煤炭工業部合肥設計研究院
楊根權

　　一　概述

　　目前我國眾多城市已經興建或正著手籌建集中污水處理廠及配套管網收集系統。這些城市，除開發區及一些新建區采用雨、污分流排水體制外，其余地區大都采用舊合流制排水管渠系統，通過直排式合流管渠，直接將雨水和生活污水就近排入城市水體。污水直排造成水體嚴重污染，并由此影響城市居民的生存環境，因此，要興建城市污水治理工程，必須對老城區舊合流制排水管渠系統進行改造。
　　我國大多數城市的排水管渠系統，在修建當時，國內沒有自己的排水管渠計算公式，基本沿用前蘇聯規范，由于兩國在氣候、生活習慣等方面的差異，并不符合我國實際，設計過水斷面普遍偏小，雨季時街面溢水、積水現象嚴重；在管渠材料及施工技術方面，由于受到城市發展水平的制約，也存在眾多缺陷，如管材質量差、管道坡度控制不嚴格、接口不密實、滲水嚴重等；同時由于缺少城市統一規劃，排水管渠的布置雜亂無章。以上諸多原因，給城市舊合流制排水管渠系統的改造增加了較大難度。

　　二　舊合流制排水管渠系統改造的原則

　　舊合流制排水管渠系統的改造是一項非常復雜的工程，改造措施應根據城市的具體情況，因地制宜，綜合考慮污水水質水量、水文、氣象條件、水體衛生條件、資金條件、現場施工條件等因素，結合城市排水規劃，在確保水體盡可能減少污染的同時，充分利用原有管渠，實現保護環境和節約投資的雙重目標。

　　三　舊合流制排水管渠系統改造的措施

　　現階段，對舊合流制排水管渠系統改造的方式主要有四種，分述如下：
　　(一)改舊合流制為分流制
　　將舊合流制改為分流制，是一種徹底的改造方法。由于實施雨、污分流，可以將污水全部引至污水處理廠進行處理，從根本上杜絕了污水直接排放對水體的污染。同時，由于雨水不進入污水處理廠，處理水的水質水量可維持較小的變化范圍，保證出水水質的相對穩定，容易做到達標外排。
　　要實施分流制，對于現狀條件的要求較高，不論是住宅區還是工業企業，其內部的管道系統必須健全，要求有獨立的污水管道系統和雨水管道系統，便于接入相應的城市污水、雨水管網；同時要求城市街道的橫斷面有足夠的位置，允許新增管道的敷設。一般城市由于建設年代久遠，地下管線基本成型，地面建筑擁擠，路面狹窄，如若將合流制改為分流制，存在投資大、施工困難等諸多現實問題，很難在短期內做到。
　　(二)保留部分合流管，實行截流式合流制
　　大部分城市，如果水體環境有足夠的自凈能力，基本上采取截流式合流制排水體系，保留老城區部分合流管，沿城區周圍水體敷設截流干管，對合流污水實施截流，并視城市的發展狀況，逐步完善管網，改為分流制。這種過渡方式，由于工程量相對較小、節約投資、易于施工、見效快，已得到廣泛應用，并取得良好效果。不久前我們設計完成的巢湖市污水廠配套管網工程，其中老城區建成多年，地面建筑及地下設施已經成型，不宜大規模實施分流制改造，而城區內有環城河、天河等豐富的水體可利用，根據當地實際情況，在老城區內即采用了截流式合流制排水系統。
　　旱季時，截流式合流制排水系統可將污水全部送入污水處理廠。雨季時，通過截流設施，只能將部分合流污水輸送至污水廠處理，超出截流水量的污水排入附近水體，不可避免會對水體造成局部和短期污染，而進入處理廠的污水，由于混有大量雨水，使原水水質、水量波動較大，勢必對污水廠各處理單元產生沖擊，這就對污水廠處理工藝提出了更高的要求。有關截流式合流制排水體系在實施中應注意的問題，下文將著重論述。
　　(三)在截流式合流制的基礎上，設置合流污水調蓄構筑物有些城市，周圍水體稀疏，環境容量有限，自凈能力較差，不允許合流污水直接排入，這種情況下，可在截流干管適當位置設置合流污水調蓄構筑物，將超過截流干管轉輸能力及污水廠處理能力的合流污水引入調蓄構筑物暫時儲存，待暴雨過后再通過污水泵提升至截流干管，最終入污水廠進行處理，基本上保證水體不受或少受污染。
　　需要指出的是，這種調蓄構筑物往往占地面積很大，并且雨水量不是一個定值，合理確定合流污水調蓄構筑物容積有較大難度；再者，調蓄合流污水量最終要通過污水泵提升至截流干管(極少數有高差利用的城市除外)，造成日常運行、維護、管理的不便，同時也增加了污水處理廠的負荷及運行費用，所以不提倡采用，只有在充分論證無實施分流制的可能性后才予以考慮。
　　(四)在截流式合流制的基礎上，對溢流混合污水進行處理
　　同上一種情況類似，如果城市周圍水體自凈能力有限，水體環境相對脆弱，采用截流式合流制排水管渠系統，在溢流合流污水排入水體前，必須進行處理。針對合流污水水量大、濃度低的特點，可采用一級處理，選擇篩濾、混凝沉淀、投氯消毒的處理工藝。合流污水經處理后，污染物濃度可顯著降低，從而大大減輕對水體的污染。
　　同樣，該措施由于考慮雨水的處理，與前種情況存在類似的不足：日常運行費用高，且分散處理設施遠離城市集中污水處理廠，在運行、維護、管理上均存在諸多不便。
　　根據我國城市水污染控制技術政策要求，應加強城市市政排水管網的改造、調整和建設，做到雨水、污水分流，為城市污水集中處理創造條件。因此，對于城市舊合流制排水管渠系統的改造措施，應優先考慮分流制，在實施難度較大的情況下，可考慮采用截流式合流制排水管渠系統。第三、第四種情況，是在截流式合流制的基礎上加以改進，針對環境有較高要求而提出的，具有一定的特殊性。事實上，我國大部分城市，其舊城區建設一般處在合流制盛行的年代，被打上深深的時代烙印，很難在短期內改變現狀，因此現階段，我國對老城區舊合流制的改造，截流式合流制排水體系是最常用的方式。

　　四　實施截流式合流制排水體系應注意的問題

　　(一)截流倍數選擇
　　截流倍數n₀是截流式合流制排水體系規劃設計中最重要的參數，也是最終工程實施重要的依據，如選擇偏小，將會允許過多的污水進入水體，造成污染；選擇過大，截流干管和污水廠的規模就要加大，增加基建投資和運行費用。規范(GBJ14-87)規定截流倍數一般采用n₀=1～5，但真正合理選用并不容易。有資料表明，當截流倍數選擇1和2時，其工程投資及運轉費相差近一倍。因此，合理選擇截流倍數意義重大。在巢湖市污水廠配套管網工程中，我們綜合考慮旱季污水的水質水量、水體衛生條件、水文、氣象條件等因素，結合巢湖市經濟實力，采用截流倍數n0=2，經專家論證后認為可行。
　　目前對截流倍數n0的認識還不夠深入，國內大多工程，在選擇截流倍數時，僅基于對溢流水量和溢流次數的考慮，并未對溢流過程及水體水質變化作相應的分析，對水體水質的影響仍停留于定性的和概念性的描述，很難保證水體不受污染。從理論上分析，選擇截流倍數時，應結合當地的暴雨強度和設計重現期，計算出合流管中混合污水的水量、水質，再根據預定截流倍數所得截流水量，推算溢流水量，然后采用環境影響評價中河流水質模型對水體水質作預測，依據預測結果判斷n。取值的合理性，如不能滿足水體水質要求，則重新試算。試算過程比較繁雜，每個溢流井都必須計算，在項目可研階段一般難以達到這種深度，相信隨著計算機應用軟件的開發和推廣，能夠為合理選用截流倍數提供更準確的方法。
　　(二)溢流井設計
　　溢流井是截流式合流制排水體系中的關鍵構筑物，整個排水系統將通過其實現截流旱季污水及初期雨水，并保證超出截流水量的合流污水順利排入水體?！督o水排水設計手冊》及有關資料介紹的溢流井形式主要有三種，即截流槽式、溢流堰式和跳躍堰式，這三種形式的溢流井在使用中都受限制，必須滿足溢流排水管管內底標高(或溢流堰堰頂標高)高于排入水體的水位標高，否則需在排出口設置間板或防潮門，以防水體水倒灌入管網，造成泵站淹沒。換句話說，如果水體供水位標高高于溢流堰堰頂標高時，溢流井將不能工作。
　　目前大多數城市，由于受原合流管限制，最終截流管管內底標高一般低于城市水體洪水位標高，這給溢流井的設計帶來一定難度。巢湖市也是如此，其環城河正常水位為6.11m(黃海高程)，洪水警戒水位為8.11m，而環城河沿岸的合流管排出口埋深相對較低，底標高在8.8m至5.7m之間。因此，只有在合流管管內底標高高于8.2m時可采用上述三種形式溢流井，而在合流管管內底標高低于8.2m時不適用。對于這種情況，通常有三種解決方法：方法一是設置閘板，在水體處于洪水位時溢流井將停止工作，顯然不盡合理；方法二是用水位傳感器代替溢流堰，通過水泵將溢流水量抽至城市水體，由于溢流井較分散，在運行、維修、管理方面存在諸多不便，同時還增加了設備投資和運行費用；方法三是將溢流堰設于水體洪水位以上，通過抬高管網水位排除溢流水量，由于堰口固定，即使在環城河水位較低時，溢流水量也必須抬高至洪水位才能排出，造成只要是雨季，合流管就長期處于壓力流狀態。以上三種方法均存在不足，設計中我們積極創新，在溢流堰式溢流井的基礎上，將固定溢流堰設計成可調式，根據環城河水位變化來調節溢流堰的高度，使溢流水量順利排出，基本上保證溢流井在水體洪水期和枯水期均能正常運作，僅在洪水季節一定時段內，合流管處于暫時壓力流狀態。
　　巢湖市老城區截流工程中，我們共設計了九座溢流井，其中三座為磚砌溢流堰式溢流井，堰高8.3m，另外六座為鋼筋混凝土可調堰門式溢流井，堰高調節范圍為6.5m至8.3m。日前該段管網正在緊張地施工中，最終溢流井的效果如何，尚需在運行中加以驗證。
　　(三)截流量控制
　　準確控制截流量十分重要，直接影響污水廠提升泵房的規模及設備選型，如果溢流井設計不合理，實際截流量有可能大于設計流量，將導致泵房超負荷運行，甚至淹沒泵房。
　　大多數工程截流量控制是通過溢流堰來實現的，根據溢流水量對溢流堰進行設計，但這種方式的準確性有待探討。《合流制系統污水截流井設計規程》中提供了溢流量的計算公式：

　　　　　　　　Q_y=Q_c-Q　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

　　　　　　　　Q=Q_h(n₀+l)　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

　　式中：Q_y為溢流水量
　　　　　Q_c為合流水量
　　　　　Q為截流水量
　　　　　Q_h為旱季污水量
　　　　　n₀為截流倍數
　　從上面公式中我們不難發現，截流量Q是依據旱季污水量Q_h和截流倍數n₀計算而得，不受雨水量的影響，其值可視為定值；而合流水量Q_c和溢流水量Q_y則受雨水量的影響較大，在實際工程很難對其準確控制。若依據Q_y值來控制最終截流量Q，將導致實際截流量與設計截流量之間的誤差較大。科學的做法是根據截流量Q值確定截流喉管管徑及坡度，同時在確定截流喉管管徑時必須進行流量校核，保證旱季和雨季流量均能順利通過的情況下截流量不致過大。通常，截流管設計是按非壓力流考慮的，但暴雨時，其上游管段應處于暫時壓力流狀態，溢流井中存在一定水頭，使截流管中流速和流量增大，所以，設計中不應忽略實際存在的水頭。在進行巢湖市老城區截流喉管設計時，我們對其雨季工況作了詳盡分析，將截流喉管等效視為一段坡度增大的無壓滿流管，最終管徑小于不考慮水頭的計算管徑。
　　(四)雨水口防臭
　　截流式合流制排水管渠系統仍然屬于合流制，由于污水、雨水共用一個管道系統，在旱季，不可避免會有臭氣通過雨水口溢至街面，影響城區內大氣環境質量。為消除這種危害，在實施截流式合流制排水體系時，除敷設截流干管外，還應對街道雨水口進行改造，采用防臭雨水口或其他措施，使其具有防臭功能。
　　(五)對污水廠處理規模及水質的影響
　　如前面所述，采用截流式合流制排水系統，在雨季進入處理廠的污水，由于混有大量雨水，使原水水質、水量波動較大，會對污水廠各處理單元尤其是二級生化處理部分，產生較大沖擊。假若老城區旱季污水量占總城區的1/4，那么在雨季，如截流倍數n0取2，則污水廠的最大處理能力應達到正常時的1.5倍，并且老城區污水量占的比例越大，造成污水廠處理水量變化越大，所以在確定污水廠規模時，應用雨季水量進行校核。我們還應注意，實施截流式合流制排水體系是一項復雜的工程，往往歷時較長，有可能與城市污水廠的建設在時間上不一致，一般要滯后于污水廠的建成，這就可能導致城市污水廠建成后一段時期內，其處理水量達不到設計規模，而在截流管道完成后，往往因截流倍數或截流措施選用不當造成污水廠處理能力不足，這一點在設計中應引起足夠重視，盡量保證兩者在建設上的同步。
　　同時，由于水量劇烈變化，會引起二級生化處理部分微生物大量流失，導致出水水質惡化，這就要求選擇的污水廠處理工藝，具有較強的抗沖擊能力，如氧化溝工藝。巢湖市污水處理廠二期生化處理(一期工程為一級處理)即采用這種工藝。

　　五　結語

　　基于我國城市排水現狀，合流制在一定時期內還會存在，加之我國大多城市市政基礎設施較薄弱，受資金的制約，在目前舊合流制排水管渠系統改造中一味強調分流制不是很現實，而截流式合流制排水系統，具有工程量小、節約投資(約比分流制減少40%)、易于施工、見效快、可操作性強等優點，在現階段采用，比較符合中國國情。當務之急是，如何在工程實際中彌補其不足，完善設計，使其具有更高的使用價值。