專家視角｜徐祖信院士：城市排水系統提質增效關鍵技術研究——以馬鞍山市為例
為貫徹習近平總書記關于長江經濟帶“共抓大保護，不搞大開發”的重要指示精神，落實《長江保護修復攻堅戰行動計劃》，生態環境部組織開展了長江生態環境保護修復駐點跟蹤研究工作，深入一線進行駐點研究和技術指導，服務地方政府水污染防治的科學決策與精準施策。同濟大學牽頭組建馬鞍山市駐點工作組，在馬鞍山市政府和各相關部門支持協作下，重點針對馬鞍山市中心城區水環境質量改善面臨的突出問題，圍繞精準控源截污和雨天排放污染控制等方面，開展城市河流水系水質提升關鍵技術研究，為慈湖河小流域水環境治理項目提供技術支撐，在多方共同努力下，成功消除了城市水體黑臭，河流水質得到穩定改善。2019年11月，韓正副總理視察馬鞍山市期間，對馬鞍山市水環境保護工作取得的成效給予高度肯定；2020年8月，習近平總書記視察馬鞍山市時，提出了打造安徽的“杭嘉湖”、長三角的“白菜心”新發展定位。
1. 長江中下游城市水環境治理的瓶頸問題
現階段，城鎮環境與市政基礎設施建設趨于完善，但城市水環境仍面臨較多問題。研究表明，長江中下游城市污水管網覆蓋率、污水處理率高達90%以上，但是城市河流仍然面臨雨天反復污染問題。主要體現在：1）排水管網錯接和破損，導致雨水和地下水嚴重擠占污水管網輸送容量，造成末端的污水處理廠進水濃度不高。有些雨水管道接入污水管網，導致污水處理廠雨天進水量明顯增加，暴雨時甚至發生漫流并超標排放。污水管道破損嚴重，導致地下水（占比高達28%~40%）進入污水管道。2）排水管網雨污混接，導致污水直排河道，管網截污效率低。相關研究表明，長江中下游城市排水管網雨污混接比例平均約為26%，最高可達70%。雨水管道晴天流速較低，污染物沉淀，下雨時沉積物隨雨水排入河道，造成污染。3）為了確保城市防洪安全，當降水產生的徑流量超過合流管網輸送容量時，合流管網發生污水溢流。合流管網晴天流速低，污染物沉積嚴重，尤其是遠距離輸送的合流管道，近1/3的顆粒態污染物沿程沉積；而雨天沉積污染物受管道匯流雨水沖刷泛起，形成“零存整取”的污染效應，對河道造成沖擊性污染。目前，多數城市河道雨天反復污染甚至黑臭，與合流管網雨天污水溢流相關。因此，城鎮排水管網錯接和破損、管網混接以及溢流污染是我國長江中下游城市水環境治理面臨的瓶頸問題，是我國城鎮化進程中產生的獨特問題，也是發展中國家城市水污染的共性問題。該瓶頸問題在歐美國家城市河流污染治理經驗中無先例可循，其有效解決直接關系到治理城市黑臭水體的成效以及水污染治理攻堅戰的成敗得失。為此，針對城市排水系統提質增效關鍵技術，開展自主創新研發至關重要且意義深遠。
2.研究區概況與主要水環境問題
2.1 研究區概況
馬鞍山市位于安徽省最東部，橫跨長江兩岸，屬長江中下游沖積平原的蕪湖—馬鞍山丘陵水網平原區。現轄3縣（含山縣、和縣、當涂縣）3區(花山區、雨山區和博望區），面積為4 049 km2，全市人口為229.14萬人，城鎮化率為69.12%，2020年地區生產總值為2 186.9億元。馬鞍山市河道縱橫，湖泊眾多，溝塘密布，水域總面積約360 km2。長江是馬鞍山市最大的過境水體，其他主要城市內河包括慈湖河、雨山河、采石河、姑溪河、得勝河等，均匯入長江干流。
2.2 主要水環境問題分析
“十三五”期間，馬鞍山市地表水水質總體呈改善趨勢，2020年，5個國控斷面年均水質達標率為100%，但部分省控斷面（如慈湖河等）月均水質不能穩定達標，尤其是雨天水質污染問題較為突出。慈湖河是馬鞍山市境內最長的入江河流，全長約26.1 km，流域面積為124.8 km2，共有36條支流水系，主要由上游洋河和慈湖河水系構成。慈湖河水系流經城市主要建成區，經過多年治理，已建成較為完善的環境基礎設施和防洪排澇系統，沿線已建成14個排澇泵站、3座城鎮污水處理廠和1個城鎮污水處理廠尾水處理濕地。
通過駐點團隊調研發現，慈湖河水系水環境治理面臨的主要問題如下：1）上游向山鎮區排水系統建設不完善，部分旱季污水雨天直排洋河，沿河生活污水未經處理直接或間接排入洋河，影響下游慈湖河水質。2）慈湖河是雨源型河流，生態基流嚴重匱乏，現狀水源主要是污水處理廠尾水經過濕地深度處理后實施的干流補水；慈湖河支流已建泵閘，雨季防洪排澇導致支流雨天排放污染嚴重，水質惡化明顯。3）慈湖河水系主要建成區涉及16個排水片區，據初步調查，中心城區90%以上的分流制管網存在不同程度的混接，雨天初期雨水污染嚴重。4）慈湖河區域內地下水和雨水進入污水管道問題突出，污水處理廠進水濃度偏低，其中化學需氧量（COD）和氨氮平均進水濃度僅為78 和5.6 mg/L。慈湖河下游省控斷面水質為GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類~劣Ⅴ類，水質穩定改善任務迫切。
3.城市排水系統提質增效技術研究
3.1 基于網格化監測的排污口溯源方法
城市水環境治理的首要措施是識別和控制污染源，排污口調查與整治是提高污染物截流能力的基礎性工作，其中水下排污口肉眼無法直接可見，是調查工作的難點。近年來，我國各地在排污口排查方面投入較大，水下機器人、熱成像儀等被運用于隱蔽排污口的探測排查，但操作復雜，夜間難以實施。由此，提出基于河流網格化水量水質監測的排污口溯源方法，其特點是水量水質監測不需要水下作業且可在1 d內不同時段實施靈活性的動態監測，并與反問題方法相結合，實現對污染物排放的定量解析，確定排污口調查的重點河段。網格化水量水質監測與排污口溯源示意如圖1所示，河段斷面濃度計算公式如下：
式中：C2為第2個河段斷面污染物濃度，mg/L；C1為第1個河段斷面污染物濃度，mg/L；Ce2為第2個河段排污口污染物排放濃度，mg/L；Qe2為第2個河段排污口排放水量，m3/s；QT2為第2個河段支流入流水量，m3/s；Q12為第1個河段出流水量，m3/s；Q23為第2個河段出流水量，m3/s；V2為第2個河段的體積，m3。
若采用保守型水質指標（如氯離子），則不需要考慮污染物在河流中的降解量，可進一步簡化污染物降解參數K2，相應技術流程如圖2所示。
以慈湖河干流為例，開展基于網格化水量水質監測的污染物溯源解析研究。于2021年9月24—25日（旱天期間），在慈湖河中上游流經城區6.8 km長的河段（入秀山湖口—橋山路與慈湖河路交叉口）布設7個監測點位（1#~7#），對流速、水位和水質（氯化物濃度）進行監測。其中，流速、水位監測在白天進行，每個點位每天檢測3次，水質指標采樣頻次為4 h/次，每個點位連續監測24 h。
基于各斷面流量和氯化物濃度監測數據（圖3），確定7個監測點位每日的氯化物通量分別為4 275、6 710、18 317、30 544、36 440、36 820和41 861 kg/d。計算以7個點位劃分的6個河段氯化物負荷增加量和流量增加量的比值，結果表明，6個河段的氯化物負荷增量分別為49.1（1#~2#點位）、54.7（2#~3#點位）、85.8（3#~4#點位）、262.0（4#~5#點位）、83.9（5#~6#點位）、92.9 g/m3（6#~7#點位）。其中4#~5#點位之間河段的氯化物負荷增加遠高于其他5個河段，這與高氯化物濃度的污水排放有關，因此可確定4#~5#點位之間為排污口溯源排查的重點河段，而其他河段的氯化物負荷增加主要與污水處理廠尾水補充有關。
3.2 雨水管網混接、破損診斷技術
確定雨水管網混接、破損的具體位置是排水系統提質增效的重點。雨水管網水流情況復雜，受諸多不確定性因素影響，目前閉路電視物理檢測和定位的方法費用昂貴、人力效率低下，且識別精度較差。因此，基于數值模型與管網非開挖檢測，建立雨水管網混接、破損反演定位技術，可以低成本、高效率地開展雨水管網混接、破損定位。如何用較簡單的反演算法與最少的管網監測點精準定位到混接破損點是本技術的核心難點。
基于水質特征因子構建蒙特卡洛-化學質量平衡模型，確定管網污水混接、地下水入滲量，診斷雨水管網總體混接、破損情況。在此基礎上，通過耦合管網水動力模型和優化算法，構建雨水管網混接破損反演優化模型，對節點流量進行解析，實現問題點的精準定位。以慈湖河X排區為示范區域，開展雨水管網混接破損精準定位研究。X排區是分流制排水體制，市政主干管雨水管道總長6.61 km，雨水管網覆蓋面積約1.49 km2。在X排區雨水管網中布設18個關鍵節點進行水位、水質（氨氮、總硬度）監測，監測時間為2020年8月4日08:00—17:00，前期晴天數為5 d，監測頻次為3 h/次。根據監測點布設情況，將X排區雨水管網劃分為6個子片區〔圖4(a)〕，分別采用氨氮、總硬度表征生活污水、地下水，建立水質特征因子基準濃度庫。根據管網的入流、出流搭建化學質量平衡模型，采用蒙特卡洛算法計算雨水管網總體的日平均混接流量及日平均地下水入滲流量〔圖4(b)〕，以判斷雨水管網總體混接、破損情況。雨水管網的不同區域混接、入滲分布不均勻，其中子片區2、3是混接、破損的重點區域，其管網長度占排區總長度的16%，但混接污水量占全排區污水量的80.7%，地下水入滲量占全排區入滲量的59.0%。
為進一步確定生活污水混接和地下水入滲的具體點位，研究建立耦合管網水動力模型和優化算法的雨水管網混接破損定位模型。基于X排區內雨水管道、檢查井、截污泵站的基本參數，采用SWMM模型軟件構建了X排區雨水管網水動力模型，旱天雨水管網模型的外部入流由污水混接量、地下水入滲量2種類型組成。同時，采用二次開發模塊PySWMM對于雨水管網水動力模型進行控制，在管網總體混接、入滲流量的約束條件下，利用MGA算法對管網各節點外部入流量進行自動分配，并以關鍵節點模擬水位與監測水位的均方根誤差為目標函數，衡量節點外部入流量分配方案的優劣，直至獲得最小目標函數下的最優解，從而實現混接、破損定位。MGA算法中設置種群大小為50，迭代代數為200，交叉率為0.005，整個自優化過程迭代計算10 000次。
計算得到管網各節點混接、入滲流量數值呈現一定的聚集性規律，并且形成了特定點位流量聚集區。依據流量值的聚集程度，評估混接、入滲風險并繪制地圖如圖5所示。由圖5(a)可知，模型定位出A1、A2為混接高風險區域，區域混接總量為397.38 m3/d，約占全管網混接總量的77.8%，節點的混接水量為6.49~34.13 m3/d，紅、藍色標記節點為重點混接節點，需要優先進行混接改造。由圖5(b)可知，B1、C1、D1片區為定位的地下水入滲高風險區，區域地下水入滲總量為587.75 m3/d，約占總管網入滲水量的87.2%，片區各管段入滲水量為2.06~40.06 m3/d，黃色和深藍色標記管段為重點入滲管段，需要優先進行管道修復。
3.3 基于多因素影響的“濃度-體積”優化調蓄設計方法
調蓄池是初期雨水污染控制的有效手段之一，調蓄池容積設計方法主要考慮截留的雨水量。但對于存在污水混接的雨水系統，污染物在管道中旱天累積雨天沖刷，溢流污染嚴重；而且，排水管網末端排放濃度過程線受降雨特征、前期晴天數、管道沉積物、混接污水等多因素協同影響，雨天溢流污染濃度動態變化復雜，因此僅考慮水量的調蓄容積設計方法不能有效截留高濃度溢流污水。目前我國部分建有調蓄池的排水系統，雨天仍有高濃度溢流污染排放，河道水質雨天頻現黑臭，不利于河道水環境質量改善。另外，城市集聚區人口多、污染來源復雜，排水系統初期雨水污染更為嚴重，且土地資源緊張，調蓄池設計更應注重經濟效益與環境效益。如何基于河道水環境目標，提高調蓄池溢流污染截流效率，結合污染物濃度優化調蓄池設計方法是有效控制溢流污染的難點。
采用SWMM模型構建“雨水匯流—管道輸運—沉積沖刷”溢流污染模型，建立基于多因素影響的“濃度-體積”優化調蓄設計方法，對傳統調蓄方法進行優化，提升調蓄池的調蓄效率與效益。首先，建立排水系統的污染負荷平衡關系〔式（2）〕，根據降雨徑流及溢流污染監測數據計算雨天溢流污染中沉積物事件平均濃度，計算公式如下：
式中：W1為混接污水的負荷，kg；W2為雨水徑流流入排水管道的負荷，kg；W3為地下水入滲的負荷，kg；W4為管道沉積物的負荷，kg；W5為排水系統末端雨污混合水污染的負荷，kg；W6為排水系統截流泵截流的負荷，kg；W7為調蓄設施儲存的負荷，kg；EMC為雨天溢流污染中沉積物事件平均濃度，mg/L；Q為雨天溢流水量，m3。
其次，基于SWMM模型構建“雨水匯流—管道輸運—沉積沖刷”溢流污染模型，通過區域晴天和雨天排水系統末端溢流濃度、降雨徑流濃度監測數據，率定驗證模型參數，提升溢流污染模擬精度。最后，通過設計典型降雨，模擬不同前期晴天數下末端排口水質和水量動態過程線。根據水環境質量目標界定最大排放濃度，確定水質水量過程線中污染物濃度高于目標截流濃度的時間段（T1~T2），根據流量過程線在T1~T2積分得到該曲線與時間軸圍成的面積，即截流水量，從而確定雨水調蓄池的容積（圖6）。與傳統調蓄設計方法相比，基于多因素影響的“濃度-體積”優化調蓄設計方法能夠在同等調蓄體積下截留高濃度初期雨水，提升調蓄池污染物去除效率，減少初期雨水對河道的污染。
基于上述研究方法，以馬鞍山慈湖河片區XHC排區為研究區域，開展雨水調蓄池的優化設計研究 。馬鞍山慈湖河XHC排區為分流制排水體制，匯水面積為2.30 km2。根據現場實測，雨天泵站排放COD、氨氮濃度最高達77和14.2 mg/L，明顯高于地表水Ⅴ類水質標準限值。通過模擬不同前期晴天數下末端雨水排口排放水質和水量過程線，確定不同截流濃度閾值下實時調蓄控制對應的調蓄池體積（圖7）。隨著前期晴天數的增加，初期沖刷效應越強，峰值污染物濃度隨之增大，前期晴天數為3、6和9 d時對應的COD峰值約為84、104和118 mg/L。當截流COD閾值為40 mg/L，前期晴天數為3、6和9 d時所對應的調蓄池體積分別為8 918、9 992和10 438 m3，削減的污染負荷分別為601.8、790.6和915.0 kg。當截流COD固定時，隨前期晴天數增加，調蓄池體積增大。此外，參考GB 3838—2002的Ⅴ類水質標準、GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A和一級B標準，選擇COD分別為40、50和60 mg/L作為截流閾值，當前期晴天數為3 d時，所對應的調蓄池體積分別為8 918、7 587和6 246 m3。隨著截流COD閾值降低，調蓄池體積顯著增加，更低的截流閾值對應更大的調蓄容積。與傳統調蓄方法相比，相同調蓄體積下，“濃度-體積”優化調蓄設計方法溢流污染截留負荷得到明顯提升。
3.4 排水系統溢流污染高效控制技術
合流制排水系統溢流污染是河道雨天污染的重要原因。混凝-絮凝作為一種高效的處理方法，在雨天溢流末端處理中能夠有效削減污染負荷，但仍存在耗時長、占地面積大等問題。因此，提出混凝-絮凝原位處理技術，利用排水管道的管段完成混凝-絮凝過程，實現溢流污水的高效快速處理。
管道原位混凝-絮凝的基本原理是通過檢查井向管道中投加混凝劑、絮凝劑，進行混凝-絮凝反應，利用管道內的空間和水體流動產生的水力條件以及沖刷沉積物產生的湍動、明滿流交替時產生的湍動等實現混凝劑、絮凝劑與雨污水的充分反應，再通過沉降實現固液分離，完成混凝-絮凝及沉淀過程。混凝-絮凝處理后大量污染物隨污泥沉降至沉淀池底部，上清液則通過水泵泵入河道，從而降低溢流污水中的污染物濃度。降雨過后再將沉淀池污泥收集轉運至污水處理廠進行無害化處理處置。
通過燒杯試驗確定混凝-絮凝常用參數。篩選確定混凝劑選用聚合硫酸鋁（PAS），絮凝劑選用陰離子聚丙烯酰胺（APAM），通過控制變量法確定PAS和APAM的用量、比例及投加方式。試驗結果表明，PAS和APAM先后間隔投加，PAS:APAM取100:1，PAS取40~300 mg/L，APAM取0.4~3 mg/L時，可以得到濁度、總化學需氧量（TCOD）等污染物的最佳去除效果。TCOD的去除以顆粒態化學需氧量（PCOD）為主，溶解性化學需氧量（SCOD）去除率較低。上述優化條件下，濁度、TCOD、SCOD、PCOD的最高去除率分別為98.5%、93.7%、24.3%和99.7%。研究表明，混凝-絮凝處理雨天溢流污水的機制主要包括電中和、吸附架橋、卷掃網捕作用，且加藥后體系Zeta電位為-10 mV左右可以達到污染物最佳去除效果。
利用環形水槽模擬管道原位混凝-絮凝過程，固定PAS用量為80 mg/L，APAM用量為0.8 mg/L，研究不同參數對管道原位混凝-絮凝效果的影響。結果表明，固定流速為1.13 m/s時，傳輸距離400 m左右可以實現濁度、TCOD、TP等污染的高效去除，沉淀3 min即可達到最好的沉降效果（圖8），遠低于類似研究所需25 min以上的沉淀時間，主要原因是管道沉積物中的大量顆粒物可以起到負載物的作用，加快絮體沉降。
對比不同流速下污染物的去除效果，結果表明，過低流速（0.51 m/s）下各污染物去除率普遍較低，原因是過低流速下，管道中紊流強度小，藥劑與污水無法實現充分混合反應。中高流速（0.81~1.80 m/s）下污染物去除率保持高值，一是因為中高流速下紊流強度大，藥劑與污水混合反應充分；二是因為在固定傳輸距離時，管道流速與混合反應時間成反比，二者能夠效果互補，實現中高流速范圍內污染物的高效去除。
針對不同污染物濃度的研究發現，濁度、TP、PCOD在低濃度下去除率略低，原因是研究中固定的藥劑用量偏大，低污染物濃度的污水體系發生電荷反轉，不易形成絮體沉降被去除；而中高濃度，即濁度為186.3~701 NTU，PCOD為284~884 mg/L，TP濃度為3.42~5.88 mg/L時，污染物去除率均大于95%。
基于上述燒杯試驗和環形水槽模擬試驗，論證了管道原位混凝-絮凝具有處理雨天溢流污水的可行性。該技術對于溢流污染末端控制、水環境改善具有重要的應用價值和積極意義，駐點團隊目前正在中心城區排水系統謀劃中對該技術進行實證研究和示范應用。
4.結語
長江中下游城市普遍存在排水系統提質增效問題，成為制約城市水環境長效改善的關鍵瓶頸。本研究以長江生態環境保護修復馬鞍山駐點城市為案例，在慈湖河水系精準控源截污和雨天排放污染控制等方面，開展了4項關鍵技術研究：1）建立基于網格化監測的排污口溯源方法，實現低成本、高效率確定排污口排查的重點河段；2）基于蒙特卡洛-化學質量平衡模型，耦合管網水動力模型和優化算法，實現混接和破損點的精準定位，識別慈湖河主要排區雨水管道混接量和地下水入滲量，繪制混接風險和入滲風險地圖；3）綜合考慮降雨特征、前期晴天數、管道沉積物、混接污水等多因素影響，構建“雨水匯流—管道運輸—沉積沖刷”溢流污染模型，建立水質和水量動態過程線，優化調蓄池設計，提高污染物的截留負荷；4）提出并探究了管道原位絮凝的溢流污染高效控制技術的可行性和主要控制參數，實現濁度、COD、TP的高效去除。駐點研究工作為進一步提升長江中下游城市水環境綜合治理成效提供了科技支撐。
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