近年来, 城市地表水体污染的问题日益严重, 不仅对城市河网水系的生态环境造成了严重破坏, 还极大地影响了城市景观及周边居民的日常生活。据分析, 目前合流制管道雨天溢流 (CSOs) 和雨水径流 (尤其是初期雨水径流) 是城市地表水体污染的主要因素。为了解决CSOs和初期雨水污染问题, 上海建设了大量带有截流功能的雨污水泵站等, 将合流污水和初期雨水截流到污水处理厂集中处理, 在一定程度上缓解了地表水体污染。

然而在雨天, 部分雨水直接或者由于雨污管道混接而间接进入污水管道, 导致污水管网满负荷甚至超负荷运行, 大量雨污混合水被输送至污水处理厂, 大大超过了污水处理厂的处理能力。这部分超出的雨污水通常不经处理紧急放江, 对受纳水体造成的污染也不容忽视。因此, 在短时间内无法对污水处理厂进行彻底地扩容升级改造的背景下, 必须尽快采取其他弥补性措施控制雨水管道的排放污染。因此, 本研究在上海西干线改造工程设计中应用了调蓄处理技术, 这也是该技术在上海地区针对大型管道首次大规模的应用。

老西干线是上海市石洞口区域的城市污水总管, 建于20世纪70年代, 至今已运行40余年, 对于服务范围内的污水收集和污染控制发挥了重要的作用。然而, 随着时间的推移, 老西干线结构老化严重, 渗水现象普遍存在, 严重影响了其功能的顺畅发挥。因此, 2000年上海正式启动西干线改造工程, 该工程中新建1根总管, 废除老管。

历时10余年, 目前新的污水总管已经建成。新西干线全长约25.6km, 规划服务人口151.3万人, 服务范围内规划总水量为64.16万m³/d, 其中蕰藻浜以南规划水量24.18万m³/d, 以北39.98万m³/d。由于蕰藻浜以南地区系统建设年代较早, 雨污混接情况比较严重, 加上截流的初期雨水, 造成雨天西干线水量大幅度增加, 超出下游石洞口污水处理厂的处理能力。

调蓄池通常可以根据位置的不同分为在线调蓄池和离线调蓄池。离线调蓄池在水量的调度、切换和工艺控制上更有优势, 因此在实际过程中应用更为广泛。经过多次实际调查, 结果表明西干线雨天混接主要发生在蕰藻浜以南地区。因此工程设计中结合总管中途提升泵站的设置, 将调蓄处理池设置在了蕰藻浜南岸的新蕰藻浜污水泵站, 并命名为蕰藻浜调蓄处理池。

为了使调蓄池的环境效益最大化, 调蓄池充分利用了新蕰藻浜污水泵站内的空余用地, 有效容积确定为2万m³。

蕰藻浜雨水调蓄处理池采用门式自冲洗系统。门式自冲洗系统原理图如图1所示。该系统利用水力学原理和机械结构上的结合制造而成, 它的冲洗装置设计成门式外形, 调蓄池分割成数条长形冲洗廊道, 廊道的始端设置储水槽和冲洗门, 而廊道的末端设置收集渠 (槽) 。蕰藻浜调蓄池共设置9条廊道, 单根廊道宽度5m, 长度49.8m (包括储水池和冲洗集水坑) 。单格储水池有效容积22.6m³, 廊道坡度1%。

在调蓄池的功能设计方面, 调蓄池主要可分为调蓄-排放和调蓄-处理-排放两大类, 其中前者工艺和功能相对简单, 便于管理, 而后者可以兼顾污染控制的问题, 综合效果更佳。根据调查, 大部分降雨时石洞口污水处理厂的直接过流流量普遍超过2万m³/d, 因此2万m³以内的混合雨污水, 可直接储存于调蓄池中, 对于超过部分, 工程还增设了1套快速处理设施, 调蓄池充满后, 溢流污水通过处理池处理后再排入受纳水体。

蕰藻浜调蓄处理池的快速处理系统采用高效混凝沉淀工艺。根据盛铭军等^[1]对西干线蕰藻浜调蓄处理池工艺技术中试研究, 结果表明在不同气象情况下混凝沉淀处理装置对污水的SS、COD、TP和浊度平均去处率分别可达82%、69%、71%和79%以上。由此可见, 快速处理池的设置可以大大削减混接雨水的污染负荷, 有效减少对受纳河道的污染和破坏。

处理池的设计最大处理能力为1 m³/s。工艺上采用斜管沉淀池, 配合加药混凝沉淀。

快速处理系统的混凝剂采用聚氯化铝 (PAC) , 设计投加量50~100mg/L;助凝剂采用聚丙烯酰胺 (PAM) , 设计投加量0.5~1mg/L。采用DN1 000静态混合器混合。反应池采用机械搅拌, 反应时间约9.6min。

斜管沉淀池设计表面负荷为13m³/ (m²·h) , 有效水深4.8m, 单根斜管长度1m, 60°安装。沉淀池底部找坡, 坡度1%, 坡脚设排泥管 (放空管) 。研究表明^[2], 处理池实际运行时间相对较短, 通常在2h左右, 沉淀池污泥浓度虽然较高 (可达35g/L) , 但污泥回流将延长启动初期污染时间, 反而影响处理效果, 因此不建议进行污泥回流。实际工程设计中沉淀池中污泥在停运后直接排入调蓄池, 最终输送至污水处理厂处理。另外沉淀池设中位放空管1根, 利用沉淀池上清液对调蓄池进行多次冲洗。处理池的剖面见如图2。

蕰藻浜调蓄处理池共设计5个运行模式, 实际运行中根据下游石洞口污水处理厂的进水水量实时反馈调控, 具体模式如下:

(1) 调蓄池进水:当下游石洞口污水处理厂反馈进水超过设计能力, 处理能力不足时, 启动调蓄池进水, 调蓄超负荷水量。

(2) 调蓄池+快速处理池共同运行:当调蓄池充满, 下游污水处理厂仍然超负荷运行, 仍有超负荷水量时, 继续启动快速处理系统, 将过量混合雨污水快速高效沉淀后排入受纳水体。

(3) 调蓄池充满, 处理池停止运行:当系统中总雨污水量逐步下降, 已经低于石洞口污水处理厂的处理能力时, 停止处理池的运行, 调蓄池继续保持充满状态。

(4) 调蓄池排水:当系统的混合雨污水量进一步减少, 石洞口污水处理厂的处理能力出现明显空余时, 将调蓄池储存的水逐步通过西干线输送至污水处理厂。在此过程中, 处理池中的污泥也直接排入调蓄池, 最终输送至污水处理厂处理。

(5) 放空清洗模式:调蓄池和处理池都放空后, 进行反冲洗。反冲洗的污水排入西干线进入污水处理厂处理。

蕰藻浜调蓄处理池在2012年“海葵”台风期间发挥了良好的环境效益, 单次运行的暴雨放江量削减率达到52.0%;单次运行对暴雨放江COD、SS、NH₃-N和TP的削减量可达3 891kg、1 767kg、303kg和44kg^[3], 有效减少了系统的污水溢流量, 发挥了显著的效果。

对蕰藻浜调蓄处理池进行了生产性试验研究认为^[2]:

(1) 当处理池按照设计最大处理能力 (1 m³/s) 进水时, 并不能达到最佳处理效果, 出水SS、COD、NH₃-N、TP平均去除率分别为69%、55%、7%和62%。

(2) 当进水量为设计规摸的70%时, 可以达到处理池的最佳处理效果, 出水SS、COD、NH₃-N、TP平均去除率分别达到77%、68%、11%和75%。

(3) 处理池的启动初期污染效应持续时间约为20min。

(4) 调蓄池污水经过处理后能较大幅度的削减SS、COD、氨氮、TP, 有效控制雨天溢流对水体的污染。

(1) 实际生产运行结果显示, 快速处理池原设计表面负荷13 m³/ (m²·h) 略高, 宜控制在9 m³/ (m²·h) 左右为佳。因此在实际运行中可尽量维持较低的负荷运行, 最大程度削减污染物排放。

(2) 快速处理池需要20 min左右的启动时间, 为减少启动初期的污染效应, 处理池宜增设出水回流管, 将启动初期处理池出水回流至调蓄池。而调蓄池的设计容积宜结合超高考虑该部分回流量的临时存储。