導(dǎo) 讀：污水管網(wǎng)外來(lái)水入侵、管網(wǎng)污水收集率、市政用水量和污水處理廠(chǎng)處理量是影響城市污水系統(tǒng)和城市水環(huán)境質(zhì)量的四個(gè)主要因素。污水系統(tǒng)改造不僅提升污染物收集率和污水管網(wǎng)中污染物(如COD)濃度，同時(shí)直接影響到對(duì)受納水體的污染物排放溢流負(fù)荷。使用簡(jiǎn)化的城市污水系統(tǒng)模型和國(guó)內(nèi)外實(shí)際數(shù)據(jù), 定量表征和討論了四個(gè)因素對(duì)污水管網(wǎng)污水COD濃度和排放到受納水體的溢流污染物負(fù)荷的影響, 并就污水稀釋倍數(shù)、污水處理廠(chǎng)處理量、污染物去除效率、排放標(biāo)準(zhǔn)和溢流排放負(fù)荷之間的多重對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析和討論，根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，提出改造和升級(jí)污水管網(wǎng)及污水處理廠(chǎng)需要考慮的三點(diǎn)建議。

1 研究背景與目標(biāo)

近年來(lái)，不少城市通過(guò)改造升級(jí)污水管網(wǎng)和污水處理廠(chǎng)，提高了管網(wǎng)中COD濃度, 基本消除城市河流的黑臭現(xiàn)象，城市水環(huán)境質(zhì)量保護(hù)取得了重大進(jìn)展。然而，由于城市建設(shè)的快速發(fā)展和部分基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相對(duì)滯后，一些城市仍存在污水管網(wǎng)COD濃度偏低、雨后河流“返黑返臭”等現(xiàn)象,需要進(jìn)一步采用系統(tǒng)、綜合的方法, 將市政用水、污水管網(wǎng)、污水處理廠(chǎng)和受納水體作為一個(gè)系統(tǒng)加以研究和優(yōu)化，從而解決遺留的問(wèn)題。污水系統(tǒng)在城市水環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用, 在規(guī)劃污水系統(tǒng)提質(zhì)增效時(shí)，城市水環(huán)境質(zhì)量改善為最終目標(biāo), 在考慮提高污水管網(wǎng)污染物(COD)濃度和污水處理廠(chǎng)效率時(shí), 應(yīng)同時(shí)關(guān)注污染物溢流排放負(fù)荷對(duì)受納水體水質(zhì)的影響。研究表明, 污水管網(wǎng)外來(lái)水入侵、管網(wǎng)污水收集率、市政用水量(用水效率)和污水處理廠(chǎng)處理量四個(gè)因素在很大程度上決定了污水系統(tǒng)性能和效率。從某種意義上來(lái)說(shuō), 研究污水系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化就是探索和發(fā)現(xiàn)四個(gè)因素的因地制宜的最佳組合。本文應(yīng)用已驗(yàn)證的簡(jiǎn)化污水系統(tǒng)模型和質(zhì)量平衡原理, 結(jié)合國(guó)內(nèi)外實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算, 定量表征了在不同的條件下四個(gè)因素對(duì)管網(wǎng)污染物濃度和水環(huán)境排放負(fù)荷之間的關(guān)系, 討論了管網(wǎng)外來(lái)水、污水管網(wǎng)污水收集率、綜合用水量、污水處理廠(chǎng)處理量與去除效率和污水污染物濃度（COD）與溢流排放負(fù)荷之間的多重對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)國(guó)內(nèi)各地不同情況, 提出改造和升級(jí)污水系統(tǒng)的策略。本文內(nèi)容有助于在定量了解現(xiàn)存污水管網(wǎng)和污水處理廠(chǎng)的能力的基礎(chǔ)上，制定因地制宜、具有成本效益的改善城市污水系統(tǒng)效能和城市水環(huán)境的系統(tǒng)規(guī)劃。

2 研究方法

2.1 污水系統(tǒng)模型、參數(shù)與計(jì)算

圖1為本研究中采用已被驗(yàn)證的基于質(zhì)量平衡原理的市政污水系統(tǒng)概念模型，系統(tǒng)包括市政供水、污水系統(tǒng)收集和運(yùn)輸、污水處理廠(chǎng)、溢流排放和受納水體。

為便于與國(guó)際國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)對(duì)比，以個(gè)人日消耗和排放量作為相關(guān)模型參數(shù)質(zhì)量和轉(zhuǎn)化單位。模型參數(shù)包括: 人均日綜合用水量 (Specific Comprehensive Water Consumption, SCWC), L/(人·d); X: 管網(wǎng)污水收集率,%; 人均日外來(lái)水量(SQI/I), L/(人·d); SQOUT, 人均日污水處理廠(chǎng)處理量L/(人·d); SQSO, 人均日溢流污水量L/(人·d), 本文中既包括合流制系統(tǒng)和分流制系統(tǒng)的溢流(Combined Sewer Overflow, CSO或Separate Sewer Overflow, SSO)，也包括污水管網(wǎng)的泄漏量。除了第 3.4 節(jié)圖7~圖9外, 本文選用 COD 為指標(biāo)污染物。假設(shè)條件: 服務(wù)區(qū)內(nèi)很少的制造業(yè)(污水幾乎都是市政污水)。COD在線(xiàn)降解可忽略不計(jì), 污水流動(dòng)橫截面充分混合, 外來(lái)水污染可忽略不計(jì) (COD∽ 0 mg COD/L)，計(jì)算結(jié)果為在穩(wěn)態(tài)條件下獲得。

表1匯總了本文中使用的術(shù)語(yǔ)及其定義和計(jì)算公式。PLCOD［120 g/(人·d)］ 是污水系統(tǒng)產(chǎn)生的人均日COD負(fù)荷(系統(tǒng)總污染物負(fù)荷)。為便于與現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行比較, 假設(shè)在污水全收集條件下, 人均日綜合用水量即人均日排污水量和管網(wǎng)收集量［L/(人·d)］。本文中外來(lái)水為除污水管網(wǎng)收集的原污水之外三種外來(lái)水：入滲水、入流水(即業(yè)內(nèi)常說(shuō)的“清水”)和雨水。稀釋倍數(shù)(DF)是表示外來(lái)水侵入程度的重要參數(shù), 根據(jù)表1中的定義, 當(dāng)SQI/I可以忽略不計(jì)時(shí)［∽0 L/(人·d)］, DF=1。污水處理廠(chǎng)處理量比(TR)定義為污水處理廠(chǎng)處理量與污水管網(wǎng)服務(wù)區(qū)用水量的比（污清比，SQOUT/SCWC）。CODMSW為污水處理廠(chǎng)進(jìn)口COD濃度，可從當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S(chǎng)的監(jiān)測(cè)記錄中讀取或通過(guò)計(jì)算(見(jiàn)表1）, SQout可以從污水處理廠(chǎng)處理量和服務(wù)區(qū)人口數(shù)算得。溢流排放到受納水體的污染物負(fù)荷包括: CSO (或SSO) 、未收集的原污水和污水處理廠(chǎng)出水。文中在不同的部分使用了不同的溢出負(fù)荷項(xiàng)。3.4 節(jié)關(guān)于負(fù)荷比結(jié)果與討論同時(shí)適用于 COD、氮和磷。如表1所介紹, 四個(gè)因素和相關(guān)參數(shù)均可以從當(dāng)?shù)厮畽C(jī)構(gòu)收集或通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算獲得。

本文采用國(guó)內(nèi)和部分歐洲國(guó)家實(shí)際參數(shù)值和相關(guān)計(jì)算公式(見(jiàn)表1)進(jìn)行計(jì)算, 引用了這些參數(shù)值和計(jì)算值結(jié)果定量表征入侵外來(lái)水（SQI/I）、污水收集率（X）、人均日綜合用水量 (SCWC)和污水處理廠(chǎng)處理量比四個(gè)因素對(duì)污水管網(wǎng)COD濃度和 溢流負(fù)荷的影響, 并根據(jù)質(zhì)量流和平衡原理, 探索污水管網(wǎng)污水收集率, 稀釋倍數(shù)、污水處理廠(chǎng)處理量、去除效率和溢流及處理廠(chǎng)排放負(fù)荷之間固有存在的市政用水、污水收集和運(yùn)輸、污水處理廠(chǎng)的性能和受納水體水質(zhì)多重對(duì)應(yīng)關(guān)系。模型邊界可以是城市污水系統(tǒng)或一個(gè)污水處理廠(chǎng)服務(wù)的區(qū)域。

2.2 局限性

對(duì)于那些服務(wù)區(qū)域內(nèi)旅游業(yè)發(fā)達(dá)，有食品、啤酒或屠宰業(yè)或工業(yè)園區(qū), 或污染明顯的徑流，這些行業(yè)或徑流排放的污染物負(fù)荷構(gòu)成正常個(gè)人日排放負(fù)荷(PL)外的附加項(xiàng), 為了避免低估外來(lái)水量, 應(yīng)用模型時(shí)需要修訂個(gè)人日排放負(fù)荷, 例如, 增加PLCOD［> 120 g/(人·d)］；同時(shí)，他們的用水也應(yīng)計(jì)為用水量的組成部分, 其余仍可用文獻(xiàn)和本文中所介紹的方法計(jì)算。另一種方法是在在模型中將上文提到的附加活動(dòng)視為一個(gè)單獨(dú)的組成部分加入，特別是當(dāng)工業(yè)園區(qū)位于污水處理廠(chǎng)服務(wù)區(qū)內(nèi)時(shí)。為了減少由于COD參與污水管網(wǎng)運(yùn)輸過(guò)程中的反應(yīng)造成的計(jì)算誤差，也可以用磷作為污染物指標(biāo)。

3 結(jié)果和討論

本部分定量表征和論述四個(gè)因素和污水系統(tǒng)運(yùn)行效率之間各自對(duì)應(yīng)影響關(guān)系, 這里污水系統(tǒng)運(yùn)行效率的主要指標(biāo)是排放到受納水體的污染物負(fù)荷和污水管道中的污染物濃度(主要是COD）。由于不同因素間相互關(guān)聯(lián)，在討論一個(gè)因素的影響時(shí)將涉及其他因素和條件。利用本文介紹的相關(guān)內(nèi)容，有興趣的讀者可以從一些易獲得的數(shù)據(jù)和信息開(kāi)始, 定量估算和解析當(dāng)?shù)匚鬯到y(tǒng)的現(xiàn)狀, 然后進(jìn)一步辨識(shí)改善污水系統(tǒng)效率的最大影響因素和估計(jì)達(dá)到污水系統(tǒng)改造目標(biāo)需要滿(mǎn)足的條件。

3.1 外來(lái)水入侵

污水管網(wǎng)中外來(lái)水(SQI/I)在稀釋污染物濃度的同時(shí), 也提高了管網(wǎng)污水輸送和污水處理廠(chǎng)處理量及向受納水體排放污染物負(fù)荷, 降低了污水系統(tǒng)效率, 增加了運(yùn)營(yíng)成本和受納水體水質(zhì)惡化的風(fēng)險(xiǎn)。外來(lái)水入侵不僅發(fā)生在中國(guó)，而是一個(gè)世界性問(wèn)題。外來(lái)水量與市政(綜合)用水量一起決定了污水管網(wǎng)中COD和濃度(見(jiàn)表1，以COD為例)。可靠的外來(lái)水入侵估算是污水系統(tǒng)改造和規(guī)劃不可或缺的參數(shù)。圖2顯示了外來(lái)水、用水量和COD濃度之間關(guān)系。其中第二(右）Y軸的顏色對(duì)應(yīng)于圖中不同COD濃度的等值線(xiàn)。歐洲一些國(guó)家的污水管網(wǎng)外來(lái)水在 50 ~180 L/(人·d)［SCWC在140~200 L/(人·d），見(jiàn)3.3節(jié)］,對(duì)應(yīng)于污水管網(wǎng) COD 濃度500~700 mg/L。國(guó)內(nèi)污水管網(wǎng)外來(lái)水估算在 140~300 L/(人·d), 加之較高的SCWC(見(jiàn)3.3節(jié))，相當(dāng)部分污水管網(wǎng) COD濃度在200~400 mg/L，甚至更低。與歐洲一些國(guó)家相比, 由于有待改進(jìn)污水管網(wǎng)質(zhì)量與管理水平, 國(guó)內(nèi)污水管網(wǎng)系統(tǒng)較高的外來(lái)水是管網(wǎng)污水(COD)低濃度的主要因素之一, 也是導(dǎo)致污水處理廠(chǎng)較低的運(yùn)營(yíng)效率的主要原因。當(dāng)然國(guó)內(nèi)也有一些質(zhì)量?jī)?yōu)良、管理良好污水管網(wǎng)系統(tǒng)（如北京）, 其外來(lái)水較少, 加之較低的人均綜合用水量, 污水COD 濃度約在550 mg/L。

以SCWC作為基準(zhǔn)稀釋倍數(shù)(Dilution Factor, DF)常用于表征管網(wǎng)中外來(lái)水的侵入和對(duì)污水的稀釋程度 (見(jiàn)表1)。比較不同估算外來(lái)水量方法，水量平衡法和濃度(水質(zhì)稀釋)法相對(duì)簡(jiǎn)單和直接, 但濃度法較可靠，特別考慮到目前國(guó)內(nèi)污水處理廠(chǎng)處理能力限制(見(jiàn)3.4節(jié)), 相當(dāng)部分污水處理廠(chǎng)處理的污水只是污水管網(wǎng)中污水的一部分。圖3是由基于濃度法計(jì)算(見(jiàn)表1)制成, 其中第二(右）Y軸顏色對(duì)應(yīng)圖中不同的稀釋倍數(shù)等值線(xiàn)。一般水務(wù)機(jī)構(gòu)和公司都有污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD濃度和SCWC數(shù)據(jù),可由此二數(shù)據(jù)從圖3直接或由內(nèi)插或外延讀得對(duì)應(yīng)的污水稀釋倍數(shù), 然后通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算得知外來(lái)水(SQI/I)(見(jiàn)表1)。應(yīng)該注意的是, 取決于SCWC, 相同的稀釋倍數(shù)并不總是意味著相同數(shù)量的外來(lái)水侵入。歐洲一些國(guó)家的污水稀釋倍數(shù)在1.5~3, 國(guó)內(nèi)大部分污水管網(wǎng)污水稀釋倍數(shù)也在類(lèi)似范圍內(nèi)。然而，由于歐洲一些國(guó)家的用水量較少，國(guó)內(nèi)的污水管網(wǎng)外來(lái)水入侵絕對(duì)量高于一些歐洲國(guó)家(見(jiàn) 3.3節(jié))。

總體而言, 修復(fù)污水管網(wǎng)減少外來(lái)水入侵仍然是當(dāng)前國(guó)內(nèi)改善城市水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵步驟和緊迫任務(wù), 尤其對(duì)南方一些城市而言。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐表明，這是一項(xiàng)高投資、長(zhǎng)周期工作, 非一蹴而就，需要進(jìn)行詳盡規(guī)劃。作為一種事前估計(jì)方法, 可將現(xiàn)有污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中COD 值(CODMSW)與管網(wǎng)理論最大 CODMAX (SQI/I=0 L/(人·d))進(jìn)行比較(見(jiàn)圖6)，估計(jì)修復(fù)現(xiàn)有污水管網(wǎng)可能帶來(lái)的COD濃度增加幅度, 3.3節(jié)將對(duì)此給予進(jìn)一步說(shuō)明。

3.2 污水管網(wǎng)收集率

污水管網(wǎng)收集率為管網(wǎng)收集污水占市政產(chǎn)生污水的比例，與污水管網(wǎng)覆蓋率直接相關(guān)。管網(wǎng)污水收集率的大小影響污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD濃度和溢流排放至受納水體的污染物負(fù)荷。圖5顯示了在SCWC為250 L/(人·d)、PLCOD 120 g COD/(人·d)和SQI/I從可忽略［∽0 L/(人·d)］增加到 300 L/(人·d)時(shí), 污水收集率從50% 至 100% 時(shí), 污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中的 COD 濃度的變化。當(dāng)SQl/I 可以忽略不計(jì)［∽0 L/(人·d)］, COD濃度達(dá)到最大值 (CODMAX) 480 mg/L,與收集率無(wú)關(guān)。在固定的SQl/I情況下, 管網(wǎng)COD濃度隨著管網(wǎng)污水收集率下降而降低，收集率每降低10%，COD下降約30 mg /L。在固定的收集率情況下, COD濃度隨著SQI/I下降而降增加。當(dāng)SQI/I從 200 L/(人·d)增加到 100 L/(人·d)時(shí)，COD 濃度可增加約 100 mg/L。圖5顯示，如果要達(dá)到最近住建部等四部委要求到2025 年污水集中收集率達(dá)70%和污水處理廠(chǎng)進(jìn)水 BOD 濃度不低于100 mg/L (相對(duì)的COD估算為 250 mg/L, 按照1 mg BOD/L= 2.5 mg COD/L計(jì)算)的城市生活污水處理廠(chǎng)達(dá)90%以上，假設(shè)SCWC 250 L/(人·d),外來(lái)水SQI/I必須控制在160 L/(人·d)水平。

在許多情況下，管網(wǎng)污水收集率的高低在控制受納水體水質(zhì)方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用。舉例來(lái)說(shuō), 假設(shè)管網(wǎng)收集到污水都在污水處理廠(chǎng)得到處理(管網(wǎng)系統(tǒng)溢流排放可忽略)、且污水處理廠(chǎng)去除率保持80%的高水平，當(dāng)管網(wǎng)污水收集率分別為70% 和60% (未收集率30%和40%)時(shí)，未收集污水加上污水處理廠(chǎng)尾水排放到受納水體負(fù)荷可達(dá)總污水污染物負(fù)荷的36%和48%?？紤]目前國(guó)內(nèi)污水系統(tǒng)和污水處理廠(chǎng)低SQOUT/SCWC（污清比）的情況，污染物排放到受納水體負(fù)荷率將更高。在這種情況下，進(jìn)一步提高污水處理廠(chǎng)的去除效率或者單純依賴(lài)提高排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)改善受納水體水質(zhì)的影響可能有限, 3.4節(jié)中將進(jìn)一步加以討論。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)許多城市污水主干管網(wǎng)覆蓋率達(dá)到90%，接近歐盟、日本和美國(guó)等國(guó)家的水平。但由于城市的快速發(fā)展，支管與主干管網(wǎng)的聯(lián)接不夠完善。此外，一些城市污水管網(wǎng)建設(shè)落后于污水處理廠(chǎng)。如前所述, 管網(wǎng)低污水收集率不僅降低管網(wǎng)中污水COD濃度, 更嚴(yán)重的問(wèn)題是直排污水可成為水環(huán)境惡化重要因素。為此，各城市應(yīng)遵循最近國(guó)家相關(guān)管理機(jī)構(gòu)要求, 將進(jìn)一步提高污水管網(wǎng)覆蓋率、消除管網(wǎng)空白區(qū)和消除污水直排，把提升管網(wǎng)污水收集率放在優(yōu)先考慮位置，避免盲目提高污水處理廠(chǎng)出水標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 市政綜合用水量

市政綜合用水量與市政污水產(chǎn)生量之間的耦合關(guān)系是顯而易見(jiàn)的：原污水(即不含外來(lái)水的污水）是供水被利用后直接產(chǎn)生的水(也稱(chēng)用過(guò)水, used water)。在相同的外來(lái)水條件下, 用水量越少(用水效率越高）, 污水管網(wǎng)里(混合)污水量越少, 污染物濃度越高。西、北歐一些國(guó)家的SCWC介于140~200 L/（人·d），國(guó)內(nèi)2020年數(shù)據(jù)介于140~310 L/(人·d)［18］, 比歐洲一些國(guó)家值高。除了高外來(lái)水量(SQI/I)，較高的用水量(SCWC)是國(guó)內(nèi)市政污水污染物(COD以及氮和磷）濃度較低的另一重要因素(見(jiàn)表1、 圖 6、 圖3)。

圖6給出了在 SQI/I從微不足道到350 L/(人·d) 條件下, 人均日綜合用水量(SCWC)對(duì)管網(wǎng)污水COD濃度的影響。隨著SCWC增加, 管網(wǎng)COD濃度顯著降低。當(dāng)SCWC<200 L/(人·d)時(shí), 尤其敏感。最上線(xiàn)代表在外來(lái)水可忽略條件下(SQI/I∽0）污水管網(wǎng)中COD在不同用水量(SCWC)可能達(dá)到的最高濃度 (CODMAX)。讀者可以根據(jù)當(dāng)?shù)?SCWC 值，從圖6中讀取對(duì)應(yīng)的管網(wǎng)CODMAX, 并與現(xiàn)有的污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中COD 濃度比較, 進(jìn)而評(píng)估通過(guò)污水管網(wǎng)修復(fù)提高現(xiàn)有污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD濃度潛在的空間。對(duì)于對(duì)那些外來(lái)水已得到很好控制(SQI/I<100 cod="">500 mg/L)［2］，進(jìn)一步增加污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD濃度的努力方向可能在于提高用水效率(減少SCWC); 對(duì)于那些COD濃度低的污水管網(wǎng)(<250 mg/L), 如在溫?zé)岫嘤曛槿堑貐^(qū)，在SCWC≥300 L/(人·d)條件下, 即使外來(lái)水入侵減少到100 L/(人·d), 管網(wǎng)污水COD最高濃度也只可以達(dá)到300 mg/L的水平(見(jiàn)表1、圖2、圖6)。所以, 污水管網(wǎng)修復(fù)和提高用水效率(降低用水量)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。

總體而言, 修復(fù)污水管網(wǎng)減少外來(lái)水入侵仍然是當(dāng)前國(guó)內(nèi)改善城市水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵步驟和緊迫任務(wù), 尤其對(duì)南方一些城市而言。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐表明，這是一項(xiàng)高投資、長(zhǎng)周期工作, 非一蹴而就，需要進(jìn)行詳盡規(guī)劃。作為一種事前估計(jì)方法, 可將現(xiàn)有污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中COD 值(CODMSW)與管網(wǎng)理論最大 CODMAX (SQI/I=0 L/(人·d))進(jìn)行比較(見(jiàn)圖6)，估計(jì)修復(fù)現(xiàn)有污水管網(wǎng)可能帶來(lái)的COD濃度增加幅度, 3.3節(jié)將對(duì)此給予進(jìn)一步說(shuō)明。

3.2 污水管網(wǎng)收集率

污水管網(wǎng)收集率為管網(wǎng)收集污水占市政產(chǎn)生污水的比例，與污水管網(wǎng)覆蓋率直接相關(guān)。管網(wǎng)污水收集率的大小影響污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD濃度和溢流排放至受納水體的污染物負(fù)荷。圖5顯示了在SCWC為250 L/(人·d)、PLCOD 120 g COD/(人·d)和SQI/I從可忽略［∽0 L/(人·d)］增加到 300 L/(人·d)時(shí), 污水收集率從50% 至 100% 時(shí), 污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中的 COD 濃度的變化。當(dāng)SQl/I 可以忽略不計(jì)［∽0 L/(人·d)］, COD濃度達(dá)到最大值 (CODMAX) 480 mg/L,與收集率無(wú)關(guān)。在固定的SQl/I情況下, 管網(wǎng)COD濃度隨著管網(wǎng)污水收集率下降而降低，收集率每降低10%，COD下降約30 mg /L。在固定的收集率情況下, COD濃度隨著SQI/I下降而降增加。當(dāng)SQI/I從 200 L/(人·d)增加到 100 L/(人·d)時(shí)，COD 濃度可增加約 100 mg/L。圖5顯示，如果要達(dá)到最近住建部等四部委要求到2025 年污水集中收集率達(dá)70%和污水處理廠(chǎng)進(jìn)水 BOD 濃度不低于100 mg/L (相對(duì)的COD估算為 250 mg/L, 按照1 mg BOD/L= 2.5 mg COD/L計(jì)算)的城市生活污水處理廠(chǎng)達(dá)90%以上，假設(shè)SCWC 250 L/(人·d),外來(lái)水SQI/I必須控制在160 L/(人·d)水平。

在許多情況下，管網(wǎng)污水收集率的高低在控制受納水體水質(zhì)方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用。舉例來(lái)說(shuō), 假設(shè)管網(wǎng)收集到污水都在污水處理廠(chǎng)得到處理(管網(wǎng)系統(tǒng)溢流排放可忽略)、且污水處理廠(chǎng)去除率保持80%的高水平，當(dāng)管網(wǎng)污水收集率分別為70% 和60% (未收集率30%和40%)時(shí)，未收集污水加上污水處理廠(chǎng)尾水排放到受納水體負(fù)荷可達(dá)總污水污染物負(fù)荷的36%和48%?？紤]目前國(guó)內(nèi)污水系統(tǒng)和污水處理廠(chǎng)低SQOUT/SCWC（污清比）的情況，污染物排放到受納水體負(fù)荷率將更高。在這種情況下，進(jìn)一步提高污水處理廠(chǎng)的去除效率或者單純依賴(lài)提高排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)改善受納水體水質(zhì)的影響可能有限, 3.4節(jié)中將進(jìn)一步加以討論。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)許多城市污水主干管網(wǎng)覆蓋率達(dá)到90%，接近歐盟、日本和美國(guó)等國(guó)家的水平。但由于城市的快速發(fā)展，支管與主干管網(wǎng)的聯(lián)接不夠完善。此外，一些城市污水管網(wǎng)建設(shè)落后于污水處理廠(chǎng)。如前所述, 管網(wǎng)低污水收集率不僅降低管網(wǎng)中污水COD濃度, 更嚴(yán)重的問(wèn)題是直排污水可成為水環(huán)境惡化重要因素。為此，各城市應(yīng)遵循最近國(guó)家相關(guān)管理機(jī)構(gòu)要求, 將進(jìn)一步提高污水管網(wǎng)覆蓋率、消除管網(wǎng)空白區(qū)和消除污水直排，把提升管網(wǎng)污水收集率放在優(yōu)先考慮位置，避免盲目提高污水處理廠(chǎng)出水標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 市政綜合用水量

市政綜合用水量與市政污水產(chǎn)生量之間的耦合關(guān)系是顯而易見(jiàn)的：原污水(即不含外來(lái)水的污水）是供水被利用后直接產(chǎn)生的水(也稱(chēng)用過(guò)水, used water)。在相同的外來(lái)水條件下, 用水量越少(用水效率越高）, 污水管網(wǎng)里(混合)污水量越少, 污染物濃度越高。西、北歐一些國(guó)家的SCWC介于140~200 L/（人·d），國(guó)內(nèi)2020年數(shù)據(jù)介于140~310 L/(人·d)［18］, 比歐洲一些國(guó)家值高。除了高外來(lái)水量(SQI/I)，較高的用水量(SCWC)是國(guó)內(nèi)市政污水污染物(COD以及氮和磷）濃度較低的另一重要因素(見(jiàn)表1、 圖 6、 圖3)。

圖6給出了在 SQI/I從微不足道到350 L/(人·d) 條件下, 人均日綜合用水量(SCWC)對(duì)管網(wǎng)污水COD濃度的影響。隨著SCWC增加, 管網(wǎng)COD濃度顯著降低。當(dāng)SCWC<200 L/(人·d)時(shí), 尤其敏感。最上線(xiàn)代表在外來(lái)水可忽略條件下(SQI/I∽0）污水管網(wǎng)中COD在不同用水量(SCWC)可能達(dá)到的最高濃度 (CODMAX)。讀者可以根據(jù)當(dāng)?shù)?SCWC 值，從圖6中讀取對(duì)應(yīng)的管網(wǎng)CODMAX, 并與現(xiàn)有的污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中COD 濃度比較, 進(jìn)而評(píng)估通過(guò)污水管網(wǎng)修復(fù)提高現(xiàn)有污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD濃度潛在的空間。對(duì)于對(duì)那些外來(lái)水已得到很好控制(SQI/I<100 cod="">500 mg/L)［2］，進(jìn)一步增加污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD濃度的努力方向可能在于提高用水效率(減少SCWC); 對(duì)于那些COD濃度低的污水管網(wǎng)(<250 mg/L), 如在溫?zé)岫嘤曛槿堑貐^(qū)，在SCWC≥300 L/(人·d)條件下, 即使外來(lái)水入侵減少到100 L/(人·d), 管網(wǎng)污水COD最高濃度也只可以達(dá)到300 mg/L的水平(見(jiàn)表1、圖2、圖6)。所以, 污水管網(wǎng)修復(fù)和提高用水效率(降低用水量)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。

3.4 污水處理廠(chǎng)處理量

城市污水管網(wǎng)排放到受納水體的污染物負(fù)荷可分為兩部分: 污水處理廠(chǎng)排放和管網(wǎng)的溢流排放(見(jiàn)圖1)。兩部分過(guò)量排放量都會(huì)導(dǎo)致受納水質(zhì)惡化。在一定混合污水稀釋倍數(shù)和管網(wǎng)污水接近全收集情況下, 污水處理廠(chǎng)處理量比(TR), SQOUT/SCWC(污清比)直接影響管網(wǎng)溢流排放負(fù)荷大小。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)SQOUT/SCWC(見(jiàn)表1)較高時(shí), 溢流排放負(fù)荷較少，反之管網(wǎng)溢流負(fù)荷較大。圖7展示了在污水全收集、SQOUT/SCWC為1, SCWC分別為200、250、300 L/(人·d)和污水稀釋倍數(shù)在1~2變化時(shí), 污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD濃度、管網(wǎng)溢流COD負(fù)荷對(duì)污水管網(wǎng)收集COD負(fù)荷比之間的關(guān)系。污水COD濃度隨著稀釋倍數(shù)的增加而減少, 但與SCWC無(wú)關(guān)，溢流負(fù)荷比隨著稀釋倍數(shù)的增加而增加。當(dāng)稀釋倍數(shù)為1.2, COD 溢流負(fù)荷比約20%;稀釋倍數(shù)為1.4時(shí)，負(fù)荷比約35%; 稀釋倍數(shù)為1.8時(shí), 負(fù)荷比約43%。以上三種污水稀釋倍數(shù)在某種程度上對(duì)應(yīng)長(zhǎng)三角部分城市污水幾乎全收集且泄漏得到合理控制的分流式管網(wǎng)系統(tǒng)旱季、年均和雨季平均值。對(duì)于那些污水高度稀釋如在旱季已經(jīng)滿(mǎn)管流的污水管網(wǎng), 溢流負(fù)荷比將更高。

需要注意的是, 污水管網(wǎng)中較高污染物濃度并不總是意味著較少量污染物溢流排放負(fù)荷, 在很大程度上后者取決于污水處理廠(chǎng)SQOUT/SCWC比。兩個(gè)擁有相同的SCWC和SQI/I的市政污水管網(wǎng)，管網(wǎng)中污水量和COD濃度相同,污水處理廠(chǎng)處理量比較大的管網(wǎng)的溢流負(fù)荷低于污水處理廠(chǎng)處理量比較小管網(wǎng)溢流負(fù)荷(見(jiàn)1.1節(jié))。一個(gè)SCWC=230L/(人·d)、SI/I= 160 L/(人·d) (稀釋倍數(shù)1.7)的污水管網(wǎng), 污水COD約340 mg/L，而另一個(gè)管網(wǎng)SCWC和SQI/I都為300L/(人·d)(稀釋倍數(shù)2)，污水COD濃度約200 mg/L。但在各污水處理廠(chǎng)SQOUT/SCWC分別1.2 和 1.7 (污水處理廠(chǎng)處理量/污水量比0.7和 0.9)情況下，各自污染物溢出負(fù)荷比分別為33%和15%(見(jiàn)表1)。一般來(lái)說(shuō),污水處理廠(chǎng)較高SQOUT/SCWC和較大處理量/管網(wǎng)污水量比有利于減少溢流排放負(fù)荷。所以，當(dāng)努力增加污水管網(wǎng)污水COD 時(shí)，應(yīng)該同時(shí)考慮到管網(wǎng)的溢出負(fù)荷。

圖8、圖9由污水量平衡原理計(jì)算所得, 結(jié)果與討論同時(shí)適用于COD、氮和磷。圖8顯示了污水稀釋倍數(shù)(DF)和污水處理廠(chǎng)TR（SQOUT/SCWC，污清比)與污染物溢流(不包括污水處理廠(chǎng)排放)負(fù)荷比的關(guān)系, 其中第二(右）Y軸的顏色對(duì)應(yīng)于圖中不同污染物溢流負(fù)荷比的等值線(xiàn)。當(dāng)SQOUT/SCWC等于或高于稀釋倍數(shù)（DF）時(shí)，幾乎沒(méi)有溢流。歐洲一些國(guó)家包括德國(guó)、奧地利、瑞士和北歐許多污水處理廠(chǎng)污水設(shè)計(jì)處理量上限≥3·QS,aM(QS,aM:市政用水量）,管網(wǎng)污水年均稀釋倍數(shù)仍在 1.5~3, 雖然上述大部分國(guó)家的50%以上的污水管網(wǎng)已經(jīng)是分流系統(tǒng)，但污水處理廠(chǎng)的高處理能力有效減少溢流排放。如蘇黎世 Werdhlzli和維也納MWWTP污水處理廠(chǎng)，均連接合流制污水管網(wǎng)，各自年均污染物溢流排放負(fù)荷僅為管網(wǎng)收集負(fù)荷的3%和7%。從圖8可見(jiàn), 對(duì)應(yīng)稀釋倍數(shù)從 1.5、2和3，以30%作為溢流負(fù)荷控制目標(biāo), 污水處理廠(chǎng)SQOUT/SCWC（清污比）應(yīng)不小于 1.1、1.4、1.7；以20%作為控制目標(biāo)SQOUT/SCWC應(yīng)不小于1.3、1.7、2.2。讀者可以根據(jù)當(dāng)?shù)毓芫W(wǎng)污水稀釋倍數(shù)和污水處理廠(chǎng)SQOUT/SCWC估算溢流污染物負(fù)荷, 也可以根據(jù)允許溢流污染物負(fù)荷思考現(xiàn)有污水處理廠(chǎng)處理能力SQOUT/SCWC是否合適。

圖9進(jìn)一步展示在稀釋倍數(shù)(DF)為2，污水處理廠(chǎng)SQOUT/SCWC比在1~2，污染物去除率分別為75%和93%條件下，五種負(fù)荷對(duì)污水管網(wǎng)全收集負(fù)荷的比率。五種負(fù)荷分別是：①污水處理廠(chǎng)去除75%污染物后排放負(fù)荷；②污水處理廠(chǎng)去除93%污染物后的排放負(fù)荷；③污水管網(wǎng)溢流負(fù)荷；④污水處理廠(chǎng)在75%污染物去除率時(shí)排放負(fù)荷加污水管網(wǎng)溢流負(fù)荷；⑤污水處理廠(chǎng)在93%污染物去除率時(shí)的排放負(fù)荷加污水管網(wǎng)溢流負(fù)荷。假設(shè)進(jìn)水中的總氮(TN)約為40 mg/L，75%去除率對(duì)應(yīng)出水總氮約10 mg N/L, 93%的去除率對(duì)應(yīng)出水總氮約3 mg/L(脫氮技術(shù)極限值)。為了區(qū)分處理后和管網(wǎng)溢出的兩部分污水負(fù)荷，圖9用污水處理廠(chǎng)處理量/管網(wǎng)污水量(SCWC·DF)比(TR/DF，表1)代替稀釋倍數(shù)和SQOUT/SCWC比用來(lái)：當(dāng)TR/DF≥1時(shí)，管網(wǎng)內(nèi)的污水全部進(jìn)入污水處理廠(chǎng)處理；TR/DF<1時(shí)，管網(wǎng)污水溢流發(fā)生(見(jiàn)圖9)。< p="">

圖9表明：①在圖9的條件下，當(dāng)TR/DF從0.5的增加到1（對(duì)應(yīng)污水處理廠(chǎng)處理量為50%到100%管網(wǎng)內(nèi)污水）, 污水處理廠(chǎng)排放負(fù)荷比增加, 溢流負(fù)荷比減少, 總負(fù)荷比減少。在一定TR/DF條件下，污水處理廠(chǎng)的污染物去除效率對(duì)管網(wǎng)溢流負(fù)荷比沒(méi)有影響；②溢流和污水處理廠(chǎng)排放對(duì)總排放負(fù)荷的相對(duì)貢獻(xiàn)隨TR/DF變化。當(dāng)TR/DF為0.5，溢流負(fù)荷比50%， 污水處理廠(chǎng)排放負(fù)荷比在污水處理廠(chǎng)污染物75%和93%的去除率下分別為13%和3%，相應(yīng)的總排放負(fù)荷比分別為63% 和53%，污染物去除率減少了10個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)TR/DF為1，溢流負(fù)荷比忽略不計(jì)，污水處理廠(chǎng)在75%和93%的去除率下排放負(fù)荷比分別為25%和7%，相應(yīng)的總排放負(fù)荷比分別為25%和7%?？偱欧咆?fù)荷比較TR/DF=0.5時(shí)減少18個(gè)百分點(diǎn)；③TR/DF值常決定了對(duì)受納水體的污染物排放負(fù)荷。當(dāng)TR/DF≤0.6，即使污水處理廠(chǎng)去除效率93%，仍有約44%的污染物排放到水環(huán)境中；如果排入受納水體排放負(fù)荷允許值為10%收集負(fù)荷，無(wú)論污水處理廠(chǎng)執(zhí)行多么嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)，TR/DF必須≥0.95。在此說(shuō)明，適當(dāng)?shù)腡R/FD而不僅是污水處理廠(chǎng)的去除效率對(duì)滿(mǎn)足受納水體允許排放負(fù)荷至關(guān)重要。

歐洲一些國(guó)家城市污水管理政策之一是：除了允許排放到水環(huán)境中的溢流外，原則上污水管網(wǎng)中的污水都必須經(jīng)處理后排放，即使增加運(yùn)行成本。這些國(guó)家有賴(lài)于大于等于3倍SCWC的污水處理廠(chǎng)處理能力（TR，污清比）, 污水處理廠(chǎng)處理能力大于等于管網(wǎng)內(nèi)污水量(TR/DF≥1），加以污水處理廠(chǎng)高排放標(biāo)準(zhǔn),在污水稀釋倍數(shù)1.5~3的情況下，即使在雨季，仍能有效控制污水系統(tǒng)溢流,保護(hù)了城市水生態(tài)環(huán)境。國(guó)內(nèi)污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)處理量上限較低，2019年統(tǒng)計(jì)城市人均污水處理量對(duì)人均綜合用水量比值(TR/DF)在0.8~1.2，盡管近年來(lái)一些城市此項(xiàng)比率有所提高，但總體來(lái)說(shuō)仍低于德國(guó)和荷蘭的年均值2和丹麥、瑞典的接近3的年均值。由圖8和圖9可見(jiàn)，當(dāng)污水處理廠(chǎng)處理量/SCWC=1.2，污水稀釋倍數(shù)2.0 和2.5，各自通過(guò)溢流排放污染物到城市水環(huán)境約占的污水管網(wǎng)收集污染物負(fù)荷40%和 50%，與文獻(xiàn)相近。在如此高對(duì)受納水體的溢流負(fù)荷下，提升污水處理廠(chǎng)高排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)受納水體水質(zhì)改善作用可能相當(dāng)有限。此外，相對(duì)于管網(wǎng)中較大混合污水流量，污水處理廠(chǎng)較低處理能力可導(dǎo)致管網(wǎng)流動(dòng)截面增加，管內(nèi)污水流速降低甚至滿(mǎn)管運(yùn)行，成為固體在管網(wǎng)運(yùn)輸過(guò)程中沉降和發(fā)酵和部分管網(wǎng)修復(fù)效果不彰的可能原因之一。

考慮當(dāng)前國(guó)內(nèi)污水處理廠(chǎng)較低處理量和污水稀釋導(dǎo)致排放負(fù)荷對(duì)城市水環(huán)境的影響，有必要認(rèn)真考慮提升現(xiàn)有部分污水處理廠(chǎng)處理能力的合理性和可行性。2021年《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014-2021)已增加了與污水處理廠(chǎng)流量相關(guān)系數(shù)值，并要求在分流制管網(wǎng)和污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)中考慮包括雨水在內(nèi)的外來(lái)水因素。許多污水處理廠(chǎng)擴(kuò)容升級(jí)可以通過(guò)原位改造現(xiàn)有部分工藝單元來(lái)進(jìn)行，但擴(kuò)大處理廠(chǎng)規(guī)模涉及額外的投資，尤其考慮到當(dāng)前國(guó)內(nèi)較高用水量和污水管網(wǎng)外來(lái)水侵入情況，污水處理廠(chǎng)擴(kuò)容需要根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r與其他選項(xiàng)進(jìn)行比較或同時(shí)進(jìn)行，前者包括: 管網(wǎng)改造增加污染物濃度、提高污水處理廠(chǎng)去除效率和改善用水效率以及應(yīng)用調(diào)蓄設(shè)施等，結(jié)合技術(shù)、管理、投資和實(shí)施時(shí)間多方面考慮。近幾年國(guó)內(nèi)污水管網(wǎng)改造增加污染物濃度經(jīng)驗(yàn)和成果是與此相關(guān)寶貴的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。目前可就這個(gè)題目展開(kāi)進(jìn)一步討論，結(jié)合國(guó)內(nèi)特有經(jīng)驗(yàn)如海綿城市等，選擇泄漏已獲較好控制管網(wǎng)道相連的污水處理廠(chǎng)開(kāi)展示范工程，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.5 三點(diǎn)建議

綜上所述, 污水系統(tǒng)的提質(zhì)增效應(yīng)綜合用水、污水收集、污水處理、溢流污染和受納水體之間內(nèi)在相互影響的關(guān)系, 追求技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行的解決方案，以滿(mǎn)足改善污水系統(tǒng)總體運(yùn)行效率及質(zhì)量總目標(biāo)。為此，提出了以下三項(xiàng)污水系統(tǒng)修復(fù)策略:

（1）對(duì)那些外來(lái)水入侵嚴(yán)重(旱季滿(mǎn)管運(yùn)行、污水高度稀釋, COD<200 400="" cod="">400 mg/L），以定期維護(hù)作為污水管網(wǎng)管理的主要策略。當(dāng)用水效率明顯較低［例如SCWC >280L/(人·d)］, 應(yīng)同時(shí)考慮節(jié)水。

（2）提高污水管網(wǎng)污水收集率是改善城市水環(huán)境直接有效的途徑,較發(fā)達(dá)城市污水管網(wǎng)收集率應(yīng)努力維持大于80%。對(duì)于那些外來(lái)水入侵已獲得適當(dāng)控制的污水系統(tǒng) (COD > 300 mg/L, 稀釋倍數(shù) ≤ 2）, 應(yīng)考慮適當(dāng)增加現(xiàn)有污水處理廠(chǎng)處理量上限以減少溢流負(fù)荷。

（3）市政污水系統(tǒng)系統(tǒng)提質(zhì)增效, 應(yīng)在城市水環(huán)境保護(hù)視野下, 在受納水體的允許排放負(fù)荷基礎(chǔ)上, 確定和綜合考慮用水、污水管網(wǎng)、污水處理廠(chǎng)與受納水體水質(zhì)之間量化、多重關(guān)聯(lián)關(guān)系, 以控制并減少污染物負(fù)荷為總體目標(biāo), 提高污水COD濃度為手段, 辨識(shí)在污水系統(tǒng)修復(fù)和城市水質(zhì)改善中起支配作用的因素和最佳組合, 根據(jù)目標(biāo), 結(jié)合財(cái)政、管理和技術(shù)能力和污水系統(tǒng)修復(fù)需要的時(shí)間等因素，通過(guò)多種方案比較，尋求兼顧理想與實(shí)際、最具成本效益的方法。

4 結(jié)論

這項(xiàng)工作應(yīng)用簡(jiǎn)化城市污水系統(tǒng)模型和基于質(zhì)量平衡原理計(jì)算, 定量表征了與污水系統(tǒng)性能和效率相關(guān)的污水管網(wǎng)外來(lái)水、管網(wǎng)污水收集率、市政綜合用水量和污水處理廠(chǎng)處理能力四個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)污水管網(wǎng)COD濃度和溢流負(fù)荷之間的數(shù)量關(guān)系，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量討論和分析。有助于加強(qiáng)進(jìn)行城市污水系統(tǒng)提質(zhì)增效時(shí)所需的對(duì)城市污水系統(tǒng)和子系統(tǒng)要素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系和影響程度的理解，提供綜合考慮城市用水、管網(wǎng)污水收集率、污水處理廠(chǎng)處理能力和污染物去除效率以及受納水體水質(zhì)的定量描述方法, 以控制并減少污染物負(fù)荷為總體目標(biāo), 提高污水管網(wǎng)內(nèi)污水COD濃度為手段, 辨識(shí)在污水系統(tǒng)修復(fù)和城市水質(zhì)改善中起支配作用的因素和最佳組合, 根據(jù)目標(biāo), 結(jié)合財(cái)政、管理和技術(shù)能力和污水系統(tǒng)修復(fù)需要的時(shí)間等因素，通過(guò)多種方案比較，尋求最具成本效益的方法和途徑, 在充分的定性和定量分析、評(píng)估的基礎(chǔ)上, 形成技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)有效的系統(tǒng)決策。