（环境工程专业论文）上海市合流制系统溢流特性及雨天出流的沉降性能研究.pdf

摘要 摘要 城区雨天出流污染是当今水环境管理领域关注的热点问题之一。地表径流 和排水系统出流分别携带了晴天时累积的地表污染物及管底积泥，其中的污染 物指标都很高。研究合流制系统溢流特性及雨天出流的沉降性能对于制定雨天 出流污染控制策略具有重要意义。 本文通过对2 0 0 4 年苏州河沿岸泵站s c a d a 数据进行统计分析，得到了代 表性泵站的溢流情况，并将之与日本的合流系统溢流情况进行对比，继而讨论 影响c s o s ( 合流制系统雨天溢流) 的主要因素。同时，本文测定了上海市代表 性泵站雨天出流和地表径流的沉降性能，以期为实际的工程应用提供参考资料。 最后，本文讨论了控制雨天出流污染的对策和建议。 对苏州河沿岸合流制泵站溢流状况的统计表明：相关泵站的溢流频率、 溢流量及溢流时间远低于日本。影响c s o s 的因素复杂多样，排水系统特性( 实 际截流能力、管网坡度、管网连通性) 是导致上海市合流制系统溢流频率低的 决定性因素：降雨事件是导致溢流发生的直接原因，降雨强度对溢流频率影响 显著，而降雨量则更多地影响溢流量和溢流时间。 对上海市雨天出流的沉降性能测试表明：上海市雨天出流的沉降性能良 好，在沉降初期即可去除大部分污染物。不同类型泵站雨天出流的沉降效率依 次为：c s o 混接s s o ( 分流制系统出流) s s o 。经1 2 0 m i n 沉降处理，c s o 可 去除7 3 - 9 7 的s s ，5 0o a - - - 8 0 的c o d ；s s o 中s s 去除率为5 0 - - 8 5 ， c o d 可去除3 0 - - 6 0 ；地表径流水质波动性较大，s s 去除率为5 5 - - 8 5 ， c o d 去除率为1 0 - 7 2 。在沉降速率分布图上，c s o 沉速 s s o 沉速，地 表径流沉速曲线分布范围接近s s o ，混接的s s o 沉速曲线分布接近c s o 。c s o 与s s o 的v 5 0 值与美国及加拿大的测定结果具有可比性。s s 初始浓度对试验 水样沉降性能影响显著，初始浓度越高，一定处理时间内可达到的沉降去除率 越高。 对上海市雨天出流污染的控制策略探讨表明：由于上海市合流制系统溢 流频率较低，同时分流制系统混接情况严重，故不宜采取合流制改为分流制的 控制方案，而应利用现有合流系统管径大、管道坡度低、相互间连通性好的管 网特性，充分发挥管网自身的调蓄能力，减少溢流频率，控制溢流水量；在 摘要 上海市排水系统雨天出流的初期效应不显著而沉降性能良好的情况下，末端工 程性控制设施选择通过式的调蓄一沉淀池对于削减雨天出流污染负荷具有更好 的控制效果。 关键词：地表径流，排水系统雨天出流，c s o s ，沉降处理 h a b s t r a c t ab s t r a c t p o l l u t i o nc a u s e db yu r b a nw e tw e a t h e ro u t f l o w s ( w w o s ) i so n eo ft h ep o p p r o b l e m si nu r b a nw a t e rm a n a g e m e n tf i e l d p o l l u t a n t sc o n t a i n e di nr u n o f fa n d c o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w s ( c s o s ) a r eo fr a t h e rh i g hc o n c e n t r a t i o n sa sar e s u l to f t h ec u m u l a t e ds u r f a c ep o l l u t a n t sa n dp i p e b e ds l u d g ec a r r i e db yt h e m r e s e a r c ho n c s o sc h a r a c t e r i s t i c sa n dw w o ss e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c ei so fr a t h e ri m p o r t a n c e t ow w o s p o l l u t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s i nt h i sp a p e r , s c a d ad a t ao ft h ep u m ps t a t i o n sa l o n gs u z h o ur i v e ri n2 0 0 4w e r e a n a l y z e da n dt h eo v e r f l o wc o n d i t i o n so fm a j o rp u m ps t a t i o n sw e r eo b t a i n e da n d c o m p a r e dw i t l lj a p a n e s es i t u a t i o n ，a f t e rw h i c ht h em a j o ri n f l u e n c ef a c t o r sw e r e d i s c u s s e d m e a n w h i l e ，s e d i m e n t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u r f a c e r u n o f f sa n d o v e r f l o w sf r o mr e p r e s e n t a t i v ep u m ps t a t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e di no r d e rt op r o v i d e r e f e r e n c ed a t af o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n g a tl a s t ，c o n t r o ls t r a t e g i e sa n ds u g g e s t i o n sf o r w w o si ns h a n g h a iw e r ed i s c u s s e d s t a t i s t i c a lr e s u l t so fc s o se v e n t sa l o n gs u z h o ur i v e ri n d i c a t e dt h a t ：q c s o s f r e q u e n c yo ft h e s ep u m ps t a t i o n sw a sm u c hl o w e rt h a nt h a ti nj a p a n ( 窑) i n f l u e n c e f a c t o r so fc s o sw e r ev a r i o u s ：d r a i n a g es y s t e mp r o p e r t i e s ( p r a c t i c a li n t e r c e p t i n g c a p a b i l i t y , p i p eg r a d i e n t s ，a n dt h ec o n n e c t i o no ft h ep i p en e t w o r k ) w e r ed e t e r m i n a n t s o ft h el o wo v e r f l o wf r e q u e n c i e si ns h a n g h a i ；r a i n f a l le v e n t sw e r et h ed i r e c tc a u s eo f o v e r f l o w s ，r a i n f a l li n t e n s i t yh a di n s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo no v e r f l o wf r e q u e n c i e sw h i l e r a i n f a l lq u a n t i t yh a dm o r ei n f l u e n c eo no v e r f l o wq u a n t i t i e sa n dd u r a t i o n s s t u d yo nt h es e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c eo fw w o s i ns h a n g h a is h o w e dt h a t ： w w o si ns h a n g h a ip r e s e n t e dg o o ds e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c ea n dm o s to f p o l l u t a n t sc o u l db er e m o v e dd u r i n gt h ee a r l ys e d i m e n t a t i o ns t a g e s e t t l i n ge f f i c i e n c y o fv a r i o u sd r a i n a g eo u t f l o w sw a si nt h es e q u e n c eo fc s o c r o s s c o n n e c t e ds s o s s o a f t e r12 0m i ns e t t l i n g ，7 3 9 7 o fs sa n d5 0 - - - 8 0 o fc o di nc s oc o u l db e e l i m i n a t e d ；5 0 8 5 o fs sa n d3 0 - 6 0 o fc o di l ls s oc o u l db er e m o v e d ；w a t e r q u a l i t yo fr u n o f fs h o w e dm o r ef l u c t u a n t , 5 5 - 8 5 o f s sa n d10 - - - 7 2 o fc o di n r u n o f fc o u l db er e m o v e d o nt h es e t t l i n gv e l o c i t yg r a p h , v e l o c i t i e sw a si nt h e s e q u e n c eo fc s o s s o ，a n dt h er u n o f fv e l o c i t yr a n g ew a sc l o s et ot h a to fs s o ，a n d i i i a b s t r a c t t h ev e l o c i t yo fc r o s s c o n n e c t e ds s ow a sc l o s et ot h a to fc s o v s ov a l u e so fc s oa n d s s ow e r ec o m p a r a b l et ot h a to fa m e r i c aa n dc a n a d a o r i g i n a ls sc o n c e n t r a t i o n h a ds i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ns e t t l i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h et e s t s a m p l e s ：h i g h e r e l i m i n a t i o n e f f i c i e n c y w a sf o u n di nt h e s a m p l e s w i t h h i g h e ro r i g i n a l s s c o n c e n t r a t i o n s s t u d yo nt h ep o l l u t i o nc o n t r o ls t r a t e g yo fw w o si ns h a n g h a ii n d i c a t e dt h a t ： s h a n g h a ih a dl o wc s o sf r e q u e n c i e sa n ds e r i o u sc r o s s c o n n e c t i o ni ns e p a r a t e d r a i n a g es y s t e m , t h u sm a x i m u mt h es t o r a g ec a p a b i l i t yo ft h eh i g h d e n s i t ya n d l o w - g r a d i e n tc o l l e t i n gs y s t e mt oc o n t r o lc s o sw i l lb em o r ee f f e c t i v ec o m p a r e dw i t l l c h a n g i n gt h ec u r r e n tc o m b i n e ds y s t e m st os e p a r a t eo n e s ；w w o si ns h a n g h a i p r e s e n t e d l i t t l ef i r s tn u s he f f e c tb u tr a t h e r g o o ds e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c e ， p a s s e d t h r o u g hs e d i m e n t a t i o nt a n kw i l l h a v eb e t t e rc o n t r o le f f e c tf o rw w o s p o l l u t i o n k e yw o r d s ：r u n o f f , w e tw e a t h e ro u t f l o w so fd r a i n i n gs y s t e m ，c s o s ，s e d i m e n t m i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：多夏圣季 伽彦年多月o 日。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，撰写成硕士学位论文上海市合流制系统溢流特性及雨 天出流的沉降性能研究。除论文中已经注明引用的内容外，对论文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位敝储獬：埘 2 0 0 8 年5 月2 6 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 城市雨天出流水质概况 城市雨天出流即雨天时汇入城市受纳水体的出流水量。出流形式主要包括 雨天所产生的地表径流和排水系统出流两种类型。各国学者对于雨天出流水质 的调查结果表明，城市雨天出流中携带了大量的污染负荷，是城市水体水质恶 化的重要污染源，控制雨天出流污染对于保护城市水环境具有重要意义。 1 1 1 排水系统雨天出流 雨天时排水系统出流包括合流制系统溢流( c s o s ) 和分流制系统出流 ( s s o s ) 。法国、德国、西班牙都是开展排水系统雨天出流水质研究比较早的国 家。法国从上世纪7 0 年代就开始就对分流制出流口的污染物浓度、雨天合流制 溢流污染物浓度以及雨污混接系统的出水水质进行了分析比较，并建立了 q a s t o r 数据库1 1 1 ，表1 1 为三种类型排水系统雨天出流的事件平均浓度及排水 服务区内的污染负荷范围。由表中数据可看出，排水系统雨天出流的污染物事 件平均浓度均较高，合流制溢流中c o d 在3 5 0 - - 5 7 0 m g l ，即使污染物浓度较 小的分流制系统出流，其c o d 和s s 浓度也分别达到了8 0 m g l 和1 6 0 m g l 以 e 。 表1 1q a s t o r 数据库不同排水系统污染物浓度和负荷 事件平均浓度范围( m l )负荷- 范m ( k g h m 2 a ) 系统类型 c o d b o d ， s sc o d b o d s s s 分流制 8 0 3 2 01 3 1 3 01 6 0 4 6 06 7 0 4 5 0 01 0 0 4 5 01 3 0 0 6 7 0 0 雨污混接 1 8 0 4 7 03 5 1 2 0 2 4 m 4 0 0 1 2 5 0 - 5 2 0 02 4 0 1 0 0 01 8 0 0 - 4 8 0 0 合流制 3 5 0 5 7 09 0 2 7 02 4 0 6 7 01 5 5 0 4 2 0 08 l 阻1 4 9 01 7 0 0 4 3 0 0 表1 2 为德国a t v - d v w kd a t e n p o o l2 0 0 1 数据库记录的全世界范围内的分 流制系统出流和合流制系统溢流的污染物浓度中值【2 1 。由表中数据可看出，合流 制系统溢流污染物浓度明显高于分流制系统出流。 表1 2 德国数据库不同排水系统出流污染物中值浓度( 单位：m e l ) 第1 章绪论 表1 3 为s u 矗r e z 对西班牙5 个合流制排水区域雨天溢流污染物浓度及负荷的 监测结果，该结果表明不同区域的污染物事件平均浓度均高于当地容许的排放 浓度，合流制系统溢流对城市水体环境造成了非常严重的影响【3 1 。西班牙研究人 员e d i a z h e r r o s 通过对西班牙西北部城市合流制区域的雨天溢流水质监测研究 也发现，雨天溢流水质对受纳水体造成比较严重的影响【4 1 。 表1 3 西班牙不同合流制区域雨天溢流污染物事件平均浓度( 单位：m g l ) c s o s 收集了生活污水、工业废水、雨水，同时携带了晴天时累积的沟道底 泥，其中含有大量污染物，主要包括：有机物、营养盐、s s 、致病微生物、其它 有毒有害物质如重金属、含氯有机物等1 5 1 。国外曾有学者调查了不同类型集水区 旱流污水和c s o s 的污染物浓度，发现c s o s 中污染物浓度是旱流污水的2 - 2 0 倍 6 - 9 。我国2 0 0 2 年1 2 月2 4 日发布的城镇污水处理厂污染物排放标准( g b 1 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 所规定的污水处理厂二级排放标准为：c o d ：1 0 0 m g l ，b o d ： 3 0 m g l ，s s ：3 0 r a g l 。根据各地的实地调查结果，雨天发生合流制系统溢流时， c s o 浓度将大大超出以上水质标准，对水体环境造成严重污染。 理论上讲，s s o 水质要优于c s o 。b a c h o c 的监测结果表明：合流制系统的 溢流水质远比分流制出流差，合流制溢流中s s 平均浓度比分流制浓度高5 0 ， b o d 5 是分流制的2 倍，总有机物负荷也远远高于分流n t l o l 。但国内应用现状是 分流制系统很难执行严格的雨污分流，系统中普遍存在雨污混接情况，造成s s o 水质也很差，某些污染物水平甚至会高于c s o 。本文2 0 0 6 年对上海市剑河和金 扬两个混接情况较严重的分流制泵站出流进行调查，发现c o d 出流浓度在1 6 2 6 0 1 m g l ，s s 出流浓度在1 4 4 - - 6 3 0 m g l 之间，尤其是剑河泵站，其出流水质黑 臭严重，其中含有大量结实的管底积泥。就上海市目前的排水系统状况而言， 分流制系统仍普遍存在雨污混接情况，因此和c s o s 一样，s s o s 也是控制排水 系统雨天出流污染不容忽视的污染源。 1 1 2 地表径流 城市地表径流污染是城区水环境面源污染的最主要类型之一，因此常被称 为狭义的面源污染。发达国家( 特别是美国) 对城市径流污染的特征和雨水管 2 第1 章绪论 理进行了较为深入的研究。美国环保局( u s e p a ) 于1 9 7 8 年至1 9 8 3 年完成的 “全国城市径流计划 ( n a t i o n a l u r b a nr u n o f f p r o g r a m ，n u r p ) 获得了许多值 得关注的成果。n u p r 建议对于降雨径流污染的评价采用事件平均浓度( e m c ) ， 再由e m c 估算污染物总量负荷。e m c 即径流中污染物总量与径流总体积的比 值，它消除了直接计算污染物总量负荷时降雨量和径流量的影响以及各地区降 雨分布不均的问题，同时在统计学上具有良好的正态分布效果，从而被各国学 者广泛采纳。表1 4 是本课题早期研究者总结的美国地表径流中1 0 种主要污染 物的事件平均浓度中值情况【1 1 j 。 表1 4 美国城市不同类型用地的径流事件平均浓度中值( 单位：r a g l ) 美国地表径流中各类污染物的e m c 值均较低，表1 5 是法国巴黎m a r a i s 排 水区不同类型下垫面的污染物事件平均浓度中值【1 2 1 。 表1 5m a r a i s 排水区暴雨径流的污染物事件平均浓度( 单位：m g l ) 相比美国和巴黎，韩国清州市的降雨径流中污染物事件平均浓度要高得多， 如表1 6 。 表1 6 清州市城市暴雨径流的污染物事件平均浓度【1 3 1 错误。来拽捌引用_ 。 ( 单位：r a g l ) 根据e m c 估算得到的径流污染总负荷值是不容忽视的，降雨时大量的污染 负荷直接排入水体，很多情况下超过水体的自净能力，造成城市水体水质恶化， 因此径流污染与c s o s 共同成为城市雨天出流污染控制中的关键问题。 3 第1 章绪论 1 2 国内外c s o s 控制策略 发达国家很早就开展了对于c s o s 的控制日本在1 9 5 5 年，由于提高城市 排涝标准和普及水冲厕所成为重要课题，在河道下游的大都市，都积极地采用 了施工方便和价格低廉的合流制下水道装置系统，这一点与建设初期的上海相 同。但是，采用合流制下水道，在雨天时，雨水与污水混合在一起，部分污水 通过自然出口和泵站未经处理便直接排放入河流。因此，1 9 7 0 年，部分修改了 下水道法，追加了下水道的目的要“有助于保全公共用水域水质 ，此后，分流 制下水道才作为重点进行推广。 目前，日本主要通过截流和调蓄措施控制合流制系统溢流。有学者对减少 溢流的最佳截流和调蓄控制设施设计参数进行了研究，结果表明，截流量在1 2 m m h 时，溢流次数减少最为明显；在截流l m m h 雨水量的同时采取调蓄措施， 调蓄量在3 - - 5 m m 时对溢流的控制最为有效；在截流量和调蓄量同时变化的情 况下，不论截流能力处于何种水平，控制溢流的最佳调蓄量为4 m m l l 4 1 。 美国在c s o s 控制方面的研究比较成熟，美国环保局( u s e p a ) 出版了“c s o s 的长期控制计划指导 及“九项基本控制措施 为东北部和大湖区域的合流制 城市提供c s o s 的控制指导。e p a 希望中小型的市政系统在调查本地区排水系统 特性并得到具体的监测数据后，制定长期的c s o s 控制计划，并希望将“九项基 本控制措施有效地结合在长期控制计划中。表1 7 为“九项基本控制措施 的 原则及具体措施示范。 表1 7 九项基本控制措施及方法举例【1 5 1 控制控制 原则 具体方法举例具体方法举例 原则 适宜的运 维护维修调蓄池控制 筛分一栅板，拦污栅，滤网，截 行及维护 维护维修潮闸c s o s 由 留井等设施的改进 清除沉淀物砂砾 固体及悬 撇渣一拦障，撇渣船等 制定检查计划浮物质 源头控制一街道清扫，固废收 检查管网系统集，循环利用、公众教育等 最大化利 维护维修潮闸污染 源头控制 用管网系 清除小系统瓶颈预防 水体保护 统的存储 调整调节装置运行参数 容积 清除水流障碍物 优化调节泵站运行模式 回顾并修体积控制污染物控制公众 张贴通知( 出水口处，使用区域， 正预处理 分散存储 改善处理工艺告知公共场所) 要求 流量限制 雨水处置 电视报纸通知 削减径流 提高保洁措施 直接邮件通知 4 第1 章绪论 路边石堤堰i 最佳管理措旋 最大限度 分析流量、单元处理工艺及水头损 监测 识别出所有的c s o s 排放口 将溢流送失 记录c s o s 事件的总次数、发生 往处理厂 评估设计处理能力频率以及代表性事件的溢流时 处置 调节内部管线间 分析污水系统特性 概述受纳水体位置及水环境功 能类型 概述受纳水体水质资料 概述c s o s 对受纳水体的影响 消除旱天 实施日常检查 溢流 清除违章混接点 调整雕修调蓄池 维修潮闸 清理维修合流管网 清除瓶颈点 在合流制系统溢流污染控制方面，上海与日本大体相同，也是遵循截流与 调蓄相结合的控制手段。上海市先后启动了苏州河综合整治一期工程和二期工 程。一期工程建成于1 9 9 3 年，在苏州河北岸设置截流总管，相关排水系统的污 水，汇集到一期截流管道后由截污泵送往污水厂处理后排放，雨天时超过截流 泵能力的雨污混合水发生溢流。随着对c s o s 污染关注程度的提高，又启动了二 期整治工程，在原有管网系统中增设调蓄设施，以期能够有效控制雨天时c s o s 中的污染负荷。但调蓄设施的工程设计参数及实际运行情况，仍是目前比较关 注和值得研究的问题。本文期待通过研究上海市雨天出流的沉降性能，为上海 市调蓄控制设施建设提供实际的参考数据。 1 3 雨天出流沉降性能的测试方法 1 3 1 国外s s 沉降性能测试方法 s s 是城市雨天出流中最主要的污染指标之一，沉降处理一直是控制雨天出 流污染的首选措旌。各国学者开发了许多测试雨天出流中s s 沉降性能的设备和 方法早在2 0 世纪7 0 年代，美国新泽西州就颁布了法规，要求在快速城市化 地区土地开发者应考虑建造双重功能的雨水滞留池，即在削减洪峰的同时考虑 增加处理功效。南佛罗里达州也出台了类似的要求，其它州及e p a 也非常重视 双重功能雨水池的使用1 1 6 1 众多研究者通过测定颗粒粒径和静水中颗粒沉速研 究雨水滞留池对于s s 的去除效率及影响因素，但由于颗粒物各自比重不同以及 存在污染物的附着现象，因此不能从粒径研究结果很好地确定颗粒物的沉降特 5 第1 章绪论 性【1 7 l 。 2 0 世纪8 0 年代初，、矾l l i 锄w h i p p l e 等1 1 8 j 对滞留池进行现场采样，测定t s s 细t a ls u s p e n d e ds o l i d s ) 和其它污染指标的沉淀去除效果。他们将在一段时间内采 集的过程样本混合在一起作为试验水样，以消除滞留池不同时段进水特性波动 的影响。其采用的沉降柱高1 8 3 m ，此高度接近实际滞留池深度( 一般为0 9 1 - 3 0 5 m ) ，直径2 2 9 c m ，可容纳测试水样体积为7 5 7 升选用接近实际雨水池参 数的实验装置，以减少模型缩小引入的误差；沉降柱直径较大，目的在于消除 柱壁对于颗粒的阻碍作用，更真实地模拟实际雨水池中的条件。此后c l i f f o r d 等 【1 9 】也进行了固体颗粒的沉降性能测定。其试验设备为长1 5 0 c m ，直径1 2 7 c m 的 有机玻璃柱，试验水深约1 2 0 c m ，试验用水约2 0 升。两人得到的污染物沉降去 除效果具有很好的相似性。 到2 0 世纪9 0 年代，沉速测量方法和设备得到进一步发展。代表性的有法 国的c e r g r e n e ( c h e b b o ，1 9 9 2 ) 法，英国的a s t o n ( t y a c k ，1 9 9 2 ) 法，德国的 u f r ( b r o m b a c h 等，1 9 9 3 ) 法以及美国的c a m p 方法 2 0 - 2 1 1 。各种方法的具体操 作和特性如表1 8 所示。 表1 8 测冒= 颗粒沉降速率曲线的方法 性质 c e r g r e n e u 兀ia s t o n c a m p 均质法，质浮层法，浓浮层法，质量测浮层法，质均质法，质量测 方法 量测最法度测最法量法量测鼍法量法 湿筛湿筛 霍夫曼锥形管中沉降柱中 预处理无 ( d 5 0 u m )( d 5 0 u m ) 沉淀2 h沉淀3 h a n d r e a s c n 带有锥形管的沉 设备i f t s 沉降柱沉降柱沉降柱 管 降柱 沉降柱高度 1 8o 20 71 6 2 0 6 、0 9 、1 2 、 ( m )1 5 、1 8 直径( m ) 0 0 5o 1 0 0 50 0 5 o 1 5 可测沉速范围 0 0 1 9 70 0 0 1 4 0 4 10 0 1 1 7 50 0 1 8 2 7o 0 0 2 3 ( c m s ) 从表1 8 中可看出，这些方法基本可归为两类：均质法，即将所有试验样本 充分混合后注入沉降柱，尽量保证试验开始时沉降柱内各处的s s 浓度相同；浮 层法，即让所有固体颗粒在试验开始时从沉降柱表面同时开始沉降和传统的 沉速测量方法相比，这些新开发方法在改进时主要侧重考虑以下方面：设备操 作简便性、可重现性( 即可使所用颗粒在沉降后得到再生，如u f i ) 、与其它测 量方法的可比性、尽量避免预处理以保持原样本特性、适用性广，即能够对不 6 第1 章绪论 同类型的样本( 原污水、澄清池内固体颗粒等) 进行测定分析。 这些沉降方法虽然具有各自的优点和适用性，但由于各种测量方法所用试 验设备和样本预处理方法不尽相同，再加上不同排水区采集的样本性质各异， 造成各种方法的测量结果之间存在很大差别。一般来说，u 兀 法的沉速曲线由 于只考虑可沉降固体( 2 h 内能够通过霍夫曼锥形管的固体) 而非水样中的全部 固体，其所测沉速较其它几种方法偏大。但即使对u f t 方法的结果进行修正， 即将试验后残留在锥形管和沉降柱内的固体也添加沉速曲线的计算中，各方法 得到的沉速分布曲线间仍存在较大差异。 除样本差异和试验方法的影响外，试验条件也是造成各种沉速测量方法所 得结果之间差异的原因之一。k i g u i e r 等研究了试验前样本存储时间、试验温度、 所用s s 质量及水介质对于沉降曲线的影响。发现新鲜样本的s s 沉速小于在所 有温度下放置一天后的水样，室温下保存的水样沉速小于冷冻条件下的水样。 但对各种温度下水样的连续测定，没有发现沉速随存储时间有明显的变化趋势。 沉降柱中引入的s s 浓度越高，所测沉速越大，但仍需进一步验证瞄j 。鉴于此研 究结论，沉降试验应尽量在采样后快速进行，以消除试验因素对测量结果的影 响。 1 3 2 国内s s 沉降性能测试方法 国内对于雨天出流中s s 沉降性能的测试尚不多见，目前基本应用污水一级 处理时沉降性能测试所采用的累积曲线法和底部沉泥量法。两种方法可采用相 同的试验设备，且均属于均质法，在试验前不对水样进行任何预处理，不同的 是底部沉泥量法通过测定不同时刻柱底沉泥量绘制沉速曲线( 属质量测定法) ， 而累积曲线法则属于浓度测定法。底部沉泥量法在假设颗粒沉速u s 分别与颗粒 质量m 及数量n 之间存在某种函数关系的前提下，推导出沉降柱去除率的表达 式，通过回归得出不同时刻剩余s s 量l g p t 与沉速l g u o 的关系直线，可确定去除 率e 表达式中的参数。根据试验确定的e 表达式，可评价沉淀池在不同表面负 荷率下的去除效果因j 。 累积曲线法在不同沉降时刻测定剩余s s 浓度，绘制s s 沉速累积分布曲线。 根据沉速分布曲线，利用积分法计算不同临界沉速对应的s s 总去除率( 包括沉 速小于临界沉速u o 及大于u o 两部分颗粒的去除率) ，绘制去除率一临界沉速曲 线，根据该去除率曲线评价沉淀池在不同溢流率时的实际运行效果。 7 第1 章绪论 在实际操作过程中，两种试验方法均存在其各自的优缺点。底部沉泥法数 据处理简便，但发现在处理c s o 及s s o 水样时容易出现底部沉泥不能随采样及 时排出的现象。例如，沉淀刚刚开始时底部漏斗内沉积了大量沉泥，在一定的 取样体积条件下很难将沉泥完全取净，以致后面取样过程中常常混有前面未取 净的沉泥；累积曲线法通过在侧面取样测定剩余s s 浓度，虽然克服了上述不足， 但由于去除率曲线的绘制需要进行积分计算，因而增加了数据处理过程的复杂 性，需要考虑采取适宜精度的方法进行积分运算。此外，两种方法都是在假设 沉降柱水深不变的情况下测定的，因此试验本身存在着误差，并且对试验过程 中取出的过程样总体积有一个上限值，经验表明，试验后剩余水深大于沉降柱 直径6 倍以上时可忽略由水深变化引起的误差。 8 第2 章课题研究目的、数据来源及试验方法 第2 章课题研究目的、数据来源及试验方法 2 1 研究目的 随着污水截流处理率的不断提高，雨天出流污染已日趋成为城市水环境管 理领域的热点问题。城市雨天出流携带大量污染负荷进入受纳水体，对水环境 造成严重污染，合流制系统溢流造成的污染程度则更为严重，已引起各国市政 管理部门的普遍重视。 上海市政府在整治黄浦江、苏州河及其支流的水环境方面投入了大量精力， 随着苏州河整治一期工程的完成，旱流污水的收集处理率大大提高，雨天出流 污染已成为城区水体污染的主要原因。在实施苏州河水环境综合整治二期工程 后，增设了昌平、梦清园等大型调蓄池，以期通过工程设施和相应的管理手段 削减苏州河沿岸泵站的雨天排江量。对于上海市合流制系统溢流特性及其影响 因素的探讨对于制定雨天出流污染控制方案具有现实参考价值。 水质控制方面，悬浮固体( s s ) 是雨天出流中最主要的污染控制指标，近 年来对各种雨天出流处理设施的设计主要侧重于如何减少出流中携带的s s 负 荷。从处理设施运行和服务的年限来看，调蓄池是最为常用的，并且可能是运 行效果最好的城市雨天出流控制措施。从功能上看，调蓄池的类型从单一的存 储池到通过式的调蓄一沉淀池各有不同。雨天出流的初期效应和沉淀性能是影 响调蓄池类型选择及运行效率的主要因素。在雨天出流具有明显的初期效应时， 选择存储型调蓄池对于初期雨水进行存储，即可削减泵站出流中的大部分污染 负荷；但当雨天出流的初期效应不显著而沉降性能良好时，选择通过式的调蓄 一沉淀池将获得比存储池更好的控制效果。因此，测定雨天出流中s s 的沉速分 布及其沉降性能，可为调蓄池类型的优化选择提供参考依据，同时也可为评价 已建沉淀池的运行效率提供实际数据。 基于以上的研究背景，本课题主要探讨以下几方面内容，以期能够为国内 其他城市在控制雨天出流污染方面提供借鉴： ( 1 ) 上海市合流制系统溢流状况及其影响因素； ( 2 ) 上海市雨天出流的沉淀性能； ( 3 ) 上海市雨天出流污染的控制策略。 9 第2 章课题研究目的、数据来源及试验方法 2 2 数据来源及试验方法 ( 1 ) 数据来源 合流污水治理一期工程建立了一个中央监控系统，由中央控制室、通讯网 络、远程终端以及中央控制计算机和各泵站远程终端的软件等4 个部分组成。 中央控制室设在彭越浦泵站综合楼七楼，为整个系统监视和控制的中心。中央 监控系统通过传感器、通信网络及计算机组成的监督控制与数据采集( s c a d a ) 系统，进行数据采集、信息处理、自动控制和调度决策。 本文对于上海市合流系统溢流频率、溢流量及溢流时间的统计，以及分析 降雨特性对于c s o s 影响时对于降雨事件特征参数的统计，数据均来源于彭越浦 泵站中央控制室的s c a d a 记录，其中详细记录了苏州河沿岸各泵站在不同时刻 的累积降雨量、泵站前池水位、各截污泵及雨水泵的开泵情况。 虽然本文数据局限于苏州河沿岸各泵站的溢流情况，但由于此范围内的泵 站数目大，分布集中，是雨天溢流污染控制的首要目标，因此认为其研究结果 基本上可代表上海市合流系统普遍的溢流状况。 ( 2 ) 试验方法 本文选取上海市代表性排水系统( 合流制、分流制、混接的分流制) 的雨 天出流和地表径流( 交通密度高与低的采样点各一处) ，在雨季集中期和泵站开 泵时节( 泵站为4 , - 一9 月，地表径流为6 - 9 月) 对雨天出流的沉降性能进行了 初步探索。排水系统出流样本取自鞍山泵站( 合流) 、金桥2 # 泵站( 分流) 、剑 河及金杨泵站( 混接的分流制) ；地表径流样本取自同济大学内街道和交通干线 中山北二路( 分别作为交通密度低和高的集水区代表) 。 泵站排江样本采集方法为：在所选定的代表性泵站的前池，自排江开始到 结束，按一定时间间隔采集过程水样。开泵之后采集第一个水样，以后按降雨 历时、不同排水系统开泵时间的长短，每隔5 - 2 0 m i n 采集一个样品( 排江前期 采样间隔时间短，之后时间间隔逐步延长) ，混合后作为排水系统雨天出流的试 验水样。地表径流的采集方法类似：采样点设在街道雨水口处，自径流开始至 结束，每隔3 - - 2 0 r a i n 采集一个样品。在收集过程中，根据降雨强度大小，确定 采样的间隔时间：降雨强度变小时，间隔可以放大；强度变大时，采样间隔适 当缩小。 本研究采用的试验设备为长1 5 0 c m ，直径1 5 0 m m 的有机玻璃静态沉降柱， 沉淀柱侧面自下而上标有刻度，锥形柱底设有采样口1 # ，柱体侧面近底部设有 1 0 第2 章课题研究目的、数据来源及试验方法 采样口2 # 。该沉降柱可分别通过底部沉泥量法( 底部取样) 和累积曲线法( 侧 面取样) 进行s s 的沉速测定。先前研究者在2 0 0 3 - , 2 0 0 4 年采用底部沉泥法对 s s 沉降特性进行了测定，但由于底部沉泥在取样时不能当时彻底排出，发现在 很多情况下s s 去除率低于对应沉降实验的c o d 去除率，这是无法接受的。本 文后面章节所述的试验结果均系采用累积曲线法测定。 试验开始时，将混合均匀的水样从沉降柱顶部注入，立即取第一个水样作 为原样。然后在不同沉降时刻从取样口( 沉泥量法在底部取样，累积曲线法在 侧面取样) 采集沉降过程样，分析水样的s s 浓度，绘制沉降速率累积分布曲线。 本文监测到的水质指标包括s s 、c o d 、b o d 5 及耶。按国家环保局标准， s s 用滤纸法【矧，c o d 采用比色法( h a c hd r 2 0 1 0 型c o d 测定仪) ，t p 用 过硫酸钾消解一钼锑钪分光光度法，b o d 5 由上海市城市排水监测站用标准法测 定。 1 1 第3 章上海市合流制系统溢流状况及影响因素 第3 章上海市合流制系统溢流状况及影响因素 3 1 上海市合流制排水系统溢流状况 3 1 1 溢流频率 上海市各泵站均配有自记雨量计，但由于泵站自己的降雨统计数据不完整， 统计降雨次数明显低于上海市气象局提供的龙华气象站统计数据。此外，就一 年的总降雨次数而言，苏州河沿岸数十平方公里范围内相差不大，所以统一采 用龙华气象站的降雨次数作为各泵站的年降雨次数，计算2 0 0 2 - - 2 0 0 4 年排江次 数较多的几个合流制泵站的降雨溢流频率，如表3 1 所示。 表3 1 上海市合流制泵站溢流频率 2 0 0 2 2 0 0 32 0 0 4二年累计 泵站名 排江降雨排江降雨排江降雨排江降雨污水溢流 次数次数次数次数次数次数次数次数频率 江苏 1 01 2 651 0 11 91 0 73 43 3 4 1 0 2 中山西 1 2 1 2 621 0 181 0 72 23 3 47 1 江西北 1 31 2 661 0 171 0 72 63 3 47 4 成都北 2 31 2 61 01 0 181 0 74 13 3 41 5 日本与上海在气象条件、人口密度和污染水平上具有一定的可比性，为此 本文根据相关文献了解日本a 城市( 根据日本简易模拟试验报告命名) 的c s o s 状况( 表3 2 ) ，将其与上海市情况作简要对比。 表3 2 日本a 市合流制泵站溢流频掣2 5 l 1 9 9 61 9 9 71 9 9 8合计 泵站排放 降雨 排放 降雨 排放降雨排放降雨污水溢 次数次数次数次数次数次数次数次数流频率 1 # 3 41 0 089 71 81 1 56 03 1 21 9 2 2 #3 51 0 53 49 72 61 2 39 53 2 52 9 2 3 #3 01 0 23 39 33 41 0 99 73 0 43 1 9 4 #3 71 0 03 79 64 51 1 51 1 93 1 13 8 3 对比表3 1 与3 2 ，可看出上海市合流制泵站的溢流频