溢流雨污水就地消納生態(tài)控污結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

溢流雨污水就地消納生態(tài)控污結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

隨著城市進(jìn)程的加快，管道系統(tǒng)的溢流污染已成為許多城市水體的主要水源之一。產(chǎn)生于合流制管網(wǎng)末端的溢流雨污水污染成分復(fù)雜、發(fā)生量大、污染性極強(qiáng),而且發(fā)生時(shí)間不確定,其污染物濃度往往同溢流量異步?，F(xiàn)有的處理措施主要利用物理、化學(xué)及生物等多種方法進(jìn)行就地消納。其中,物理方法大多需要?jiǎng)恿ο?而采用混凝理論的化學(xué)方法往往存在占地大、利用率低、經(jīng)絮凝產(chǎn)生的污泥需二次處理等問(wèn)題。為解決溢流雨污水處理工程設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的溢流污染物與流量的異步性、溢流處理量與結(jié)構(gòu)占地的矛盾性、生態(tài)處理與水質(zhì)保證的兼容性、停留時(shí)間與安全容積的協(xié)調(diào)性等問(wèn)題,筆者提出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)方法并通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)合物理與生物方法對(duì)溢流雨污水進(jìn)行就地消納。1工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵傳統(tǒng)溢流雨污水的處理規(guī)模多為整場(chǎng)降水產(chǎn)生的溢流量,設(shè)計(jì)時(shí)總是選取較嚴(yán)格工況作為工藝規(guī)模設(shè)計(jì)的條件,往往導(dǎo)致占地面積較大。就地消納生態(tài)控污結(jié)構(gòu)的處理規(guī)模根據(jù)受納水體環(huán)境的要求,采用數(shù)值模擬計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算綜合確定。1.1數(shù)值模擬計(jì)算排水管道介紹以SWMM(美國(guó)暴雨徑流管理模型)為基礎(chǔ)建立溢流模型,進(jìn)行溢流雨污水污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)。研究區(qū)域?yàn)榻夏炒彐?zhèn),管網(wǎng)覆蓋面積約為1hm2,根據(jù)土地利用類型及雨水匯流特性將排水區(qū)域概化為5個(gè)子分區(qū)(見(jiàn)圖1),各排水面積在200~300m2之間;排水管道概化為7段,管徑在200~300mm之間,管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為6個(gè);管網(wǎng)末端排放口為2個(gè),一個(gè)連接進(jìn)入污水處理廠,一個(gè)就近溢流進(jìn)入河道。通過(guò)Horton模式模擬地表產(chǎn)流,地表匯流按非線性水庫(kù)方法計(jì)算,管網(wǎng)匯流采用動(dòng)力波模擬,溢流過(guò)程按堰流考慮。污染物積累采用指數(shù)方程計(jì)算,源頭污染物沖刷采用指數(shù)沖刷模型,街道清掃模型中頻率為1次/d,對(duì)SS的去除率為70%,天然雨水中的COD為10mg/L,不考慮管道中污染物的衰減。相關(guān)參數(shù)參考SWMM用戶手冊(cè)及文獻(xiàn)。設(shè)計(jì)降雨事件的溢流模型以最短無(wú)雨間隔(2~24h,有條件選取2h)作為分界,劃分降雨事件次數(shù)。統(tǒng)計(jì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)10年以上的累計(jì)降雨量達(dá)2mm以上的降雨事件,并以累計(jì)發(fā)生頻率為5%~10%作為間隔進(jìn)行分組,重要突出累計(jì)降雨事件特征值有75%、80%、85%、90%、95%;根據(jù)受納水體的環(huán)境容量選取對(duì)應(yīng)累計(jì)降雨事件降水量作為設(shè)計(jì)降水量,利用芝加哥雨型[見(jiàn)式(1)]進(jìn)行暴雨過(guò)程分配,已知H與T時(shí)可將式(2)代入式(1)進(jìn)行時(shí)程分配。其中,A1、C、b、n為暴雨公式參數(shù);P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期;T為降雨歷時(shí);r為雨峰所在位置。其中,H為總降雨量,為歷時(shí)t內(nèi)的平均雨強(qiáng)。本算例取降水事件累計(jì)頻率為95%,即控制95%降水事件所產(chǎn)生的溢流污染,r取0.4。對(duì)構(gòu)建的溢流模型進(jìn)行模擬,得到溢流發(fā)生量為60m3/次降水。考慮到周邊用地存在一定的截留能力,設(shè)計(jì)容積可適當(dāng)小于計(jì)算結(jié)果。1.2地消納構(gòu)筑物設(shè)計(jì)溢流雨污水主要為降水過(guò)程中產(chǎn)生的地表徑流,因此合理的控制地表徑流發(fā)生量就能有效控制溢流雨污水污染。按德國(guó)廢水協(xié)會(huì)制定的《ATV128合流污水系統(tǒng)暴雨削減裝置設(shè)置指南》計(jì)算其結(jié)構(gòu)容積,公式如下:其中,V為容積,m3;VSR為單位面積需調(diào)蓄的雨水量,12m3/hm2≤VSR≤40m3/hm2,本研究取35m3/hm2;AU為非滲透面積,AU=系統(tǒng)面積×徑流系數(shù)(本研究徑流系數(shù)取0.7)。將各值代入公式計(jì)算得到調(diào)蓄容積為36.75m3。就地消納構(gòu)筑物包括調(diào)節(jié)與處理兩方面作用,以解決溢流過(guò)程中污染峰值與溢流量峰值異步的問(wèn)題。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果,綜合確定處理規(guī)模為40m3。2竹炭短管填料的處理效果研究認(rèn)為,在暴雨季節(jié)由于降水過(guò)程的沖刷作用顯著,溢流雨污水中大量的污染物附著在水中的懸浮顆粒上,其污染負(fù)荷主要以顆粒態(tài)(>0.45μm)的污染物形式存在;總懸浮固體濃度與其他污染物濃度密切相關(guān),相關(guān)性分析表明,溢流雨污水中的COD和SS指標(biāo)的相關(guān)性尤其好,通常相關(guān)系數(shù)能達(dá)到0.7以上。朱亮等的研究表明:短管填料對(duì)濁度、有機(jī)物的去除效果顯著。因此,采用竹炭材質(zhì)制成的短管作為本控污結(jié)構(gòu)內(nèi)部的核心填料。該類竹炭管長(zhǎng)度為5~10cm,直徑為30~50mm,具有耐磨性與耐久性。竹炭中以200nm左右的大孔為主,比表面積較大(可達(dá)到350m2/g),有良好的吸附能力。竹炭作為載體能為微生物提供良好的附著場(chǎng)所,同時(shí)結(jié)合竹炭自身特點(diǎn)將其制成短管形狀,使生態(tài)控污填料在保證高效吸附氮和磷、攔截SS的同時(shí)基本消除淤堵,形成好氧/厭氧環(huán)境以便為填料上的生物膜提供生長(zhǎng)條件,以期得到更好的凈化效果。在不同降雨歷時(shí)條件下,即不同水力停留時(shí)間(25、70、120、300、480、600min)下,模擬以竹炭管為填料的裝置對(duì)溢流雨污水的凈化效果,其中,溢流雨污水的COD和SS分別為(225~325)、(150~220)mg/L,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,竹炭短管填料裝置對(duì)COD和SS的平均去除率分別可達(dá)到35%和50%以上,且兩者均隨停留時(shí)間的延長(zhǎng)而呈上升趨勢(shì),但增幅較小。COD去除率與顆粒態(tài)COD去除率的相關(guān)性為0.945,在p=0.01水平下顯著,說(shuō)明該填料主要對(duì)顆粒態(tài)污染物發(fā)揮攔截作用。據(jù)此可知,該填料對(duì)COD和SS的去除效果明顯,且可適當(dāng)縮短設(shè)計(jì)停留時(shí)間,以減少經(jīng)濟(jì)損耗。生態(tài)控污填料的用量可用以下公式計(jì)算:其中,m為竹炭短管填料的用量,m3;f為COD平均去除負(fù)荷,由試驗(yàn)測(cè)得其值為150g/(m3·h);COD實(shí)為溢流過(guò)程中COD的實(shí)測(cè)平均濃度,取300mg/L;COD標(biāo)為預(yù)期達(dá)到的處理濃度,取100mg/L;V為處理規(guī)模,取40m3;T為停留時(shí)間,取3.5h。根據(jù)溢流污染負(fù)荷預(yù)測(cè)模型和以上參數(shù),確定竹炭短管填料用量為16m3。3溢流雨污水對(duì)核心填料的沖擊通常溢流雨污水生態(tài)控污結(jié)構(gòu)均平行于河道中心線布置,以減輕對(duì)受納水體的影響,結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)主要解決以下兩個(gè)問(wèn)題:①減輕高負(fù)荷的溢流雨污水對(duì)核心填料的沖擊作用;②強(qiáng)化溢流處理效果、延長(zhǎng)停留時(shí)間的同時(shí)保證再次降雨前的安全容積。溢流雨污水生態(tài)控污結(jié)構(gòu)的平面與剖面布置見(jiàn)圖3。3.1水處理系統(tǒng)生態(tài)控污結(jié)構(gòu)及填料的分級(jí)①調(diào)節(jié)池:為了緩解溢流雨污水高峰流量或濃度變化的影響,在生態(tài)處理構(gòu)筑物前設(shè)置均質(zhì)調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池底部與均勻布水系統(tǒng)配水廊道相連,調(diào)節(jié)池容積特征值一般為(1/20)~(1/10)的溢流量,本結(jié)構(gòu)取6.6m3。②梯級(jí)結(jié)構(gòu):溢流雨污水通過(guò)調(diào)節(jié)池后,經(jīng)配水廊道通過(guò)承托層均勻分配到生態(tài)控污結(jié)構(gòu)的第1級(jí),而后再經(jīng)三角堰進(jìn)入第2級(jí)。第1級(jí)控污結(jié)構(gòu)均分為兩組,單組容積為10.8m3、尺寸為10m×0.9m×1.2m;生態(tài)填料填充高度為0.4m,填料體積為7.2m3,填料上表面水深為0.5m。第2級(jí)控污結(jié)構(gòu)均分為兩組,單組容積為7.7m3、尺寸為10m×0.7m×1.1m;生態(tài)填料填充高度為0.65m,填料體積為8.8m3,填料上表面水深為0.3m。③承托層與小阻力配水系統(tǒng):第1級(jí)底部的承托層是關(guān)鍵設(shè)置,除均勻布水之外還有承托功能,承托層由配水廊道和鋼筋混凝土條縫式的小阻力配水系統(tǒng)組成,配水廊道高為200mm,條縫寬為5mm。3.2透水磚的制作在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求下,在本結(jié)構(gòu)立面配置30%~40%的生態(tài)透水磚。該生態(tài)透水磚選取沸石、蛭石和粉煤灰等小粒徑材料作為原料,采用壓制燒結(jié)法(800℃下燒結(jié)7min)制作而成,透水性能根據(jù)最短無(wú)雨間隔確定,本研究中最短無(wú)雨間隔取10h,根據(jù)結(jié)構(gòu)高度計(jì)算確定透水系數(shù)為0.03mm/s,添加不同比例的木屑、米粒作為成孔材料最終確定透水磚的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。無(wú)雨期間,梯級(jí)構(gòu)筑物中的溢流雨污水通過(guò)透水磚緩慢地進(jìn)入受納水體,能保證溢流雨污水中的SS與營(yíng)養(yǎng)鹽得到良好的截留和吸附,同時(shí)生態(tài)透水磚表面形成的生物膜對(duì)雨污水進(jìn)行生化處理,經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得對(duì)COD的平均去除率可達(dá)25%以上。4控污結(jié)構(gòu)的確定針對(duì)溢流雨污水突發(fā)性、高污染性及不連續(xù)性的特點(diǎn),結(jié)合已有就地消納處理措施的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了一種溢流雨污水就地消納生態(tài)控污結(jié)構(gòu)。針對(duì)溢流雨污水