上海市苏州河沿岸排水系统调蓄池运行效率评价

上海市苏州河沿岸排水系统调蓄池运行效率评价

0雨水调蓄池的设计使用后储水池减少雨水径流的污染负荷已成为控制城市断面污染的主要工程措施之一。目前,上海等地开始兴建的雨水调蓄池主要为线外式存储池,其运行方式是暴雨期间收集初期出流雨水,降雨停止后再将所存储的雨水输送至下游管渠或污水处理厂。初期雨水调蓄池的设计理论,是基于初期雨(污)水携带了降雨事件所产生的大部分污染负荷的假设。根据这一假设,只要存储一定量的初期雨水,调蓄池就能够控制雨天出流的大部分污染负荷。然而,随着近年来对初期效应研究的深入,发现排水系统雨天出流不一定都存在初期效应,特别是国内普遍存在的混接严重的分流制雨水系统雨天出流。因此,雨水调蓄池设计存在方案优化问题。调蓄池类型的选择,取决于相关排水系统雨天出流的初期效应程度及其污染物沉降性能。本文结合上海市苏州河沿岸排水系统雨天出流的特点,讨论调蓄池设计方案的优化理论与方法。1存储-沉淀池的沉淀效率通过式调蓄池中,所有雨天出流以近似推流方式通过调蓄池,在一定的表面负荷率下,通过沉淀方式削减出流雨、污水中的污染负荷。采用合适的设计方案,还可将降雨径流过程结束时所存储的最后一池水送入污水管渠或污水处理厂,达到沉淀与存储相结合削减雨天出流污染负荷的目的。本文将这类调蓄池称作存储-沉淀池。理论上,存储-沉淀池的沉淀效率取决于雨天出流中污染物的沉降性能以及调蓄池的表面负荷率;而存储的最后一池水所能削减的污染负荷则与该降雨事件的初期效应程度有关。排水系统雨天出流中污染物的沉降性能可由沉降柱试验得到;表面负荷率则由池子的相对面积与排水系统运行方式决定。我国北方地区,雨水系统多采用重力流自排方式,存储-沉淀池的表面负荷率由降雨强度与降雨量决定,是随降雨事件随机变化的,可采用概率分析的方法对其沉淀效率进行评价。而上海等南方沿海城市一般采用水泵强排系统,池子运行的表面负荷率由泵站选泵情况与操作规程决定,可采用评价平流沉淀池效率的方法来评价存储-沉淀池的沉淀效率。采用水泵强排的系统,容易实现将降雨径流过程结束时的最后一池储水截流输至污水处理厂。1.1边界条件的确定提升泵站的配泵情况与运行方式决定存储-沉淀池运行的表面负荷率。此时存储-沉淀池的效率评价方法与平流式沉淀池效率计算方法接近。理论上,粒径分布一定的颗粒沉淀效率只与表面负荷有关。实际沉淀过程中,水力条件等因素对沉淀效果有明显影响。因此,Fair和Geyer提出了评价通过式存储-沉淀池的颗粒物沉淀实际去除率的方法,如式(1)所示。R=1−(1+1n×VsQ/A)−n(1)R=1-(1+1n×VsQ/A)-n(1)式中R——初始颗粒物沉淀去除率;Vs——颗粒物的沉降速率,m/s;n——表征池内湍流状态以及短流等情况的参数;Q/A——池子的表面负荷,m/s。上述评价模式引入参数n定量表示湍流及短流情况。Fair和Geyer建议n采用的经验值为:n=1(水力条件极差);n=3(水力条件较好);n>5(水力条件很好)。此外,用n=∞表示理想水力条件下的情况,此时,式(1)可简化为熟悉的形式,去除率主要由停留时间决定,见式(2)、式(3)。R=1−exp(−VsQ/A)(2)R=1-exp(-VsQ/A)(2)或者:R=1-exp(-kt)(3)式中k——沉降速率系数,k=Vs/h,s-1;h——调蓄池平均池深,m;t——停留时间,t=V/Q(V为调蓄池容积,m3),s。规划层面的分析过程中,边界条件的确定,往往需要大量的计算以及数据验证。对于式(1),通过将不同颗粒物沉速及池子的表面负荷对去除效率的影响作图(见图1),能够有效地简化后续计算。图1中有图例标识的一系列曲线为式(1)计算所得精确解(n=3),而图中加粗的直线,为式(2)(n=∞的理想水力条件之下)在颗粒沉速2cm/min下的近似解。图中所示流率(flowrate),即池子的表面负荷(Q/A),为池子单位时间内体积流量与表面积之比。水泵强排系统存储-沉淀池运行的表面负荷率随泵站启动的水泵台数变化。根据所配置水泵的台数与额定流量,可以估算给定池子表面负荷率的变化范围。1.2布局压力和流量分析重力流自排系统的存储-沉淀池,其表面负荷率随降雨情况随机变化,无法用上述方法计算其沉淀效率。对此,可采用概率分析的方法,进行规划层面的长期沉淀效率评价,相关计算方法与过程简要介绍如下。在进水流量变动情况下,沉淀设施对污染物的去除效率是随进水流量而变化的:水力负荷的提高将降低存储-沉淀池的处理效率。径流量随降雨特性的变化呈Г分布。对于进入沉淀处理设施呈Г分布的径流量,其进水流量的变化用平均流量和变差系数来表征,则其长期平均污染物质总去除率见式(4)。RL=Z[rr−ln(RMZ)]r+1(4)RL=Ζ[rr-ln(RΜΖ)]r+1(4)式中RL——调蓄沉淀设施对暴雨径流污染物的长期平均去除率;RM——在平均径流流率情况下的去除率;r——1/CV2q,CVq为暴雨径流流率的变差系数;Z——在低流率情况下污染物的最大去除率。式(4)的图解结果见图2,图2表示了不同暴雨径流流率下沉淀设施的长期平均处理效果。这个分析假设设施的去除效率η是流量的指数函数:η=1-exp(Q/k)(5)式(4)中Z可由图1估算:图1中按式(2)计算的近似解,即加粗的直线在纵轴上的截距(Q/A=0)就是Z值。由图1可知,沉降速率为2cm/min的颗粒物,低流量情况下最大沉淀去除率Z=80%。用概率的方法进行计算,虽然不是很精确,但得到的去除率结果相当接近工程实测结果,因此足以满足规划层面分析决策的需要。1.3调蓄池运行效率评价无论用于水泵强排还是重力流自排系统,存储-沉淀池中最后一池水的污染负荷都可以通过将积水输送到污水管道予以截流。因此,存储-沉淀池的效率评价,应综合考虑存储和沉淀对污染物的共同去除效率。调蓄池存储的最后一池水削减污染负荷的运行效率可采用概率分析方法评价,相关计算方法可参见文献。具体计算过程将在下文实例计算中详细介绍。2适应床类型优化选择的影响因素2.1应当存在初期效应初期效应,即指初期径流携带了降雨径流总量中的大部分污染负荷。在排水系统雨天出流存在工程意义上的初期效应情况下,采用线外存储池存储雨天初期径流即可有效控制雨天出流污染。反之,如果雨天出流不存在初期效应,采用存储池则难以取得满意的效果。因此,初期效应存在与否及其程度,对调蓄池形式的选择具有至关重要的意义。排水系统的初期效应受到降雨量、降雨强度、排水区域地面坡度、区域面积大小、管道沉积物数量及其雨天受冲刷程度等因素的影响。对初期效应的定量分析常采用无因次累积负荷体积分数曲线[M(V)曲线]和b参数方法。谭琼等采用上述方法,对上海市苏州河沿岸代表性排水系统雨天出流的初期效应进行了探讨。M(V)曲线分析表明,没有一条曲线达到30/80标准,即不存在工程意义上的初期效应。合流制系统M(V)曲线基本集中于对角线以上,满足50/50判定标准,存在理论上的初期效应。而分流制系统M(V)曲线分散于对角线两侧,不存在初期效应。b参数法分析结果,分流制系统出流各水质指标的b值均大于合流制系统,基本上不存在初期效应。存在严重雨污混接现象及由此带来的管道系统严重淤积是分流制系统不存在初期效应的主要原因。而造成上述结果的现象在国内众多城市普遍存在,且在短期内难以消除。因此,“控制初期雨水污染”这一概念,对国内许多城市而言是不准确的,受诸多因素的影响,工程应用之前应谨慎分析。根据上述对苏州河沿岸代表性泵站试验结果的讨论得知,苏州河沿岸合流制系统采用线外式存储池,对于削减雨天溢流污染负荷尚能起到较好的效果。而分流制系统总体上不存在初期效应,除大暴雨外,雨天出流的浓度基本不低于旱流污水。在这种情况下,存储部分初期雨水对削减污染负荷的作用有限。调蓄池必须有很大的容积才能达到期望的效果。而采用存储-沉淀池形式有可能提高运行效率,起到较好的削减雨天污染负荷的作用。2.2无砂混凝土基沉降特性由1.1节中介绍的存储-沉淀池运行效率评价方法可知,在雨天出流沉降性能较好的情况下,采用让全部出流雨污水通过调蓄池,进行沉淀净化的设计、运行方式,有可能在较小的池容下达到较高的污染物去除效果。为了确定不同类型泵站雨天出流的沉淀特性,评价存储-沉淀池运行效果,对苏州河沿岸代表性合流制泵站成都北、江西北,分流制泵站芙蓉江、新客站、剑河的雨天出流混合样,进行了自然沉降特性试验。混合样的采集是根据泵站排江时间,选取5～20min时间间隔,每次采集2～3L前池水样,混匀,倒入直径150mm,高1500mm的有机玻璃沉降柱进行沉降试验,由柱底部取样,研究SS去除率与沉降时间以及截流沉速的关系。试验结果见图3、图4。无论分流制还是合流制系统,同一泵站在不同降雨排江事件中,出流雨、污水的沉降性能会有明显的差别:距前一次降雨、排江时间间隔较长的情况下,出流雨水SS含量高,颗粒密实,沉速较高。这与苏州河沿岸排水系统旱流流速低,管道内污染物沉积比较严重有关。由图3、图4可以看出,分流制泵站出流沉降性能远优于合流制泵站溢流。这是由于合流制系统的旱流流量相对较大,且系统中大量早期建造的化粪池仍在使用,管道沉积情况相对不严重;而分流制系统虽然混接严重,旱流水量仍相对较小且无对初期雨水的截流能力,管道中沉积的大量污染物在雨天排江时被冲刷排出。合流制系统溢流SS的沉淀去除主要发生在前30min,一般去除率在10%～30%。而分流制泵站出流在前20min就能接近最大沉降去除率,去除率为50%～95%。由上述试验得出的各个分流制泵站的平均颗粒沉降速度分布见2.3节表1。由图4和2.3节表1可知,苏州河沿岸分流制系统雨天出流具有很好的沉降性能,其沉降速率平均值为9.79cm/min。PisanoWC对美国各地不同排水系统雨天出流沉降特性的试验结果进行了综述,沉降数据的加权平均值及各地数据的中值范围分别为:旱流污水(2.7cm/min和1.8～3.96cm/s);雨水(0.66cm/min和0.09～9cm/min);CSOs(13.02cm/min和0.6～327cm/min);管道沉积物(193.8cm/min和48～405cm/min)。与国外的调查结果相比,苏州河沿岸分流制排水系统雨天出流中的颗粒沉速很高,接近国外合流制溢流的沉速。文献已说明苏州河沿岸分流制系统雨天出流基本不存在初期效应。因此,有必要对类似系统的末端调蓄池的设计方案进行探讨。2.3b系统的scad结果对初期效应不明显、雨天出流沉降性能好的排水系统,用于控制雨天出流污染的线外调蓄池采用存储-沉淀池的形式较为合理。本节采用上海苏州河沿岸雨污混接比较明显的分流制排水系统的实测数据,通过计算,探讨调蓄池设计方案的比选优化。选取雨天出流中颗粒沉速如表1所示的B系统进行分析。B系统服务面积为3.44km2,设计径流系数0.6,为水泵强排系统。根据文献提供的数据,描述其初期效应的b参数均值为0.99。按存储3mm径流量考虑,调蓄池容积VB为10300m3。排空时间取10h。调蓄池水深取4m,则调蓄池面积为2580m2。比较存储池与存储-沉淀池的长期运行效率。线外存储池的长期平均运行效率,可根据上海市降雨特性参数值,采用概率分析方法进行计算。根据这一方法得出服务区域降雨事件的平均径流体积VR为22126m3,调蓄池实际容积与径流平均体积之比VB/VR为0.47。由设计排空时间得排空比率为3.32。查阅文献中计算图3,得知有效池容积与径流平均体积之比VE/VR为0.46。因B系统表征初期效应的b参数均值近似于1(0.99),不考虑初期效应的影响。由上海降雨量的变差系数为1.612,查文献中图2,得出该存储池的长期平均污染物去除效率为35%。若采用存储-沉淀池,因为B系统基本上不存在初期效应,从长期平均效果看,给定存储池存储初期径流或降雨结束时的径流对污染负荷的削减效率应该是一致的,即为35%,然后再计算沉淀效率。B系统设置3台雨水泵,单台流量为3.6m3/s,下小雨时通常不开泵(溢入污水系统)。开泵排江时,按1.1节介绍的方法计算污染物沉淀效率,取n=3,开1台泵时,池子的表面负荷率Q/A为8.37cm/min,开2台时,Q/A为16.74cm/min。根据该系统泵站的SCADA数据,同时开启3台泵的情况极为少见。因此,在讨论长期平均运行效率时不考虑同时开启3台泵的情况。分别计算不同运行工况下,各种沉速颗粒的长期平均去除效率,结果见表1。根据表1进行加权平均计算可知,B系统开启1台水泵时,颗粒污染物的平均沉降去除效率约为50%;开启2台泵时,平均沉降去除效率为34.6%。综合考虑存储、沉淀效果,该存储-沉淀池的长期平均运行效率为:开启1台水泵时67.5%;开启2台水泵时57.5%。需要指出的是,存储-沉淀池在降雨径流过程结束时存储的最后一池水的污染负荷,在计算存储工艺的运行效率和分析沉淀作用的效果时都进行了计算,存在一定的重叠。但是对水泵强排系统,一旦开泵,系统水位从开泵水位降低到停泵水位输送水量相当大,通常数倍于池子存储容积,因此这部分重叠计算的影响可以忽略。根据对B泵站2004、2005两年运行状况的SCADA数据统计,B系统降雨排江时开启1台泵的概率为81%,开启2台泵的概率为12.7%,3台水泵同时开启的概率仅6.3%。由B系统的计算结果可知,在雨天出流污染物沉降性能良好的条件下,对于水泵强排系统,雨水泵一旦开启,即使在出流流率相当大的不利情况下,存储-沉淀池通过沉淀仍可达到相当可观的污染负荷削减效果,年平均去除率约为0.45%。这与B系统存在较严重的雨污混接,管道清理养护水平较差有直接关系。对国内城市雨水系统,这种情况具有代表性。在城市面源污染控制工程的规划、设计中,应