节点流量衡算法预测污水处理厂外来水量

□文/王 刚 于国存 赵乐军 李 喆 吕耀志 宋现财

因管道缺陷、管理不善等原因，雨水、河水、施工工地排水、地下水、地热水可能进入污水系统或者合流制排水系统，预期之外进入污水系统或者合流制系统的水量称为外来水。外来水的侵入，产生以下后果：

1）增加泵站提升费用；

2）污水管网的有效容量被挤占，可能引发污水外溢；

3）由于外来水通过污水或者合流制管网进入污水处理厂，降低了污水处理厂进水污染物浓度，影响污水处理厂处理效能；

4）对于合流制或者雨水系统，外来水使管网在没有降雨时仍有较高水位，增加城市内涝和管道溢流风险。

对于进入污水管网或者合流制系统的外来水，我国目前尚无系统的调查。部分城市调查的污水管网或者合流制排水管网的地下水入渗量在10%～30%之间[1]。2015年根据我国1 362座城镇污水处理厂进水水质分析，62%的城镇污水处理厂年均进水COD浓度低于260 mg/L，可能的原因是外来水占比大[2]。控制排水管网外来水量，对污水处理提质增效意义重大。按照目前我国城镇污水处理厂处理污水656亿m3/a计算，如果其中10%～20%为外来水，控制外来水进入，可减少外来水65.6亿～131.2亿m3/a，污水处理成本按照1.5元/t计算，可减少污水处理费98.4亿～196.8亿元/a。

外来水调查主要包括确定外来水源、可能位置、预测外来水量等内容。各污水处理厂受到服务范围内地形、降雨量、河道情况、地下水位、排水管网埋深及健康状况的影响，外来水占比不同。目前尚无系统规范的方法确定污水处理厂进水中的外来水量，仅有一定地下水入渗量的调查研究基础[3]。

1 调查方法

地下水入渗量的调查常用方法有3 种：夜间最小流量法、用水量折算法和节点流量衡算法[4]。

1）夜间最小流量法是指调查夜间污水量，通过经验判断污水管网中地下水入渗量。在法国，夜间流量的70%被认为是地下水入渗，在我国尚无经验数据[3]。夜间最小流量法是根据当地人生活习惯所估算出的数据，因此其精度偏差较大。

2）用水量折算法是根据服务范围内的用水量估算进入排水系统的原生污水量，由进入污水处理厂的总量与原生污水量的差值，估算进入排水管网系统的外来水量。该方法预测的外来水量包括地下水之外的其他外来水。

3）节点流量衡算法是在排水系统的主要节点上安装流量计，调查污水量，结合管道中污水流动规律，进行水量衡算，推测地下水入渗量。该方法相对其他两种方法准确度较高、数据可信度大，但需要在排水管网系统中安装流量计。

本文基于节点流量衡算法，通过在天津市某污水处理厂服务范围内的排水管网关键节点安装流量计，调查管道上下游流量差值，估算外来水量，初步定位外来水位置，为下一步是否开展管道电视检测（CCTV检测）以及需要检测的重点管段确定提供依据。

2 项目背景及检测方法

2.1 项目概况

研究区域为天津市某污水处理厂服务范围内的污水管网系统。该污水处理厂上游水主要来自商业区、住宅区以及工业区；管道以HDPE 钢带增强管为主，个别段（约40 m）为混凝土管，埋深5～7 m，地下水均在管顶以上，水体矿化度均在1 g/L以上。调查时间为2019年10月—11月，期间无明显降雨。

污水经上游两泵站提升后，由主干管输送至污水处理厂；途中经过极少量排水户以及一条未启用环湖管线，水量很少，可忽略不计。因此，在无外来水情况下，两泵站水量之和应为污水处理厂进水量。根据污水处理厂以及上游两座提升泵站提供的2018 年全年污水量统计结果分析，污水处理厂年进水量比两座泵站输送水量高 627.71 万 m3，意味着平均 2 万 m3/d 的外来水进入到污水管网系统中。

2.2 检测方法

根据排水管网系统图，选择关键节点将系统分区进行水量监控；共设置流量计5 个，测定周期30 d，测定频率15 min/次。见图1。

图1 检测点位

目前，用于排水管道流量检测的设备主要有电磁感应流量计、差压式流量计、转子流量计和多普勒超声波流量计。差压流量计和转子流量计安装会破坏管体，安装成本较高，本次试验选用德国KDO 生产的HOH-L-01 型多普勒超声波流量计。该流量计通过多普勒效应计算出管内污水的瞬时流速，根据管道内横截面积计算出瞬时流量。

2.3 试验参数

由于目前污水管网内存在淤积，实际过水断面比按照管径计算出的过水断面小，测得的流量小于实际流量；因此，通过人工下井，调查管道底泥厚度，采用支架将多普勒超声波流量计探头悬挂安装在底泥上方，记录安装高度，计算管道内污水流量时以流量计上方的横截面积作为污水实际过水断面面积，以便得到更加精确的流量数值。见表1。

表1 管道内参数统计 mm

3 结果及讨论

3.1 水位

抽取某一天数据对5个检测点的实时水位进行分析。见图2-图6。

图2 1#点位液位

图3 2#点位液位

图4 3#点位液位

图5 4#点位液位

图6 5#点位液位

5 个检测点水位均处在3 m 以上，而水管网管径最大为1 650 mm，说明管网常年高水位运行；另外夜间水位无明显下降趋势，造成这种情况的原因很可能是管道内存在漏点，当污水进入量小时，管道内水压降低，一些外来水得以渗入。

3.2 水量

统计30 d的流量，得到5个检测点的日均流量，见表2。

表2 各检测点及泵站流量 m3/d

污水处理厂交汇井前端4#和5#检测点水量之和可作为污水处理厂实际进水量。由表2 可知，4#和5#检测点水量和为87 130 m3/d，而实际通过A、B两泵站的污水量为67 493 m3/d，外来水19 637 m3/d，占污水总量的22.5%。

为精准识别外来水入渗区域，将整个检测区域划分为5 段相对独立的排水管道，分别为A 泵站—1#检测点、B泵站—5#检测点、W2—W1、W3—W1、1#检测点—4#检测点。5段管线中，2#检测点和3#检测点排水量仅为400 m3/d 左右，与资料中描述的该段管网未启用相符。上下游流量差比较大的为1#检测点—4#检测点段，差值为3 131 m3/d；还有B 泵站—5#检测点段，差值为15 003 m3/d，分别占比总外来水入渗量的15.9%和76.4%。

4 结论与建议

该区域整体外来水占比较大，由于调查期间无降雨，外来水以地下水入渗为主，将问题管段修复后，预计可减少污水处理厂进水约19 637 m3/d，提高污水处理厂运行效率。若对该区域进行管道CCTV 检测，建议将检测重点放在入渗情况较严重的1#检测点—4#检测点和B泵站—5#检测点两段管网，减少工作量。

1）通过节点流量衡算法初步分析了外来水可能的进入管段，为下一步通过检测确定管道缺陷位置提供了依据。

2）建议今后开展类似工作时要结合污水水质及地下水位调查，使得结论更有说服力。

3）本研究得到的外来水不包括A泵站和B泵站上游的外来水，仅为污水处理厂外来水量的一部分，实际进入污水处理厂的外来水量可能更多。