姚 程 黎功稷 馬 秀 劉 敏 曾 唯

(成都市西匯水環(huán)境有限公司，四川成都，611730)

1 引言

城市污水收集輸送系統(tǒng)的建設(shè)與維護(hù)是提高城市防洪排澇能力的重要措施，也是水務(wù)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。我國(guó)排水管網(wǎng)長(zhǎng)度從2011年的41.1萬(wàn)公里增長(zhǎng)到2020年的80.3萬(wàn)公里，數(shù)量非常龐大。受施工質(zhì)量、污水侵蝕、管材老化及地面荷載等多種因素影響，我國(guó)污水管道普遍存在破裂、脫節(jié)、支管暗接等結(jié)構(gòu)性缺陷。這些結(jié)構(gòu)性缺陷會(huì)造成大量地下水、雨水、溝渠水和施工降水等清潔水進(jìn)入污水管道，這不僅會(huì)擠占有限的管網(wǎng)空間和污水處理能力，加劇雨天溢流的風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)增加污水處理廠的進(jìn)水量，降低進(jìn)水污染物濃度，從而降低污水處理效率，并增加污水處理成本[1]。

2022年3月28日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家發(fā)展改革委和水利部聯(lián)合發(fā)布《深入打好城市黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》，首次提出了清污分流的概念，核心是將清潔的外來(lái)水和真正的污水分開(kāi)，二者分流各行其道。方案中也明確了到2025年，各城市進(jìn)水BOD濃度高于100mg/L的生活污水處理廠規(guī)模占比90%以上，這對(duì)于一些地下水位較高的南方城市來(lái)說(shuō)極具挑戰(zhàn)性。因此，國(guó)內(nèi)各大城市對(duì)污水管網(wǎng)的檢測(cè)與修復(fù)成為一項(xiàng)亟需實(shí)施的工作。

常用的污水管道檢測(cè)技術(shù)有閉路電視檢測(cè)技術(shù)(CCTV)、潛望鏡技術(shù)(QV)、聲納檢測(cè)技術(shù)、多重傳感器檢測(cè)技術(shù)和管道掃描技術(shù)等[2]。目前國(guó)內(nèi)最常用的是CCTV和QV技術(shù)，但是這兩種技術(shù)耗時(shí)較大，成本較高[3]。一些專家學(xué)者已經(jīng)嘗試采用基于質(zhì)量守恒定律的特征因子法和水量平衡法進(jìn)行檢測(cè)。

特征因子法，即選取一些具有代表性的指標(biāo)作為特征因子，根據(jù)化學(xué)質(zhì)量守恒定律或者物理模型來(lái)判斷某一段污水管道中是否存在外來(lái)水侵入現(xiàn)象，并解析出外來(lái)水侵入量。所選取的特征因子既可以是COD、NH3-N或一些金屬離子等化學(xué)指標(biāo)，也可以是電導(dǎo)率等物理指標(biāo)或藻類等生物指標(biāo)[4]。如劉希希等[4]采用錳離子作為特征因子計(jì)算九江市某片區(qū)地下水的入滲量，達(dá)到了88.9%的判斷準(zhǔn)確率。劉旭輝等[5]采用測(cè)量污水電導(dǎo)率的方法計(jì)算出深圳市某片區(qū)地下水入滲比例。

水量平衡法，即直接測(cè)定上下游流量，根據(jù)水量平衡原理計(jì)算外來(lái)水侵入量。如呂耀志等[6]采用流量測(cè)定的方法得出單處滲漏點(diǎn)日入滲量可達(dá)500m3/d。但水量平衡法工作量大且精度不高，因此常作為污水管道檢測(cè)的輔助方法。

本文以我國(guó)西南地區(qū)某污水處理廠進(jìn)廠主干管檢測(cè)項(xiàng)目為例，以COD和NH3-N作為特征因子，判斷破損點(diǎn)并解析外來(lái)水侵入量，之后采用QV檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示準(zhǔn)確率較高，有利于提高檢測(cè)效率，大幅減低檢測(cè)成本。

2 檢測(cè)方法

2.1 流量和水質(zhì)檢測(cè)

在污水主干管上每隔約200米設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，支管接入點(diǎn)前后設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)。使用流量計(jì)檢測(cè)每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)流量，檢測(cè)三次取平均值。同時(shí)取水樣帶回實(shí)驗(yàn)室，將水樣預(yù)處理后，使用重鉻酸鉀法測(cè)定COD濃度，使用納氏分光光度法測(cè)定NH3-N濃度。

2.2 外來(lái)水侵入量計(jì)算方法

基于水質(zhì)特征因子的化學(xué)質(zhì)量平衡公式可用于全系統(tǒng)水平地解析外來(lái)水入滲量。對(duì)于污水管網(wǎng)系統(tǒng)滿足下列關(guān)系式：

Qj+Qs+Qw=Qg

(1)

QjCj+QsCs+QwCw=QgCg

(2)

式中：Qj和Cj分別代表污水管網(wǎng)進(jìn)水流量和特征因子濃度；Qs和Cs分別代表污水管網(wǎng)在該片區(qū)所收集入管的污水流量和特征因子濃度；Qw和Cw分別代表污水管網(wǎng)外來(lái)水(包括地下水、溝渠水、雨水等)的流量和特征因子濃度；Qg和Cg分別代表污水管網(wǎng)出水流量和特征因子濃度。上述公式適用于整個(gè)污水管網(wǎng)系統(tǒng)，也適用于某一子區(qū)域或某一管段。

將式(1)和式(2)整理得：

(3)

若選擇計(jì)算的污水管段為封閉系統(tǒng)，無(wú)支管接入或未收集周邊污水，外來(lái)水均屬于清潔水。則可將Qs和Cw視為0，則式(3)可簡(jiǎn)化為 ：

(4)

2.3 QV檢測(cè)

對(duì)采用特征因子法檢測(cè)分析出的破損點(diǎn)，采用QV檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同檢測(cè)點(diǎn)流量與特征因子濃度檢測(cè)結(jié)果

項(xiàng)目所在地區(qū)地下水位較高，雨水充沛，因此外來(lái)水極易入侵。本文共選取9個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分別記為WS1—WS9，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，該污水處理廠進(jìn)廠主干管，流量從287.04L/h升高至396.66L/h，從水量平衡的角度分析，該管段具有外來(lái)水入侵現(xiàn)象。

表1 不同檢測(cè)點(diǎn)流量與特征因子濃度檢測(cè)結(jié)果

3.2 不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)外來(lái)水侵入情況

由于部分計(jì)算得出的外來(lái)水侵入量出現(xiàn)負(fù)值，與實(shí)際情況不符。因此將計(jì)算結(jié)果中的負(fù)值修正為0。計(jì)算結(jié)果為負(fù)的原因可能是因?yàn)闇y(cè)定的是瞬時(shí)值，取樣時(shí)具有一定偶然性。

由表2結(jié)果可以看出，水量對(duì)應(yīng)侵入量和NH3-N對(duì)應(yīng)侵入量較為接近，而COD對(duì)應(yīng)侵入量則要偏大。因?yàn)樗繉?duì)應(yīng)侵入量最為可靠，所以基于NH3-N計(jì)算出的侵入量更接近真實(shí)值。分析WS1—WS9管段，無(wú)論采用哪種方法，均可判斷出該管段存在明顯外來(lái)水侵入現(xiàn)象，侵入量主要集中在WS3—WS4管段之間，基于水量、COD和NH3-N計(jì)算得出的外來(lái)水侵入量分別為94.32mg/L、166mg/L和93mg/L，侵入量較大，完全超出入滲標(biāo)準(zhǔn)，判斷在該管段中可能存在較大破損點(diǎn)。

表2 不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)外來(lái)水侵入情況

通過(guò)QV檢測(cè)驗(yàn)證了以上判斷，檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 WS3—WS4管段QV檢測(cè)圖像

4 結(jié)論

當(dāng)前我國(guó)污水管網(wǎng)外來(lái)水侵入問(wèn)題嚴(yán)重，但基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)較少。本文針對(duì)某一污水主干管，分別以COD和NH3-N為特征因子解析外來(lái)水侵入量，并與基于水量平衡法得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明NH3-N作為特征因子對(duì)應(yīng)的侵入量更準(zhǔn)確。同時(shí)判斷出該管段存在破損點(diǎn)，并以QV檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

基于特征因子法識(shí)別出污水管網(wǎng)中外來(lái)水入侵嚴(yán)重的區(qū)域，可有效提高污水管道檢測(cè)效率，大幅節(jié)約污水管道檢測(cè)的人力和資金成本，可嘗試在實(shí)際應(yīng)用中加以推廣。