厂网一体视角下汛期入河污染物分析

1.1 研究区域概况

项目研究区域位于北方某大型城市中心城区东北部，河道干流全长约21.6km，流域面积约158.4km²。是我国北方典型的缺水流域，河道以再生水补给为主要水源。流域范围内共有4条主要河道，其中BH为主要河道，LMH、BXH以及TCG为其主要支流。研究区域范围内，雨污水管网及污水处理设施较为完善，总污水处理能力达50万m³/d，旱季日均水量负荷约95%，出水水质标准达到北京市地标《水污染物排放标准》(DB 11890-2012)一级B标准，主要污水设施处理能力及其处理工艺详见表1。

表1 主要处理设施信息

注:数据为2019年全年出水各项指标月均值范围值。

1.2 监测点设置原则

根据研究目标，分别选择研究区域内主要河道断面、典型入河排河口以及排水管网的关键节点开展连续水质监测。具体监测点位的选取原则及数量如下：①河道断面：主要河道监测断面，共4处；②排河口：典型的雨水口、截流口、合流口、明渠及污水干线溢流口，共16处；③排水管网：不同功能分区、管线上中下游的代表性雨水口及检查井，共12处;④雨量监测：流域上、中、下游均匀布置，共15处。

1.3 采样方法及频率

参照中国环境监测总站《水质采样技术指导》（HJ 494-2009）。河道断面取样：每进行1 h取样一次，自降雨开始连续取样5 d。雨水径流及典型排河口取样：降雨后30 min内每5 min取样一次，30 min至60 min内每10 min取样一次，60 min后每30 min取样一次。

1.4 水质检测方法

监测指标：COD、SS、NH3-N、TP、TN；检测方法参照《水和废水监测分析方法》。

2.1 降雨期间河道水质变化特点

2.1.1 旱季各河段水质分布情况

流域范围内4条主要河道水源为B厂、J厂及G厂3座水厂的再生水补水。三座水厂出水均能达到北京市地方标准《水污染物排放标准》(DB11890-2012)一级B标准，监测期间主要出水水质指标波动范围见表2。

表2 不同类型入河排河口特点

对非降雨期间河道主要断面进行水质监测。结果显示，旱季该流域范围主要河道断面的COD、NH3-N、TP等主要水质指标均能达到地表Ⅴ类水水质标准，部分河段甚至能达到地表Ⅳ类水标准，没有明显的旱季污染情况。流域主要河道水质分布如图1所示。

图1 流域主要河道水质分布

2.1.2 降雨期间河道水质变化特点

以2019年7月22日至8月15日主汛期连续降雨为例，连续监测主要河道断面水质变化情况，并结合污水处理厂的极限处理能力和溢流状态进行分析。监测结果如图2所示，降雨开始后在整体雨量较小的情况下，各水厂污水干线均未出现溢流，河道断面主要水质指标波动较小，且大部分时间处于地表Ⅴ类水标准以下，对河道水质影响相对较小。

图2 降雨期间河道水质变化情况

当流域范围内出现较大降雨时，水厂上游干线出现溢流，河道断面各项水质指标均明显升高，且河道断面水质超标时间段和溢流时间基本一致，说明污水系统的超量混合污水的溢流是造成汛期河道水质恶化的主要原因之一。此外，监测结果还显示降雨结束后COD、TP等指标恢复至降雨前平均水平需要6~12h，NH3-N等指标相对恢复较慢，一般需要48~60h才可恢复至降雨前平均水平，与降雨期间入河污染物特征及其水力输移扩散规律有关。

2.2 汛期主要入河污染物来源

2.2.1 不同类型排河口水质特点

为掌握汛期污染物入河途径，选取降雨期间典型入河排河口开展连续监测。由于降雨期间各污水处理厂出水水质相对稳定，故不考虑降雨期间水厂出水对河道水质的影响。根据研究区域排水系统特点，选取的典型排河口见表2。

通过对不同类型排河口出水水质进行比较分析，如图3所示。

图3 不同类型排河口出水水质对比

分析结果显示，雨污混流排河口各项污染物浓度均高于分流排河口。由于大量的污水混合超量的雨水后污水干线产生溢流，溢流口出水中的NH3-N和TP等污染物浓度相对要高于其他类型排河口；合流排河口和截流口由于都是雨污混排状态，在超过截流倍数以后混合污水开始溢流，因此各项污染物浓度均高于雨水排放口，但是由于合流制管线内本底污水量相对较大且合流管道内的沉积物相对较多，合流排河口各项污染物浓度均比截流口高，溢流初期时段的COD及TP浓度甚至高于厂前安全溢流口；分流制雨水排放口和明渠入河口各项污染物浓度均相对较低，由于明渠内的草皮、植物具有一定的拦截净化作用，且周边地块多为未开发地块，地表沉积物相对较少，因此雨水管道排放口SS等污染物均值要高于明渠入河口。

2.2.2 典型排河口水质随时间变化规律

对典型排河口出水水质随时间变化规律进行分析，如图4所示。结果表明，各类排河口出水水质随降雨历时变化具有不同特点，其中合流排河口和分流截流口较为相似，随着降雨的持续截流设施出现溢流后，各项入河污染物浓度指标均出现明显升高，随着降雨的冲刷及稀释作用，携带的污水和沉积物比例逐渐降低，各项污染物浓度也随之回落。同时，雨水排河口由于雨水径流在管道输送过程中不断冲刷排水管道内的沉积物，COD、TP和SS等主要污染物浓度逐渐升高，降雨中后期各项指标开始逐渐降低；而明渠排河口出水水质指标基本平稳的处于相对较低的水平，明渠内雨水径流携带的污染物较少。

图4 典型排河口出水水质随时间变化规律

2.3 雨水径流水质特征及其变化规律

2.3.1 雨水径流主要污染物特征

对292组不同区域道路雨水径流污染物水质数据进行统计分析，具体统计数据如图5所示。结果表明，道路雨水径流中各污染物的平均值分别为：COD平均浓度为225mg/L，NH3-N平均浓度为2.85mg/L，TP平均浓度为1.28mg/L，均高于地表Ⅴ类水相关控制指标的标准限值。

图5 雨水径流污染物统计

经与国内相关文献比较，与其他学者监测结果基本一致，此外，统计结果表明：约85%的雨水径流COD值高于地表Ⅴ类水标准限值40mg/L；约65%的径流TP值高于地表Ⅴ类水标准限值0.4mg/L；约49%的径流NH3-N值高于地表Ⅴ类水标准限值2.0mg/L。因此，COD和TP是雨水径流中影响汛期河道水质的主要污染物，NH3-N是次要污染物。

2.3.2 雨水径流主要污染物相关性分析

对雨水径流中各污染物浓度进行相关性分析，分析结果如图6所示，结果显示：COD和SS之间（r=0.68）、TP和SS之间（r=0.74）以及COD和TP之间（r=0.84）均具有强相关性；NH3-N与COD及TP之间也有一定相关性，但NH3-N与SS之间相关性相对较弱（r=0.239）。分析其原因为雨水径流污染物中的COD、TP主要是道路及地表沉积颗粒物携带的污染物为主，而NH3-N等跟大气和地表溶解态污染物密切相关。

图6 径流污染物浓度相关性分析

2.3.3 雨水径流污染物随时间变化规律

对年度7场降雨的径流污染物中COD、NH3-N及SS等主要污染物特征进行分析。

每场降雨的雨量、雨强以及前期晴天数等具体信息如表3所示，7场降雨分别涵盖了小、中、大各级别的降雨场次，因此可以认为在不同降雨条件下的取样具有一定代表性。

表3 降雨信息

分析结果如图7所示，在四月份的年度前两场降雨中，由于径流中携带了屋顶、地表及道路沉积物较多，COD、NH3-N及SS等污染物浓度相对于年中几场降雨要高；随着进入主汛期，降雨频次逐渐增大，地表等下垫面累积的沉积物相对较少，雨水径流中各项污染物均有明显降低；并且随着降雨间隔时间的增长，各项污染物平均浓度有所回升。

图7 不同降雨场次的径流污染物变化特征

以汛期5月26日的汛期降雨为例，对雨水径流中各主要污染物浓度随时间的变化规律进行分析，道路雨水径流中COD、NH3-N及SS等主要污染物浓度均随降雨历时的增加而逐渐降低，且在15~20min逐渐趋于稳定，呈现明显的初期效应，如图8所示。

图8 径流污染物随降雨历时的变化规律

对该场次降雨累计径流体积分数和累计径流负荷分数进行计算，并绘制无因次累积负荷-体积分数M（v）曲线如图9所示,在该场次降雨条件下，初期约40%的雨水至少携带了60%的污染负荷，与其他平原城市的初期冲刷效应相一致。

图9 累计径流污染分布统计

2.3.4 管网沿程污染物变化规律

为进一步了解雨水径流污染物在管网输送过程中的迁移规律，对雨水口、检查井以及排河口处的雨水径流污染物进行分析，对所有监测点数据进行统计比较。

结果如图10所示,随着雨水在管网输送过程中携带管道中沉积的沟泥中的表层沉积物，各项污染物指标均值逐渐升高，根据统计数据雨水径流污染物在管网输送过程中呈现的规律为：排河口>检查井>雨水口，因此雨水径流在管网转输过程中携带的各污染物总体呈现增加趋势。

图10 径流污染物在管道输送过程中的变化情况

目前，水环境治理以沿河截污等设施增量建设来解决局部水污染问题为主，但在排水管网及污水处理厂的统筹建设及协调运行方面仍然存在不协调、不匹配等方面的不足，因此，汛期河道水质恶化等流域系统性问题并未得到有效的解决。主要体现在：

（1）污水管网汛期收集转输的水量与污水处理厂处理能力之间的不匹配。目前该区域污水处理厂按照完全雨污分流体制下的理想情况进行设计，未能给汛期的雨水预留充足的处理空间。并且随着黑臭水体治理过程中的截污纳管工作推进，区域范围内污水收集率进一步提升，从而部分区域污水处理厂及污水干线旱季水量负荷处于饱和水平，应对超量污水的能力有限，降雨期间又存在大量的雨水通过截流设施、雨污混接节点及合流管道进入到污水处理厂。因此，超过污水干线的转输能力及污水处理厂的处理能力后造成沿程溢流污染、厂前溢流或者厂内超越。

（2）排水系统的关键节点缺乏可靠、有效的调控手段。一方面，由于城市建设发展时序等问题，地块内部雨污水建设和外部市政排水设施建设不同步，形成合流制、分流制及截流式共存的排水体制，造成雨水系统和污水系统之间的连通关系不清晰、不合理等问题，这种复杂的联通关系是导致雨污混流、河水倒灌等造成污水系统水量异常波动，从而难以较为准确地预测、预警的主要原因。另一方面，雨污水系统的在截流设施、排河口、管网干线以及污水处理厂之间缺乏关键的调节、控制及调蓄手段，难以根据降雨等外界条件的变化进行针对性的水量调度及调控。

（3）尚未形成一套完善的城市雨水系统流域化管理体系。目前城市排水管网系统的运营维护的重点侧重在雨污水管道、泵站及调蓄池等传统灰色设施的日常巡检、维护及疏通等方面工作，以保证排水设施运行通畅为首要目标。同时，随着《城镇污水排入排水管网许可管理办法》（中华人民共和国住房和城乡建设部令第21号）的颁布实施，为污水的源头管理提供了有力支撑。然而，雨水排放具有季节性强、分散程度高、规律性弱以及排放主体不够明确等特点，因此对于雨水的水质、水量进行源头管理的难度也相对较大。因此，面对日益复杂的城市水系统问题，传统的雨水系统管理模式难以满足污染控制及防洪排涝等多重目标的需求。在厂网河一体化运营的现代排水系统管理模式下，需要结合海绵城市的建设逐渐完善雨水系统的源头监督及具体管控要求等管理机制。

通过对汛期河道水质的变化情况、入河污染物进入河道的具体途径以及雨水径流污染物特征的分析研究，可针对汛期入河污染物制定相应的削减及控制措施。结合目前合流制溢流污染国内外研究进展，具体策略可概括为“源头减量、过程控制、末端处理”三方面，具体措施如表4所示。

表4 厂网一体运营模式下雨水径流及合流制溢流污染控制策略

（1）降雨期间雨水径流污染和合流制溢流污染是造成河道水质恶化的主要原因，其中排水管网转输水量与下游污水处理厂能力不匹配造成的污水干线集中溢流及沿程溢流是汛期入河污染物的最主要来源。

（2）雨水径流污染有明显的初期效应，且各类污染物指标在管网输送过程中不断累积升高，雨水径流中携带的化学需氧量和总磷是影响河道水质的主要污染物。

（3）通过源头、过程和末端全方位系统性提升排水系统的建设、运营和管理水平，建立厂网河一体化的排水系统运营管理体系是治理汛期入河污染物的一种有效途径。

微信对原文有修改。原文标题：厂网一体运行视角下汛期入河污染物监测分析及控制策略研究；作者：赵振东、刘健、崔华峰、李珧、严瞿飞、宗倪、杨彤、阜崴；作者单位：北京城市排水集团有限责任公司、北京北排水环境发展有限公司坝河流域分公司、北京北排水环境发展有限公司水质检测中心。刊登在《给水排水》2023年第8期。