在“2025（第二十三屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇”上，新加坡公用事業(yè)局(PUB）前首席專家曹業(yè)始博士以“從案例看不同類型排水系統(tǒng)與污水廠水力負(fù)荷的特點”為題，作了深度分享。報告意在通過若干實例，呈現(xiàn)真實的管網(wǎng)內(nèi)和污水廠進(jìn)水流量物理圖像，供業(yè)界同行參考。

在“2025（第二十三屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇”上，新加坡公用事業(yè)局(PUB）前首席專家曹業(yè)始博士以“從案例看不同類型排水系統(tǒng)與污水廠水力負(fù)荷的特點”為題，作了深度分享。

報告指出，城市水污染管理的目的在于減少排入受納水體中的污水污染物質(zhì)量，從而提升城市水環(huán)境質(zhì)量。不同類型的管網(wǎng)如分流制、混合制和合流制及其相連的污水廠水力負(fù)荷（流量）的特征和匹配，直接涉及到整個城市污水系統(tǒng)的更新改造、提高集中收集率的效率。近十年來，國內(nèi)很多管網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)“雨污分流”，對這些系統(tǒng)中外水和雨水入侵量的認(rèn)識，對于進(jìn)一步的污水系統(tǒng)的更新改造的效果關(guān)系甚大。報告意在通過若干實例，呈現(xiàn)真實的管網(wǎng)內(nèi)和污水廠進(jìn)水流量物理圖像，供業(yè)界同行參考。

曹業(yè)始

01城市污水系統(tǒng)的運行指標(biāo)與描述參數(shù)

污水管網(wǎng)覆蓋率、管網(wǎng)內(nèi)外來水、市政用水效率、污水廠處理能力是描述城市污水系統(tǒng)運行狀態(tài)和效率的四個重要參數(shù)。

城市污水管網(wǎng)覆蓋率：直接影響城市污水收集率，低覆蓋率導(dǎo)致污水直排，進(jìn)而污染受納水體。

管網(wǎng)外來水：包括地下水入滲和河流、小溪、雨水徑流等。外來水降低了城市污水濃度，增加管網(wǎng)和污水廠水力負(fù)荷、城市污水廠污染物排放負(fù)荷和污水溢流量。歐美一些國家對外水的管網(wǎng)入侵量作了非強制式的規(guī)定，如德國管網(wǎng)外來水不能多于原污水。稀釋倍數(shù)（DF）和管網(wǎng)污水占比，常用來表征外水入侵。

用水效率：人均日綜合用水量（SCWC, L/(人·天)）用來作為衡量市政用水效率的參數(shù)。用水量越低，污水污染物濃度越高。西歐、北歐一些國家人均日用水量約為150升/人·日，新加坡約為210升/人·日，美國人均日用水量較高，國內(nèi)在150-250升/人·日之間，因地區(qū)而異。

污水廠處理能力：污清比和峰值系數(shù)常用來表征污水廠處理能力。前者為污水處理量與用（售）水量的比值，后者是最大處理（峰值）流量與年均流量的比值。

應(yīng)用稀釋倍數(shù)和污清比可估算城市污水集中收集率和溢出率。污水集中收集率的大小主要取決于管網(wǎng)內(nèi)污水總量（原污水+外來水）以及污水廠的處理能力，與污水濃度無直接的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)然，在一定集中收集率要求的前提下，外來水量越少，污水廠處理能力的要求相對較低。污水濃度越高，城市污水系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模越小，運行費相應(yīng)降低。在相同的排放標(biāo)準(zhǔn)要求下，污水廠排放污染物負(fù)荷也較低。

02案例分析

報告介紹了五個典型案例。其中三個為“純”分流收集系統(tǒng)、一個分流-合流混合系統(tǒng)，一個合流系統(tǒng)，重點介紹系統(tǒng)的設(shè)計水力負(fù)荷及運行情況。

案例一：管理良好的純分流制污水系統(tǒng)：Grüneck WWTP，德國

參見圖1，慕尼黑附近的Kl?ranlage-Gr?neck污水處理廠，服務(wù)區(qū)域約100平方公里，服務(wù)區(qū)內(nèi)人口約70,000名，污水處理廠當(dāng)量人口160,000，服務(wù)區(qū)用水量11,000m3/d，人日均綜合用水量約150L/(人·天)，設(shè)計最大（峰值）流量為42425m3/d，設(shè)計污清比為3.6。在2019-2023期間，污水廠進(jìn)水COD在700-800mg/L之間，年平均外水占比10-15%。

該區(qū)域采用純分流制排水系統(tǒng)，初雨不進(jìn)入污水廠處理。雨季污水廠實行雨季運行模式，管網(wǎng)中所有污水都進(jìn)入污水廠全過程處理，達(dá)標(biāo)排放。

圖1中表格列出2023年污水廠運行數(shù)據(jù)，進(jìn)水COD年均值743mg/L，實際最大峰值流量30136m3/d，年均污水處理量為10551m3/d，運行峰值比為2.8，污水全收集無溢流。須注意到，旱季時日均最大小時流量（紅線）約為日均均值（綠線）的1.5倍，雨季時有額外外水流入管網(wǎng)。相對應(yīng)2023年COD進(jìn)水均值為743mg/L，外水占比15%，管網(wǎng)呈現(xiàn)良好狀態(tài)。

2024年情況發(fā)生了很大變化，日均進(jìn)水COD下降到451mg/L，外水占比＞40%，接近原污水量。這一變化與德國北部2024年從5月至11月期間的洪水事件密切相關(guān)，洪水導(dǎo)致河流水，污水廠服務(wù)區(qū)地下水位持續(xù)處于高位，外水的大量涌入，給污水處理系統(tǒng)帶來了很大壓力，6月至9月期間，處理量多次逼近管網(wǎng)四萬噸的最大設(shè)計峰值。

圖1（右下圖中綠線為日均流量,紅線為日最大小時流量，綠線是紅線的1.5倍）

圖注：請勿引用/Please don't quote this ppt

管網(wǎng)修復(fù)已成為該廠今年（2025年）的主要任務(wù)之一。目前正在通過機器人等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行管網(wǎng)檢測和修復(fù)，減少外水滲入。

案例二：管理良好的分流制管網(wǎng)水力負(fù)荷：新加坡深隧污水系統(tǒng)

新加坡深隧污水系統(tǒng)進(jìn)水COD平均濃度約540mg/L，污水廠以全收集為目標(biāo)，人均綜合用水量約200L/（人·天），管網(wǎng)外水年均稀釋倍數(shù)為1.1，外來水占比在10%以內(nèi)，在年降水量約2300毫米條件下，與國際上最好的分流制管網(wǎng)（如德國北部）相近。

在設(shè)計深隧系統(tǒng)時，觀察到已建成的深隧的每年有兩天污水廠的進(jìn)水流量高達(dá)設(shè)計流量的1.5倍以上，設(shè)計污清比2.2，峰值系數(shù)為2.0。污水廠采用MBR膜技術(shù)，雨季的污水全過程處理量控制在年均流量的1.5倍以內(nèi)，生物膜過程以外0.5倍流量用高速沉降處理。應(yīng)注意到深邃的調(diào)蓄作用在設(shè)計雨季峰值量時的可能影響。

圖2

案例三：管理良好的分流制污水系統(tǒng)：Bonnybrook WWTP,加拿大

Bonnybrook污水處理廠日均處理量396000m3/d，峰值處理量為1069000m3/d，峰值系數(shù)約為2.5，該廠污水中外水占比約1/3。污水廠COD進(jìn)水濃度約380mg/L。

圖3呈現(xiàn)了該污水廠13年處理水記錄，可見每年雨季最大處理量都達(dá)到設(shè)計峰值。

圖3

上面介紹的三個分流制的污水系統(tǒng)案例說明，即使是良好分流制管網(wǎng)（污水濃度已較高），與合流制相比，入侵外水較少，但仍有旱季外水和雨季外水入侵，不容忽視。

案例四：管理良好城市混合(分流-合流)制污水系統(tǒng)：阿姆斯特丹西部污水廠，荷蘭

該廠是阿姆斯特丹最大的污水處理廠，服務(wù)區(qū)內(nèi)75%管網(wǎng)為分流制，25%為合流制（主要在老城區(qū)）。服務(wù)區(qū)域內(nèi)人均綜合用水量約為160L/（人·天）。設(shè)計峰值系數(shù)3.6，污清比約為5（與合流制系統(tǒng)相近）。采用了在線和離線的調(diào)蓄池，以減弱雨季高峰流量，但仍有雨季溢流現(xiàn)象。

如圖4所示，2023年COD濃度呈現(xiàn)顯著季節(jié)性波動：年均濃度為512mg/L，旱季則高達(dá)至821mg/L，反映出雨季外水量影響。雨季進(jìn)入污水廠污水進(jìn)行全過程處理，并達(dá)標(biāo)排放。

阿姆斯特丹西部污水廠的設(shè)計對國內(nèi)一些經(jīng)雨污改造后保留了部分合流制城市污水處理系統(tǒng)或有參考價值。

圖4：請勿引用/Please don't quote this ppt

案例五：管理良好的城市合流制管網(wǎng)污水系統(tǒng)：Werdh?lzli 污水處理廠，瑞士

蘇黎世Werdh?lzli污水處理廠連接合流制管網(wǎng)。人日均綜合用水約165L/(人·天)，2019年日均進(jìn)水COD濃度約400 mg/L，設(shè)計峰值系數(shù)約3,污清比約5.6。圖5中右下圖為旱季進(jìn)水，右上圖為雨季一周期間內(nèi)污水廠進(jìn)水流量和出水水質(zhì)部分指標(biāo)，雨季期間進(jìn)廠的污水也經(jīng)污水廠的全過程處理，出水水質(zhì)達(dá)TN＜10mg/L。2019全年下雨天數(shù)120天，其中調(diào)蓄池用了75次，溢流發(fā)生35次，其中兩座大型調(diào)蓄池之一Werdinse溢流發(fā)生共計250小時，另一Glatt調(diào)蓄池溢流排放共計65小時,年溢流負(fù)荷比＜5%。

圖5

03思考與建議

丹麥、德國、荷蘭等歐洲國家早在90年代開始了城市污水系統(tǒng)改造（現(xiàn)仍在進(jìn)行），目前管網(wǎng)覆蓋率＞90%，由于較高的用水效率和管網(wǎng)質(zhì)量，污水濃度一般在400-600mg/L（甚至更高）。提高污水濃度已不是工作重點，而控制和減少溢流成了主要任務(wù)，如案例和圖6顯示，即使是與分流制管網(wǎng)相連的污水廠設(shè)計污清比和峰值系數(shù)≥2。2024年歐盟修訂的《城市污水處理指令》（UWWTD）進(jìn)一步要求成員國在2045年污水溢流量不得超過處理廠進(jìn)水負(fù)荷的2%。

圖6

相較于歐洲一些國家采用的高峰值（污清比）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)城市污水處理系統(tǒng)仍面臨一些不同發(fā)展階段的矛盾，參見圖6，國內(nèi)一些城市污水系統(tǒng)溢流比較歐洲發(fā)達(dá)國家高約20%。對此，報告強調(diào)應(yīng)從實際出發(fā)而非盲目“照搬照抄”，應(yīng)因地制宜地制定污水控制和處理水污染系統(tǒng)的策略。面對一些城市污水處理系統(tǒng)存在管網(wǎng)覆蓋率不足、污水收集率偏低、管網(wǎng)質(zhì)量有待提高等等問題。若以污水廠進(jìn)水BOD為100mg/L為分界線（見圖7）：

1、對污水廠進(jìn)水BOD濃度<100mg/L的污水系統(tǒng),需集中資源增加管網(wǎng)的覆蓋率(>90%），進(jìn)行管網(wǎng)修復(fù)減少入侵管網(wǎng)的外水，提高污水濃度。

2、對部分污水廠進(jìn)水BOD濃度≥100mg/L、但污水集中收集率仍較低（<73%）的污水系統(tǒng)，可考慮在進(jìn)行管網(wǎng)改造的同時適當(dāng)提高峰值系數(shù)和污清比至1.6-2.4之間,包括已經(jīng)“雨污分流”改造的城市污水系統(tǒng)，主要進(jìn)行原廠在地的水力擴(kuò)容（如有效使用或擴(kuò)大現(xiàn)有的二沉池）。

3、從實際出發(fā)、因地制宜,灰綠結(jié)合,綜合考慮經(jīng)濟(jì)效率和環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，結(jié)合當(dāng)前與長遠(yuǎn)目標(biāo),充分利用國內(nèi)優(yōu)勢，吸取發(fā)達(dá)國家教訓(xùn)和經(jīng)驗，用較小的成本比發(fā)達(dá)國家做得更好！

圖7

本報告是中國城市污水系統(tǒng)的提質(zhì)增效和更新改造項目的一部分，有興趣的同行可參考如下已發(fā)表的項目論文。

編輯：李丹