初期雨水就地調蓄處理工程方案

周傳庭，郭葵香，趙國志

(1. 上海市城市建設設計研究總院<集團>有限公司，上海 200125；2. 同濟大學環境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

1 工程背景

湖溪河是武漢市喻家湖入湖支流之一，南起珞瑜東路，北至喻家湖，全長為1.53 km，貫穿華中科技大學東校區，如圖1所示。湖溪河沿線主要為學校教育用地，湖溪河的上游為關東科技工業園，以工業和居住為主，基本為建成區，匯水面積總計約為7.5 km2，其中含馬鞍山森林公園綠地、山地面積約為1 km2[1]。

圖1 湖溪河地理位置示意圖Fig.1 Geographical Location of Huxi River

隨著城市的快速發展，由于城市污水收集與處理設施建設滯后，大量城市污水排入渠道，湖溪河的整體水質急劇下降，現如今已猶如一條“墨水河”，蚊蠅滋生、惡臭撲鼻。

經過調查分析，初期雨水徑流污染是湖溪河水質惡化的一個重要影響因素之一，因此，有必要對湖溪河流域的初期雨水治理工程方案進行研究。

2 初期雨水水質調研

湖溪河周邊主要為文教區、居民區，參考國內典型城市初期雨水水質：CODCr約為40～104 mg/L；SS約為198～296 mg/L[2-5]。

根據管線測量資料和現場踏勘，對湖溪河沿線的排口進行調查和分類。受混錯接影響，現狀排口雨水污染較嚴重，2017年6月分別檢測晴天、小雨、中雨時排口水質，污染物濃度：CODCr約為24～146 mg/L；SS約為55～113 mg/L；TP約為1.0～2.04 mg/L。

與前述典型城市初期雨水水質對比，湖溪河當前排口水質中COD值與之較為接近，SS值低于典型值范圍。

3 初期雨水出路分析

本工程研究范圍屬于龍王嘴污水系統，湖溪河沿線污水系統走向為“支管網-華科泵站-污水主管-虹景泵站-污水主管-龍王嘴污水處理廠”。污水管路總長約為9.0 km，共需2次提升。華科泵站設計能力為8 000 m3/d，現狀旱季污水運行水量約為2 000 m3/d，泵站及其配套管網無初期雨水提升余量。虹景泵站設計能力為60 000 m3/d，現狀旱季污水運行水量約為40 000 m3/d，湖溪河沿線截污工程實施后，將基本滿負荷運行。泵站及其配套管網無初期雨水提升余量。龍王嘴污水廠規劃總規模為30萬m3/d，實際旱季運行水量已逾28萬m3/d，雨季已滿負荷運行，無受納初期雨水的能力。

綜上，現有污水管網、處理系統均無富余能力應對初期雨水處理，需考慮另建初期雨水處理設施。

4 設計規模論證

4.1 調蓄量確定

根據《室外排水設計規范》4.14.4 A條：用于分流制排水系統徑流污染控制時，雨水調蓄池的有效容積，可按式(1)計算。

V=0.001DFΨ?

(1)

其中：V——調蓄池有效容積，m3；

D——調蓄量，mm，按降雨量計，可取4～8 mm；

F——匯水面積，m2；

Ψ——徑流系數；

?——安全系數，可取1.1～1.5，本工程取1.15。

根據對武漢市降雨資料的分析結果，以2017年為典型年，全年降雨場次約88場，全年降雨量統計情況如表1所示。

表1 2017年武漢市降雨量統計分析Tab.1 Statistical Analysis of Precipitation in Wuhan in 2017

全年降雨事件中，初期雨水降雨量(按1 h計)大于6 mm的有9場雨，大于8 mm的有6場雨。

考慮到湖西河流域存在雨污混接情況，且本工程尚無法進行最源頭的分流改造，調蓄量宜取較大值。因此，調蓄量按照規范推薦值上限確定，即8 mm。當調蓄量為8 mm時，可對全年約50場的降雨進行全收集，占年總降雨場次的56.80%，可對全年82場降雨的初期雨水進行有效收集。

根據湖溪河的匯水面積，按照式(1)計算，確定調蓄池設計有效容積為33 700 m3。

4.2 初期雨水處理廠規模

初期雨水處理廠雨季處理調蓄池內初期雨水，旱季處理喻家湖水并泵送至湖溪河及東九湖，用于補充河道生態需水。故初期雨水廠的處理規模與調蓄池放空時間及湖溪河生態補水量相關。

本工程采用《河湖生態需水計算規范》(SL/Z 712—2014)附錄B的B.2.5內陸河沿河植被生態需水量計算方法和《河道內生態需水評估導則》R2CROSS法，經計算湖溪河最小生態需水量為2.76萬～3.15萬m3/d。

本工程調蓄有效容積約為33 700 m3。按3.0萬m3/d確定處理規模時，調蓄池放空時間約為27 h，屬于調蓄池放空時間的合理水平(一般為24～48 h)。

因此，初雨處理廠處理規模確定為3.0萬m3/d。

5 設計進出水水質

5.1 初期雨水處理廠設計進水水質

本項目同步開展了校園內雨污分流改造、玉蘭路截污工程、湖溪河沿線截污工程，改造后將大大減少雨污混接情況，初期雨水水質將得到改善。

預計初期雨水COD將得到明顯削減，初期雨水處理廠設計進水水質COD參考典型初期雨水水質確定。

本工程排口水質中SS較低，且初期雨水經調蓄后處理，調蓄池對暫存雨水具有一定的沉淀功能，故初期雨水廠設計進水SS低于調蓄池進水SS。因此，初期雨水處理廠設計進水水質SS按略低于當前排口水質確定。

TP與SS具有一定關聯性，初期雨水處理廠設計進水水質TP值按略低于當前排口水質確定。

經分析，設計進水水質主要污染物控制指標如表2所示。

表2 初雨處理系統設計進水水質Tab.2 Design Influent Quality of Initial Rainwater Treatment System

5.2 設計出水水質

目前，國內外對于初期雨水處理尚未制定具體的執行標準。國內已開展的初期雨水處理工程較少，對于初雨排放標準的確定尚無可借鑒的成熟經驗。

本工程處理出水排放湖溪河，最終進入喻家湖?？紤]到湖泊水環境較為脆弱，且對水體TP含量尤為敏感，處理出水水質應對TP作出限制。因此，TP指標作為本工程設計出水水質的控制要求之一。

考慮到SS與TP具有較強關聯性，且SS較高影響水體感官，并可能導致水體透明度不達標。故SS指標同時作為本工程設計出水水質的控制要求。

綜上，本工程設計初期雨水處理出水以TP、SS作為控制指標，指標數值參考《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準確定為TP≤0.5 mg/L，SS≤10 mg/L。SS的去除對COD具有積極作用，根據同類工程經驗，可以按COD去除率50%作為出水參考值，供指導設施運行。

初雨處理廠設計出水水質指標如表3所示。

表3 初雨處理系統設計出水水質Tab.3 Design Effluent Quality of Initial Rainwater Treatment System

6 工程總體方案設計

6.1 工藝流程

初雨處理流程：進水-水平格柵-調蓄池-平流沉砂池-加砂高速沉淀池-轉鼓過濾-紫外消毒-加壓排放，如圖2所示。

圖2 初期雨水處理廠工藝流程框圖Fig.2 Process Flow Diagram of Initial Rainwater Treatment Plant

6.2 總平面設計

調蓄池與初雨處理廠合并建設，并將調蓄池與處理區分開。調蓄池體部分為密閉空間，平時無人進入；處理區為地下廠房，設置電梯、樓梯與地面管理用房聯通。

地面僅設置1座單層管理用房。為確保景區整體景觀性，管理用房設屋頂綠化并在其背面及兩側堆土，建成半地下式建筑。其余露出地面的為人員緊急逃生出入口、進風排風通道、設備吊裝孔。

調蓄池及初雨處理廠總平面功能分區如圖3所示。

圖3 處理廠總平面功能分區圖Fig.3 General Layout and Functional Zoning of the Treatment Plant

6.3 高程設計

廠區用地現狀地面標高約為23～27 m，整體東高西低，南高北低。用地西側湖溪河設計岸頂為23.00 m，北側喻家山南路現狀路面標高約為22.00～22.40 m。綜合考慮土方平衡、防汛排澇、周邊現狀、工程銜接、城市規劃路網以及城市規劃豎向高程等諸多因素，廠區設計地面標高恢復為23.00 m。

經計算，湖溪河初雨截流管終點標高為16.42 m，管徑為DN3000。按初期雨水管道自流進入調蓄池高峰時段帶壓運行考慮，確定調蓄池底板標高確定為12.00 m，最高水位為20.00 m，頂板頂面標高為21.00 m；初雨處理廠底板標高確定為13.00 m，頂板頂面標高為21.00 m，內部處理設備水位標高以設備間滿足自流為標準設計。

6.4 主要構筑物設計

(1)調蓄池進水格柵井

位于調蓄池及初雨處理廠西側，內設調蓄池進水格柵、進水控制閥等。

(2)調蓄池

位于廠區北部地下，平面尺寸為76.2 m×60 m，有效水深約為7 m。調蓄池沖洗采用水力拍門。調蓄池頂板以上覆土2 m。

(3)初雨處理廠

位于廠區南部地下，平面尺寸為76.2 m×30.90 m，凈高約為8 m。處理廠頂板以上覆土2 m，局部區域達5～6 m。內部主要構筑物包括平流沉砂池、加砂高速沉淀池、轉鼓過濾器、出水泵房、儀表間、配電間、排水池等。

(4)除臭系統

根據調蓄池及處理廠的運行特點，采用離子氧除臭，設于調蓄池上方覆土范圍，為地下構筑物。

(5)管理用房

位于廠區東南角，位于初雨處理廠上方地面。平面尺寸為22.5 m×15 m，內設控制室、值班室、樓梯間等。

6.5 主要工藝設備參數

主要工藝設備參數如表4所示。

表4 主要工藝設備參數表Tab.4 Parameters of Main Process Equipment

7 經濟技術指標

湖溪河綜合整治工程總投資為77 025.00萬元，工程費用總計58 395.37萬元，其中調蓄池及初期雨水處理廠工程工程費用21 713.71萬元。

調蓄池及初期雨水處理廠工程運行期間主要投入包括人力、電力、藥劑、設備耗材及維修費等。按年運行300 d，運行規模按3.0萬m3/d計，工程運行成本約506.1萬元/年，如表5所示。

表5 工程運行成本費用表Tab.5 Operation Cost

8 方案特點

(1)初期雨水采用就地處理，不僅可以避免因初期雨水的混入對現有污水處理系統的影響，也可以實現對河道的生態補水功能。

(2)調蓄處理設施采用全地下式設計，上部恢復景觀綠化，與周邊用地相協調[6]。

(3)初期雨水處理工藝采用物理化學方法，能夠適應進水無機污染物含量高、需間斷運行的特征要求

9 結論

隨著城市污水收集率的提高，雨天徑流污染已成為影響城市水體水質的主要因素之一，對初期雨水進行收集處理將是改善我國水環境的重要工作內容之一。