“污水管網系統改造是當前國內許多城市普遍面臨的難題，我本身也有困惑：為什么歐美國家的混流制系統COD濃度比我們國家分流制系統還要高， 甚至在新建區域？有沒有簡單的計算公式，能夠較快估算出下水道系統中的外來水、污水量及污水管網內COD濃度和溢流負荷，并可以應用在投資和效益分析，從而為項目規劃提供支持？”中持新概念環境發展宜興有限公司總工藝師、新加坡PUB（國家水管理機構）前首席專家曹業始博士在“2021（第十三屆）上海水業熱點論壇”上先談了進行這項研究的動機。
論壇上，曹博士以西、北歐一些城市污水管網系統和污水處理廠為例，比較國內和歐洲國家污水管網外來水入侵等情況，并分析了造成國內污水濃度偏低的因素,提出了估算公式。在詳實的數據分析基礎上，進一步提出污水管網系統質量平衡概念模型并討論模擬的結果。提出了改造當前國內下水道系統需要綜合考慮的四個因素及相關建議。
曹業始
影響污水管網性能和效率的四個因素
影響污水管網性能和效率的四個主要因素：1. 外來水入侵。城市污水主要由兩部分組成：城市供水使用后產生的污水 (used water)以及外來水。由滲透水、流入水、雨水組成的外來水。2.污水廠的處理能力。處理量相對應于國內的截流系數，國內一般設置值為1.2, 即處理量是收集的污水的1.2倍 (最新指導文件將該系數擴大到1.5)。3.用水效率, 4. 污水收集率。
下水道系統：邊界和因素
下圖將供水和污水關聯起來，供水方面有包括家庭、公共、工業三類水組成的綜合用水使用后進入到污水管網，綜合用水量數據可以從城市的水務局和年鑒中查詢到。綜合用水加外水匯入下水道的總量形成了下水道里的污水。
污水分成兩股，一股送到污水廠處理，另一股從下水道溢出的污水排入水環境。
本文的討論為國內的一線城市，這類城市制造業已經外移，城市污水基本上是生活污水。在這樣的條件下，以個人污染物的日排放負荷作為計算基準，如個人COD日產生量120g/人/天，個人綜合用水量(SCWC, 升/人/天)可以采用年度統計數值，從這些數據可以使用下面等式估算出外來水量(SQi/i)升/人/天、溢流污水量(SQE)升/人/天。
外來水占比、稀釋倍數和管內污水流量提供估算方法
外來水占比定義為：外來水/(外來水+收集的污水)。稀釋倍數 (DF)定義為：管網內污水/收集污水(供水) ，如果DF為1，就表明沒有外水進來，如果DF為2，就表明外水和收集的污水為一比一。
值得注意的是最大COD濃度值定義為個人排污量除以綜合用水量COD值，計算公式 為CODMAX = PLCOD(120)/SCWC。報告人指出，在污水全收集(X = 100%)且管網外來水可以忽略(DF≈1)的條件下，混合污水COD最大濃度為120/SCWC (g/L)，綜合用水量(SCWC)決定了下水道混合污水COD能夠達到最大濃度。
由于用污水廠處理量代替SRW存在的風險，報告人建議用DF=CODMAX/CODRW,之中CODRW為下水道COD濃度）計算DF值。
在得出稀釋倍數后，用稀釋倍數乘以綜合用水量（SCWC），即得出個人管內污水流量SRW (升 /人/天)，公式為SRW=SCWC·DF。隨后既可以得出個人溢流污水量（SQE），公式為SQE = SRW – SCWC。報告人指出，需要注意的是，由于不同用水效率，相同的外來水占比或稀釋倍數并不意味著相同數量的外來水量。
污水(污水處理廠進水)COD濃度估算
在污水全收集(X = 100%)的條件下，且雨水為干凈的水、的條件下，就得出了下圖第一個公式初步估算出管網中的COD濃度。公式表明，管網中污水COD的濃度取決于綜合用水量和稀釋倍數，前者與綜合用水效率有關，而后者與外來水(或管網滲漏)有關。
在下表中，選取了西歐和國內七個案例，管網中公開文獻中與水有關的數據，用公式進行計算，得出計算值與報告數據相當接近，證明了公式的可用性。
部分歐洲國家和中國的人日均綜合用水量、人日均污水處理量、人日均(混合)污水量及污水COD濃度等相關數據
用水效率是國內污水低濃度不可忽視的因素相之一
下圖匯集了來自西、北歐一些國家和城市與中國北京及另外兩個一線城市污水稀釋相關的文獻數據。從西、北歐地區城市的數據綜合來看，平均稀釋倍數大約達到2倍，也就是供水與外來水的比例為1:1。
報告人強調，這些數據表明，合流制系統外來水量占到管網內污水量50%或以上，意味外來水量(Qi/i)和收集污水量(CWC)相當甚至更多；對分流制系統，外來水占比差異較大，德國北部最低，但也有較高(50%)的情況， 如丹麥和挪威的案例所示。
同時可以看到，北京的外來水比例基本與德國北部處在一個水平上，表明我們可以做好下水道管理. 以上可見，污水管道泄漏是一個世界性的問題, 而從數值上面看, 國內下水道外來水稀釋倍數和占比與西、北歐似乎差別不大。
但是依據綜合用水量和稀釋倍數和占比計算外來水的體積時, 如下圖示, 對應相同的外來水占比或稀釋倍數，用水效率較高(低人日均綜合用水量）的一些西歐國家和城市相比用水效率較低(高人日均綜合用水量）的國內城市，前者部分區域外來水量可以是后者部分區域的約50%。
相似的占比或稀釋倍數范圍內，歐洲的污水管道里污水COD濃度仍可維持在400 ∽680mg/L 范圍(如德國和蘇黎世的合流制系統），遠高于當前許多國內污水管道系統里的COD濃度。
如下圖所示, 一般來說, 國內的綜合用水量以及外來水量的平均值(即使在新建城區)，均高于西歐地區，說明國內污水低濃度不僅僅是由于污水管道外來水侵入造成的，，用水效率應該也是不可忽視的因素。
污水管網系統質量流和平衡概念模型
報告人提出，應在整個流域的水環境范圍中綜合考量管網系統的更新改造，除了管道中的 COD,管網溢流量是另一個重要參數。
污水管網水力和污染物質量流與平衡簡化模型
模型描述了五個不同的的場景，展示外來水入侵和含外來水混合污水的處理(污水處理廠的處理能力)、用水效率和污水收集率對管網里污水濃度和污染物溢流的影響。五個場景中，三個德國案例，兩個中國案例為長三角和珠三角兩個污水收集率均為85%的城市。對五個場景模型計算結果詳見下表。
五種不同場景下模型參數、輸入數據和計算污水COD濃度及溢流負荷
如表格中數據顯示，德國前兩個場景綜合用水量基本相當，污水收集率≈100%，主要差別在于外來水量，外來水量小的分流制地區COD濃度為808mg/L，外來水量大的合流制系統COD濃度均為506mg/L。表明當管網在用水效率很高的情況下，外來水往往是決定性因素。德國第二和第三合流制系統場景數據可以看出，在截流數分別為1.9及1的情況下，COD濃度是相同的。但是當截流數從 1.9減少到 1 時，COD 溢流負荷從幾乎沒有高達輸入量的 48%,顯示污水處理廠量對溢流排放量的顯著影響 。
從中國兩個城市數據上看，珠三角地區的報告COD濃度為164mg/L，低于長三角地區的272 mg/L，而數據顯示珠三角城市溢流到水環境中COD負荷卻少于長三角地區城市。因此報告人指出，從整個流域范圍考慮管網改造問題時，我們不能僅僅將管網中的COD濃度看做是唯一的指標，也要同時考慮流入水環境溢流負荷。
基于計算結果，報告人做了六點總結：
1、 德國北部分流制和其他地區合流制系統例子比較可以看出，外來水量的變化導致了cod濃度的變化，因此說明, 外來水入侵經常是污水管網污水濃度的決定因素, 國內相當部分污水管網系統"即使在旱季也充滿外來水, 減少外流水是目前國內管網改造緊迫任務。
2、 德國合流制系統例子和長、珠三角城市例子說明, 偏小污水處理廠處理負荷將導致溢流排放增加。
3、 德國北部和新加坡、北京例子說明, 用水效率是影響管網污水濃度的另一個重要因素, 尤其是外來水入侵得到有效控制的情況下。
4、 收集率和污染物對水環境排放負荷存在明顯關系, 低收集率意味著高溢出率。
5、 以低成本實現水環境中污染負荷排放量最大程度削減應成為城市水環境和流域治理的整體評估指標。
6、 各地情況不同, 四個因素的改進對污水管網和污水處理提質增效產生的影響不同，要因地制宜采取行動。
污水處理廠如何應對外來水？
下圖顯示了蘇黎世Werdh?lzli污水處理廠雨季一周（2018年8月25至31日）運行情況，水力負荷變化幾乎10倍 (從0.5 m3/s (43 200 m3/d)提升至6.5 m3/s(561 600 m3/d，雨季最大的水力負荷)。
在峰值流量期，活性污泥SRT約14 d，HRT僅2.8 h，出水氨氮始終低于2 mg/L, 硝酸鹽氮低于12 mg/L，且管網無溢流發生。國內不少城鎮污水處理廠活性污泥工藝SRT 和HRT設計偏于保守，基于設計安全系數，現有相當部分生化處理單元應能夠接受并處理外來水和雨季進水額外負荷，面臨主要挑戰是那些以水力負荷為設計依據的單元(主要是物理和化學處理單元)。為此，需要對現有污水處理廠的相關單元、設施和設備能力和運營數據進行評估和分析，確定有必要進行升級改造的單元。與此同時，應充分利用調蓄池和污水管網系統(管網、及泵站等）的潛在存儲容積、錯峰及流量控制，緩解峰值流量沖擊從而減少CSO (和SSO) 溢流排放
瑞士蘇黎世Werdh?lzli污水處理廠雨季（2018年8月25至8月31日）進水流量、出水氨氮即硝態氮及調蓄池水位在線測量數據
使用四個因素可以快速幫助找出可能的改進方法并幫助比較不同的選擇. 報告人舉例，假設綜合用水量(Q)為260 L/(人·天)，管內污水COD為150 mg/L，計算出CODMAX約為460 mg/L，稀釋倍數(DF)約為3，當污水廠處理設計的截流系數為1.2Q, 溢流污染物量就達到了1.8Q 。 顯然這是不合適的,或許有多個方案可以解決以上現狀，如：進行修復下水道增加COD濃度、增加現有污水處理廠容量、提高下水道收集率、水利用效率等等，需要對這些方案導致的結果、需要的投資、項目的執行時間等等諸多因素進行多方面的比較與考量。如果調整污水廠的處理量，大的處理量帶來的是低溢流量，同時擴大處理量需要投資，以及可能造成較多的外來水侵入。而如果提高管內污水COD濃度, 帶來的是可以降低污水廠成本以及控制外來水,但需要進行下水道修復投資。因此報告人提出，在規劃過程中能不能找出一個COD閾值，體現綜合協調各方面的考量？同時他也指出，在當前污水處理廠或者水體治理項目投資規模都在幾十億甚至上百億的情況下，一份精心制定、考慮成本效益的中長期規劃是必不可少的。
最后，報告人總結以下四點：
1、外來水、污水廠處理量、用水效率和污水收集率, 決定著污水的濃度和溢流量。
2. 通過四個因素敏感度分析, 進行技術和經濟多方案比較, 識別較易實現且經濟有效的方向、目標和行動的優先次序, 制訂切合當地條件下最具成本效益的規劃。
3. 考慮到管道污水濃度增加時，還應注意溢流負荷. 流域管理的目標是以最低成本實現最少排放。
4、積極、謹慎地重新評估下水道和污水處理廠的設計準則以及與含外來水污水處理有關相關政策、排放標等政策法規和相應的收費原則。
論壇現場，曹業始還為與會者帶來了一個練習題（如下圖）。
