溢流雨污水就地消纳生态控污结构的设计

溢流雨污水就地消纳生态控污结构的设计

随着城市进程的加快，管道系统的溢流污染已成为许多城市水体的主要水源之一。产生于合流制管网末端的溢流雨污水污染成分复杂、发生量大、污染性极强,而且发生时间不确定,其污染物浓度往往同溢流量异步。现有的处理措施主要利用物理、化学及生物等多种方法进行就地消纳。其中,物理方法大多需要动力消耗,而采用混凝理论的化学方法往往存在占地大、利用率低、经絮凝产生的污泥需二次处理等问题。为解决溢流雨污水处理工程设计过程中存在的溢流污染物与流量的异步性、溢流处理量与结构占地的矛盾性、生态处理与水质保证的兼容性、停留时间与安全容积的协调性等问题,笔者提出一种简单实用的设计方法并通过工程实例进行验证,结合物理与生物方法对溢流雨污水进行就地消纳。1工艺设计的关键传统溢流雨污水的处理规模多为整场降水产生的溢流量,设计时总是选取较严格工况作为工艺规模设计的条件,往往导致占地面积较大。就地消纳生态控污结构的处理规模根据受纳水体环境的要求,采用数值模拟计算与经验公式计算综合确定。1.1数值模拟计算排水管道介绍以SWMM(美国暴雨径流管理模型)为基础建立溢流模型,进行溢流雨污水污染负荷的预测。研究区域为江南某村镇,管网覆盖面积约为1hm2,根据土地利用类型及雨水汇流特性将排水区域概化为5个子分区(见图1),各排水面积在200~300m2之间;排水管道概化为7段,管径在200~300mm之间,管网节点为6个;管网末端排放口为2个,一个连接进入污水处理厂,一个就近溢流进入河道。通过Horton模式模拟地表产流,地表汇流按非线性水库方法计算,管网汇流采用动力波模拟,溢流过程按堰流考虑。污染物积累采用指数方程计算,源头污染物冲刷采用指数冲刷模型,街道清扫模型中频率为1次/d,对SS的去除率为70%,天然雨水中的COD为10mg/L,不考虑管道中污染物的衰减。相关参数参考SWMM用户手册及文献。设计降雨事件的溢流模型以最短无雨间隔(2~24h,有条件选取2h)作为分界,划分降雨事件次数。统计计算区域内10年以上的累计降雨量达2mm以上的降雨事件,并以累计发生频率为5%~10%作为间隔进行分组,重要突出累计降雨事件特征值有75%、80%、85%、90%、95%;根据受纳水体的环境容量选取对应累计降雨事件降水量作为设计降水量,利用芝加哥雨型[见式(1)]进行暴雨过程分配,已知H与T时可将式(2)代入式(1)进行时程分配。其中,A1、C、b、n为暴雨公式参数;P为设计降雨重现期;T为降雨历时;r为雨峰所在位置。其中,H为总降雨量,为历时t内的平均雨强。本算例取降水事件累计频率为95%,即控制95%降水事件所产生的溢流污染,r取0.4。对构建的溢流模型进行模拟,得到溢流发生量为60m3/次降水。考虑到周边用地存在一定的截留能力,设计容积可适当小于计算结果。1.2地消纳构筑物设计溢流雨污水主要为降水过程中产生的地表径流,因此合理的控制地表径流发生量就能有效控制溢流雨污水污染。按德国废水协会制定的《ATV128合流污水系统暴雨削减装置设置指南》计算其结构容积,公式如下:其中,V为容积,m3;VSR为单位面积需调蓄的雨水量,12m3/hm2≤VSR≤40m3/hm2,本研究取35m3/hm2;AU为非渗透面积,AU=系统面积×径流系数(本研究径流系数取0.7)。将各值代入公式计算得到调蓄容积为36.75m3。就地消纳构筑物包括调节与处理两方面作用,以解决溢流过程中污染峰值与溢流量峰值异步的问题。根据数值模拟结果与经验公式计算结果,综合确定处理规模为40m3。2竹炭短管填料的处理效果研究认为,在暴雨季节由于降水过程的冲刷作用显著,溢流雨污水中大量的污染物附着在水中的悬浮颗粒上,其污染负荷主要以颗粒态(>0.45μm)的污染物形式存在;总悬浮固体浓度与其他污染物浓度密切相关,相关性分析表明,溢流雨污水中的COD和SS指标的相关性尤其好,通常相关系数能达到0.7以上。朱亮等的研究表明:短管填料对浊度、有机物的去除效果显著。因此,采用竹炭材质制成的短管作为本控污结构内部的核心填料。该类竹炭管长度为5~10cm,直径为30~50mm,具有耐磨性与耐久性。竹炭中以200nm左右的大孔为主,比表面积较大(可达到350m2/g),有良好的吸附能力。竹炭作为载体能为微生物提供良好的附着场所,同时结合竹炭自身特点将其制成短管形状,使生态控污填料在保证高效吸附氮和磷、拦截SS的同时基本消除淤堵,形成好氧/厌氧环境以便为填料上的生物膜提供生长条件,以期得到更好的净化效果。在不同降雨历时条件下,即不同水力停留时间(25、70、120、300、480、600min)下,模拟以竹炭管为填料的装置对溢流雨污水的净化效果,其中,溢流雨污水的COD和SS分别为(225~325)、(150~220)mg/L,结果如图2所示。由图2可知,竹炭短管填料装置对COD和SS的平均去除率分别可达到35%和50%以上,且两者均随停留时间的延长而呈上升趋势,但增幅较小。COD去除率与颗粒态COD去除率的相关性为0.945,在p=0.01水平下显著,说明该填料主要对颗粒态污染物发挥拦截作用。据此可知,该填料对COD和SS的去除效果明显,且可适当缩短设计停留时间,以减少经济损耗。生态控污填料的用量可用以下公式计算:其中,m为竹炭短管填料的用量,m3;f为COD平均去除负荷,由试验测得其值为150g/(m3·h);COD实为溢流过程中COD的实测平均浓度,取300mg/L;COD标为预期达到的处理浓度,取100mg/L;V为处理规模,取40m3;T为停留时间,取3.5h。根据溢流污染负荷预测模型和以上参数,确定竹炭短管填料用量为16m3。3溢流雨污水对核心填料的冲击通常溢流雨污水生态控污结构均平行于河道中心线布置,以减轻对受纳水体的影响,结构细部设计主要解决以下两个问题:①减轻高负荷的溢流雨污水对核心填料的冲击作用;②强化溢流处理效果、延长停留时间的同时保证再次降雨前的安全容积。溢流雨污水生态控污结构的平面与剖面布置见图3。3.1水处理系统生态控污结构及填料的分级①调节池:为了缓解溢流雨污水高峰流量或浓度变化的影响,在生态处理构筑物前设置均质调节池。调节池底部与均匀布水系统配水廊道相连,调节池容积特征值一般为(1/20)~(1/10)的溢流量,本结构取6.6m3。②梯级结构:溢流雨污水通过调节池后,经配水廊道通过承托层均匀分配到生态控污结构的第1级,而后再经三角堰进入第2级。第1级控污结构均分为两组,单组容积为10.8m3、尺寸为10m×0.9m×1.2m;生态填料填充高度为0.4m,填料体积为7.2m3,填料上表面水深为0.5m。第2级控污结构均分为两组,单组容积为7.7m3、尺寸为10m×0.7m×1.1m;生态填料填充高度为0.65m,填料体积为8.8m3,填料上表面水深为0.3m。③承托层与小阻力配水系统:第1级底部的承托层是关键设置,除均匀布水之外还有承托功能,承托层由配水廊道和钢筋混凝土条缝式的小阻力配水系统组成,配水廊道高为200mm,条缝宽为5mm。3.2透水砖的制作在满足结构强度的要求下,在本结构立面配置30%~40%的生态透水砖。该生态透水砖选取沸石、蛭石和粉煤灰等小粒径材料作为原料,采用压制烧结法(800℃下烧结7min)制作而成,透水性能根据最短无雨间隔确定,本研究中最短无雨间隔取10h,根据结构高度计算确定透水系数为0.03mm/s,添加不同比例的木屑、米粒作为成孔材料最终确定透水砖的标准构件。无雨期间,梯级构筑物中的溢流雨污水通过透水砖缓慢地进入受纳水体,能保证溢流雨污水中的SS与营养盐得到良好的截留和吸附,同时生态透水砖表面形成的生物膜对雨污水进行生化处理,经试验测得对COD的平均去除率可达25%以上。4控污结构的确定针对溢流雨污水突发性、高污染性及不连续性的特点,结合已有就地消纳处理措施的优势,设计了一种溢流雨污水就地消纳生态控污结构。针对溢流雨污水