1 工程概况

南湖位于武汉市南部，蓝线围合面积7.67km²，平均水深2.7m，库容约2 052万m³，是武汉市仅次于汤逊湖、东湖的第三大城中湖，周边以居住和教育科研用地为主，流域内初高中学校11所，高等院校26所，总人口59.4万人（见图1）。排水体制采用分流制^[1]。由于土地开发强度大，在入湖城市污水被截流收集处理后，雨水径流污染成为南湖主要污染源。

图1 南湖汇水区域位置   

Fig.1 Location of South Lake catchment area

随着城市中不可渗透表面比例的增长，雨水径流污染愈加严重；同时沥青油毡屋面、沥青混凝土道路、融雪剂、农药等的使用令径流雨水中含有大量有机物、病原体、油等污染物，城区雨水净流污染占水体污染负荷比例高达10%～20%^[2]。对于分流制系统，初期雨水污染尤其严重，部分污染物接近甚至超过污水厂的进水水质^[3]。这部分径流的直接排放，给地表水造成了巨大污染，因此对初期雨水进行处理是改善城市水体水质的重要手段。

为科学化、系统化提升南湖水环境，武汉市于2019年启动南湖水环境提升工程，旨在对南湖点源、面源、内源污染进行全面分析并提供系统化解决方案，入湖雨水处理是重要内容之一。作为面源解决方案，南湖初雨收集管道及雨水处理厂服务范围为南湖北部及东部汇水区，总范围约21.8km²汇水面积范围内的初期雨水。

2 初期雨水处理厂建设规模、设计水质及工艺流程

2.1 雨水处理厂设计控制目标及处理规模

规划要求本工程控制目标为八大雨水排口全年开闸次数控制在10次以内，TSS总控制率≥75%,COD总控制率≥80%。

而按开闸次数作为控制目标，主要出于以下考虑：(1)汇水区开发强度大，下垫面硬化比例高，缺乏沿程分段收集初期雨水的建设条件，只能截流沿湖雨水排口初期雨水，集中调蓄处理；(2)由于汇水纵深大，起端至排口雨水径流时间长，初期雨水污染的时间效应不明显；(3)按径流深度控制不一定能截流所有的初雨，尤其是起端的污染初期雨水；(4)根据规划要求，雨水处理厂规模为25万m³/d，采用InfoWorks ICM模型，根据现状地形、管网、排口闸站运行调度、泵站运行调度、历年日降雨量及降雨频次等参数资料，在沿湖排口开闸次数不超过10次、同步集蓄处理的前提下，确定均质、调蓄容积为9万m³;(5)以上调蓄池容积折合调蓄6mm降雨量雨水。根据2017年武汉典型年降雨量及频次分析，降雨强度小于等于6mm/h的全年累计降雨量约577.40mm，占全年总降雨量的57.91%；场均降雨量小于等于6 mm的场次约39场，占全年降雨次数的44.3%。综合考虑工程经济性、初雨控制效果，确定调蓄量采用6mm是合适的。此外，武汉市海绵城市建设考核指标规定，本区域年径流总量控制率大于65%，南湖汇水范围内综合考虑源头海绵设施与末端初雨调蓄后整体年径流总量控制率可达到要求。故经综合考虑，将沿湖排口开闸次数定为10次。

2.2 雨水处理厂设计进水水质

根据南湖排口实测数据见表1。因武汉尚未有雨天溢流污染消减设施建成运行，无相关工程数据参考，为确定本项目雨天溢流污染消减设施进水水质，根据南湖区域某污水处理厂2017年实际进水水质全年逐日检测数据为基础，进行了全年主要水质指标涵盖率数理统计分析，结果见表2。经综合确定初雨厂设计进水水质为COD 240 mg/L、TP3mg/L、SS 150mg/L。

2.3 雨水处理厂与污水处理厂联合调度方案

雨水处理厂与污水处理厂联合调度方案见图2。

(1）调度方案1：旱季及初小雨/旱季错接污水。现有区域污水处理厂设计规模为30万m³/d，总变化系数为1.3，设计出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标准。为最大化利用现状污水处理厂的环境效益，旱季错接污水及小（初）雨水（分流制中混接、错接污水）将优先进入龙王嘴污水处理厂进行处理；不启用初雨调蓄池及初雨处理设施。

表1 南湖排口水

Tab.1 Water quality of South Lake outlet

质

表2 南湖区域某污水处理厂进水水质

Tab.2 Influent water quality of a sewage treatment plant in the South Lake area

图2 雨水与污水处理厂联合调度方案   

Fig.2 Joint dispatch scheme of rainwater and wastewater treatment plant

(2）调度方案2：中小雨及中雨。雨天时，由于初期雨水的水质污染负荷较大，优先进入调蓄池进行调蓄储存，并在雨后进入污水处理厂进行处理，出水达到一级A标准后排放。当调蓄池满了之后，启动初雨处理设施，此时雨水进入初雨处理厂进行处理，局部峰值的雨水进入均化池。

(3）调度方案3：中雨、大雨。调蓄池及均化池都已经满了之后，且雨水径流瞬时水量超过初雨处理设施处理量（2.9m³/s）时，超量雨水直接溢流排入长江。

2.4 雨水处理厂设计出水水质

目前我国对雨水处理没有统一的尾水排放标准。若采用二级生化处理，可以达到GB 18918-2002一级B标准甚至一级A标准，但这将导致工程投资高，占地面积大、处理设施闲置率高、雨期启动时间长等问题。因此，合理确定主要染污物及处理程度成为本工程技术经济比选的前提条件。

相关文献对污染物之间相关性的研究表明，COD、TN、TP与SS具有较好的相关性，故本次设计以SS为处理对象并从严控制。综合考虑以上因素并参考国内类似案例设计参数，确定本工程初雨处理设施的设计进出水水质（见表3）。

相关文献对污染物之间相关性的研究表明COD、TN、TP与SS具有较好的相关性^[4]。

表3 雨水处理厂设计进出水水质

Tab.3 Design of the incoming and outgoing water quality of the rainwater treatment plant

除TP无条件按设计出水水质控制外，当实际污染物浓度高于设计进水水质时，按去除率控制；当实际污染物浓度低于设计进水水质时，出水水质按设计出水水质值考虑。

2.5 雨水处理厂工艺流程

初期雨水浓度较高，进入调蓄池通过污水处理厂处理，中后期雨水通过初雨处理厂进行处理。初雨处理厂核心工艺选择，需满足以下3个要求：(1)可满足环保部门要求，达标排放；(2)要能快速启动，以适应雨水处理厂的随机间歇运行方式；(3)处理设施位于城区，需节约用地。

根据以上需求，选择加砂高效池作为初雨厂核心处理工艺。其工艺特点体现在：集混合、絮凝、沉淀于一体，启动速度快，适用于随机间歇方式；由于以微砂为核心形成的絮体沉降速度快，在相同出水水质前提下，可以允许较高的水力负荷，占地面积更小；池内悬浮物浓度可控，抗冲击负荷能力强。

设计的初雨、污泥处理的工艺流程如图3。

图3 初期雨水处理厂工艺流程   

Fig.3 Initial rainwater treatment plant process flow

2.6 雨水处理厂布置

经过综合比选，构（建）筑物采用竖向叠合式布置（见图4）。与水平分开式布置相比，叠合式具有占用空间少、设计紧凑、占用土地资源少的优点，节约的土地可作为将来初雨处理提标用地，主要缺点是施工难度大、建设成本高。

图4 初期雨水处理厂底层及顶层工艺布置   

Fig.4 Process layout of the bottom and top layers of the initial rainwater treatment plant

3 主要构筑物工艺设计

(1）粗格栅及提升泵房。粗格栅土建及设备规模均为17.9m³/s。粗格栅采用移动式抓斗机械格栅，配置2台移动式抓斗，设5道渠道，单个渠道宽3m，栅条间隙25mm，安装角度75°。进水泵房设置4套泵提升系统，根据旱季雨季不同分别提升至龙王嘴污水处理厂、调蓄池、细格栅曝气沉砂池及尾水箱涵。本构筑物用于将进水根据调度方案提升至污水处理厂、调蓄池、初雨处理设施或排江箱涵。

(2）均质池、调蓄池。均质池共1座，有效容积24 000m³，调蓄池共2座，单座有效容积33 000m³。每座设置10个冲洗廊道，采用门式冲洗，辅助水力冲洗翻斗冲洗及三维智能喷射冲洗设备。

设备要求：门式水力冲洗系统：冲洗长度>90m，冲洗污泥厚度>500mm，适用廊道宽度5 200mm；水力冲洗翻斗：冲洗长度>60m，冲洗污泥厚度>800mm，廊道宽度4m，自动倾斜；三维智能喷射冲洗器：270°旋转喷射和上下喷射，冲洗长度>25m。

(3）细格栅及曝气沉砂池。细格栅间与曝气沉砂池合建，共设1座。细格栅间共设6条流道。细格栅采用孔板式细格栅，共6台，单台参数：渠宽B=1 800mm，栅条间隙b=5mm。沉砂池共设1座4格，停留时间：8.44min，水平流速：0.056m/s。设有水平排砂螺杆4套；撇渣装置2套。本构筑物分别用于去除雨水中漂浮物及直径>5mm的固体物质；≥0.2mm无机砂粒、浮渣及部分油脂。

(4）加砂高效沉淀池。设加砂高效澄清池2座，共6格，每格可单独运行。混合池水力停留时间为3.95min，设立式混合搅拌器，直径2.1m，功率均为N=9kW；反应池水力停留时间为8.08min，设反应搅拌器，直径3m，功率N=3kW，配套设置导流筒；沉淀区总有效沉淀面积为471m²，斜管区上升流速为20.6m/h；设6台刮泥机，直径10.8m，功率N=5.5kW。夹砂回流泵回流比6%～9%（视进水TSS而定），设计按8%取值。

(5）斜板污泥浓缩池。设斜板污泥浓缩池1座，共2格，每格可单独运行。混合池水力停留时间为1.77min，设立式混合搅拌器，直径1m，功率均为N=3kW；反应池水力停留时间为9min，设反应搅拌器，直径1.7 m，功率N=4kW，配套设置导流筒；沉淀区总有效沉淀面积为44m²，斜管区上升流速为18.46m/h；设2台刮泥机，直径5.8 m，功率N=0.55kW。本构筑物用于将含固率0.2%～0.5%的污泥浓缩为2%～3%的污泥。

(6）加药间及脱水车间。加药间与脱水车间合建，总建筑面积2 031.16m²。PAC(10%Al₂O₃）投加量：夹砂高效澄清池157 mg/L，污泥浓缩池63mg/L。PAM（聚丙烯酰胺干粉，2%投加浓度）投加量：夹砂高效澄清池0.8～1.2mg/L，污泥浓缩池0.6～1.0mg/L，通过在线流量计的监控，PAM的投加量根据原水流量直接调整。污泥脱水车间湿污泥处理量888 m³/d，脱水后污泥含水率≤60%，运行时间16h，脱水后干污泥量：44.4t/d。

(7）除臭设施及通风设施。对粗格栅及提升泵房、初雨均化池（1座）、初雨调蓄池（2座），细格栅及曝气沉砂池、加砂高效沉淀池、污泥浓缩池、污泥脱水车间臭气的收集，送至离子除臭装置，经除臭设备处理达标后排放。设置6套系统，粗格栅及进水泵房设1套；均质池、细格栅及曝气沉砂池、加砂高效沉淀池（1～4格）共设3套；1#、2#调蓄池各设1套。除臭设施总处理能力合计19.7万m³/h。

4 结语

本工程中对规模控制的关键参数为开闸次数，开闸次数是参考当地其他溢流污染控制工程，经相关部门批复要求确定的。本工程所处区域按规划建设要求应为分流制区域，考虑到南湖汇水区域存在雨污混接情况，本工程需要兼顾污水和初雨的处理。参考美国在20世纪80年代起进行的合流制溢流污染控制经验，认为将溢流频次控制在4～6次比较合理，能够实现环境效益和经济效益的最优。与美国部分城市均匀雨量的特点不同，武汉市年降雨量分布不均，大部分集中在6至10月。参考美国20世纪80年代起进行的合流制溢流污染控制经验，认为将溢流频次控制在4～6次比较合理，能够实现环境效益和经济效益最优^[5]。规划通过综合判断溢流频次对应峰值流量、箱涵设计尺寸、单场最大截留量及环境效益，将开闸次数控制在10次左右。

本工程依据上位规划所确定的雨水厂规模，根据对开闸次数的控制要求复核确定了调蓄池的容积。考虑到武汉市降雨集中的特点，本工程采用较大的雨水处理能力能及时排空调蓄雨水，减少初雨对环境的污染。这种搭配模式采用较小的调蓄池，占地较少，但也存在雨水厂规模偏大、闲置时间长的问题。如何合理搭配雨水厂处理能力和调蓄池调蓄能力，还可根据城市自身气候条件进行进一步的优化。

根据对城市面源污染控制目标及功能需求的理解，以及现场建设条件所设计雨水处理厂，尚属在建项目，其实际运行效果及环境效益还有待观察与评估。但鉴于目前相关设计标准及成功案例乏有的现状，作者还是希望通过本设计案例回顾，能有助于拓展同类建设项目的设计思路，以催生技术经济性更好、实用性更强的工程设计方案。

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马放