合流制排水系统理想排水模式探讨

2018年10月
合流制排水系统理想排水模式探讨
隧道股份
上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司
隧道股份城建设计集团
1.1 现状
由于历史的原因，我国很多城市中心城区仍为合流制排水体制，以上海市为例，上海市中心城区基本以合流制系统为主，共有79个合流制排水系统，防汛泵流量776.05 m3/s，总面积116.68km2，主要集中在中环线以内，约占中环线内面积的30%，其中内环线范围内有56个合流制排水系统，总面积86.15 km2，约占内环线范围内面积的72%。

合流制泵站雨天放江量约1.0亿m3/年，平均放江水质COD浓度约250mg/L，COD负荷达到2.5万吨/年，防汛泵站雨天溢流放江污染是上海市市区河道主要污染原因。

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城建设计集团
一是合流制系统面积大
上海市市中心共有79个合流制排水系统，合流制系统总面积
116.68km 2，内环浦西片基本均为
合流制。

1.2 上海合流制排水系统特征
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城建设计集团二是系统有截流倍数但偏低，污水厂没有处理合流污水能力
竹园厂片区合流制系统截流倍数1.5~3.0，白龙港厂片区合流制系统截流倍数1.5，两个厂均没有对雨天截流的合流污水进行二级处理的能力，雨天超出污水厂二级处理量的合流污水经一级加强处理后排放。

1.2 上海合流制排水系统特征
竹园厂系统布局
白龙港厂系统布局
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城建设计集团三是初期雨水效应不明显
上海市合流制排水系统排江水质以COD为例，仅具有微弱的初期雨水效应，即随着雨水泵开泵时间的延长，溢流水质并未出现明显下降趋势，仍接近或高于旱流污水水质。

占总排江量20%的初期流量携带的污染负荷约占整个排江污染负荷的30%；依次为30%的初期流量对应约40%的污染负荷，40%的初期流量对应约50%的污染负荷，50%的初期流量对应约60%的污染负荷；
检测溢流混合样水质，江西北泵站排江水质COD范围113~528mg/L，中间值265 mg/L；成都北泵站排江水质COD范围132~514 mg/L，中间值
243mg/L。

（来源李田教授）
1.2 上海合流制排水系统特征
江西北泵站降雨及放江过程
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四是溢流污染严重
上海市中心合流制泵站雨天放江量约1.0亿m 3/年，平均放江水质COD浓度约
250mg/L ，COD负荷达到2.5万吨/年，合流制泵站雨天溢流放江污染是上海市市区河道主要污染源。

管道沉积物在放江总负荷中所占比例最大；地表径流在放江总负荷中所占比例其次；旱流污水对放江污染物负荷的贡献率很小。

（来源李田教授）
1.2 上海合流制排水系统特征
上海江西北排水系统出流污染物来源
13%6%7%41%34%30%46%57%60%0%20%40%60%80%100%SS
COD BOD5
污染物参数
污染物来源比例
管道沉淀物地表径流旱流污水
一、合流制排水系统现状及问题
1.3 合流制排水系统存在问题
国内合流制系统普遍存在以下问题：
一是：截流倍数低，一般为1~3倍，收集管网没有配套建设调蓄池；
二是：收集管网有截流倍数，但污水处理厂没有处理雨天合流污水的能力，雨天截流的合流污水溢流排放或经简易处理后排放；
三是：合流制溢流污染（CSO）严重，在防汛安全和河道水质安全之间很难找到平衡点。

如何评价国内现有的合流制排水系统，如何构建完善的合流制排水系统，我的建议是将目前的截流式合流制系统升级为截流调蓄式合流制系统，将截流量、调蓄量和合流污水处理量有机协调，实现合流制系统的理想排水模式。

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二、什么是理想排水模式
2.1 定义
对合流制排水系统理想排水模式的定义是：一个完善的合流制排水系统，其排入水体的污染物总量，不大于同等条件下完全分流制系统排入水体的负荷总量。

即：排入水体污染物总量T完善合流制≤T完全分流制
在完善的合流制系统中，雨天合流污水处理与晴天污水处理是一体的，不能偏否谁。

判别一个排水系统排水体制的好坏，应由该排水系统排入水体的污染物总量来决定，如果一个完善的合流制系统，其排入水体的污染物总量不大于该系统全部改造为完全分流系统时排入水体的污染物总量，则该系统已达到合流制排水系统理想排水模式。

2.2 系统组成
一个完善的合流制系统由截流设施、调蓄设施和合流污水处理设施组成。

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二、什么是理想排水模式
2.3 判别标准
判别标准一：排入水体污染物总量T 完善合流制≤T 完全分流制
判别标准二：采用雨水调蓄+深度处理模式时，需调蓄及处理60%以上降雨。

2.4 理想排水模式的意义
改造方式
改造方式
改造方式
保留现状体制
实现规划体制
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3.1 条件设定
序号项目参数
1上海市某合流制系统面积F=345hm2，设计暴雨重现期为P＝1年，综合径流系数
Ψ=0.70，污水量4.3万m3/d。

2初始径流雨水量设定单次降雨量小于2mm/次，且降雨强度小于0.5mm/h降雨不产生
径流
3独立降雨设定累计4小时无降雨或累计4小时无0.5mm/h以上的降雨，作为2场
独立降雨
4典型降雨年2000年，年降雨量为1305.7mm，降雨次数为80次，降雨历时
942h，降雨天数145天。

5污水量与降雨量关系i晴天＝4.3×104÷(0.70×345×104×24)=0.75mm/h
旱流污水量4.3万m3/d相当于0.75mm/h的降雨量
一般城市每平方公里污水量8000m3/d时，相当于0.5mm/h降雨量
6地面出流负荷上海市地面综合径流污染负荷为1190 kg/（hm2•a），约为德国的2倍，德国地表径流负荷600kg/（hm2•a），
345hm2出流负荷=1.19*345=410.55吨/年
7完全分流制雨水COD值上海地面径流雨水COD浓度=1190/（1305.7×0.70）=130mg/L
德国地面径流雨水COD浓度=600/（800×0.70）=107mg/L
8排江水质COD浓度未处理水排江水质COD值250mg/L，一级强化处理水COD值
100mg/L，深度处理水COD值50mg/L
9采用数学模型InfoWorks ICM
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3.2 模型模拟
典型降雨年取2000年，全年总降雨量为
1304.6mm，摒弃非径流降雨量80.6mm，模拟
降雨总量为1224mm，降雨场次80场，日最大降
雨量64.9mm；
模拟系统面积345ha，共计146个检查井节
点，208个管段连接，1座调蓄池，一座24 m3/s
合流泵站。

模拟时间从2000.01.01-2000.12.31时间段，
年降雨总量422万m3，年降雨径流总量295万
m3。

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3.2 模型模拟
系统进水总管全年流量模拟图
调蓄池初雨调节全年流量模拟图
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3.2 模型模拟
雨水泵站水泵放江启动状态全年模拟图
系统污水出水总管出流模拟图
3.2 模型模拟
截流量（mm/h）调蓄
量
(mm)
降雨量
(万m3/y)
径流
量
(万
m3/y)
截流调
蓄量
(万m3/y)
放江量
(万m3/y)
雨水截
流率)
雨水放
江率
溢流次数
0.754422.1295.2123.9 171.3 42%58%25 0.756422.1295.2146.7 148.5 50%50%24 0.758422.1295.2166.8 128.4 57%43%23 0.7510422.1295.2182.1 113.2 62%38%21 0.7512422.1295.2195.7 99.5 66%34%18 0.7515422.1295.2209.8 85.4 71%29%15 0.7518422.1295.2222.3 70.8 76%22%13 0.7520422.1295.2224.4 57.6 80%20%12 0.7522422.1295.2237.6 47.7 82%18%11 0.7525422.1295.2247.5 37.4 85%15%10 0.7530422.1295.2257.9 29.3 90%10%9雨水截流率%
雨水截流量mm 截流0.75mm/h+调蓄12mm，可达66%的雨水截流率，溢流次数18次；
截流0.75mm/h+调蓄20mm，可达80%的雨水截流率，溢流次数12次。

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F=345hm
2
截流井
未处理水排放
合流泵站
污水处理厂
一级处理二级处理三级处理
深度处理水排放
Q1
Q1Q1
Q1
Q 2
Q3
调蓄池 V
3.3 推荐模式：调蓄+深度处理模式
截流管流量：Q1=2Q 污，n 0=1倍调蓄池进水管流量：Q2=16Q 污，n=16倍调蓄池体积：V=4.14万m 3，相当于调蓄12mm 调蓄池放空：Q3=Q 污，放空时间24h
污水厂处理能力：Q1=2Q 污，相当于K 总=2处理的雨水量：66%降雨量，达到一级A排放标准雨水排河COD总量：410.55吨=完全分流制排河总量
此模式适用于污水处理厂扩建合流污水处理能力的情况
体积4.14万m3
晴天4.3万m3/d，雨天8.6万m3/d
雨水22.0m3/s 污水4.3万m3/d
调蓄12mm
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F=345hm
2
截流井
未处理水排放
合流泵站
调蓄池 V
污水处理厂
一级处理二级处理三级处理
Q1
Q1
Q1
Q 2
Q3
深度处理水排放
一级加强雨水处理厂
Q3
简易处理水排放
一级处理水超越
3.4备选模式：调蓄+一级强化处理模式
截流管流量：Q1=Q 污,n 0=0倍调蓄池进水管流量：Q 2=27Q 污
调蓄池体积：V=6.90万m 3，相当于调蓄20mm 调蓄池放空：Q3=1.6Q 污，放空时间24h
一级强化处理能力：Q3=6.90万m 3/d
处理的雨水量：80%降雨量，达到二级排放标准雨水排河COD总量：410.55吨=完全分流制排河总量
此模式适用于新建一级加强雨水处理厂的情况
因一级加强雨水处理厂对氨氮没有处理效果，故作为备选模式
体积6.9万m3
晴天4.3万m3/d
雨水22.0m3/s 污水4.3万m3/d
雨天6.9万m3/d
调蓄20mm
3.5 问题讨论
1、截流倍数
针对整个合流系统，调蓄池工作时截流倍数为15~20倍，不是中3~5倍；针对污水处理厂，截流倍数为1倍，不是中3~5倍。

2、调蓄池进水管流量
设计流量按0.5-1.0h充满调蓄池计算。

3、调蓄池放空时间
宜为12-24h，不宜超过48h，放空时间延长将影响调蓄池效益的发挥，若能力不足，可采用一级强化处理设施放空。

4、雨天合流污水处理能力
推荐的理想模式：调蓄+深度处理模式，污水厂雨天处理能力为晴天处理能力的1倍，即K
总
=2。

5、年溢流次数
若合流制系统需要将年溢流次数控制在10次以下，理论上南方城市能难达到，上海需调蓄25mm。

调蓄池 V
Q
2
Q3
污水处理厂
一级处理二级处理三级处理
Q1Q1
深度处理水排放
一级处理水超越
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四、对国内合流制系统改造建议
建议一：将现有的截流式系统改造为截流调蓄式合流制系统，使合流制系统排放水体污染物总量不大于完全分流制系统排入水体污染物负荷总量，技术难度和工程投资比改造为完全分流制系统低，技术上完全可行。

建议二：截流设施的截流倍数、调蓄设施的调蓄量、合流污水处理设施的处理量和系统雨水截流率，是截流调蓄式合流制排水系统的重要设计参数，建议根据当地降雨特征、受纳水体的环境容量、合流制系统旱流污水量及水质、合流制系统初期雨水效应及溢流水质等因素，采用数学模型法计算确定。

建议三：通过对上海合流制情况、降雨情况等模拟分析，现有截流式合流制增加12mm调蓄池，污水处理厂增加1倍合流污水处理能力，升级为截流调蓄式合流制系统，雨水截流率可达66%，年溢流次数18次，年排入水体COD负荷小于
1190kg/km2，可达到完全分流制效果。

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