浅谈旧合流制排水管渠系统的改造

煤炭工业部合肥设计研究院
杨根权

　　一　概述

　　目前我国众多城市已经兴建或正着手筹建集中污水处理厂及配套管网收集系统。这些城市，除开发区及一些新建区采用雨、污分流排水体制外，其余地区大都采用旧合流制排水管渠系统，通过直排式合流管渠，直接将雨水和生活污水就近排入城市水体。污水直排造成水体严重污染，并由此影响城市居民的生存环境，因此，要兴建城市污水治理工程，必须对老城区旧合流制排水管渠系统进行改造。
　　我国大多数城市的排水管渠系统，在修建当时，国内没有自己的排水管渠计算公式，基本沿用前苏联规范，由于两国在气候、生活习惯等方面的差异，并不符合我国实际，设计过水断面普遍偏小，雨季时街面溢水、积水现象严重；在管渠材料及施工技术方面，由于受到城市发展水平的制约，也存在众多缺陷，如管材质量差、管道坡度控制不严格、接口不密实、渗水严重等；同时由于缺少城市统一规划，排水管渠的布置杂乱无章。以上诸多原因，给城市旧合流制排水管渠系统的改造增加了较大难度。

　　二　旧合流制排水管渠系统改造的原则

　　旧合流制排水管渠系统的改造是一项非常复杂的工程，改造措施应根据城市的具体情况，因地制宜，综合考虑污水水质水量、水文、气象条件、水体卫生条件、资金条件、现场施工条件等因素，结合城市排水规划，在确保水体尽可能减少污染的同时，充分利用原有管渠，实现保护环境和节约投资的双重目标。

　　三　旧合流制排水管渠系统改造的措施

　　现阶段，对旧合流制排水管渠系统改造的方式主要有四种，分述如下：
　　(一)改旧合流制为分流制
　　将旧合流制改为分流制，是一种彻底的改造方法。由于实施雨、污分流，可以将污水全部引至污水处理厂进行处理，从根本上杜绝了污水直接排放对水体的污染。同时，由于雨水不进入污水处理厂，处理水的水质水量可维持较小的变化范围，保证出水水质的相对稳定，容易做到达标外排。
　　要实施分流制，对于现状条件的要求较高，不论是住宅区还是工业企业，其内部的管道系统必须健全，要求有独立的污水管道系统和雨水管道系统，便于接入相应的城市污水、雨水管网；同时要求城市街道的横断面有足够的位置，允许新增管道的敷设。一般城市由于建设年代久远，地下管线基本成型，地面建筑拥挤，路面狭窄，如若将合流制改为分流制，存在投资大、施工困难等诸多现实问题，很难在短期内做到。
　　(二)保留部分合流管，实行截流式合流制
　　大部分城市，如果水体环境有足够的自净能力，基本上采取截流式合流制排水体系，保留老城区部分合流管，沿城区周围水体敷设截流干管，对合流污水实施截流，并视城市的发展状况，逐步完善管网，改为分流制。这种过渡方式，由于工程量相对较小、节约投资、易于施工、见效快，已得到广泛应用，并取得良好效果。不久前我们设计完成的巢湖市污水厂配套管网工程，其中老城区建成多年，地面建筑及地下设施已经成型，不宜大规模实施分流制改造，而城区内有环城河、天河等丰富的水体可利用，根据当地实际情况，在老城区内即采用了截流式合流制排水系统。
　　旱季时，截流式合流制排水系统可将污水全部送入污水处理厂。雨季时，通过截流设施，只能将部分合流污水输送至污水厂处理，超出截流水量的污水排入附近水体，不可避免会对水体造成局部和短期污染，而进入处理厂的污水，由于混有大量雨水，使原水水质、水量波动较大，势必对污水厂各处理单元产生冲击，这就对污水厂处理工艺提出了更高的要求。有关截流式合流制排水体系在实施中应注意的问题，下文将着重论述。
　　(三)在截流式合流制的基础上，设置合流污水调蓄构筑物有些城市，周围水体稀疏，环境容量有限，自净能力较差，不允许合流污水直接排入，这种情况下，可在截流干管适当位置设置合流污水调蓄构筑物，将超过截流干管转输能力及污水厂处理能力的合流污水引入调蓄构筑物暂时储存，待暴雨过后再通过污水泵提升至截流干管，最终入污水厂进行处理，基本上保证水体不受或少受污染。
　　需要指出的是，这种调蓄构筑物往往占地面积很大，并且雨水量不是一个定值，合理确定合流污水调蓄构筑物容积有较大难度；再者，调蓄合流污水量最终要通过污水泵提升至截流干管(极少数有高差利用的城市除外)，造成日常运行、维护、管理的不便，同时也增加了污水处理厂的负荷及运行费用，所以不提倡采用，只有在充分论证无实施分流制的可能性后才予以考虑。
　　(四)在截流式合流制的基础上，对溢流混合污水进行处理
　　同上一种情况类似，如果城市周围水体自净能力有限，水体环境相对脆弱，采用截流式合流制排水管渠系统，在溢流合流污水排入水体前，必须进行处理。针对合流污水水量大、浓度低的特点，可采用一级处理，选择筛滤、混凝沉淀、投氯消毒的处理工艺。合流污水经处理后，污染物浓度可显著降低，从而大大减轻对水体的污染。
　　同样，该措施由于考虑雨水的处理，与前种情况存在类似的不足：日常运行费用高，且分散处理设施远离城市集中污水处理厂，在运行、维护、管理上均存在诸多不便。
　　根据我国城市水污染控制技术政策要求，应加强城市市政排水管网的改造、调整和建设，做到雨水、污水分流，为城市污水集中处理创造条件。因此，对于城市旧合流制排水管渠系统的改造措施，应优先考虑分流制，在实施难度较大的情况下，可考虑采用截流式合流制排水管渠系统。第三、第四种情况，是在截流式合流制的基础上加以改进，针对环境有较高要求而提出的，具有一定的特殊性。事实上，我国大部分城市，其旧城区建设一般处在合流制盛行的年代，被打上深深的时代烙印，很难在短期内改变现状，因此现阶段，我国对老城区旧合流制的改造，截流式合流制排水体系是最常用的方式。

　　四　实施截流式合流制排水体系应注意的问题

　　(一)截流倍数选择
　　截流倍数n₀是截流式合流制排水体系规划设计中最重要的参数，也是最终工程实施重要的依据，如选择偏小，将会允许过多的污水进入水体，造成污染；选择过大，截流干管和污水厂的规模就要加大，增加基建投资和运行费用。规范(GBJ14-87)规定截流倍数一般采用n₀=1～5，但真正合理选用并不容易。有资料表明，当截流倍数选择1和2时，其工程投资及运转费相差近一倍。因此，合理选择截流倍数意义重大。在巢湖市污水厂配套管网工程中，我们综合考虑旱季污水的水质水量、水体卫生条件、水文、气象条件等因素，结合巢湖市经济实力，采用截流倍数n0=2，经专家论证后认为可行。
　　目前对截流倍数n0的认识还不够深入，国内大多工程，在选择截流倍数时，仅基于对溢流水量和溢流次数的考虑，并未对溢流过程及水体水质变化作相应的分析，对水体水质的影响仍停留于定性的和概念性的描述，很难保证水体不受污染。从理论上分析，选择截流倍数时，应结合当地的暴雨强度和设计重现期，计算出合流管中混合污水的水量、水质，再根据预定截流倍数所得截流水量，推算溢流水量，然后采用环境影响评价中河流水质模型对水体水质作预测，依据预测结果判断n。取值的合理性，如不能满足水体水质要求，则重新试算。试算过程比较繁杂，每个溢流井都必须计算，在项目可研阶段一般难以达到这种深度，相信随着计算机应用软件的开发和推广，能够为合理选用截流倍数提供更准确的方法。
　　(二)溢流井设计
　　溢流井是截流式合流制排水体系中的关键构筑物，整个排水系统将通过其实现截流旱季污水及初期雨水，并保证超出截流水量的合流污水顺利排入水体。《给水排水设计手册》及有关资料介绍的溢流井形式主要有三种，即截流槽式、溢流堰式和跳跃堰式，这三种形式的溢流井在使用中都受限制，必须满足溢流排水管管内底标高(或溢流堰堰顶标高)高于排入水体的水位标高，否则需在排出口设置间板或防潮门，以防水体水倒灌入管网，造成泵站淹没。换句话说，如果水体供水位标高高于溢流堰堰顶标高时，溢流井将不能工作。
　　目前大多数城市，由于受原合流管限制，最终截流管管内底标高一般低于城市水体洪水位标高，这给溢流井的设计带来一定难度。巢湖市也是如此，其环城河正常水位为6.11m(黄海高程)，洪水警戒水位为8.11m，而环城河沿岸的合流管排出口埋深相对较低，底标高在8.8m至5.7m之间。因此，只有在合流管管内底标高高于8.2m时可采用上述三种形式溢流井，而在合流管管内底标高低于8.2m时不适用。对于这种情况，通常有三种解决方法：方法一是设置闸板，在水体处于洪水位时溢流井将停止工作，显然不尽合理；方法二是用水位传感器代替溢流堰，通过水泵将溢流水量抽至城市水体，由于溢流井较分散，在运行、维修、管理方面存在诸多不便，同时还增加了设备投资和运行费用；方法三是将溢流堰设于水体洪水位以上，通过抬高管网水位排除溢流水量，由于堰口固定，即使在环城河水位较低时，溢流水量也必须抬高至洪水位才能排出，造成只要是雨季，合流管就长期处于压力流状态。以上三种方法均存在不足，设计中我们积极创新，在溢流堰式溢流井的基础上，将固定溢流堰设计成可调式，根据环城河水位变化来调节溢流堰的高度，使溢流水量顺利排出，基本上保证溢流井在水体洪水期和枯水期均能正常运作，仅在洪水季节一定时段内，合流管处于暂时压力流状态。
　　巢湖市老城区截流工程中，我们共设计了九座溢流井，其中三座为砖砌溢流堰式溢流井，堰高8.3m，另外六座为钢筋混凝土可调堰门式溢流井，堰高调节范围为6.5m至8.3m。日前该段管网正在紧张地施工中，最终溢流井的效果如何，尚需在运行中加以验证。
　　(三)截流量控制
　　准确控制截流量十分重要，直接影响污水厂提升泵房的规模及设备选型，如果溢流井设计不合理，实际截流量有可能大于设计流量，将导致泵房超负荷运行，甚至淹没泵房。
　　大多数工程截流量控制是通过溢流堰来实现的，根据溢流水量对溢流堰进行设计，但这种方式的准确性有待探讨。《合流制系统污水截流井设计规程》中提供了溢流量的计算公式：

　　　　　　　　Q_y=Q_c-Q　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

　　　　　　　　Q=Q_h(n₀+l)　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

　　式中：Q_y为溢流水量
　　　　　Q_c为合流水量
　　　　　Q为截流水量
　　　　　Q_h为旱季污水量
　　　　　n₀为截流倍数
　　从上面公式中我们不难发现，截流量Q是依据旱季污水量Q_h和截流倍数n₀计算而得，不受雨水量的影响，其值可视为定值；而合流水量Q_c和溢流水量Q_y则受雨水量的影响较大，在实际工程很难对其准确控制。若依据Q_y值来控制最终截流量Q，将导致实际截流量与设计截流量之间的误差较大。科学的做法是根据截流量Q值确定截流喉管管径及坡度，同时在确定截流喉管管径时必须进行流量校核，保证旱季和雨季流量均能顺利通过的情况下截流量不致过大。通常，截流管设计是按非压力流考虑的，但暴雨时，其上游管段应处于暂时压力流状态，溢流井中存在一定水头，使截流管中流速和流量增大，所以，设计中不应忽略实际存在的水头。在进行巢湖市老城区截流喉管设计时，我们对其雨季工况作了详尽分析，将截流喉管等效视为一段坡度增大的无压满流管，最终管径小于不考虑水头的计算管径。
　　(四)雨水口防臭
　　截流式合流制排水管渠系统仍然属于合流制，由于污水、雨水共用一个管道系统，在旱季，不可避免会有臭气通过雨水口溢至街面，影响城区内大气环境质量。为消除这种危害，在实施截流式合流制排水体系时，除敷设截流干管外，还应对街道雨水口进行改造，采用防臭雨水口或其他措施，使其具有防臭功能。
　　(五)对污水厂处理规模及水质的影响
　　如前面所述，采用截流式合流制排水系统，在雨季进入处理厂的污水，由于混有大量雨水，使原水水质、水量波动较大，会对污水厂各处理单元尤其是二级生化处理部分，产生较大冲击。假若老城区旱季污水量占总城区的1/4，那么在雨季，如截流倍数n0取2，则污水厂的最大处理能力应达到正常时的1.5倍，并且老城区污水量占的比例越大，造成污水厂处理水量变化越大，所以在确定污水厂规模时，应用雨季水量进行校核。我们还应注意，实施截流式合流制排水体系是一项复杂的工程，往往历时较长，有可能与城市污水厂的建设在时间上不一致，一般要滞后于污水厂的建成，这就可能导致城市污水厂建成后一段时期内，其处理水量达不到设计规模，而在截流管道完成后，往往因截流倍数或截流措施选用不当造成污水厂处理能力不足，这一点在设计中应引起足够重视，尽量保证两者在建设上的同步。
　　同时，由于水量剧烈变化，会引起二级生化处理部分微生物大量流失，导致出水水质恶化，这就要求选择的污水厂处理工艺，具有较强的抗冲击能力，如氧化沟工艺。巢湖市污水处理厂二期生化处理(一期工程为一级处理)即采用这种工艺。

　　五　结语

　　基于我国城市排水现状，合流制在一定时期内还会存在，加之我国大多城市市政基础设施较薄弱，受资金的制约，在目前旧合流制排水管渠系统改造中一味强调分流制不是很现实，而截流式合流制排水系统，具有工程量小、节约投资(约比分流制减少40%)、易于施工、见效快、可操作性强等优点，在现阶段采用，比较符合中国国情。当务之急是，如何在工程实际中弥补其不足，完善设计，使其具有更高的使用价值。