分流制排水系统处理工艺设计研究

【摘要】：为了有效削减初期雨水排入水体中的污染物，以实际工程为例，对分流制排水系统初期雨水调蓄池容积计算方法、调蓄池进出水水质及处理流程的确定及主要调蓄、处理构筑物设计进行论述分析，通过采用细格栅+旋流除砂+高效沉淀的预处理、人工湿地深度处理等组合措施，确保初期雨水达标后排入公园水体用于补水。

【关键词】：分流制；排水系统；初期雨水调蓄池；人工湿地；海绵城市；低影响开发

随着各大城市黑臭水体整治工作的深入，河道流域的点源污染大部分得到有效治理；而面源污染由于具有分散性、隐蔽性、随机性和累积性等特点，治理难度较大，解决面源污染问题日渐成为河流水质持续改善的关键。初期雨水中携带的大量源于城市地表、混接污水以及排水系统管道沉积污染物，是面源污染的主要来源[1]。雨水调蓄池作为控制初期雨水污染的一项重要设施，通过对初期雨水的蓄存能够有效削减排入水体的污染物。初期雨水污染物以无机物为主，具有水量大、水质波动性大等特点，常规城市污水处理设施不能适用于初期雨水处理。目前，多数初期雨水调蓄池的排空均为就近排入污水管网最终进入城市污水处理厂，该方案一方面增加了城市污水处理厂雨季的处理负荷，另一方面也造成了雨水资源的浪费。天津市解放南路海绵城市试点区在初期雨水调蓄及初雨资源化利用方面进行了深入探索，形成了多种初期雨水处理利用的工艺组合。洞庭路雨水泵站2#调蓄池作为洞庭路雨水系统末端的初期雨水调蓄池，是天津市解放南路试点区海绵城市建设的重要组成部分。

1初期雨水调蓄池总体设计

1.1容积计算

GB50014—2006《室外排水设计规范（2016年版）》规定，用于分流制排水系统径流污染控制时，计算调蓄池容积的调蓄雨量高度可取4~8mm；但是，作为所在雨水分区海绵城市建设的一部分，应在控制初期雨水径流污染的基础上，兼顾整个分区的海绵城市建设目标。作为城市建成区的海绵城市项目，源头减排措施的海绵化改造受现状条件无法全部达到目标要求；因此，在海绵城市建设方案中将每个雨水分区作为一个整体考虑，通过源头控制和末端控制相结合的方式保证各分区达到建设目标要求。根据试点区系统化方案及模拟结果，年径流总量控制率和径流污染控制率两指标具有一定的正相关性，故本工程选择年径流总量控制率为关键指标进行调蓄标准的校核分析。洞庭路2#雨水分区面积352hm2，年径流总量控制率78%，需控制径流深度24.9mm，末端需调蓄控制净雨量为5.5mm，按照径流系数0.5计算，需控制降雨高度标准为11mm。根据规范初期雨水调蓄池容积公式计算，所需末端控制调蓄池容积为19360m3，考虑雨水泵站出水至调蓄池之间调水管线的3850m3可用调蓄容积后，设计雨水调蓄池有效容积确定为15510m3。

1.2初期雨水进出水水质

根据研究成果，地表径流污染物浓度在径流初期10~20min达到最高值；之后随着降雨历时，呈波浪形锯齿状降低；至降雨结束，污染物浓度趋于稳定。整个径流污染过程整体表现为初期径流污染物浓度高于后期径流，具有明显的初期冲刷效应。经过对雨水分区下垫面分析，结合《天津市海绵城市建设技术导则》中给出的各下垫面雨水径流水质，确定了初期雨水中各污染物浓度：SS为260mg/L、CODCr为110mg/L、BOD5为50mg/L、NH3-N为3.4mg/L、TP为2.0mg/L、pH值为6~9。对降雨初期泵站内雨水水质取样检测，初期雨水水质的波动性较大，SS浓度在20~880mg/L，因此，在初期雨水处理工艺选择时应充分考虑进水水质波动较大的情况。试点区建设要求雨水资源利用率不低于2%，处理后的初期雨水考虑排入试点区内公园水体补水，出水水质指标：CODCr为30mg/L、NH3-N为1.5mg/L、TP为0.3mg/L、pH值为6~9。

1.3雨水调蓄及处理工艺流程

雨水调蓄及处理设施主要功能是在降雨期间储存初期雨水，雨停后初期雨水经过处理达标后排入公园水体，起到削减入河污染物负荷及达到雨水资源利用的目的[2]。本项目采取泵后截流方式，降雨初期，雨水经泵站提升后通过截流闸井及调水管线进入调蓄池储存，达到设计水位后调整截流闸井，将后期较洁净的雨水排入长泰河。雨停后，初期雨水经放空泵提升，依次经过细格栅、旋流除砂、高效沉淀池等预处理设施后，通过泵站提升排入人工湿地进行深度处理，达标后排入公园水体补水。调蓄池冲洗泥水及高效沉淀池排泥水进入储泥池，经沉淀后上清液溢流进污水管网，下部污泥定期通过吸泥车外运处置。见图1。

2调蓄池初雨处理工艺

2.1截流闸井

截流闸井的主要功能是通过闸门控制将初期雨水截流入调蓄池。截流闸井设置在泵站现状双孔3.0m×1.8m出水方涵上，尺寸为8.8m×4.0m×6.5m，在闸井内调水管线接出一侧设置ϕ2400mm闸门控制进入调蓄池雨水量。

2.2雨水调蓄池

调蓄池位于公园拟建停车场及绿化下方，主体结构为全地下式，为满足公园绿化种植要求，调蓄池顶板覆土为2.35m，平面尺寸为52.8m×45m，有效水深为7.28~7.7m，池底坡度1%。调蓄池内部设置检修间、存水室、冲洗区及放空区。选用真空冲洗系统对放空后的调蓄池进行淤积物的冲洗，真空冲洗系统的有效冲洗距离≥45m，共设计6条冲洗廊道，采用6套真空阀、3套真空泵，单套气量100Nm3/h，功率3.0kW，配套液位计7套，存水室内安装6套，收集渠安装1套。调蓄池正常放空时间为3d，初雨放空采用水泵提升，放空区内设置2台潜水排污泵，单泵流量275m3/h，按照不同扬程交替使用，其中一台扬程为4~8.5m，功率15kW，另一台扬程8.5~13.5m，功率15kW。同时设置小流量潜水排污泵1台，用于调蓄池排空及排放冲洗泥水，单泵流量50m3/h，扬程14.0m，功率3.7kW。

2.3细格栅、旋流除砂及高效沉淀池

细格栅、旋流除砂及高效沉淀池主要功能是对调蓄池放空的初期雨水进行预处理，使SS浓度≤70mg/L，满足进入人工湿地处理的要求。细格栅、旋流除砂及高效沉淀池均位于调蓄池附近的附属设备用房内。按照调蓄池3d放空时间考虑，初期雨水处理规模为6500m3/d。进水细格栅的净宽为1.0m，栅间距5mm，安装角度70°；旋流沉砂装置采用一体化设备，直径1.2m，处理流量75L/s；高效沉淀池平面尺寸为10.0m×6.15m×5.7m，表面水力负荷为14.8m3/（m2·h）。

2.4人工湿地

人工湿地是指通过模拟自然湿地生态系统的结构和功能，根据人们的需要而由人工建造、控制并工程化的湿地系统[3]。在城市径流污染控制技术中，人工湿地系统是优势最明显的技术之一，具有无复杂操控设备、抗冲击负荷能力强、建造和运行管理费用低、生态景观效应等优点，近年来采用人工湿地技术对初期雨水进行处理的案例逐渐增多[4]。综合考虑湿地进出水水质要求及可用地面积等因素，采用垂直潜流湿地。湿地设计参考HJ2005—2010《人工湿地污水处理工程技术规范》、DB/T29-259—2019《天津市人工湿地污水处理技术规程》等规范。湿地处理规模为6500m3/d，用地总面积约10750m2，有效湿地面积约8500m2，初期雨水排空处理主要在夏季，表面水力负荷取0.8m3/（m2·d）。湿地结构从上到下依次为200mm蓄水层（湿地植物）+200mm覆盖层（8～16mm滤料）+600mm布水滤料层（16～32mm滤料）+600mm集水滤料层（25～40mm滤料）+50mm细河砂（0～2mm）+复合土工膜+50mm细河砂（0～2mm）+100mmC15混凝土垫层，孔隙率按30%计，水力停留时间约为17h。垂直潜流湿地采用三级串联运行模式，各级湿地间设置一定高差。初期雨水通过水泵提升进入配水干管，均匀配水至一级湿地各单元的配水渠进行单元配水，各级湿地采用顶部的DN150mm穿孔管布水，采用底部的DN200mm穿孔管集水，通过集水管将雨水直接汇入下一级湿地的配水渠内。三级湿地末端设置收集渠，处理后的雨水通过收集垂直进入放空井，通过放空主管重力自流入河。

3关键技术要点分析

1）初期雨水调蓄池进水通常采用电动闸门控制，调蓄池达到设计水位后通过自控自动关闭进水闸门。本工程调蓄池进水管径约DN2400mm，一般启闭机闸门的启闭速度约为0.2m/min，闸门完全关闭时间需要约12min，在闸门关闭过程中还有初期雨水不断进入调蓄池，经计算闸门关闭期间调蓄池水位上涨约1.2m，调蓄池上部需要预留充足超高，造成土建空间浪费。因此设计中明确要求闸门应配套速闭式启闭机（闸门关闭时间＜1min），同时在调蓄池最高水位设置时考虑一定的缓冲余量。2）调蓄池平均有效水深约7.5m，放空泵选型时要求具有较大的扬程变化范围，若全部按照高扬程选泵易造成浪费。设计中选用2台不同扬程的潜水排污泵交替进行初期雨水放空，同时设置一台小流量大扬程的潜水排污泵专门用于调蓄池冲洗泥水排放。3）调蓄池为全地下式，上部为停车场及绿化景观，要求伸出地面的检修口和通风口应该精简并且与周边环境融合；同时位于开放环境中还应该考虑防坠落及防盗等安全措施。设计中真空冲洗设备设置专门检修通道，仅通过外部一个检修口便能进入检修通道内检修全部真空冲洗设备；通风口设置木质风帽和原木外饰面，与周边景观环境相结合。见图2。

4结语

随着国家海绵城市建设工作的不断深入，初期雨水调蓄处理及资源化利用等问题越来越受到重视。本文结合天津市解放南路海绵城市试点区洞庭路雨水泵站2#调蓄池的设计实例，介绍了在分流制排水系统中初期雨水调蓄池及其配套初期雨水处理设施的设计要点及需要注意的事项，为今后完善初期雨水调蓄及处理相结合工程的设计提供借鉴和参考。

参考文献：

[1]程江，许莉，潘炜，等.雨水调蓄池容积设计标准及其污染减排效益研究[J].中国给水排水，2013，29（23）：166-170.

[2]吴海涛，闫爱萍，曾祥国，等.分流制排水系统中组合式初雨调蓄池的设计与优化[J].中国给水排水，2020，36（12）：106-110.

[3]肖海文.城市径流特征与人工湿地处理技术研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[4]邓志光，吴宗义，蒋卫列.城市初期雨水的处理技术路线初探[J].中国给水排水，2009，25（10）：11-14

作者：韩磊 黄俊 于冬晓 单位：天津市政工程设计研究总院有限公司