专家视角｜徐祖信院士：城市排水系统提质增效关键技术研究——以马鞍山市为例
为贯彻习近平总书记关于长江经济带“共抓大保护，不搞大开发”的重要指示精神，落实《长江保护修复攻坚战行动计划》，生态环境部组织开展了长江生态环境保护修复驻点跟踪研究工作，深入一线进行驻点研究和技术指导，服务地方政府水污染防治的科学决策与精准施策。同济大学牵头组建马鞍山市驻点工作组，在马鞍山市政府和各相关部门支持协作下，重点针对马鞍山市中心城区水环境质量改善面临的突出问题，围绕精准控源截污和雨天排放污染控制等方面，开展城市河流水系水质提升关键技术研究，为慈湖河小流域水环境治理项目提供技术支撑，在多方共同努力下，成功消除了城市水体黑臭，河流水质得到稳定改善。2019年11月，韩正副总理视察马鞍山市期间，对马鞍山市水环境保护工作取得的成效给予高度肯定；2020年8月，习近平总书记视察马鞍山市时，提出了打造安徽的“杭嘉湖”、长三角的“白菜心”新发展定位。
1. 长江中下游城市水环境治理的瓶颈问题
现阶段，城镇环境与市政基础设施建设趋于完善，但城市水环境仍面临较多问题。研究表明，长江中下游城市污水管网覆盖率、污水处理率高达90%以上，但是城市河流仍然面临雨天反复污染问题。主要体现在：1）排水管网错接和破损，导致雨水和地下水严重挤占污水管网输送容量，造成末端的污水处理厂进水浓度不高。有些雨水管道接入污水管网，导致污水处理厂雨天进水量明显增加，暴雨时甚至发生漫流并超标排放。污水管道破损严重，导致地下水（占比高达28%~40%）进入污水管道。2）排水管网雨污混接，导致污水直排河道，管网截污效率低。相关研究表明，长江中下游城市排水管网雨污混接比例平均约为26%，最高可达70%。雨水管道晴天流速较低，污染物沉淀，下雨时沉积物随雨水排入河道，造成污染。3）为了确保城市防洪安全，当降水产生的径流量超过合流管网输送容量时，合流管网发生污水溢流。合流管网晴天流速低，污染物沉积严重，尤其是远距离输送的合流管道，近1/3的颗粒态污染物沿程沉积；而雨天沉积污染物受管道汇流雨水冲刷泛起，形成“零存整取”的污染效应，对河道造成冲击性污染。目前，多数城市河道雨天反复污染甚至黑臭，与合流管网雨天污水溢流相关。因此，城镇排水管网错接和破损、管网混接以及溢流污染是我国长江中下游城市水环境治理面临的瓶颈问题，是我国城镇化进程中产生的独特问题，也是发展中国家城市水污染的共性问题。该瓶颈问题在欧美国家城市河流污染治理经验中无先例可循，其有效解决直接关系到治理城市黑臭水体的成效以及水污染治理攻坚战的成败得失。为此，针对城市排水系统提质增效关键技术，开展自主创新研发至关重要且意义深远。
2.研究区概况与主要水环境问题
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，属长江中下游冲积平原的芜湖—马鞍山丘陵水网平原区。现辖3县（含山县、和县、当涂县）3区(花山区、雨山区和博望区），面积为4 049 km2，全市人口为229.14万人，城镇化率为69.12%，2020年地区生产总值为2 186.9亿元。马鞍山市河道纵横，湖泊众多，沟塘密布，水域总面积约360 km2。长江是马鞍山市最大的过境水体，其他主要城市内河包括慈湖河、雨山河、采石河、姑溪河、得胜河等，均汇入长江干流。
2.2 主要水环境问题分析
“十三五”期间，马鞍山市地表水水质总体呈改善趋势，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）月均水质不能稳定达标，尤其是雨天水质污染问题较为突出。慈湖河是马鞍山市境内最长的入江河流，全长约26.1 km，流域面积为124.8 km2，共有36条支流水系，主要由上游洋河和慈湖河水系构成。慈湖河水系流经城市主要建成区，经过多年治理，已建成较为完善的环境基础设施和防洪排涝系统，沿线已建成14个排涝泵站、3座城镇污水处理厂和1个城镇污水处理厂尾水处理湿地。
通过驻点团队调研发现，慈湖河水系水环境治理面临的主要问题如下：1）上游向山镇区排水系统建设不完善，部分旱季污水雨天直排洋河，沿河生活污水未经处理直接或间接排入洋河，影响下游慈湖河水质。2）慈湖河是雨源型河流，生态基流严重匮乏，现状水源主要是污水处理厂尾水经过湿地深度处理后实施的干流补水；慈湖河支流已建泵闸，雨季防洪排涝导致支流雨天排放污染严重，水质恶化明显。3）慈湖河水系主要建成区涉及16个排水片区，据初步调查，中心城区90%以上的分流制管网存在不同程度的混接，雨天初期雨水污染严重。4）慈湖河区域内地下水和雨水进入污水管道问题突出，污水处理厂进水浓度偏低，其中化学需氧量（COD）和氨氮平均进水浓度仅为78 和5.6 mg/L。慈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~劣Ⅴ类，水质稳定改善任务迫切。
3.城市排水系统提质增效技术研究
3.1 基于网格化监测的排污口溯源方法
城市水环境治理的首要措施是识别和控制污染源，排污口调查与整治是提高污染物截流能力的基础性工作，其中水下排污口肉眼无法直接可见，是调查工作的难点。近年来，我国各地在排污口排查方面投入较大，水下机器人、热成像仪等被运用于隐蔽排污口的探测排查，但操作复杂，夜间难以实施。由此，提出基于河流网格化水量水质监测的排污口溯源方法，其特点是水量水质监测不需要水下作业且可在1 d内不同时段实施灵活性的动态监测，并与反问题方法相结合，实现对污染物排放的定量解析，确定排污口调查的重点河段。网格化水量水质监测与排污口溯源示意如图1所示，河段断面浓度计算公式如下：
式中：C2为第2个河段断面污染物浓度，mg/L；C1为第1个河段断面污染物浓度，mg/L；Ce2为第2个河段排污口污染物排放浓度，mg/L；Qe2为第2个河段排污口排放水量，m3/s；QT2为第2个河段支流入流水量，m3/s；Q12为第1个河段出流水量，m3/s；Q23为第2个河段出流水量，m3/s；V2为第2个河段的体积，m3。
若采用保守型水质指标（如氯离子），则不需要考虑污染物在河流中的降解量，可进一步简化污染物降解参数K2，相应技术流程如图2所示。
以慈湖河干流为例，开展基于网格化水量水质监测的污染物溯源解析研究。于2021年9月24—25日（旱天期间），在慈湖河中上游流经城区6.8 km长的河段（入秀山湖口—桥山路与慈湖河路交叉口）布设7个监测点位（1#~7#），对流速、水位和水质（氯化物浓度）进行监测。其中，流速、水位监测在白天进行，每个点位每天检测3次，水质指标采样频次为4 h/次，每个点位连续监测24 h。
基于各断面流量和氯化物浓度监测数据（图3），确定7个监测点位每日的氯化物通量分别为4 275、6 710、18 317、30 544、36 440、36 820和41 861 kg/d。计算以7个点位划分的6个河段氯化物负荷增加量和流量增加量的比值，结果表明，6个河段的氯化物负荷增量分别为49.1（1#~2#点位）、54.7（2#~3#点位）、85.8（3#~4#点位）、262.0（4#~5#点位）、83.9（5#~6#点位）、92.9 g/m3（6#~7#点位）。其中4#~5#点位之间河段的氯化物负荷增加远高于其他5个河段，这与高氯化物浓度的污水排放有关，因此可确定4#~5#点位之间为排污口溯源排查的重点河段，而其他河段的氯化物负荷增加主要与污水处理厂尾水补充有关。
3.2 雨水管网混接、破损诊断技术
确定雨水管网混接、破损的具体位置是排水系统提质增效的重点。雨水管网水流情况复杂，受诸多不确定性因素影响，目前闭路电视物理检测和定位的方法费用昂贵、人力效率低下，且识别精度较差。因此，基于数值模型与管网非开挖检测，建立雨水管网混接、破损反演定位技术，可以低成本、高效率地开展雨水管网混接、破损定位。如何用较简单的反演算法与最少的管网监测点精准定位到混接破损点是本技术的核心难点。
基于水质特征因子构建蒙特卡洛-化学质量平衡模型，确定管网污水混接、地下水入渗量，诊断雨水管网总体混接、破损情况。在此基础上，通过耦合管网水动力模型和优化算法，构建雨水管网混接破损反演优化模型，对节点流量进行解析，实现问题点的精准定位。以慈湖河X排区为示范区域，开展雨水管网混接破损精准定位研究。X排区是分流制排水体制，市政主干管雨水管道总长6.61 km，雨水管网覆盖面积约1.49 km2。在X排区雨水管网中布设18个关键节点进行水位、水质（氨氮、总硬度）监测，监测时间为2020年8月4日08:00—17:00，前期晴天数为5 d，监测频次为3 h/次。根据监测点布设情况，将X排区雨水管网划分为6个子片区〔图4(a)〕，分别采用氨氮、总硬度表征生活污水、地下水，建立水质特征因子基准浓度库。根据管网的入流、出流搭建化学质量平衡模型，采用蒙特卡洛算法计算雨水管网总体的日平均混接流量及日平均地下水入渗流量〔图4(b)〕，以判断雨水管网总体混接、破损情况。雨水管网的不同区域混接、入渗分布不均匀，其中子片区2、3是混接、破损的重点区域，其管网长度占排区总长度的16%，但混接污水量占全排区污水量的80.7%，地下水入渗量占全排区入渗量的59.0%。
为进一步确定生活污水混接和地下水入渗的具体点位，研究建立耦合管网水动力模型和优化算法的雨水管网混接破损定位模型。基于X排区内雨水管道、检查井、截污泵站的基本参数，采用SWMM模型软件构建了X排区雨水管网水动力模型，旱天雨水管网模型的外部入流由污水混接量、地下水入渗量2种类型组成。同时，采用二次开发模块PySWMM对于雨水管网水动力模型进行控制，在管网总体混接、入渗流量的约束条件下，利用MGA算法对管网各节点外部入流量进行自动分配，并以关键节点模拟水位与监测水位的均方根误差为目标函数，衡量节点外部入流量分配方案的优劣，直至获得最小目标函数下的最优解，从而实现混接、破损定位。MGA算法中设置种群大小为50，迭代代数为200，交叉率为0.005，整个自优化过程迭代计算10 000次。
计算得到管网各节点混接、入渗流量数值呈现一定的聚集性规律，并且形成了特定点位流量聚集区。依据流量值的聚集程度，评估混接、入渗风险并绘制地图如图5所示。由图5(a)可知，模型定位出A1、A2为混接高风险区域，区域混接总量为397.38 m3/d，约占全管网混接总量的77.8%，节点的混接水量为6.49~34.13 m3/d，红、蓝色标记节点为重点混接节点，需要优先进行混接改造。由图5(b)可知，B1、C1、D1片区为定位的地下水入渗高风险区，区域地下水入渗总量为587.75 m3/d，约占总管网入渗水量的87.2%，片区各管段入渗水量为2.06~40.06 m3/d，黄色和深蓝色标记管段为重点入渗管段，需要优先进行管道修复。
3.3 基于多因素影响的“浓度-体积”优化调蓄设计方法
调蓄池是初期雨水污染控制的有效手段之一，调蓄池容积设计方法主要考虑截留的雨水量。但对于存在污水混接的雨水系统，污染物在管道中旱天累积雨天冲刷，溢流污染严重；而且，排水管网末端排放浓度过程线受降雨特征、前期晴天数、管道沉积物、混接污水等多因素协同影响，雨天溢流污染浓度动态变化复杂，因此仅考虑水量的调蓄容积设计方法不能有效截留高浓度溢流污水。目前我国部分建有调蓄池的排水系统，雨天仍有高浓度溢流污染排放，河道水质雨天频现黑臭，不利于河道水环境质量改善。另外，城市集聚区人口多、污染来源复杂，排水系统初期雨水污染更为严重，且土地资源紧张，调蓄池设计更应注重经济效益与环境效益。如何基于河道水环境目标，提高调蓄池溢流污染截流效率，结合污染物浓度优化调蓄池设计方法是有效控制溢流污染的难点。
采用SWMM模型构建“雨水汇流—管道输运—沉积冲刷”溢流污染模型，建立基于多因素影响的“浓度-体积”优化调蓄设计方法，对传统调蓄方法进行优化，提升调蓄池的调蓄效率与效益。首先，建立排水系统的污染负荷平衡关系〔式（2）〕，根据降雨径流及溢流污染监测数据计算雨天溢流污染中沉积物事件平均浓度，计算公式如下：
式中：W1为混接污水的负荷，kg；W2为雨水径流流入排水管道的负荷，kg；W3为地下水入渗的负荷，kg；W4为管道沉积物的负荷，kg；W5为排水系统末端雨污混合水污染的负荷，kg；W6为排水系统截流泵截流的负荷，kg；W7为调蓄设施储存的负荷，kg；EMC为雨天溢流污染中沉积物事件平均浓度，mg/L；Q为雨天溢流水量，m3。
其次，基于SWMM模型构建“雨水汇流—管道输运—沉积冲刷”溢流污染模型，通过区域晴天和雨天排水系统末端溢流浓度、降雨径流浓度监测数据，率定验证模型参数，提升溢流污染模拟精度。最后，通过设计典型降雨，模拟不同前期晴天数下末端排口水质和水量动态过程线。根据水环境质量目标界定最大排放浓度，确定水质水量过程线中污染物浓度高于目标截流浓度的时间段（T1~T2），根据流量过程线在T1~T2积分得到该曲线与时间轴围成的面积，即截流水量，从而确定雨水调蓄池的容积（图6）。与传统调蓄设计方法相比，基于多因素影响的“浓度-体积”优化调蓄设计方法能够在同等调蓄体积下截留高浓度初期雨水，提升调蓄池污染物去除效率，减少初期雨水对河道的污染。
基于上述研究方法，以马鞍山慈湖河片区XHC排区为研究区域，开展雨水调蓄池的优化设计研究 。马鞍山慈湖河XHC排区为分流制排水体制，汇水面积为2.30 km2。根据现场实测，雨天泵站排放COD、氨氮浓度最高达77和14.2 mg/L，明显高于地表水Ⅴ类水质标准限值。通过模拟不同前期晴天数下末端雨水排口排放水质和水量过程线，确定不同截流浓度阈值下实时调蓄控制对应的调蓄池体积（图7）。随着前期晴天数的增加，初期冲刷效应越强，峰值污染物浓度随之增大，前期晴天数为3、6和9 d时对应的COD峰值约为84、104和118 mg/L。当截流COD阈值为40 mg/L，前期晴天数为3、6和9 d时所对应的调蓄池体积分别为8 918、9 992和10 438 m3，削减的污染负荷分别为601.8、790.6和915.0 kg。当截流COD固定时，随前期晴天数增加，调蓄池体积增大。此外，参考GB 3838—2002的Ⅴ类水质标准、GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A和一级B标准，选择COD分别为40、50和60 mg/L作为截流阈值，当前期晴天数为3 d时，所对应的调蓄池体积分别为8 918、7 587和6 246 m3。随着截流COD阈值降低，调蓄池体积显著增加，更低的截流阈值对应更大的调蓄容积。与传统调蓄方法相比，相同调蓄体积下，“浓度-体积”优化调蓄设计方法溢流污染截留负荷得到明显提升。
3.4 排水系统溢流污染高效控制技术
合流制排水系统溢流污染是河道雨天污染的重要原因。混凝-絮凝作为一种高效的处理方法，在雨天溢流末端处理中能够有效削减污染负荷，但仍存在耗时长、占地面积大等问题。因此，提出混凝-絮凝原位处理技术，利用排水管道的管段完成混凝-絮凝过程，实现溢流污水的高效快速处理。
管道原位混凝-絮凝的基本原理是通过检查井向管道中投加混凝剂、絮凝剂，进行混凝-絮凝反应，利用管道内的空间和水体流动产生的水力条件以及冲刷沉积物产生的湍动、明满流交替时产生的湍动等实现混凝剂、絮凝剂与雨污水的充分反应，再通过沉降实现固液分离，完成混凝-絮凝及沉淀过程。混凝-絮凝处理后大量污染物随污泥沉降至沉淀池底部，上清液则通过水泵泵入河道，从而降低溢流污水中的污染物浓度。降雨过后再将沉淀池污泥收集转运至污水处理厂进行无害化处理处置。
通过烧杯试验确定混凝-絮凝常用参数。筛选确定混凝剂选用聚合硫酸铝（PAS），絮凝剂选用阴离子聚丙烯酰胺（APAM），通过控制变量法确定PAS和APAM的用量、比例及投加方式。试验结果表明，PAS和APAM先后间隔投加，PAS:APAM取100:1，PAS取40~300 mg/L，APAM取0.4~3 mg/L时，可以得到浊度、总化学需氧量（TCOD）等污染物的最佳去除效果。TCOD的去除以颗粒态化学需氧量（PCOD）为主，溶解性化学需氧量（SCOD）去除率较低。上述优化条件下，浊度、TCOD、SCOD、PCOD的最高去除率分别为98.5%、93.7%、24.3%和99.7%。研究表明，混凝-絮凝处理雨天溢流污水的机制主要包括电中和、吸附架桥、卷扫网捕作用，且加药后体系Zeta电位为-10 mV左右可以达到污染物最佳去除效果。
利用环形水槽模拟管道原位混凝-絮凝过程，固定PAS用量为80 mg/L，APAM用量为0.8 mg/L，研究不同参数对管道原位混凝-絮凝效果的影响。结果表明，固定流速为1.13 m/s时，传输距离400 m左右可以实现浊度、TCOD、TP等污染的高效去除，沉淀3 min即可达到最好的沉降效果（图8），远低于类似研究所需25 min以上的沉淀时间，主要原因是管道沉积物中的大量颗粒物可以起到负载物的作用，加快絮体沉降。
对比不同流速下污染物的去除效果，结果表明，过低流速（0.51 m/s）下各污染物去除率普遍较低，原因是过低流速下，管道中紊流强度小，药剂与污水无法实现充分混合反应。中高流速（0.81~1.80 m/s）下污染物去除率保持高值，一是因为中高流速下紊流强度大，药剂与污水混合反应充分；二是因为在固定传输距离时，管道流速与混合反应时间成反比，二者能够效果互补，实现中高流速范围内污染物的高效去除。
针对不同污染物浓度的研究发现，浊度、TP、PCOD在低浓度下去除率略低，原因是研究中固定的药剂用量偏大，低污染物浓度的污水体系发生电荷反转，不易形成絮体沉降被去除；而中高浓度，即浊度为186.3~701 NTU，PCOD为284~884 mg/L，TP浓度为3.42~5.88 mg/L时，污染物去除率均大于95%。
基于上述烧杯试验和环形水槽模拟试验，论证了管道原位混凝-絮凝具有处理雨天溢流污水的可行性。该技术对于溢流污染末端控制、水环境改善具有重要的应用价值和积极意义，驻点团队目前正在中心城区排水系统谋划中对该技术进行实证研究和示范应用。
4.结语
长江中下游城市普遍存在排水系统提质增效问题，成为制约城市水环境长效改善的关键瓶颈。本研究以长江生态环境保护修复马鞍山驻点城市为案例，在慈湖河水系精准控源截污和雨天排放污染控制等方面，开展了4项关键技术研究：1）建立基于网格化监测的排污口溯源方法，实现低成本、高效率确定排污口排查的重点河段；2）基于蒙特卡洛-化学质量平衡模型，耦合管网水动力模型和优化算法，实现混接和破损点的精准定位，识别慈湖河主要排区雨水管道混接量和地下水入渗量，绘制混接风险和入渗风险地图；3）综合考虑降雨特征、前期晴天数、管道沉积物、混接污水等多因素影响，构建“雨水汇流—管道运输—沉积冲刷”溢流污染模型，建立水质和水量动态过程线，优化调蓄池设计，提高污染物的截留负荷；4）提出并探究了管道原位絮凝的溢流污染高效控制技术的可行性和主要控制参数，实现浊度、COD、TP的高效去除。驻点研究工作为进一步提升长江中下游城市水环境综合治理成效提供了科技支撑。
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