合流制污水溢流治理技術(shù)綜述

邢麗貞，王恩革，常青霞

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城區(qū)的大規(guī)模擴(kuò)展，道路、廣場、停車場、房屋等不透水面積的大幅增加，引起雨水自然下滲量減少，徑流系數(shù)增大。我國大部分農(nóng)村地區(qū)和城鎮(zhèn)老城區(qū)由于采用雨污合流制排水系統(tǒng)及部分地區(qū)的排水管網(wǎng)不健全，雨季經(jīng)常出現(xiàn)污水溢流現(xiàn)象。合流制排水管網(wǎng)系統(tǒng)在降暴雨時(shí)，由于大量雨水流入，流量超過污水收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力時(shí)以溢流方式直接排入城市水體，稱作合流制排水系統(tǒng)污水溢流(combined sewer overflows，CSOs)。在城市點(diǎn)源污染被逐步控制后，城市CSOs作為典型的非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為世界城市水環(huán)境污染、生態(tài)系統(tǒng)失衡的重要原因，排入天然水體的污染物質(zhì)嚴(yán)重影響了水體功能的恢復(fù)，因此治理CSOs對(duì)改善水環(huán)境具有重要意義[1－3]。

1 CSOs的性質(zhì)

CSOs收集了生活污水、工業(yè)廢水、雨水，以及晴天時(shí)形成的腐爛的管道底泥和雨水對(duì)大氣和地表沖刷所帶來的污染物。污染物的量根據(jù)各種水量比例的不同而不同，主要包括:懸浮固體(SS)、耗氧物質(zhì)(COD)、重金屬物質(zhì)、富營養(yǎng)化物質(zhì)(N、P)、致病細(xì)菌、病毒、有毒有機(jī)物和腐殖質(zhì)等。溢流污水不同于一般的生活污水，一般溶解性的COD、SS濃度相對(duì)較高，水質(zhì)變化大，時(shí)間、地點(diǎn)、雨量大小和強(qiáng)度的變化都會(huì)導(dǎo)致溢流污水的水質(zhì)發(fā)生變化，水質(zhì)隨降雨歷時(shí)呈現(xiàn)一定的規(guī)律，尤其在降雨初期存在著初期效應(yīng)，徑流所含污染物較多[4，5]。表 1為不同城市和地區(qū) CSOs[6－11]的水質(zhì)情況。

上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，合流制管道溢流主要污染物的濃度變化范圍很大，其中一些地區(qū)的一些時(shí)段COD和SS均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于典型城市生活污水。由此可見，CSOs是城市水體污染的不可忽視因素。

表1 不同城市的CSOs值 mg/L

2 CSOs污染控制技術(shù)

由于溢流污染的特殊性和復(fù)雜性，各國在對(duì)其治理的態(tài)度及其治理措施上存在一定的差別，美國、德國等國對(duì)CSOs控制研究較早，已經(jīng)制定了指導(dǎo)各自國家CSOs污染控制的技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[12，13]，并應(yīng)用于實(shí)際，主要的處理方式有:

(1)分流制管道系統(tǒng)

分流制系統(tǒng)可以使廢水實(shí)現(xiàn)雨污分離，從根本上消除CSOs的產(chǎn)生。但是對(duì)于一般已建成的大中城市是很難實(shí)現(xiàn)的，需要改建所有的接戶管，建造兩個(gè)管道系統(tǒng)，要將各種污水嚴(yán)格分流，而且需要足夠的路面寬度來支持分流制管道的敷設(shè)，破壞大量路面，改建工作量極大，不僅耗時(shí)耗力，而且極不經(jīng)濟(jì)。

瑞典在八十年代初就放棄了市政管網(wǎng)雨污分流的思想。由于合流制改造為分流制影響范圍大、耗時(shí)長、耗資大，故把重點(diǎn)放到源頭污染源控制，消減徑流量和其他雨水徑流污染控制的措施上[14]。

(2)截流式合流制系統(tǒng)

沿受納水體在直排合流管出口處設(shè)置截流溢流井并敷設(shè)截留干管。晴天時(shí)，將生活污水、工業(yè)廢水全部截留經(jīng)截留干管排往下游污水處理廠進(jìn)行處理，雨天時(shí)，初期雨水與污水一起流入污水廠處理，隨著雨量的增加，當(dāng)混合物水量超過截留干管截留的能力時(shí)部分混合污水經(jīng)溢流井流入水體。截流倍數(shù)n0為開始溢流時(shí)所截留的雨水量與旱流污水量之比。n0提高，則被截流雨水量增大，CSOs量減小，當(dāng)n0提高到足夠大時(shí)，所有雨污混合廢水都被截流至污水處理廠，CSOs排入水體的量為零。但n0的提高意味著城市污水廠的處理能力要同時(shí)提高以滿足大流量污水的處理，因此工程費(fèi)用也就相應(yīng)增加。所以n0的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)CSOs污染控制要求以及經(jīng)濟(jì)能力作出適當(dāng)?shù)倪x擇。

張懷宇等[15]對(duì)廣州市合流制排水系統(tǒng)截流倍數(shù)的研究中指出，隨著截流倍數(shù)的提高，污水系統(tǒng)截流倍數(shù)達(dá)到2～4時(shí)其排水系統(tǒng)的年溢流污染物總量與分流制相當(dāng)。王敬東等[16]對(duì)遼寧省恒仁縣污水截流工程的研究，發(fā)現(xiàn):當(dāng)截流倍數(shù)小于等于1.5時(shí)，污水溢流次數(shù)較多，溢流所造成的渾江水水質(zhì)不能滿足地面水三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，只有當(dāng)截流倍數(shù)大于2時(shí)，溢流污水對(duì)渾江水體的影響較輕。我國在設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的n0為1～5，實(shí)際工程中為節(jié)省投資一般采用0.5～1.0，選用n0值偏小，使得CSOs水量偏大。表2為國內(nèi)外常采用的截流倍 數(shù)[17，18]。

表2 各國合流污水系統(tǒng)常用的截流倍數(shù)

(3)溢流調(diào)蓄池

合流制排水系統(tǒng)的溢流調(diào)蓄池(the retention basins with overflow，RBO)或稱合流污水調(diào)蓄池(combined sewage detention tank，CSDT)工作原理如圖1所示。調(diào)蓄池在降雨期間收集部分初期雨水，將收集的雨水緩慢地輸送至截流總管，最終進(jìn)入污水處理廠，從而減少初期雨水對(duì)受納水體的污染[19]。調(diào)蓄池是提高系統(tǒng)排水能力的一項(xiàng)有效措施，可以降低下游合流制干管、泵站的設(shè)計(jì)容量，提高合流制系統(tǒng)的截流倍數(shù)，減小CSOs的污染。由于調(diào)蓄池的容積受到實(shí)際情況的限制，出現(xiàn)較大暴雨時(shí)，仍會(huì)出現(xiàn)雨污水溢流，對(duì)水體形成污染。

圖1 溢流調(diào)蓄池工藝

上海于2003～2005年沿蘇州河新建了5座大型CSDT。以成都路CSDT為例，運(yùn)行4年來，發(fā)揮了良好的暴雨溢流污染減排效益，年均削減量和削減率為82400m3和8.37%，對(duì)典型暴雨溢流污染物COD和SS的年削減率分別為(6.2% ～14.9%)和(6.9% ～16.5%)。調(diào)蓄池有效提高了排水系統(tǒng)的截留能力，相當(dāng)于將系統(tǒng)截流倍數(shù)從未建設(shè)調(diào)蓄池前的3.87倍提高至1h內(nèi)的6.90倍和0.5h內(nèi)的9.92倍[20，21]。

(4)強(qiáng)化混凝

20世紀(jì)80年代，隨著高效、廉價(jià)的絮凝劑的出現(xiàn)，化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理(chemically enhanced primary treatment，CEPT)得以發(fā)展，并正被廣泛應(yīng)用于雨水和合流溢流污水的處理中[22]。國外的多種溢流污水高效處理裝置已經(jīng)成功商業(yè)化，主要有ACTIFLO工藝，DENSADEG+BIOFOR工藝和Lamella Plate工藝[23，24]。根據(jù)國外 CSOs的控制經(jīng)驗(yàn)，在溢流多發(fā)點(diǎn)建造調(diào)蓄池并進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化處理可有效控制水體污染。盛銘軍等人在上海某泵站建立了一套合流溢流污水處理裝置，工藝如圖2所示[25]。該套裝置啟動(dòng)快，當(dāng)采用濕式啟動(dòng)方式時(shí)只需數(shù)分鐘便可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，高效沉淀池表面水力負(fù)荷可達(dá)32m3/(h·m2)，因此結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。在幾次不同降雨強(qiáng)度下，調(diào)蓄池水質(zhì)SS為204～694mg/L，濁度為70～332NTU，TP為2.04 ～3.8mg/L，CODcr為 138 ～586mg/L。將系統(tǒng)進(jìn)水量控制在60～100m3/h，投加80～120mg/L PAC 和0.8～1.2mg/L PAM 后，除在進(jìn)水量很大的情況下會(huì)有少許礬花跑冒外，可使SS、濁度、TP和 COD平均去除率分別達(dá)到82%、79%、78%和68%以上。強(qiáng)化混凝工藝投藥量的比例不易控制，暴雨時(shí)易造成雨污水溢流，污泥排放處理易造成二次污染。

圖2 強(qiáng)化混凝工藝

(5)人工濕地

人工濕地(constructed wetlands，CW)污水處理系統(tǒng)源于對(duì)自然濕地的模擬，是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的一種廢水處理技術(shù)，近十年來，英國、德國、美國、荷蘭等國家的人工濕地發(fā)展迅速，它不僅成為中小城市污水處理措施，而且也成為雨水處理等的重要技術(shù)。人工濕地利用系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化[26]。其工藝如圖3所示，調(diào)節(jié)穩(wěn)定塘起預(yù)處理作用，可有效降低營養(yǎng)物質(zhì)濃度，同時(shí)也能夠降低SS，防止人工濕地基質(zhì)的堵塞。目前國內(nèi)外常規(guī)人工濕地水力負(fù)荷為0.2～0.4m3/(m2·d)。人工濕地主體是在一定坡度的填料床中種植相關(guān)植物，污水流經(jīng)床體時(shí)，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的降解作用。人工濕地的基建投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、抗負(fù)荷能力強(qiáng)，作為城市生態(tài)景觀基礎(chǔ)設(shè)施，又具有調(diào)蓄雨洪、調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境、為市民提供休閑娛樂的社會(huì)功能。但是人工濕地占地面積大、受季節(jié)影響顯著。

圖3 人工濕地處理工藝

美國佛羅里達(dá)州坦帕市Hidden River Corporate Office Park濕地[27]，用來處理城市雨水徑流，效果良好。濕地系統(tǒng)包括兩個(gè)總面積為750m2的人工進(jìn)水池，一個(gè)面積為1.21hm2的天然草質(zhì)濕地，匯水區(qū)域?yàn)?.2hm2。在29個(gè)月的監(jiān)測(cè)期間，濕地的平均進(jìn)水量為136m3/d，平均出水量為52.4m3/d，平均水力負(fù)荷為0.0106m3/(m2·d)，對(duì) TN、TP和TSS的去除率分別為46%、70%、86%。

肖海文[28]等在對(duì)重慶市江北區(qū)的生態(tài)住宅區(qū)的人工濕地系統(tǒng)研究中表明:人工濕地抗負(fù)荷能力強(qiáng)，對(duì) COD、NH+4-N、TN和 TP的去除率分別為69.5%、86.2%、67.9%和 60.1%。

(6)雨水徑流削減措施

降落在地面上的雨水，如果經(jīng)過地面植物和洼地的截流、土壤滲透以后，地面徑流量將大大削減。所以可采取工程性控制措施如設(shè)置洼地、植草緩沖帶、多孔路面、滲透溝、延時(shí)滯留調(diào)節(jié)池等來減少徑流水量。美國的雨洪利用就是以提高天然入滲能力為其宗旨。但是這種地表自然滲透方式削減的雨水量是有限的，這些措施主要針對(duì)現(xiàn)代生態(tài)建筑，對(duì)于占絕大多數(shù)的建筑類型卻不適應(yīng)。米文秀[29]等在上海華東大學(xué)的一塊綠地對(duì)雨水徑流中污染物消減效果做了研究，結(jié)果表明:綠地對(duì)有機(jī)物、氮磷等污染物的平均去除率可達(dá)30% ～50%，降雨量不同對(duì)污染物去除率的影響較大，降雨量較小時(shí)綠地對(duì)總磷的去除率相對(duì)較高，最高可達(dá)47%。

3 結(jié)語

(1)綜合國外的CSOs治理經(jīng)驗(yàn)是:工程措施與非工程措施相結(jié)合。以小區(qū)或建筑群為單元，采用雨水削減、收集措施與城市整體CSOs治理措施相結(jié)合，并制定一系列相關(guān)法律法規(guī)，完善雨水利用系統(tǒng)，做到減少排放，加強(qiáng)有效利用。

(2)建議新城區(qū)一般采用分流制系統(tǒng);截流式合流制系統(tǒng)由于改造成本低、效果顯著，可應(yīng)用于合流制排水系統(tǒng)的改造;調(diào)蓄池、強(qiáng)化混凝工藝適用于土地資源緊張的地區(qū)，但要注意強(qiáng)化混凝造成的二次污染;人工濕地由于占地大，可結(jié)合生態(tài)城市建設(shè)總體規(guī)劃進(jìn)行。各地要因地制宜地采取綜合的、系統(tǒng)的CSOs控制措施，從而有效地控制城市水體污染。

(3)城市人工濕地的建設(shè)不僅可以實(shí)現(xiàn)雨水資源化，并能創(chuàng)造生態(tài)的、節(jié)能的、可持續(xù)發(fā)展的、適合人與城市和諧發(fā)展的宜人環(huán)境，符合城市化的長遠(yuǎn)規(guī)劃。

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