城市生活污水流量特性分析

林真国¹，张素云²，郭彦玲¹，冯星辉¹

(1. 重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆，400045；

2. 解放军后勤工程学院 营房管理与环境工程系，重庆，400041)

摘要：生活污水的流量特性对污水源热泵系统的设计和运行至关重要。从城市生活污水的一般性流量特性分析出发，定义并分析城市生活污水的排放系数、负荷系数、月流量系数和小时流量系数等污水流量参数，讨论污水年流量趋势，提出基于污水冷热资源建筑应用的污水流量计算模型，为污水源热泵技术的工程应用提供基础性的数据和方法。

关键词：生活污水；流量特性；计算模型

中图分类号：X703            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0120-05

Analysis of urban sewage flow-volume characteristics

LIN Zhen-guo¹, ZHANG Su-yun², GUO Yan-ling¹, FENG Xing-hui¹

 (1. College of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China;

2. Department of Barrack’s Management & Environmental Engineering,

Logistical Engineering University, Chongqing 400041, China)

Abstract: The flow-volume characteristics of urban sewage is important for the design and aperation of sewage source heat pumps (SSHP). Based on the general flow-volume characteristics, several parameters were defined and analyzed, such as the drain coefficient, load coefficient, monthly and hourly coefficients of urban demotic sewage. A mathematic model for calculating dynamic urban demotic sewage was developed, which can provide a useful basic data and method for the industrialization of SSHP.

Key words: urban sewage; flow-volume characteristics; calculation model

利用热泵技术回收城市污水中蕴藏的冷热能是当前污水资源化利用和建筑新能源开发的前沿课题，对于节能减排具有重要意义^[1-3]。我国《可再生能源产业发展指导目录》和《建设部、财政部关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见》明确指出：利用城市污水源热泵技术供热供冷是建筑可再生能源应用的重点技术领域^[4]，污水冷热资源的建筑应用得到了政府和行业的高度关注。

掌握污水冷热资源的特性是污水冷热能建筑应用的重要基础。污水流量的波动性和周期性的特点，导致污水冷热资源可利用的不稳定。污水的流量特性和温度特性是决定污水实际可利用冷热量的最重要的2个参数。已有研究强调污水冬暖夏凉的特性^[5-6]，但不重视污水流量特性，不利于污水冷热资源建筑应用的产业化发展。城市生活污水是应用污水源热泵技术的主要资源来源，生活污水的流量特性对污水源热泵系统的设计和运行至关重要。本文针对城市生活污水的流量特性进行研究，探索污水适时流量的计算方法，以便为污水源热泵技术的工程应用提供基础性的数据和方法。

1  污水流量特性研究综述

从城市生活污水冷热资源应用的角度，可将城市排水管网构成分为3类^[7]：(1)一级管网。对应污水主干管，污水处理厂的污水汇水总管线，沿途汇集了大片区排水流域的生活污水，通常管径为1.2~2.5 m；(2)二级管网。对应污水干管，多个居住小区或组团的污水向污水主干管的总排出管，通常管径为0.8~1.2 m；(3) 三级管网。对应污水支管，单个居住小区或组团的污水向污水干管的污水排出管，通常管径为0.5~0.8 m。

城市生活污水量和用水量直接相关。由于城市居民生活的规律性导致用水量变化的规律性，短期内用水量变化具有周期性，从较长时间来看，它又具有年增长的趋势。生活污水量与用水量一样逐月逐时变化。污水量变化系数随污水流量的不同而变化，污水流量越大变化幅度越小，变化系数也越小，反之则越大。以上3类污水管网，在流量变化规律上存在一定的差异。

尽管污水流量的变化在一定程度上具有周期性，但也伴随着一定的波动性。周期性是由于人们生活的重复性，而波动性则受多种因素的影响，包括生活习惯、天气状况和节假日等，如人们每天早、中和晚3个时段都要集中用水，所以这3个时段的时用水量就会比其它时段高；因天气有关的波动表现为夏季排水最多，春秋次之，冬天最少；雨天排水量比晴天多等；节假日的影响则呈现周末及节假日污水流量比正常工作日污水流量多。

对于城市生活污水的流量规律，给水排水专业从管网设计的角度研究其变化系数，衡量最大流量(月、日和时)与平均流量的比值，反映了最大波动幅度，目的是要保证排水管网的可靠性和经济性，污水流量大多数情况下是设计工况的计算流量；而城市生活污水冷热资源的建筑应用，关注的是污水管网内污水的实际流量，不仅要考察污水流量的最大波动范围，更关注其在不同时刻的流量分布，与给水排水专业关注的重点有所区别，需要新的污水流量特性的描述参数。

2  污水流量特性影响因素分析

2.1  污水排放系数

在城市人们生活中，绝大多数生活用水最终成为污水汇入排水管网，在不考虑污水管网的渗入渗出与雨水的情况下，生活污水量可按生活用水量的90%计算其排放系数^[7-9]，即：

                    (1)

其中：α为建筑物按给水量计算的污水排放系数，α= 0.9；Q_p为生活小区排水量(m³/d)；Q为生活小区给水量(m³/d)。

影响生活设计给水量的因素有用水人口、用水设施、用水价格、人均年收入及水资源禀赋等。从污水冷热资源规划应用的角度分析，用水人口数对污水流量的影响最大，而其它因素只会影响人均用水量。在城市整体经济发展水平和水资源状况一定的情况下，城市片区生活总用水量可以采用用水人口数与人均用水量的乘积计算，即：

                 (2)

其中：n为污水汇水片区人口数；q为人均生活用水量(m³/(人·d)。

2.2  负荷系数

给水额定流量是设计工况下的最大用水量，根据用水定额计算的污水排量对应的是设计工况下的污水计算流量；而绝大部分时间污水管网内的实际污水流量仅是若干建筑(群)设计流量的某个百分数，实际流量小于设计流量。定义用水量负荷系数为

                                    (3)

其中：k_f为用水量负荷系数；Q_A为实际用水量(m³)；Q_D为设计用水量(m³)。

用水量负荷系数是对居民实际用水量与额定用水量差额的修正，是给水综合部分负荷的体现，与城市经济发展水平、居民的收入状况、自来水价格和人群类别等诸多因素有关。从城市生活污水冷热资源建筑应用的角度出发，对负荷系数的影响不必深入分析，可根据实际用水量与设计用水量的调研情况确定负荷系数范围。本文作者对重庆市某2栋住宅楼用水量进行统计，其中A建筑常住人口406人，居住群体主要是城市工薪群体；B建筑常住人口1050人，居住群体主要是重庆某大型汽车制造厂员工，收入水平相对较高。如按130 L/(人·d)的给水定额计算^[10]，分别统计其月负荷系数如图1所示，A建筑负荷系数全年波动范围0.52~0.73，平均为0.63；B建筑负荷系数全年波动范围为0.48~0.79，平均为0.70；A和B建筑总年平均负荷系数为0.66，对应平均实际用水量为86 L/(人·d)，与文献[11]所调研的城市居民生活实际用水量80.7 L/(人·d)非常接近。

从图1可见：实际流量仅为设计流量的60%~70%。流量系数逐月的变化可以通过污水月流量系数进行修正，因此负荷系数修正可以采用平均负荷系数。考虑不同建筑类型的差别，可取定负荷修正系数k_f=0.66。

图1  生活污水排量负荷系数分布

Fig.1  Distribution of wastewater consumption load coefficient

2.3 月流量系数

在不考虑气候突变前提下，城市生活污水流量日变化不明显，但日变化的长时间累加可能导致污水流量的明显变化。工程应用中常假定每月内日流量相同，而在月间出现差异，这与通常采用的按月统计相适应。实际上1个月内气候变化并不明显，污水流量基本稳定。定义月流量系数为：

                  (4)

其中：k_m,i为污水管网月流量系数；Q_m,i为污水管网月流量(m³)；i为月份，i=1，2，3，…，12。

由于排水量与给水量存在数量上的直接关联，通过逐月统计给水量数据，可获得污水各月流量分布。根据重庆市主城区典型的一、二和三级污水管网对应的汇水片区各月自来水用量，其污水逐月流量系数如表1所示。

分析表明：一级管网污水流量规模对全年各月流量分配的影响较小，一级管网流量系数为0.87~1.11，流量系数方差为0.075，最小与最大流量分别出现在2月和8月；二级管网流量比一级管网流量小，月流量系数的波动略有增大。二级管网流量系数为0.83~1.19，流量系数方差为0.129，最小与最大流量分别出现在2月和8月；三级管网流量比二级管网流量小，污水流量随机性增强，尽管污水逐月流量分布规律与一、二级管网类似，但月流量系数波动幅度最大，月流量系数分布的方差最大。三级管网流量系数为0.78~1.22，流量系数方差为0.169，最小与最大流量同样出现在2月和8月。

表1  重庆市主城污水管网月流量系数分布

Table 1  Distribution of sewage monthly volume coefficient in Chonging

从表1可知，这3类不同的污水管网各月污水流量的分布规律基本相似，最小与最大流量分别出现在2月和8月，夏季流量增多而冬季流量减少。污水流量系数分布的相似性反映了各级污水管网间流量的相关性，而管网内流量越大，其月流量波动越小，月流量系数分布方差由小到大依次为一级、二级和三级污水管网。

表1反映了各级管网内污水流量的逐月分布从表1可见：总体上看夏季流量系数大，冬季流量系数小，一般1~2月为流量低谷，7~8月为流量峰值，全年波动范围为0.8~1.2，各月流量波动范约在月均流量的±20%范围内。月流量系数的变化是由于气候变化造成居民生活习惯改变引起的排水量变化，在不同的气候区域流量系数的分布应有所区别，但由于月流动系数整体波动范围较小，实际工程应用中可参照表1取定各级管网的逐月污水流量系数。

2.4 小时流量系数

污水流量在1 h内可以认为是均匀的，在城市污水管网的规划设计中也同样考虑污水流量的小时内均匀性^[7]。与月流量系数一样，3种不同类型的污水管网上小时流量系数也存在差别。定义小时流量系数为：

                (5)

其中：k_h,i为污水管网小时流量系数；Q_h,i为污水管网小时流量(m³)；i为时刻，i=1，2，…，24。

针对上文提及的一、二和三级污水管网，本文作者对重庆市主城生活污水小时流量进行了现场测试和分析，污水流量采用间接测量的方法，即测量污水在过流断面的平均流速和过流面积，然后，求取污水流量的方法。流速测量采用LS45A型转杯式流速仪测试，流速测试时间间隔为30~60 min不等，分析污水小时流量系数如表2所示。

表2  重庆市污水管网小时流量系数分布

Table 2  Distribution of sewage hourly volume coefficient in Chonging

一级管网内污水流量最大，小时波动性最小。数据反映污水主干管小时流量系数为0.91~1.16，最大流量出现在23点，最小流量出现在5点，全天污水小时变化系数为1.16，以全天24小时平均流量为参考，流量波动范围为±(10~15)%。

二级管网污水小时流量波动比一级管网大，但全天表现出排水量的峰谷性并不明显。其中，3:00~7:00，9:00~10:00和13:00~14:00这3个时效由排水量相对较低，其它时间排水量相对较高，污水排量小时变化幅度不大(小时变化系数为1.29)。这是因为该干管接受了大量的排水用户的原因，污水流动基本稳定。

三级污水支管小时流量系数波动性较大。其中，8：00，12：00和18：00是3个流量高峰时效，而2：00，10：00和14：00是3个流量低谷时段，污水排量小时变化系数为1.44，污水流量的变规律与居民的生活规律基本吻合。

相关文献对城市生活用水小时变化系数的研究较多。文献[12]调查后经分析认为时变化系数取1.7~1.4 较符合实际情况；文献[13-15]认为城市供水的时变化系数建议采用1.3~1.6；文献[16]提到时变化系数一般在 1.3~3.5 之间。以上测试三级管网的流量系数与文献报道的给水小时变化系数基本吻合，说明污水小时流量的测试数据基本准确。

2.5  年流量趋势

城市生活污水排量逐年增加，如图2所示是全国和4个直辖市近年城市生活污水排量情况。全国平均按6%的增长速度增加，相比之下直辖市增长速度还要大，上海、天津、重庆以7%的速度增加，北京则更高，以8%以上的速度增加。污水排量增加主要是因为城市发展造成用水人口数增加，污水总量增加主要是建立在城区面积扩大的基础上，而人均生活污水排量的增加并不显著。随着经济的发展和人民生活水平的提升，人均用水量会相应增加，造成生活污水排量增加，这对城市污水冷热资源的建筑应用是有利的。

从污水冷热资源应用的角度考虑，城市已建投用的污水管网内的流量与其上游的汇水建筑群有关，如上游已经是成熟的城区，则污水流量短期内不会有明显增大；而新城区将同时配套建设新的污水管网，成片的新城区一般和老城区在地域和污水管网上独立，其污水流量可以新城规划单独计算。因此，污水冷热资源应用时计算污水流量可以依靠现有城区的总体规划，结合现有的生活污水管网，不计入污水流量的增量，将污水流量增加的特性作为流量富余因素考虑。

图2  污水排量年增长特性

Fig. 2  Annual increase of residential sewage discharging

3  结论

生活污水的流量特性是污水源热泵技术工程应用重要的基础性资料。影响城市生活污水流量特性的因素主要包括人均用水量、污水排放系数、负荷系数、月流量系数和小时流量系数等。城市生活污水的适时流量计算模型可归纳为：

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(编辑 邓履翔)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51106190)

通信作者：林真国(1976-)，男，四川金堂人，副教授，从事建筑节能、可再生能源建筑应用研究；电话：13983745886；E-mail：Lzgcqu@126.com