清华大学环境学院刘艳臣：城市排水系统运行效能关键影响因素分析
慧聪水工业网随着城市黑臭水体治理任务的迅速推进，近年我国城市排水管网建设和污水治理设施逐步得到完善，而城镇排水管网溢流所造成面源污染控制问题，也逐渐凸显为城市水环境质量达标的重要影响因素，管网溢流问题所导致的反复黑臭、治而不愈现象比较突出，管网溢流问题也是城市排水系统运行效能低的重要表现。
排水系统运行效能低还表现为污水厂进水浓度低，进而导致污水厂的有效污染物去除总量低，这也致使整个污水系统的污染物有效收集处理率变低。从下图结果可以看出，污水厂进水浓度变低这一现象（南方某市）是从十多年前就已呈现，而当时正处于排水管网与污水处理厂发展建设的快速发展阶段，同时也是污水厂要求一级A提标改造的窗口期，当时污水厂工艺升级和污水厂出水达标更受关注，而污水厂进水浓度的变化直到近年才逐渐引起重视。进水浓度的变化既体现平均水平的逐年下降，也表现为雨季影响的季节性波动特征。
污水厂进水浓度低这一现象十分普遍，据2017年全国污水厂监督性检查数据结果显示，我国50%以上污水厂存在进水COD浓度低于150mg/L的现象，且南北方不同流域地区污水厂均存在这一现象，污水厂进水浓度低、排水系统污染物收集率低，已成为影响城市排水系统实现高效率污染物去除的重要因素。
在排入管网的污染物总量未减少的前提下，污水厂进水浓度低的原因大体上主要为外来水进入管网的稀释、污水输移过程的溢流排放和管网内部可能存在的污染物降解几个方面。
污水管网的入流入渗是导致外来水进入管网的主要途径，而排水管网的管道破损、错接以及不同类别的混接乱接是导致管网入流入渗发生的重要原因。管网多源入流入渗（河水倒灌、山水渗入、地下水入渗等）过程首先导致进入管网外来水量增加，尤其是降雨条件下的入流入渗过程会导致水量瞬间增加几倍甚至几十倍，这个过程会直接造成污染物浓度的稀释，同时也导致污水管网液位瞬间上升而造成溢流事件的发生。
多雨季节因入流入渗所导致水量增加使得污水厂处理能力严重不足（大多仅能以旱流设计污水量运行），这就导致上游污水管网水位长时间处于高水位运行，长期的高水位运行既会增加管网溢流的发生风险，同时还会导致全管网系统内的污水流速过低（甚至有倒流情况发生），过低流速条件下会使得污水中颗粒性有机物在管网内发生沉淀，同时因水力停留时间延长而进一步加剧了碳源在管网内损耗。多源入流入渗水的直接稀释作用、以及管网内水量超载过程加剧有机物损耗的间接作用同步造成了雨季污水厂进水浓度的波动、污水厂进水污染物浓度降低和碳氮比失调的现象。
管网入流入渗过程一般发生在生活小区内管网和市政主干管网两个源头，主要包括地下水导致入流入渗和降雨过程所导致入流入渗两部分组成，不同来源入流入渗过程所表现特征也存在较显著的差异。
一般地下水入流入渗过程主要由管道破损、错接及检查井裂缝所致，其中，地下水所导致入流入渗过程相对速率较慢，总量相对不大。管网入流入渗过程随着时间和区域会有比较显著的差别，德国有些区域只有4%，大部分区域的入流入渗量在旱季污水量的40%以下。相比之下，我国不同地区的污水管网地下水入流入渗情况差异较大。
通过实际测试，我国北方某市污水管网上游区域地下水入流入渗量为旱季污水量的20%、而下游管网区域则上升到60%；南方某市污水管网上游区域的地下水入流入渗量即可高达50%（均以夜间最小流量法估算）。而降雨过程所导致入流入渗则则严重得多，北方某市排水管网测试结果近20mm的降雨过程所导致管网最大入流入渗水量为旱流水量的7倍，管网液位短时间内上升近10米；南方某市某区域排水管网仅在10mm左右降雨过程即可导致管网澭水甚至倒流情况发生，估测发生实际最高入流入渗水量高达旱流水量的近6倍。
高入流入渗率发生的管网区域，很容易因管网倒坡、堵塞、下游输送处理能力不足等问题导致管网高水位运行，处于这种状态管网在降雨过程很容易出现澭水、倒流等管网异常运行现象，进而也会导致管网隐形溢流情况（暗管排口溢流、混接雨水管溢流）的发生。这部分被隐形溢流的污水量就会被贡献为未能有效收集的污水，这也是有些区域污水管网运行效能低、污水管网有效污染物收集率低的重要原因之一。
污水管网多源入流入渗过程直接导致管网水量水质变化和波动，除水量上升导致溢流事件发生外，管网的水质也受到较大的波动影响。如下图所示，南方某市2008年-2015年期间代表性时间段不同管网区域（生活小区出口、污水泵站、污水厂进水）的长期水质监测结果（每次监测持续一周连续24小时多点同步采样），图中可以看出整体污水系统水质均较为严重受到管网入流入渗过程影响，不管是污水厂进水、泵站还是上游管网区域雨季水质普遍显著低于旱季水质。
此外，从图中结果也可以发现，管网泵站的平均水质情况基本与污水厂进水相当，而小区出水的平均水质情况明显高于污水泵站的平均水质情况，这说明该测试区域管网的污水泵站上游的市政主（支）干管网普遍存在较为显著的外水入流（山水、地下水入渗、河水、潮汐倒灌等）情况，而相比较有机物的相差倍数要高于氨氮浓度差值，这也说明了主干管内会存在一定程度的有机物颗粒沉积降解的问题，造成有机碳源的损失。同样观察小区水质变化情况，雨季与旱季的水质变化也十分明显，除了季节用水特征对水质浓度影响外，小区内混接管网由降雨所导致的管网入流入渗情况也比较明显，从有机物与氨氮的差异倍数也可以看出，小区管网内也存在较为显著的有机物颗粒沉淀降解消耗的问题。
市政污水干管的混接错接以及溢流口管理不足等问题，均会导致降雨过程、河水倒灌、潮汐倒灌、山水入渗等入流入渗过程发生，污水管网水力负荷大幅提高，水质浓度被严重稀释降低，加剧潜在的干管溢流风险。除市政主干管网溢流口倒灌、破损漏渗、混接错解等导致的入流入渗外，建筑小区范围内的污水管网由于结构不合理、私接乱接严重等问题，也会造成小区管网源头的严重入流入渗情况。
建筑小区污水支管与市政污水干管存在复杂的交互影响关系，降雨过程小区管网入流入渗会大幅提高下游市政主干管网的水力负荷，下游干管排水能力不足情况下也会破坏小区排水管网水力条件，小区管网排水流速降低，甚至会导致了小区管网严重澭水现象，而建筑小区管网排水水力条件恶化，一方面导致小区管网出现潜在分散溢流问题（雨水口或污水口），另一方面也会大幅加剧小区管网内颗粒性碳源的沉积和损耗。
我国建筑小区污水管网相对建设质量较差、管道结构混乱、管理维护不足，也是导致污水排放源头碳源损耗的重要原因。在小区范围排水水量相对较少，且多为间歇性排水过程，而相对粗放的管网结构使得小区内管网水力条件较差，远远不能达到应用的冲刷条件要求，同时小区范围内排放源头有机物的颗粒性比例较高，相对较差的水力条件进一步促进了小区范围内碳源有机物的沉积损耗，若小区同时存在化粪池或者格栅类构筑结构，则会更进一步加剧碳源的损耗。某小区为例进行实际现场测试，小区范围内的碳源损耗甚至可达50%。
总而言之，建筑小区排水管道、市政排水管网的建设管理粗放、混接乱接严重等所导致的污水管网多源入流入渗过程，在提高污水管网水力负荷、稀释管网内水质浓度、提高管网溢流发生风险的同时，还会恶化管网运行水力条件、加剧管网内颗粒性碳源沉积损耗，是导致我国某些地区污水管网污染物有效收集率低、污水厂进水浓度低、污水厂进水碳氮比失衡的重要影响因素。
