深圳市水环境治理与三水分离工程的应用探讨

唐雅雯，陈旺旺

(1.深圳市龙岗区水务工程建设管理中心，广东 深圳 518008；2.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518008)

水环境治理是生态文明建设的一项重要工作，2015年国务院颁布实施的《水污染防治行动计划》(“水十条”)中明确指出，以城市人民政府牵头，实现全国城市建成区黑臭水体消除。广东省深圳市以往存在水环境恶化，城市建设、旧城改造问题错综复杂，区域洪(潮)涝灾害、水污染现象交错影响等问题，这些已成为制约城市发展的瓶颈。

纵观国内外，水环境治理一直受到政府部门和众多学者的重视。1971年日本颁布《水污染控制法》，制定严格的污水处理方式和排放标准，经过30余年才使日本琵琶湖污染得到有效控制[1]。20世纪60年代，德国为改善莱茵河水质，深入调查莱茵河污染源头和污染程度，结合实况提出防污具体措施[2]。1858年英国为整治泰晤士河，运用截污排污、生物氧化等措施，同时保证水资源按自然规律进行合理、有效保护和开发利用[3-4]。国内也积极实施水环境治理措施[5-7]，2003年大连市深入分析当地自然条件和社会需求，逐步开展生态型河道治理，包含水源地与流域环境保护、地下水开采控制等手段[8]。2006年底至2015年深圳市开展排水管网清淤行动，以雨污分流、水环境改善为目标，从用户开始梳理城市排水管网系统，通过工程改造、执法整改、行动动员等措施，纠正雨污水错接乱排，完善小区及市政排水管网[9]。2008年至今，深圳市各流域在水环境治理中相继建设沿河大型箱涵强化截流设施[10-11]。

近年来虽然研究了很多水环境整治对策，但由于深圳市局部排水系统不完善，存在排水盲区，导致混流污水依然直接进入河道截流系统。河流水质达标不稳定，老旧排水系统存在外水入渗使得污水处理厂进水浓度低，对此本文提出在深圳市水环境治理中应用三水分离工程的治理方案，结合深圳市龙岗河流域水质提升及污水处理提质增效工程，旨在为深圳市水环境整治提出一种有效的治理措施[12-15]。

1 流域概况

龙岗河流域位于深圳市东北部，发源于梧桐山北麓，流经深圳市龙岗区所辖的横岗、园山、龙岗、龙城、坪地、坑梓等街道，从坑梓街道沙田村的北面开始，成为深圳市与惠州市的界河。龙岗河流域名录内总共37条河流，总长138.81 km，龙岗河的一级支流主要包括梧桐山河、大康河、爱联河、龙西河、南约河、丁山河、黄沙河等(图1)。

图1 龙岗河流域水系

2 龙岗河流域雨污管网系统现状分析

2.1 排水体制现状

针对工业废水、生活污水和自然降水三大类排水，主要的排水制度分为合流制和分流制2种类型。首先是合流制排水系统(图2)，这也是最传统的排水方式，即将所有类型的污水混合直接通过一种排水管道排走。2015年以前龙岗片区除一些新建工业区、住宅小区、市政道路外，基本都采用合流制排水系统，通过直排式合流管渠，将雨水和生活污水排入附近水体，污水直排导致水体污染，并因此影响城镇居民的生活环境。

第二类为分流制排水系统(图3)，它是指污水排水和雨水排水完全分开，由2套完全独立的排水管道实现排放。2016—2018年龙岗区雨污分流管网工程和正本清源工程的建设，以及2019年龙岗河流域(龙岗片区)消除黑臭及河流水质保障工程一阶段和增补阶段项目的实施，2020年龙岗河流域内市政道路实现雨污分流的分流率为74%，工业仓储、公共建筑、商业住宅地块的大部分小区已初步实现雨污分流。

图3 分流制排水体制

2.2 污水处理设施现状

龙岗河流域现状分横岗、横岭两大污水服务区，服务范围分别为43.2、110.9 km2。横岗片区(园山、横岗、龙城街道)片区内有污水处理厂2座，分别为横岗一期、横岗二期，主要收集横岗街道、园山街道范围内污水，污水处理能力为20万m3/d；横岭片区(龙城、龙岗、宝龙、坪地街道)片区内有污水处理厂2座，分别为横岭一期、横岭二期，主要收集龙城街道、龙岗街道、坪地街道、宝龙街道范围内污水，污水处理能力为60万m3/d。

由表1数据可知，龙岗河流域污水处理厂除横岗污水处理厂(二期)外，其余污水处理厂进水BOD浓度均低于设计浓度，这是由于一方面该片区现状仍存在合流制排水，末端采取截流方式进入污水管，另一方面4—9月份属于深圳的雨季，污水处理厂排水系统内有大量外水进入。另外横岗污水处理厂(一期)、横岗污水处理厂(二期)、横岭污水处理厂(一期)、横岭污水处理厂(二期)汛期的COD、NH3-N、BOD进厂浓度均比非汛期低，主要影响因素是雨季降雨量增大，污水处理厂的超负荷运行，可能会导致污水的溢流，对河道造成污染。针对以上问题，龙岗河流域急需实施剥离污水管道中外水的措施。

表1 龙岗河流域污水处理厂进水浓度统计(2018年汛期、非汛期、差值)

2.3 污水收集系统现状

根据流域内现状正本清源及总口设置情况，除2019年全面消黑工程实施正本清源全覆盖的大康河沙河路上游、梧桐山河敬老院桥上游、新生排水渠、龙岗中学排水渠、南约河干流、沙背沥、茅湖水、宝龙工业区、丁山河左岸(龙岗大道以北)、黄沙河石豹水、石壁水流域外，流域内其他片区合流污水均通过沿河截污系统进入调蓄池。

龙岗河现状实施污水整治的河道共32条，污水截流标准n=2.0的河道有27条，截流标准为7 mm/1.5 h的河道有5条。回龙河源头段、南约河流域沿河截污系统和市政系统未实现相互独立，截污系统末端接驳至横岭污水处理厂配套市政干管。龙岗河流域河道周边正本清源及雨污分流未完全覆盖，沿河截污系统规模不足以收集初小雨水，雨季合流区存在溢流污染风险。

由于龙岗河流域各片区初小雨直接进入河道或通过沿河截污管收集，龙岗河干流363个排放口中有134个仍在晴天排放污水入沿河截污箱涵。龙西河干流、丁山河干流等拥有2套系统的河道混流口均通过截污井截流至市政污水干管，溢流水再通过沿河截污管截流，造成污水干管混流初小雨及上游大面积混流管入渗外水进入污水干管，挤压污水转输空间，降低污水浓度。由此可见，流域内还未实现三水分离。

3 龙岗河流域提质增效方案思路

根据龙岗区2020年“提升污水处理厂进水BOD浓度”的治水目标，2020年底前，污水处理厂BOD浓度要求达到100 mg/L。2019年市政管网完善、正本清源及雨污分流等工程的实施后，龙岗河流域污水处理厂进厂BOD浓度尚未达到100 mg/L，与2020年目标仍存在差距。主要原因是点截流和沿线截流并存，没有与市政污水管道剥离，另外截流倍数低，控制溢流污染能力弱，强降雨时段截流系统中雨水混入污水管，稀释进厂BOD浓度。综上评估，提出三水分离贯通系统，通过该工程的实施可有效剥离外水，提升污水处理厂进水浓度。

3.1 三水分离总体思路

三水分离以排水口为中心，以重点排口溯源分流、截污点改造为手段，实现清洁基流释放。三水分离工程后形成“封闭的污水系统、开放的雨水系统以及高效的截流系统”(图4)。封闭的污水系统减少外水进入，管内流量稳定，雨水系统前端通过水土保持、海绵城市建设等措施，雨水进入雨水系统时排除大部分污染沉积物，独立的截流系统解决(路面)面源污染，收集的初(小)雨在调蓄池中沉淀。三水分离工程可以有效解决管道沉积物溢流、污水处理厂提质增效、强化管网系统运维调度的问题。

图4 三水分离排水系统

3.2 三水分离总体方案

工程三水分离主要围绕污水、雨水、初(小)雨水三大水体，以河道为中心、管网为基础、排口为单元、按问题和目标双导向，围绕“提升河道水质稳定达标、提升污水进厂BOD浓度”的目标，按照“上分、中通、下改”设计理念，梳理出龙岗河流域雨污混流量大的高浓度排口与水量大浓度低的低效排放口，溯源分析其汇水范围实施正本清源改造。同时，通过对有条件的沿河截污管道贯通，对重点排口实施精准截流。根据深圳市降雨数据为基础以及污水处理厂运行数据统计，按照10 mm/1.5 h初期雨水收集标准设计初雨调蓄池的容积，调蓄池起到初雨收集、截流和调蓄的作用，既解决城市径流污染，也减少管道沉积物溢流现象。污水系统与初雨系统互联互通检修及清污分离工程，达到提高河道水质保证率，提升水质净化厂进水浓度的目标，最终实现三水分离的目标。三水分离设计思路见表2。

表2 三水分离设计思路

续表2 三水分离设计思路

通过排口溯源改造、清污分流、沿河截污管贯通、精准截流布置、互联互通检修五大措施实现三水分离，即形成封闭的污水系统、开放的雨水系统以及高效的截流系统(图5、6)。

图5 三水分离总体方案

图6 三水分离工程措施与效果

3.3 方案实施效果分析

2020年三水分离工程的实施既是2019年龙岗河流域全面消黑成果的延续，也是治理目标的进一步提升。龙岗河流域污水处理厂2020年底进厂BOD浓度需达到100 mg/L，通过比对龙岗河流域4座污水处理厂2019、2020年进水浓度数值，分析三水分离工程的实施效果。

横岗一期污水处理厂2019年1—12月进水BOD浓度平均值为62.5 mg/L，距离目标差值37.5 mg/L；横岗二期污水处理厂2019年1—12月进水BOD浓度平均值为108.0 mg/L，BOD浓度年均值虽已达到100 mg/L浓度要求，但部分时间段还达不到100 mg/L；横岭一期污水处理厂2019年1—12月进水BOD浓度平均值为71.5 mg/L，距离目标差值28.5 mg/L；横岭二期污水处理厂2019年1—12月进水BOD浓度平均值为57.5 mg/L，距离目标差值42.5 mg/L。

由图7可以看出，龙岗河流域4座污水处理厂进水BOD5浓度整体趋势为4—9月较低，10—12、1—3月较高。2019年4月雨季开始后，BOD5浓度呈现波动式下降的趋势，主要是因为该片区实施了各类沿河截污工程，河道增设了大量总口截污措施，使得河水和雨水混入污水系统，降低了入厂浓度。

a)横岗一期

相比2019年，龙岗河流域4座水质净化厂进厂浓度在2020年下半年逐渐提升(受疫情影响，2020年2、3月水质数据不作参考)，尤其是横岗一期污水处理厂改造成果显著。这是由于随着三水分离工程的实施，2020年底贯通了龙岗河流域沿河截流系统，完善了雨污水干支管网，并对雨污错混接进行整改，提高了污水管内的污水浓度，进入污水处理厂的外水减少，污水处理厂进水BOD5浓度得到提升。

c)横岭一期

根据图8分析可知，龙岗河流域4座污水处理厂2019年的年平均进水BOD5浓度分别为62.5、108.0、71.5、57.5 mg/L；2020年的年平均进水BOD5浓度分别为70.7、119.4、73.8、60.3 mg/L(受疫情影响，2020年2、3月水质数据不作参考)。对数据分析得到：通过三水分离工程的实施，龙岗河流域污水处理厂进水浓度总体上升，其中横岗一期污水处理厂进水BOD5浓度提升最高，提升率为13%。因此，三水分离工程的实施对龙岗河流域的水环境治理非常有必要。

图8 2019、2020年污水处理年平均进水浓度

4 结论

a)排水体制的选择应根据城市规划、城市建设的实际情况、当地降雨情况和污水排放标准、原有排水设施、污水处理和利用情况、地形和水体等条件综合考虑确定。排水体制对城市的规划和环境的保护影响深远，同时也影响排水系统的投资和运行维护费用。

b)水环境治理的主要措施在于确保污水进入污水系统，初小雨进入沿河截污系统，洁净雨水进入河道，实现浓淡污水分离进入污水处理厂，进一步提升河道水质，建立完善长效管护机制，全面消除黑臭水体。

c)基于三水分离总体方案，通过排口溯源改造、清污分流、沿河截污管贯通、精准截流布置、互联互通检修五大措施，消除了大量河道排口排污情况，释放了清洁基流入河，将外水从污水系统中剥离，提高了污水管内的浓度，使得2020年龙岗河流域污水处理厂进水BOD浓度明显上升。

d)基于深圳市龙岗河流域水质提升及污水处理提质增效工程，提出三水分离工程的治理方案，鉴于深圳市属于典型的滨海城市，其在快速发展的同时排水系统建设相对成熟，这也为三水分离工程的运用提供改造前提。若三水分离总体方案运用在其他城市，需结合当地水污染治理基础设施的建设程度调整改造措施，同时不同地区降雨类型、降雨强度不同，初小雨截流系统也要根据当地截流标准和截流规模计算。