离线处理”的模式对两大合流排口进行治理。考虑到用地受限,同时为节省工程投资和减小环境影响,本工程采用“分散调蓄+集中处理”的方案,即在滨湖闸排口处设置调蓄处理站,在卓北闸排口处仅设置调蓄设施和提升泵。下雨时,截流的合流污水分别存储于排口处的调蓄设施;雨后,卓北闸调蓄设施调蓄的合流污水再经泵抽排至湖滨调蓄处理站集中处理。工程内容包括新建调蓄设施、提升设施及处理设施,工程总体布置如图1所示。
图1 工程总体布置图Fig.1 General Layout of the Project
我国现行标准规范中未有明确的溢流控制标准,工程设计中通常采用以截流倍数或溢流次数为效果导向的控制标准。相关规范规定[2],截流倍数宜采用2~5。关于溢流次数,国内暂无相关规范和标准。《武汉溢流污染及面源污染治理系统建设规划》研究表明,受纳水体为达标水体时,年均溢流次数宜控制在10次以内;受纳水体为非达标水体时,年均溢流次数宜控制在4~6次。鉴于庙湖所在区位及其对东湖整体水环境的影响,并参考美国环保局关于CSO控制政策[3],本方案采用较高的溢流控制标准,即年均溢流次数控制在4~6次(24 h内场次降雨的溢流定义为1次溢流事件)。
通过对武汉市1982年—2015年共计4 012场降雨数据的统计分析,得出了不同场次降雨量对应的年均降雨日数,大于某一场次降雨量的年均降雨日数累加值即为该控制降雨量对应的年均溢流次数。溢流次数与控制降雨量的对应关系如表1所示。由表1可知,按年均溢流4~6次控制对应的控制降雨量约为50 mm。
表1 溢流次数与控制降雨量对应表Tab.1 Corresponding Table of Overflow Times and Rainfall Control
本方案采用Infoworks ICM模型软件,根据现状管线测量资料及管网运行状况,采用综合径流系数法构建了庙湖卓北闸和滨湖闸排口汇水区水力计算模型。综合径流系数按源头海绵城市改造后考虑,通过选取典型年降雨中场次降雨约为50 mm的降雨数据,进行模拟2个排口的出流量,如图2和图3所示。
图2 卓北闸排口出流量Fig.2 Flow of Zhuobei Gate Outlet
图3 滨湖闸排口出流量Fig.3 Flow of Hubin Gate Outlet
由图2和图3可知,卓北闸排口累计出流量约为39 600 m3,滨湖闸排口累计出流量约为50 100 m3。考虑一定的安全系数,卓北闸调蓄设施调蓄规模取4.5万m3,滨湖闸调蓄设施调蓄规模取5.5万m3。
根据上述确定的规模,采用典型年降雨数据进行溢流次数复核,结果如图4和图5所示。实线(上方)表示典型年降水曲线,虚线(下方)表示典型年溢流曲线。
图4 卓北闸排口典型年溢流次数分析Fig.4 Typical Year Overflow Frequency Analysis of Zhuobei Gate Outlet
图5 滨湖闸排口典型年溢流次数分析Fig.5 Typical Year Overflow Frequency Analysis of Hubin Gate Outlet
由图4和图5可知,在考虑上游规划海绵措施的条件下,卓北闸调蓄设施规模取4.5万m3,滨湖闸调蓄设施调蓄规模取5.5万m3,均能控制年均溢流6次以内,即上述确定的调蓄规模满足溢流控制标准要求。
卓北闸周边绿化用地不足以满足调蓄设施用地需求,鉴于两湖隧道工程中地面段需对现状卓刀泉北路东侧进行拓宽,为了减少两工程实施期间对周边环境的影响、缩小占地面积及降低实施难度,确定利用卓刀泉北路拓宽段地下空间建设调蓄箱涵。结合卓刀泉北路平面及竖向设计、现状及规划管线的平面位置和竖向情况,确定调蓄箱涵采用双孔B×H=5 m×6 m的断面形式,长约900 m,真空冲洗系统进行冲洗,坡度为0.001~0.002,有效水深为5.5 m。
根据滨湖闸周边用地现状和用地规划,拟将滨湖调蓄处理站设置在现状滨湖泵站西北侧、庙湖西南岸的现状绿化内,占地约20 000 m2。为减小工程用地,且与周边环境相协调,调蓄处理站拟采取全地下式双层结构,埋深约为19 m,地下二层主要为调蓄单元,采用真空冲洗系统进行冲洗,地下一层主要为处理单元,地面为景观公园。
卓北闸调蓄箱涵调蓄量为4.5万m3,滨湖调蓄处理站调蓄量为5.5万m3,总调蓄量为10万m3。综合考虑武汉市降雨特性和现状排水设施输水能力,调蓄设施内的初雨及溢流污水应在2~3 d处理完,以便为下一场降雨腾退调蓄空间。根据现状排水设施调查结果,八一路污水泵站及配套管网已满负荷运行,无富余能力;滨湖污水泵站及配套管网、下游龙王嘴污水处理厂尚有1万~2万m3/d的能力富余。因此,本方案优先利用滨湖污水泵站1.5万m3/d的富余,再新建规模为2万m3/d的就地处理设施。
现阶段缺少该两大排口水质监测数据,参考国内已建设的调蓄池进水水质,同时,考虑地域差异、城市发展水平以及降雨事件的不同,结合本工程所在区域的特点,确定了本工程设计进水水质。
目前,我国对初雨及溢流污水处理没有明确的尾水排放标准,若采用较高的出水标准,存在工程投资高、占地大、旱季处理设施利用率不高等问题。因此,选择占地面积小、节省投资的处理工艺,最大程度去除污染物总量,是本工程处理初雨及溢流污水的目标。相关文献[4-6]对污染物之间相关性的研究表明,COD、TN、TP与SS具有较好的相关性,因此,本方案对SS从严控制。
综合考虑以上因素,结合本工程位于东湖风景区、受纳水体为东湖等特点,参考国内类似案例设计参数,设计进、出水水质如表2所示。
表2 设计进出水水质及处理程度Tab.2 Design Influent and Effluent Water Quality and Degree of Treatment
4.3.1 预处理工艺
合流制溢流污水水质波动大,漂浮物多,SS较高,预处理单元以去除漂浮物及无机砂等为主,本方案预处理工艺采用“粗格栅+隔油沉砂池+调蓄池+细格栅”。
4.3.2 生物处理工艺
常规初雨处理控制指标主要为COD和SS,因此,处理工艺一般为一级强化处理。本工程处理对象为合流制溢流污水,控制指标除了COD和SS外,同时还要求NH3-N和TP达到相应出水标准,而NH3-N的去除需通过生物处理实现。生物处理单元的选择是整体工艺流程的核心,生物处理阶段主要处理对象为COD和NH3-N等。合流污水水质变化明显,冲击负荷大,与传统悬浮相活性污泥法相比,生物膜法更为合适。综合考虑进出水水质、用地、处理负荷、投资成本等方面,参考类似工程项目,本方案生物处理工艺推荐采用高效沉淀池沉淀池+生物接触氧化池。
合流制溢流污水处理设施为间歇运行,间歇时间过长不利于生物处理单元中微生物的培养。本方案晴天时利用少量旱流污水,以满足微生物生长需求,进而保证雨季时生物处理单元能满负荷运行。
4.3.3 深度处理工艺
为确保TP及SS稳定达标,生物处理单元后需增加深度处理单元。结合工程用地,本方案深度处理单元采用“斜管沉淀池+机械滤池”工艺,通过混凝沉淀及过滤等物理化学过程去除难溶解及难生物降解的SS、TP及少量的COD。此外,本方案对排口进行生态化改造,进一步净化出水水质。
4.3.4 污泥处理工艺
根据当地环保要求,污泥脱水至80%后方可外运。鉴于调蓄处理站为全地下式,用地紧张,本方案采用板框压滤脱水工艺,具有处理效果好、设备稳定可靠、运行维护方便、占地小、土建工程量少等特点。
4.3.5 调蓄处理工艺流程
通过对进、出水水质及运行特点进行分析,确定调蓄处理工艺流程,如图6所示。
图6 调蓄处理工艺流程图Fig.6 Process Flow Diagram of Storage and Treatment
4.4.1 粗格栅间、隔油沉砂池、调蓄池及提升泵
为节省工程用地,粗格栅、隔油沉砂池、调蓄池与提升泵合建。粗格栅和隔油沉砂池按滨湖闸排口峰值流量为8.8 m3/s进行设计。粗格栅6条渠,渠宽为2.0 m,采用钢丝绳格栅除污机,栅条间距为20 mm,设计过栅流速为0.7 m/s。隔油沉砂池6格,池宽为4 m,水平流速为0.15 m/s,停留时间为3.3 min,采用链条式刮油刮泥机。调蓄池设计规模为5.5万m3,平面尺寸B×L=60 m×105 m,有效水深为9 m,采用真空水力冲洗系统进行冲洗。提升泵规模为2万m3/d,设4台潜污泵(3用1备),单泵Q=278 m3/h,H=17 m。
4.4.2 细格栅
渠道数3条,单渠流量278 m3/h,选用内进流孔板式格栅除污机,板孔直径为6 mm。
4.4.3 高效沉淀池
成套设备2套,单套规模为1万m3/d,单套尺寸为10.9 m×13.2 m×6.5 m,混合时间t=3.7 min,絮凝时间t=9.0 min,表面负荷为10.4 m3/(m2·h),污泥回流比为5%。
4.4.4 生物接触氧化池
设置2座,每座分4组,每组处理规模为2 500 m3/d,单池尺寸为40 m×6 m×5 m,有效停留时间为11.5 h,设计容积负荷为3.5 kg COD/(m3·d),气水比为12∶1。
4.4.5 斜管沉淀池
设置2座,单座处理规模为1万m3/d,单池尺寸为24 m×6 m×5 m,表面水力负荷为2 m3/(m2·h),池内停留时间为47 min。
4.4.6 机械滤池
成套设备2套,单套规模为1万m3/d,单套尺寸为3.2 m×1.8 m×2.3 m,功率为4 kW。
4.4.7 污泥浓缩脱水机房
污泥浓缩脱水机房主要是对高效沉淀池、斜管沉淀池排泥进行浓缩、脱水,减少污泥外运量,脱水污泥含水率≤80%。配套板框压滤脱水机2套,单套Q=30 m3/h,功率为30 kW。
(1)本工程的建设,顺应了国家生态建设的号召,贯彻落实了市政府关于水环境治理的要求,为改善区域水环境状况做出贡献,为经济效益和社会效益奠定基础。
(2)调蓄处理设施的应用提高了东湖水系面源污染消减率,减小了雨季溢流次数,年均消减约70%的溢流水量。
(3)本方案中调蓄处理站采取全地下式的建设形式,地面为景观公园,使调蓄处理站与周边环境融为一体,大大减少了对周边环境的影响。
(4)建成投入运营后,初步估算处理成本约为1.4元/m3。
(1)本工程采用“分散调蓄+集中处理”的方案,年均溢流次数控制在4~6次,采用Infoworks ICM模型软件模拟计算和复核调蓄规模,采用“预处理+高效沉淀池+生物接触氧化池+斜管沉淀池+机械滤池+人工生态系统”的组合处理工艺,确保出水稳定达标。该设计方案可为类似工程的设计提供参考和借鉴。
(2)合流制排口治理为近期工程,不能彻底解决地区的污染问题,仍需尽快实施地区雨污分流制改造和城市径流污染控制工程。