德国是欧洲乃至全世界雨水综合利用方面开展得最为成功的国家之一,拥有近四十年的实践经验,这对我国具有重要的借鉴意义。在2020(第十二届)上海水业热点论坛上,作为德国水泰和的中方合作伙伴,上海汩鸿环保工程设备有限公司受邀参加,技术总工蔡晙雯并现场分享了德国雨洪管理、CSO控制及管网运维方面的经验与技术引进后的思考。
 
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 蔡晙雯
 
德国水泰和水科技有限公司 Steinhardt GmbH(简称“德国水泰和”)是德国著名的水处理和雨洪管理领域方案设计、产品研发制造以及技术咨询的专业机构。在其成立以来的三十多年中,一直秉承着开发简洁高效、环保持久的水处理系统的宗旨,为社会提供可持续发展、高性价比的水处理及水资源管理解决方案。目前,德国水泰和已经进入中国市场超过十年,在汩鸿环保的积极推广中,德国水泰和在中国多地都有实际项目,针对这些项目,我们不断进行思考和总结,以期把最好的水环保设备用于解决中国的水污染问题。
 
 管网的冲洗与运维

目前,国内常见的管道冲洗方式主要是人工冲洗和高压水枪冲洗,但是在德国采用较多的是管网的自动水力冲洗。水泰和根据不同的管径采取不同的冲洗方式:宽径400以下管道采用虹吸自冲洗,在宽径400到2000的管道采用微型拦蓄冲洗门,宽径在2000以上的管道采用大型拦蓄冲洗门,此外,德国水泰和还有门式自冲洗系统等来配合大型方涵进行冲洗。
 
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上图为管道冲洗工艺的运行原理。水力冲洗,实际上是利用管道内部积存的这一部分水瞬间释放,实现管道自冲洗的行为,这个行为可以实现管网的积淤进入下游,同时,还可以增强管网内部的水动力,让水的流速提升。“管网需要达到两个前提条件,才可以实现比较好的水力冲洗。第一就是瞬时性,释放的水量能够迅速地往下冲;第二就是管网本身是相对健康的状态。”蔡晙雯强调。
 
因此,管网冲洗实际运维过程中也存在着一些问题,大致可以分为四类: 第一,管网高水位运行;第二,管道结构性缺陷;第三,管道里漂浮类垃圾较多;第四,新建井选址不容易。
 
当然管网冲洗运维存在着一定问题,但这并不代表管网冲洗本身没有办法继续进行,或者说管网冲洗不需要进行。实际上,管网冲洗只是管网整体运营精细化调控的一个方面,管网精细化管控实际上是未来水环境一个非常重要的核心,包括智慧截流、智慧排水、智慧城市的建设,所有这些都离不开管道系统精细化的管控。整体管网现状的改进是一个循序渐进的过程,既不能回避该问题,也不应该放弃科学的发展速度规划、实施,这样才能够实现比较好的管网运行。我们需要完成管网CCTV检测、了解管网真实情况、进行管道修复并减少外渗水影响,实现管网调控、最后结合冲洗,达到健康管网的长效运行。
 
那么在现阶段管网冲洗运维的问题如何解决呢?蔡晓雯介绍道,首先,可以结合泵站及污水厂运行工况,尽量保证下游在进行冲洗时能保持低水位,实现冲洗;其次,还可以结合格栅设计,拦截垃圾,适当增加管网内水动力。最后,针对新建厂址不易的情况,可以具体项目具体分析,根据实际项目的设计实现选址。水泰和有非常成熟的管网冲洗设备设计能力,能够为各个实际项目完成特质化设计,达到可以实现的最好工况。
 
分散式与集中式的雨水调蓄处理
 
调蓄设施在进水或者截流井会设置各种设施,包括闸门、格栅等等。在调蓄池内部,比较常见的冲洗工艺有运用在调蓄池的曝气和搅拌的智能冲洗,运用于长距离冲洗的真空冲洗装置,运用于圆形调蓄池的圆形冲洗,以及最为常见的门式冲洗装置。
  
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在雨水调蓄处理实际运维中也会出现一些问题,主要分为五类:
 
第一,来水不符合实际的设计或者前期的设计工况。一般调蓄池设计工况为旱季不进水,根据调蓄池功能,收集初雨或合流制雨污混合水。但经常出现旱季仍有来水,且水量非常大的情况。调蓄池进水闸门必须保持常闭状态,雨季人工开启。
 
第二,收集的水并不是我们预期的水。进入调蓄池的首先是管网内的存水,并非目标的初雨或者雨污混合水。片区越大、调蓄池进水管越长,该情况越明显。
 
第三,调蓄池无法及时清空。调蓄池内存水的排空时间无法保证,旱季时污水厂已经满负荷运行。一方面如果降雨较频繁、则调蓄池调蓄容积无法发挥作用;另一方面,池内长期有水,除臭通风等要求高,能耗高。
 
第四,池底无法及时冲洗。调蓄池池底冲洗一般在排空后才能进行。长期无法排空,则存水沉降时间过长,造成一系列的问题,包括一些通风除臭,或者是污染物的自然沉降,造成设备的各种各样能耗高或者运行效果不理想。
 
第五,土建与设备要求不匹配。土建实际讨论的比较少,大多数人认为设计完之后一定能实现设计的效果,但是很多时候,土建无法达到设计指标,反而会造成一系列的问题,主要有以下几点:一、质量不合格,设备无法安装;二、设备间的排水不畅,出现渗水或积水现象;三、土建平整度、垂直度无法达到设备要求,导致设备无法安装,或勉强安装后运行效果不理想,例如闸阀连接丝杆容易弯曲变形;四、真空清洗时需要形成气密腔室,以保证4~7m的水头可以存储其中。一旦气密性无法保证,则真空冲洗会出现抽不上水而无法冲洗的情况;五、喷射器曝气、冲洗时如同高压水枪进行喷射,如果是在布满柱网的调蓄池内,其水柱会对柱网的结构稳定性产生影响。与此同时,立柱背面也会存在冲洗死角。
 
德国技术在中国应用的思考与总结
 
如何把德国的技术落地到中国的一片绿水青山中来呢?蔡晙雯总结了四方面:
 
首先,在德国,并不是一定要把所有的合流制系统全部改为分流制系统,强调更多的是改良传统的合流及分流制系统。在这两个系统中,要尽可能的分清楚管网里面的这部分水是什么样的水,污染浓度是怎么样的,怎么样来进行一些分散式或者是集中式的处置。 
 
第二,管道精细化的管控。德国水泰和非常善于在管网里面增设简单的调流装置,以控制管道断面的过流能力。例如下图的浮控调流阀,即使来水量持续增大,过流水量仍然保持恒定。
 
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第三,合流及分流系统中雨水的简单机械处理。在分流制以及合流制系统当中增加简单的机械处置,比如格栅,可以对水质效果有一个很明显的改变。“下图是最简单的进水设置的导流板,没有很明显的作用,整个水流非常紊乱,如果进行一些非常简单的优化设计就可以看到,整个污染物形式的流态变化就不一样了,它可以非常有效的截留住污染物,让溢流污染物得到控制。”蔡晙雯介绍道。
 
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改造前

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改造后
 
第四,合流制系统中雨污溢流水的进一步处理。对这些溢流的污染物进行更进一步的处置,可以设置一些类似于斜板沉淀(水力颗粒分离器)的设备,在调蓄池内部,可以进一步斜板吸附以及加速污染物的沉降,提高出水水质。下图是增加水力颗粒分离器的CFD模拟。
 
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反思与总结
 
最后,蔡晓雯总结到,“排水管网系统、分散式调蓄处理构筑物、污水处理厂、城市水体应该是一体化的,整个排水系统的截流量、调蓄量、处理量及溢流量也应该一体化相互配合的,同样项目的设计、建设以及运营也应该一体化协调配合,这样,整个排水系统才能得到更好的提质增效的改变。”