特征因子法檢測污水管道外來水侵入量的初步研究

姚 程 黎功稷 馬 秀 劉 敏 曾 唯

(成都市西匯水環境有限公司，四川成都，611730)

1 引言

城市污水收集輸送系統的建設與維護是提高城市防洪排澇能力的重要措施，也是水務行業高質量發展的必然要求。我國排水管網長度從2011年的41.1萬公里增長到2020年的80.3萬公里，數量非常龐大。受施工質量、污水侵蝕、管材老化及地面荷載等多種因素影響，我國污水管道普遍存在破裂、脫節、支管暗接等結構性缺陷。這些結構性缺陷會造成大量地下水、雨水、溝渠水和施工降水等清潔水進入污水管道，這不僅會擠占有限的管網空間和污水處理能力，加劇雨天溢流的風險，還會增加污水處理廠的進水量，降低進水污染物濃度，從而降低污水處理效率，并增加污水處理成本[1]。

2022年3月28日，住房和城鄉建設部、生態環境部、國家發展改革委和水利部聯合發布《深入打好城市黑臭水體治理攻堅戰實施方案》，首次提出了清污分流的概念，核心是將清潔的外來水和真正的污水分開，二者分流各行其道。方案中也明確了到2025年，各城市進水BOD濃度高于100mg/L的生活污水處理廠規模占比90%以上，這對于一些地下水位較高的南方城市來說極具挑戰性。因此，國內各大城市對污水管網的檢測與修復成為一項亟需實施的工作。

常用的污水管道檢測技術有閉路電視檢測技術(CCTV)、潛望鏡技術(QV)、聲納檢測技術、多重傳感器檢測技術和管道掃描技術等[2]。目前國內最常用的是CCTV和QV技術，但是這兩種技術耗時較大，成本較高[3]。一些專家學者已經嘗試采用基于質量守恒定律的特征因子法和水量平衡法進行檢測。

特征因子法，即選取一些具有代表性的指標作為特征因子，根據化學質量守恒定律或者物理模型來判斷某一段污水管道中是否存在外來水侵入現象，并解析出外來水侵入量。所選取的特征因子既可以是COD、NH3-N或一些金屬離子等化學指標，也可以是電導率等物理指標或藻類等生物指標[4]。如劉希希等[4]采用錳離子作為特征因子計算九江市某片區地下水的入滲量，達到了88.9%的判斷準確率。劉旭輝等[5]采用測量污水電導率的方法計算出深圳市某片區地下水入滲比例。

水量平衡法，即直接測定上下游流量，根據水量平衡原理計算外來水侵入量。如呂耀志等[6]采用流量測定的方法得出單處滲漏點日入滲量可達500m3/d。但水量平衡法工作量大且精度不高，因此常作為污水管道檢測的輔助方法。

本文以我國西南地區某污水處理廠進廠主干管檢測項目為例，以COD和NH3-N作為特征因子，判斷破損點并解析外來水侵入量，之后采用QV檢測進行驗證。結果顯示準確率較高，有利于提高檢測效率，大幅減低檢測成本。

2 檢測方法

2.1 流量和水質檢測

在污水主干管上每隔約200米設置一個檢測點，支管接入點前后設置檢測點。使用流量計檢測每個檢測點的瞬時流量，檢測三次取平均值。同時取水樣帶回實驗室，將水樣預處理后，使用重鉻酸鉀法測定COD濃度，使用納氏分光光度法測定NH3-N濃度。

2.2 外來水侵入量計算方法

基于水質特征因子的化學質量平衡公式可用于全系統水平地解析外來水入滲量。對于污水管網系統滿足下列關系式：

Qj+Qs+Qw=Qg

(1)

QjCj+QsCs+QwCw=QgCg

(2)

式中：Qj和Cj分別代表污水管網進水流量和特征因子濃度；Qs和Cs分別代表污水管網在該片區所收集入管的污水流量和特征因子濃度；Qw和Cw分別代表污水管網外來水(包括地下水、溝渠水、雨水等)的流量和特征因子濃度；Qg和Cg分別代表污水管網出水流量和特征因子濃度。上述公式適用于整個污水管網系統，也適用于某一子區域或某一管段。

將式(1)和式(2)整理得：

(3)

若選擇計算的污水管段為封閉系統，無支管接入或未收集周邊污水，外來水均屬于清潔水。則可將Qs和Cw視為0，則式(3)可簡化為 ：

(4)

2.3 QV檢測

對采用特征因子法檢測分析出的破損點，采用QV檢測進行驗證。

3 結果與討論

3.1 不同檢測點流量與特征因子濃度檢測結果

項目所在地區地下水位較高，雨水充沛，因此外來水極易入侵。本文共選取9個檢測點，分別記為WS1—WS9，檢測結果見表1。從表1中可以發現，該污水處理廠進廠主干管，流量從287.04L/h升高至396.66L/h，從水量平衡的角度分析，該管段具有外來水入侵現象。

表1 不同檢測點流量與特征因子濃度檢測結果

3.2 不同指標對應外來水侵入情況

由于部分計算得出的外來水侵入量出現負值，與實際情況不符。因此將計算結果中的負值修正為0。計算結果為負的原因可能是因為測定的是瞬時值，取樣時具有一定偶然性。

由表2結果可以看出，水量對應侵入量和NH3-N對應侵入量較為接近，而COD對應侵入量則要偏大。因為水量對應侵入量最為可靠，所以基于NH3-N計算出的侵入量更接近真實值。分析WS1—WS9管段，無論采用哪種方法，均可判斷出該管段存在明顯外來水侵入現象，侵入量主要集中在WS3—WS4管段之間，基于水量、COD和NH3-N計算得出的外來水侵入量分別為94.32mg/L、166mg/L和93mg/L，侵入量較大，完全超出入滲標準，判斷在該管段中可能存在較大破損點。

表2 不同指標對應外來水侵入情況

通過QV檢測驗證了以上判斷，檢測結果如圖1所示。

圖1 WS3—WS4管段QV檢測圖像

4 結論

當前我國污水管網外來水侵入問題嚴重，但基于現場測量的實驗較少。本文針對某一污水主干管，分別以COD和NH3-N為特征因子解析外來水侵入量，并與基于水量平衡法得出的結果進行對比，結果表明NH3-N作為特征因子對應的侵入量更準確。同時判斷出該管段存在破損點，并以QV檢測方法進行驗證。

基于特征因子法識別出污水管網中外來水入侵嚴重的區域，可有效提高污水管道檢測效率，大幅節約污水管道檢測的人力和資金成本，可嘗試在實際應用中加以推廣。