分流制排水系統處理工藝設計研究

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【摘要】：為了有效削減初期雨水排入水體中的污染物，以實際工程為例，對分流制排水系統初期雨水調蓄池容積計算方法、調蓄池進出水水質及處理流程的確定及主要調蓄、處理構筑物設計進行論述分析，通過采用細格柵+旋流除砂+高效沉淀的預處理、人工濕地深度處理等組合措施，確保初期雨水達標后排入公園水體用于補水。

【關鍵詞】：分流制；排水系統；初期雨水調蓄池；人工濕地；海綿城市；低影響開發

隨著各大城市黑臭水體整治工作的深入，河道流域的點源污染大部分得到有效治理；而面源污染由于具有分散性、隱蔽性、隨機性和累積性等特點，治理難度較大，解決面源污染問題日漸成為河流水質持續改善的關鍵。初期雨水中攜帶的大量源于城市地表、混接污水以及排水系統管道沉積污染物，是面源污染的主要來源[1]。雨水調蓄池作為控制初期雨水污染的一項重要設施，通過對初期雨水的蓄存能夠有效削減排入水體的污染物。初期雨水污染物以無機物為主，具有水量大、水質波動性大等特點，常規城市污水處理設施不能適用于初期雨水處理。目前，多數初期雨水調蓄池的排空均為就近排入污水管網最終進入城市污水處理廠，該方案一方面增加了城市污水處理廠雨季的處理負荷，另一方面也造成了雨水資源的浪費。天津市解放南路海綿城市試點區在初期雨水調蓄及初雨資源化利用方面進行了深入探索，形成了多種初期雨水處理利用的工藝組合。洞庭路雨水泵站2#調蓄池作為洞庭路雨水系統末端的初期雨水調蓄池，是天津市解放南路試點區海綿城市建設的重要組成部分。

1初期雨水調蓄池總體設計

1.1容積計算

GB50014—2006《室外排水設計規范（2016年版）》規定，用于分流制排水系統徑流污染控制時，計算調蓄池容積的調蓄雨量高度可取4~8mm；但是，作為所在雨水分區海綿城市建設的一部分，應在控制初期雨水徑流污染的基礎上，兼顧整個分區的海綿城市建設目標。作為城市建成區的海綿城市項目，源頭減排措施的海綿化改造受現狀條件無法全部達到目標要求；因此，在海綿城市建設方案中將每個雨水分區作為一個整體考慮，通過源頭控制和末端控制相結合的方式保證各分區達到建設目標要求。根據試點區系統化方案及模擬結果，年徑流總量控制率和徑流污染控制率兩指標具有一定的正相關性，故本工程選擇年徑流總量控制率為關鍵指標進行調蓄標準的校核分析。洞庭路2#雨水分區面積352hm2，年徑流總量控制率78%，需控制徑流深度24.9mm，末端需調蓄控制凈雨量為5.5mm，按照徑流系數0.5計算，需控制降雨高度標準為11mm。根據規范初期雨水調蓄池容積公式計算，所需末端控制調蓄池容積為19360m3，考慮雨水泵站出水至調蓄池之間調水管線的3850m3可用調蓄容積后，設計雨水調蓄池有效容積確定為15510m3。

1.2初期雨水進出水水質

根據研究成果，地表徑流污染物濃度在徑流初期10~20min達到最高值；之后隨著降雨歷時，呈波浪形鋸齒狀降低；至降雨結束，污染物濃度趨于穩定。整個徑流污染過程整體表現為初期徑流污染物濃度高于后期徑流，具有明顯的初期沖刷效應。經過對雨水分區下墊面分析，結合《天津市海綿城市建設技術導則》中給出的各下墊面雨水徑流水質，確定了初期雨水中各污染物濃度：SS為260mg/L、CODCr為110mg/L、BOD5為50mg/L、NH3-N為3.4mg/L、TP為2.0mg/L、pH值為6~9。對降雨初期泵站內雨水水質取樣檢測，初期雨水水質的波動性較大，SS濃度在20~880mg/L，因此，在初期雨水處理工藝選擇時應充分考慮進水水質波動較大的情況。試點區建設要求雨水資源利用率不低于2%，處理后的初期雨水考慮排入試點區內公園水體補水，出水水質指標：CODCr為30mg/L、NH3-N為1.5mg/L、TP為0.3mg/L、pH值為6~9。

1.3雨水調蓄及處理工藝流程

雨水調蓄及處理設施主要功能是在降雨期間儲存初期雨水，雨停后初期雨水經過處理達標后排入公園水體，起到削減入河污染物負荷及達到雨水資源利用的目的[2]。本項目采取泵后截流方式，降雨初期，雨水經泵站提升后通過截流閘井及調水管線進入調蓄池儲存，達到設計水位后調整截流閘井，將后期較潔凈的雨水排入長泰河。雨停后，初期雨水經放空泵提升，依次經過細格柵、旋流除砂、高效沉淀池等預處理設施后，通過泵站提升排入人工濕地進行深度處理，達標后排入公園水體補水。調蓄池沖洗泥水及高效沉淀池排泥水進入儲泥池，經沉淀后上清液溢流進污水管網，下部污泥定期通過吸泥車外運處置。見圖1。

2調蓄池初雨處理工藝

2.1截流閘井

截流閘井的主要功能是通過閘門控制將初期雨水截流入調蓄池。截流閘井設置在泵站現狀雙孔3.0m×1.8m出水方涵上，尺寸為8.8m×4.0m×6.5m，在閘井內調水管線接出一側設置?2400mm閘門控制進入調蓄池雨水量。

2.2雨水調蓄池

調蓄池位于公園擬建停車場及綠化下方，主體結構為全地下式，為滿足公園綠化種植要求，調蓄池頂板覆土為2.35m，平面尺寸為52.8m×45m，有效水深為7.28~7.7m，池底坡度1%。調蓄池內部設置檢修間、存水室、沖洗區及放空區。選用真空沖洗系統對放空后的調蓄池進行淤積物的沖洗，真空沖洗系統的有效沖洗距離≥45m，共設計6條沖洗廊道，采用6套真空閥、3套真空泵，單套氣量100Nm3/h，功率3.0kW，配套液位計7套，存水室內安裝6套，收集渠安裝1套。調蓄池正常放空時間為3d，初雨放空采用水泵提升，放空區內設置2臺潛水排污泵，單泵流量275m3/h，按照不同揚程交替使用，其中一臺揚程為4~8.5m，功率15kW，另一臺揚程8.5~13.5m，功率15kW。同時設置小流量潛水排污泵1臺，用于調蓄池排空及排放沖洗泥水，單泵流量50m3/h，揚程14.0m，功率3.7kW。

2.3細格柵、旋流除砂及高效沉淀池

細格柵、旋流除砂及高效沉淀池主要功能是對調蓄池放空的初期雨水進行預處理，使SS濃度≤70mg/L，滿足進入人工濕地處理的要求。細格柵、旋流除砂及高效沉淀池均位于調蓄池附近的附屬設備用房內。按照調蓄池3d放空時間考慮，初期雨水處理規模為6500m3/d。進水細格柵的凈寬為1.0m，柵間距5mm，安裝角度70°；旋流沉砂裝置采用一體化設備，直徑1.2m，處理流量75L/s；高效沉淀池平面尺寸為10.0m×6.15m×5.7m，表面水力負荷為14.8m3/（m2·h）。

2.4人工濕地

人工濕地是指通過模擬自然濕地生態系統的結構和功能，根據人們的需要而由人工建造、控制并工程化的濕地系統[3]。在城市徑流污染控制技術中，人工濕地系統是優勢最明顯的技術之一，具有無復雜操控設備、抗沖擊負荷能力強、建造和運行管理費用低、生態景觀效應等優點，近年來采用人工濕地技術對初期雨水進行處理的案例逐漸增多[4]。綜合考慮濕地進出水水質要求及可用地面積等因素，采用垂直潛流濕地。濕地設計參考HJ2005—2010《人工濕地污水處理工程技術規范》、DB/T29-259—2019《天津市人工濕地污水處理技術規程》等規范。濕地處理規模為6500m3/d，用地總面積約10750m2，有效濕地面積約8500m2，初期雨水排空處理主要在夏季，表面水力負荷取0.8m3/（m2·d）。濕地結構從上到下依次為200mm蓄水層（濕地植物）+200mm覆蓋層（8～16mm濾料）+600mm布水濾料層（16～32mm濾料）+600mm集水濾料層（25～40mm濾料）+50mm細河砂（0～2mm）+復合土工膜+50mm細河砂（0～2mm）+100mmC15混凝土墊層，孔隙率按30%計，水力停留時間約為17h。垂直潛流濕地采用三級串聯運行模式，各級濕地間設置一定高差。初期雨水通過水泵提升進入配水干管，均勻配水至一級濕地各單元的配水渠進行單元配水，各級濕地采用頂部的DN150mm穿孔管布水，采用底部的DN200mm穿孔管集水，通過集水管將雨水直接匯入下一級濕地的配水渠內。三級濕地末端設置收集渠，處理后的雨水通過收集垂直進入放空井，通過放空主管重力自流入河。

3關鍵技術要點分析

1）初期雨水調蓄池進水通常采用電動閘門控制，調蓄池達到設計水位后通過自控自動關閉進水閘門。本工程調蓄池進水管徑約DN2400mm，一般啟閉機閘門的啟閉速度約為0.2m/min，閘門完全關閉時間需要約12min，在閘門關閉過程中還有初期雨水不斷進入調蓄池，經計算閘門關閉期間調蓄池水位上漲約1.2m，調蓄池上部需要預留充足超高，造成土建空間浪費。因此設計中明確要求閘門應配套速閉式啟閉機（閘門關閉時間＜1min），同時在調蓄池最高水位設置時考慮一定的緩沖余量。2）調蓄池平均有效水深約7.5m，放空泵選型時要求具有較大的揚程變化范圍，若全部按照高揚程選泵易造成浪費。設計中選用2臺不同揚程的潛水排污泵交替進行初期雨水放空，同時設置一臺小流量大揚程的潛水排污泵專門用于調蓄池沖洗泥水排放。3）調蓄池為全地下式，上部為停車場及綠化景觀，要求伸出地面的檢修口和通風口應該精簡并且與周邊環境融合；同時位于開放環境中還應該考慮防墜落及防盜等安全措施。設計中真空沖洗設備設置專門檢修通道，僅通過外部一個檢修口便能進入檢修通道內檢修全部真空沖洗設備；通風口設置木質風帽和原木外飾面，與周邊景觀環境相結合。見圖2。

4結語

隨著國家海綿城市建設工作的不斷深入，初期雨水調蓄處理及資源化利用等問題越來越受到重視。本文結合天津市解放南路海綿城市試點區洞庭路雨水泵站2#調蓄池的設計實例，介紹了在分流制排水系統中初期雨水調蓄池及其配套初期雨水處理設施的設計要點及需要注意的事項，為今后完善初期雨水調蓄及處理相結合工程的設計提供借鑒和參考。

參考文獻：

[1]程江，許莉，潘煒，等.雨水調蓄池容積設計標準及其污染減排效益研究[J].中國給水排水，2013，29（23）：166-170.

[2]吳海濤，閆愛萍，曾祥國，等.分流制排水系統中組合式初雨調蓄池的設計與優化[J].中國給水排水，2020，36（12）：106-110.

[3]肖海文.城市徑流特征與人工濕地處理技術研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[4]鄧志光，吳宗義，蔣衛列.城市初期雨水的處理技術路線初探[J].中國給水排水，2009，25（10）：11-14

作者：韓磊 黃俊 于冬曉 單位：天津市政工程設計研究總院有限公司