城市排水系统提质增效关键技术研究——以马鞍山市为例
徐祖新
中国工程院院士、国家水污染控制与治理重大专项副总技术工程师、海南省“六水共治”总技术工程师。长期致力于水环境综合整治研究，为我国城市河流污染治理做出了突出贡献。获国家科技进步二等奖2项，省部级科技进步一等奖3项。
作者：徐祖新、张静一、徐进、王思宇、陈宗群、林一源、王静一、曲阳、尹海龙、李怀正、金伟
单位：1.同济大学环境科学与工程学院
2.污染控制与资源化国家重点实验室
3.长江水环境教育部重点实验室
4.上海市污染控制与生态安全研究所
为贯彻落实习近平总书记对长江经济带“共同抓大保护、不搞大开发”的重要指示精神，实施《长江经济带保护修复行动计划》生态环境部组织开展长江生态环境保护修复站跟踪调研。深入一线开展现场调研和技术指导，服务地方政府水污染防治工作科学决策和精准实施。同济大学牵头成立工作组，驻地马鞍山市。在马鞍山市政府及相关部门的支持和配合下，围绕马鞍山中心城区水环境质量改善面临的突出问题，以精准源头管控、截污为重点以及雨天污染防治。另一方面，开展城市河系水质改善关键技术研究，为慈湖小流域水环境治理工程提供技术支撑。在多方共同努力下，城市水体黑臭问题成功消除，河流水质稳步改善。 2019年11月，韩正副总理视察马鞍山市期间，高度评价马鞍山市水环境保护工作取得的成绩； 2020年8月，习近平总书记在马鞍山市考察时提出打造安徽“行嘉湖”“常嘉湖”。三角新的发展定位是“白菜心”。
1、长江中下游城市水环境
治理瓶颈
现阶段，城市环境和市政基础设施建设不断改善，但城市水环境仍面临不少问题。研究表明，长江中下游城市污水管网覆盖率和污水处理率高达90%以上，但城市河流仍面临雨天重复污染问题。主要体现在：1）排水管网错接、损坏，造成雨水、地下水严重占用污水管网的输送能力，导致末端进入污水处理厂的水浓度低。部分雨水管道接入污水管网，导致雨天进入污水处理厂的水量大幅增加。大雨时甚至会出现溢流、超排的情况。污水管道受损严重，导致地下水（占28%至40%）进入污水管道。 2）排水管网雨水、污水混合，导致污水直接排入河道，管网截污效率低。有关研究表明，长江中下游城市排水管网雨污混合比例平均为26%左右，最高可达70%。晴天雨水管流量低，污染物沉淀。下雨时，沉积物随雨水排入河流，造成污染。 3）为保证城市防洪安全，当降水产生的径流超过合流管网输送能力时，合流管网就会发生污水溢流。晴天合管网流速低，污染物沉积严重。尤其是在长距离输送的合流管道中，近1/3的颗粒污染物是沿途沉积的。下雨天，沉积的污染物被管道汇聚的雨水冲走，形成“零存取”的污染效应，对河流造成冲击污染。目前，大部分城市河流反复污染，甚至黑化。因此，城市排水管网错接损坏、管网混接、溢流污染是城市水面临的瓶颈问题。环境管理在长江中下游地区是我国城市化进程中出现的特有问题，也是发展中国家城市供水普遍存在的重要问题，这一瓶颈问题是没有先例的。从欧美国家城市河流污染治理的经验看，其解决方案的有效与否，直接关系到城市黑臭水体治理的成效和水污染防治攻坚战的成败。为此，开展城市排水系统提质增效关键技术的自主创新和研发至关重要、影响深远。
2 研究区概况及主要水环境问题
2.1 研究区概况
马鞍山市位于安徽省最东部，横跨长江两岸，属中下游冲积平原芜湖—马鞍山丘陵水网平原区。长江。现辖3县（含山县、和县、当涂县）3区（华山区、玉山区、博望区），面积4049平方公里。全市人口229.14万人，城镇化率为69.12%。 2020年地区生产总值2186.9亿元。马鞍山市河流纵横，湖泊众多，沟塘密布，水域总面积约360平方公里。长江是马鞍山市最大的过境水体。其他城市主要河流还有慈湖河、虞山河、采石河、古溪河、德胜河等，均流入长江干流。
2.2 主要水环境问题分析
“十三五”期间，马鞍山市地表水质量呈现总体改善趋势。 2020年，5个国控断面年均水质达标率为100%，但部分省控断面（如慈湖河等）月均水质尚未稳定达标，特别是雨天水污染问题更加突出。慈湖河是马鞍山市最长的河流，全长约26.1公里，流域面积124.8平方公里。有支流水系36条，主要由上游洋河、慈湖水系组成。慈湖水系流经城市主要建成区。经过多年管理，已建成较为完善的环境基础设施和防洪排水系统。沿线建有排水泵站14座、城镇污水处理厂3座、城镇污水处理厂1座。尾水处理湿地。
通过驻现场调查组调查发现，磁湖河水系水环境治理面临的主要问题有：1）上游象山乡排水系统不完善。部分旱季污水在雨天直接排入阳河。沿河生活污水直接排放或不经处理排放。间接排入阳河，影响下游磁湖河水质。 2）磁湖河为雨源河，生态基流严重缺乏。目前水源主要是污水处理厂尾水经过湿地深度处理后实施的主流补水。磁湖支流已建泵闸，雨季防洪排涝已对支流造成影响。阴雨天排放污染严重，水质明显恶化。 3）慈湖水系主要建成区涉及16个流域。据初步调查，中心城区90%以上的引水管网存在不同程度的混合连接，雨天初期雨水污染严重。 4）磁湖河流域地下水、雨水进入污水管网问题突出。污水处理厂进水浓度较低，进水化学需氧量（COD）和氨氮平均浓度仅为78和5.6毫克/升。磁湖河下游省控断面水质为GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类至劣Ⅴ类。稳定和改善水质的任务刻不容缓。
3.城市排水系统提质增效技术研究
3.1 基于网格监测的排污口溯源方法
城市水环境管理的首要措施是识别和控制污染源。排污口排查整治是提高污染物截留能力的基础性工作。其中，水下排污口肉眼无法直接看到，给调查带来困难。近年来，我国各地区投入巨资进行排污口检查。水下机器人和热像仪已被用来探测和检查隐藏的排污口。但操作复杂，夜间实施困难。为此，提出一种基于网格化河道水量水质监测的排污口溯源方法。其特点是水量水质监测无需水下作业，可实现1天内不同时段的灵活动态监测。与反问题方法一致。结合起来，可以实现污染物排放量的定量分析，确定排污口调查的重点河段。网格化水量水质监测及排污口溯源示意图如图1所示。河段浓度计算公式如下：
式中：C2为第二河段污染物浓度，mg/L； C1为第一河段污染物浓度，mg/L； Ce2——二河断面排污口污染物排放浓度，mg/L； Qe2——第二河段排污口排放水量，m3/s； QT2为第二河段支流来水量，m3/s； Q12为第一河段的出水量，m3/s； Q23为第二河段出水量，m3/s； V2为第二河段水量，m3。
图1 网格化水量、水质监测及排污口追溯示意图
如果采用保守的水质指标（如氯离子），则无需考虑河流污染物降解量，污染物降解参数K2可进一步简化。相应的技术流程如图2所示。
图2 基于网格监测的排污口追溯方法技术流程
以慈湖干流为例，开展了基于网格化水量水质监测的污染物源溯源研究。 2021年9月24日至25日（旱季），在流经市区的磁湖河段（秀山湖口至桥山路与磁湖路口止）全长6.8公里的段内布设7个监测点。河路）。位置（1#~7#）监测流量、水位和水质（氯化物浓度）。其中，流速、水位监测均在白天进行，每个点每天检测3次。水质指标采样频率为4 h/次，每个点连续监测24 h。
根据各断面流量和氯离子浓度监测数据（图3），确定7个监测点日氯离子通量分别为4 275、6 710、18 317、30 544、36 440、36 820和41 861分别。千克/天。计算 6 个河段氯离子负荷增量与流量增量的比值除以 7 个点。结果表明，6个河段氯离子负荷增量分别为49.1（1#~2#点）、54.7（2#~3#点）、85.8（3#~4#点）、262.0（4#~5#点） #点）、83.9（5#~6#点）、92.9 g/m3（6#~7#点）。其中，4#至5#点之间的河段氯离子负荷增幅远高于其他5个河段。这与排放氯化物浓度较高的污水有关。因此，可以确定4#点至5#点之间的氯化物负荷为 ，这是排污口溯源排查的重点河段，而其他河段氯化物负荷的增加主要与补水有关。来自污水处理厂的尾水。
图3 磁湖河干流水量及氯化物浓度监测结果
3.2 雨水管网混接及损伤诊断技术
确定雨水管网混接、破损的具体位置，是提高排水系统质量和效率的重点。雨水管网水流情况复杂，受多种不确定因素影响。目前的闭路电视物理检测定位方法价格昂贵、劳动效率低、识别精度差。因此，基于数值模型和管网非开挖检测，建立雨水管网混合连接和损伤反演定位技术，可以低成本、高效率地进行雨水管网混合连接和损伤定位。如何利用更简单的反演算法和最少的管网监测点来准确定位混合连接损坏点是该技术的核心难点。
基于水质特征因子构建蒙特卡罗化学质量平衡模型，确定管网中污水与地下水渗透的混接情况，诊断雨水管网整体混接情况和损坏情况。在此基础上，通过耦合管网水动力模型与优化算法，构建了雨水管网混合连接损伤反演优化模型，对节点流量进行分析，准确定位问题点。以慈湖X流域为示范区，开展雨水管网混合连接破损精准定位研究。排水区在雨水管网中布置18个关键节点，时间为3小时/次。根据监测点布置，根据管网流入和流出情况构建A化学质量平衡模型中的雨水管网，并采用蒙特卡罗算法计算整体日平均混合流量和日平均值雨水管网地下水入渗流量（图4（b））确定雨水管网整体混合流量。连接和损坏。雨水管网不同区域混接、渗透分布不均匀。分区2和分区3是混合连接和损坏的关键区域。管网长度占流域总长度的16%，但混合污水量占流域总面积的16%。全区污水量占80.7%，地下水入渗量占全区总入渗量的59.0%。
图4 雨水管网分区划分及不同水源水量分析结果。
为了进一步确定生活污水混接与地下水入渗的具体点，建立了基于耦合管网水动力模型和优化算法的雨水管网混接损伤定位模型。根据X流域雨水管道、检查井、截污泵站的基本参数，利用SWMM模型软件构建了2种渗透率组成的雨水管网水动力模型。同时利用二次开发模块PySWMM对雨水管网水动力模型进行控制。在管网整体混合连接和渗透流量的约束下，采用MGA算法自动分配管网各节点的外部流入量，并利用关键节点模拟水位与水位之间的均方根误差以监测水位为目标函数衡量节点外部来流分配方案的质量，直至得到最小目标函数下的最优解，从而实现混合连接和损伤定位。 MGA算法中，种群规模设置为50，迭代代数为200，交叉率为0.005，整个自优化过程迭代计算10000次。
经计算得出管网中各节点的混合连接和渗透流量值呈现一定的聚合规律，形成特定的点流量聚合区域。根据流量值的聚集程度，评估混合渗透的风险，并绘制如图5所示的地图。从图5（a）可以看出，模型将A1和A2定位为高风险混合连接区域。区域混合连接总量为397.38 m3/d，约占整个管网混合连接总量的77.8%。节点混合水量为6.49~34.13 m3/d。红色和蓝色标记的节点是关键混合节点，需要优先进行混合改造。从图5(b)可以看出，B1、C1、D1区为地下水入渗高风险区。区域地下水入渗总量为587.75 m3/d，约占管网入渗总量的87.2%。区内各管段入渗水量为2.06~40.06 m3/d。黄色和深蓝色标记的管段是重点渗透管段，需要优先进行管道修复。
图5 混合风险与渗透风险图
3.3 基于多因素影响的“浓度-体积”优化存储设计方法
调节储水池是控制初期雨水污染的有效手段之一。调节蓄水池的容积设计方法主要考虑截留雨水量。但对于污水混接的雨水系统，旱天污染物在管内积聚，雨天被冲走，造成严重的溢流污染。而且排水管网末端排放浓度工艺线受降雨特征、前期晴天数、管道沉积物、混合连接等影响。由于污水等多种因素的协同影响，雨天溢流污染浓度变化动态、复杂。因此，仅考虑水量的蓄水量设计方法无法有效拦截高浓度溢流污水。目前，我国部分地区已建有调节储罐的排水系统，但雨天仍排放高浓度溢流污染。阴雨天河流水质常出现黑臭，不利于改善河流水环境质量。此外，城市群地区人口众多，污染源复杂。排水系统前期雨水污染较为严重，土地资源紧张。储水池的设计应更加注重经济效益和环境效益。如何根据河流水环境目标提高调节池溢流污染拦截效率，根据污染物浓度优化调节池设计方法，是有效控制溢流污染的难点。
利用SWMM模型构建“雨水汇流-管道输送-泥沙冲刷”溢流污染模型，建立基于多因素影响的“浓度-容积”优化蓄水设计方法，对传统蓄水方式进行优化，改善存储池的效率。调整存储效率和有效性。首先，建立排水系统污染负荷平衡关系[式（2）]，根据降雨径流和溢流污染监测数据，计算雨天溢流污染中泥沙事件的平均浓度。计算公式如下：
式中：W1为混合污水负荷，kg； W2为流入排水管的雨水径流荷载，kg； W3为地下水入渗负荷，kg； W4为管道沉积物载荷，kg； W5为排水系统末端雨污混合水污染负荷，kg； W6为排水系统截流泵负荷，kg； W7为仓储设施的载荷，kg； EMC为雨天溢流污染泥沙事件平均浓度，mg/L； Q——雨天溢流水量，m3。
其次，基于SWMM模型，构建了“雨水汇流-管道输送-泥沙侵蚀”溢流污染模型。通过区域晴雨天排水系统末端溢流浓度和降雨径流浓度的监测数据，对模型参数进行标定和验证，改善溢流污染。模拟精度。最后，通过设计典型降雨量，模拟了前期不同晴天数下的末端出水口水质和水量的动态过程线。根据水环境质量目标确定最高排放浓度，确定水质水量工艺线中污染物浓度高于目标截留浓度的时间段（T1~T2），整合流程工艺线T1~T2获取曲线和时间轴。面积，即截留的水量，从而确定雨水储存罐的容积（图6）。与传统的蓄水设计方法相比，基于多因素影响的“浓度-容积”优化蓄水设计方法可以在相同蓄水容积下拦截高浓度初始雨水，提高蓄水池污染物去除效率，减少污染物排放。初始雨水对河流污染的影响。
图6 实时调整方法示意图
基于上述研究方法，以马鞍山慈湖流域XHC流域为研究区，开展雨水调节蓄水池优化设计研究。马鞍山慈湖XHC流域采用引水排水系统，流域面积2.30平方公里。据现场测量，雨天泵站排放的COD、氨氮浓度分别高达77、14.2毫克/升，明显高于地表水质量V类标准限值。通过模拟前期不同晴天数下终端雨水口排出的水质、水量工艺线路，确定了不同截留浓度阈值下实时调蓄控制对应的蓄水池容积（图7).随着早晴天数的增加，初期冲刷作用增强，污染物峰值浓度相应增加。当早晴天数为3、6、9 d时，对应的COD峰值约为84、104、118 mg/L。当截留COD阈值为40 mg/L，前期晴天数为3、6、9 d时，对应的储罐容积分别为8 918、9 992和10 438 m3，污染负荷减少分别为 601.8、790.6 和 10 438 m3。 915.0 公斤。当截留COD一定时，随着前期晴天数的增加，储罐容积增大。另外，参照GB 3838-2002 V类水质标准和GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》A、B类标准，COD为40、50、60mg/L分别被选中。对于截污阈值，当当期晴天数为3 d时，对应的储罐容积分别为8 918、7 587和6 246 m3。随着截污COD阈值的降低，调蓄池容积显着增大，截污阈值越低，调蓄池容积越大。与传统调蓄方式相比，在相同调蓄量下，“浓度-容积”优化调蓄设计方法的溢流截污负荷显着提高。
图7 不同工况下调节水箱容积
3.4 排水系统溢流污染高效控制技术
合流排水系统溢流污染是雨天河流污染的重要原因。混凝絮凝作为一种高效的处理方法，可以有效降低雨天溢流终端处理的污染负荷，但仍存在耗时长、占地面积大等问题。因此，提出混凝原位处理技术，利用排水管道的管段完成混凝过程，实现溢流污水的高效快速处理。
管道原位混凝的基本原理是利用管道内的空间和水流产生的水力条件，通过检查井向管道内投加混凝剂和絮凝剂，进行混凝反应。沉积物的侵蚀产生开流和满流交替时产生的湍流和湍流等，实现混凝剂、絮凝剂与雨水的充分反应，进而实现通过沉淀进行固液分离，完成混凝沉淀过程。经过混凝絮凝处理后，大量污染物随污泥沉降到沉淀池底部，上清液通过水泵抽入河道，从而降低了溢流污水中污染物的浓度。降雨后，沉淀池污泥收集后运至污水处理厂进行无害化处理。
通过烧杯试验确定混凝絮凝的常用参数。经筛选确定混凝剂应为聚硫酸铝（PAS），絮凝剂应为阴离子聚丙烯酰胺（APAM）。 PA和APAM的剂量，比例和给药方法是通过受控变量方法确定的。测试结果表明，当以间隔添加PA和APAM时，PAS：APAM为100：1，PAS为40〜300 mg/L，APAM为0.4〜3 mg/L，浊度和总化学氧需求量可以得到（污染物（例如TCOD）的最佳去除效果）。 TCOD的去除主要基于颗粒化学氧的需求（PCOD），可溶性化学氧需求（SCOD）的去除速率很低。在上述优化条件下，浊度，TCOD，SCOD和PCOD的最高去除率分别为98.5％，93.7％，24.3％和99.7％。研究表明，用于治疗雨天溢流污水的凝血汇总机制主要包括电气中和，吸附桥梁和扫描净捕获。添加化学物质后，系统的Zeta电位约为-10 mV，可以达到污染物的最佳去除作用。 。
使用环形水箱模拟管道的原位凝血量算法。 PA的剂量固定为80 mg/L，APAM的剂量为0.8 mg/l。研究了不同参数对管道的原位凝结量算作用的影响。结果表明，当固定流速为1.13 m/s时，约400 m的传输距离可以有效地去除浊度，TCOD，TP和其他污染，并且在沉积3分钟内可以达到最佳的沉积效应（图8），这比类似研究需要超过25分钟的沉积时间的主要原因要低得多，这是管道沉积物中的大量颗粒可以充当负载并加速絮凝物沉降。
图8在不同的混合反应时间和沉淀时间下，浊度，TCOD和TP的去除率。
将污染物在不同流速下的去除效果进行比较，结果表明，流速过低（0.51 m/s）的污染物的去除率通常很低。原因是，在流速过低的情况下，管道中的湍流强度很小，化学物质和污水无法达到完全混合的反应。污染物的去除率在中等和高流速（0.81〜1.80 m/s）下保持较高。首先，由于湍流强度在中等和高流速下较高，因此代理和污水之间的混合反应足够；其次，因为在固定的传输距离下，管道流量和混合反应时间是成反比的，并且两者可以相互补充，以在中等流量范围内有效地去除污染物。
对不同污染物浓度的研究发现，在低浓度下，浊度，TP和PCOD的去除率略低。原因是研究中固定化学物质的剂量太大。电荷反转发生在污染物浓度低的污水系统中，因此很难形成絮凝。身体沉积被去除；在中等和高浓度下，即，当浊度为186.3〜701 NTU时，PCOD为284〜884 mg/l，TP浓度为3.42〜5.88 mg/l，污染物的去除率大于955 %。
基于上述烧杯测试和环形水箱模拟测试，证明管道原位凝结量算法可在雨天治疗溢流污水的可行性。这项技术具有重要的应用价值和积极的意义，可用于溢出污染终端控制和水环境的改善。车站团队目前正在进行该技术在中央城市排水系统计划中的实证研究和演示应用。
4. 结论
在提高长河中部和下游城市中排水系统的质量和效率方面存在一个普遍的问题，这已成为限制城市水环境长期改善的关键瓶颈。这项研究以案例研究为例，长江河的生态环境保护和修复城市马安汉（Ma'anshan），并在CIHU河系统中的精确源控制和污染的截止性方面进行了4个关键技术研究，并在雨天进行了污染控制：1 ）建立一个基于网格的监测系统污水出口可追溯性方法可实现低成本和高效率确定关键的河流截面以进行污水出口检查； 2）基于蒙特卡洛化学质量平衡模型，将管道网络流体动力模型和优化算法耦合，以实现准确的混合和损坏点位置，确定混合和地下水在雨水管道中的混合和地下水浸润的量Cihu河，并绘制一张混合风险和浸润风险的地图； 3）全面考虑降雨特征，早期晴天的数量，管道沉积物，混合污水等。受到因素影响，构建了“雨水融合 - 汇合 - 二线运输侵蚀”的溢出污染模型，建立动态过程水质和水量线，优化储罐的设计，并增加污染物的拦截负载； 4）提出和探索管道的原位絮凝，有效溢出污染控制技术的可行性和主要控制参数可以有效地消除浊度，COD和TP。现场研究工作提供了科学和技术支持，以进一步提高长江河中和下游的城市水环境的全面管理的有效性。
