合流制溢流污染控制研究進(jìn)展

葛樂樂 易瑩 周艷偉 王知兵 楊昌達(dá) 謝喬光

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣東廣州 510300）

0 引言

初期雨水是指降雨初期在地面形成10 mm～15 mm 厚地表徑流的降水［1］。降雨過程中，城市硬化下墊面使道路、屋頂?shù)奈廴疚锿ㄟ^地表徑流沖刷直接進(jìn)入水體，大幅度增加水體中SS、COD 等污染物濃度，導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化，危害城市水生態(tài)平衡［2］。有研究表明［3］，初期雨水使得合流制污水中SS增加40%。

合流制管道匯集雨水、生活污水、工業(yè)廢水，雨天運(yùn)輸水量超過管網(wǎng)納污能力便會出現(xiàn)溢流，溢流污水超過受納水體自凈能力，產(chǎn)生的黑臭水體嚴(yán)重影響城市生態(tài)環(huán)境。因此著力于合流制溢流（Combined Sewer Overflow，CSO）處理非常必要。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國外研究進(jìn)展

美國有32 個(gè)州共895 處保留合流制排水體制。美國對CSO 的控制歷經(jīng)早期發(fā)展階段、長期控制規(guī)劃發(fā)展初期及綠色發(fā)展階段［4］。在早期，美國聯(lián)邦政府尚未對CSO 控制提出明確目標(biāo)［9］。20 世紀(jì)60 年代，美國國會通過《聯(lián)邦水污染控制法修正案》授權(quán)CSO 控制技術(shù)；70 年代，各州、地區(qū)參照清潔水法制訂地方性CSO 控制規(guī)劃及控制目標(biāo)，同期國會通過《清潔水法》；1989 年美國環(huán)保局（EPA）發(fā)布CSO 控制對策；90 年代EPA 發(fā)布實(shí)施CSO 長期規(guī)劃控制指南和9 項(xiàng)基本控制措施、確定CSO 長期控制規(guī)劃，同期國會通過《清潔水法修正案》［5］，標(biāo)志著美國對CSO 的控制進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期；21 世紀(jì)初，EPA 發(fā)布《通過市政雨污水綜合規(guī)劃實(shí)現(xiàn)水質(zhì)改善》，同期，綠色基礎(chǔ)設(shè)施（GI）與CSO 控制相結(jié)合進(jìn)入美國CSO 控制體系；2011 年后，GI 理念和CSO 控制精密聯(lián)系在一起相繼被納入CSO 控制模板、綜合規(guī)劃等，開啟了美國CSO 控制的綠色發(fā)展階段［6］。作為美國發(fā)展較早的城市，費(fèi)城年溢流體積達(dá)到0.6 億m3，對CSO 控制策略歷經(jīng)早期發(fā)展階段、長期控制規(guī)劃發(fā)展初期，到2011 年，費(fèi)城水務(wù)局確認(rèn)實(shí)施包括以植樹造林、推行綠色屋頂、建造濕地為主的GI 控制策略將溢流總量的控制率達(dá)到85%，實(shí)現(xiàn)“綠城清水”的控制目標(biāo)，對CSO 控制進(jìn)入綠色發(fā)展階段［7］。

日本包括東京、大阪在內(nèi)的195 座城市仍然保留合流制管道，服務(wù)人口超過全國的20%［8］。1982 年發(fā)布的《合流制溢流對策暫定指南》要求全年低強(qiáng)度降雨溢流產(chǎn)生的BOD5達(dá)到削減95%的目標(biāo)；2003 年首次將CSO 處理加入《下水道法》并指出包括溢流排放口在內(nèi)的各個(gè)排放口BOD5年排放平均濃度要低于40 mg/L，要求各個(gè)城市在20 a 內(nèi)完成此規(guī)劃，2008年發(fā)布的《合流制排水系統(tǒng)緊急改善計(jì)劃編制指南》進(jìn)一步明確了此目標(biāo)，據(jù)統(tǒng)計(jì)到2017 年改善率達(dá)到了80%［9］。為了更好地實(shí)現(xiàn)污染治理目標(biāo)，日本成立了財(cái)團(tuán)法人下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)，通過深入調(diào)研日本各地CSO 情況，對多種處理方法的去除效果、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行評估，選擇并推薦以篩分（格柵）、過濾、混凝沉淀、消毒為主的處理方法作為CSO 治理工藝。以過濾技術(shù)為主的CSO 控制在日本蓬勃發(fā)展，日本東京都芝浦水再生中心利用中空圓筒狀上浮濾料，建造2 列（8 池/列）的高速過濾池，雨天最高處理水量可達(dá)到420 000 m3/（d·列），有效消減60%以上的SS 和50%以上的BOD5，最大力度減少CSO 污染。

美國和日本在污染控制方面具有相同之處。首先，政府部門在CSO 污染控制中發(fā)揮主要作用，美國EPA 貫穿了CSO 污染控制的整個(gè)過程；日本國土交通省在CSO 治理的立法、出臺控制措施、明確控制目標(biāo)等方面扮演重要角色。其次，美國、日本兩國通過分析“合改分”的難度、時(shí)間跨度等因素，均保留了大部分的合流制排水系統(tǒng)，通過綜合治理措施控制CSO 污染；而且，美國、日本都指出CSO 污染控制是1 項(xiàng)時(shí)間跨度大的工作，美國EPA 發(fā)布的CSO 長期規(guī)劃控制指南和9 項(xiàng)基本控制措施指南明確了CSO 控制是1 項(xiàng)長期且復(fù)雜的工作，日本《下水道法》明確要求各城市對CSO 污染控制需專項(xiàng)長期計(jì)劃，充分尊重CSO 污染控制的長期性和復(fù)雜性。兩國對CSO 污染控制也存在差異。美國地理面積廣、地形差異大、各地發(fā)展水平有所差異，獨(dú)立的國家層面的法律并不能在各地CSO 控制的實(shí)施中提供有效的支持和指導(dǎo)，基于此，包括EPA、市政部門、技術(shù)部門在內(nèi)的人員成立咨詢委員會，旨在建立CSO 控制框架，由各地依據(jù)自身的條件制定適宜的策略并通過“推定法”和“實(shí)證法”確定CSO 控制目標(biāo)；日本國土面積小、人口密度大、氣候條件差異小、各地發(fā)展相近，在國家層面的法律、技術(shù)規(guī)范、措施足夠以支持各地的CSO 控制并達(dá)到控制目標(biāo)。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有的合流制管道占總排水管道的20%左右［10］。20 世紀(jì)90 年代，上海率先建立起合流制雨水調(diào)蓄池整治蘇州河黑臭水體［11］?！冻擎?zhèn)給水排水技術(shù)規(guī)范》（GB 50788—2012）首次規(guī)定對于合流制污水廠應(yīng)有截留初期雨水的能力；《城鎮(zhèn)污水處理廠工程施工規(guī)范》（GB 51221—2017）給出了CSO 污染控制的調(diào)蓄設(shè)施相關(guān)計(jì)算方法、工程設(shè)計(jì)和施工驗(yàn)收要點(diǎn)；2020 年昆明市市場監(jiān)督管理局發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理廠主要污染物排放限值》（DB 5301/T43—2020），首次提出了CSO 污染控制的E 級排放標(biāo)準(zhǔn)。

相比于發(fā)達(dá)國家，我國在CSO 污染控制方面研究起步晚，還沒有形成完善的技術(shù)體系。近些年來，生態(tài)環(huán)境作為我國快速發(fā)展中的“短板”被愈發(fā)重視，CSO 也逐漸受到國家的重視，這加速了CSO 污染控制研究進(jìn)展，涌現(xiàn)出諸多技術(shù)方法。

2 控制方法

我國CSO 控制研究主要包括對溢流污染的源頭控制、調(diào)蓄、末端治理技術(shù)，以及管理手段等方面。

2.1 治理技術(shù)

（1）源頭控制。CSO 污染源頭控制可以采取以低影響開發(fā)技術(shù)（LID）為主的城市綠化、多孔材料等對雨水進(jìn)行過濾以截留大部分污染物。綠色屋面通過屋頂綠化植物和土壤的過濾作用將污染物截留。張千千等［12］對12 場不同強(qiáng)度的降雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析測定綠色屋面與普通屋面徑流水水質(zhì)，結(jié)果顯示綠色屋面對TSS、COD、BOD5等污染物的消減率分別為90.53%、36.48%、41.31%，利用下凹式綠地儲存雨水，減少徑流，并過濾一定的污染物。王娟等［13］研究表明土壤中的草絮狀根須能夠吸收降解雨水中的酚、氰等化合物，從而過濾有毒有害的雨水。田文龍［14］研究表明暴雨徑流初期，當(dāng)水力負(fù)荷小于0.867 m3/（m2·d）時(shí)，出水可以滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)水力負(fù)荷較小時(shí)，對N 的去除率高于90%，同時(shí)通過截留SS 可以有效去除一部分COD。

海綿城市是指城市建筑和綠化像海綿一樣能吸收、儲存、凈化雨水，可以實(shí)現(xiàn)雨水徑流控制、面源污染控制，真正走向生態(tài)化和低碳化城市［15］。于磊等［16］研究了北京國家海綿城市試點(diǎn)區(qū)，構(gòu)建區(qū)域排水?dāng)?shù)值模型，分析海綿城市對CSO 的控制效果，研究表明：海綿城市有效消減CSO，消減率超過20%，并能夠減少區(qū)域CSO 量及溢流次數(shù)。

（2）調(diào)蓄。合流污水調(diào)蓄池將降雨期間收集的初期雨水通過截流總管輸送至污水處理廠，從而減少初期雨水對受納水體的污染［17］。閻軼靖［18］采用城市綜合流域排水模型（InfoWorks ICM）構(gòu)建八一大溝排水系統(tǒng)管網(wǎng)模型來研究在CSO 污染中調(diào)蓄池的作用，研究表明，降雨初期當(dāng)?shù)乇韽搅餍∮?5 mm 時(shí)不出現(xiàn)溢流，當(dāng)降雨量到達(dá)18 mm 時(shí)對溢流污染控制率可以達(dá)到93.2%，增加調(diào)蓄池單元結(jié)構(gòu)可以在83%降雨中不發(fā)生溢流并能在87%降雨中有效截留一半以上的污染物。陳貽龍［19］采用城市雨污水排水系統(tǒng)模型（InfoWorks CS）建立了昆明市西片區(qū)排水管網(wǎng)的水力模型，分析了土堆泵站片區(qū)和鄭和路溝片區(qū)兩地設(shè)置調(diào)蓄池對CSO 污染的削減作用，研究表明在增加調(diào)蓄池之后對COD 的消減率不低于分流制對COD 的消減率。張平等［20］依據(jù)初期雨水對天津市河道水質(zhì)的影響確定了設(shè)計(jì)規(guī)格為25 mm 降雨量時(shí)的合流制調(diào)蓄池，在先鋒河服務(wù)范圍內(nèi)設(shè)計(jì)了有效容積為10 萬m3的合流制調(diào)蓄池，能夠有效截留78%年平均徑流量、消減90%的溢流污染物。

（3）末端處理。將調(diào)蓄池收集和截留的雨污經(jīng)污水處理廠處理后排放。徐文征［21］選用A/A/O 污水處理工藝，以上海市初期雨水為研究對象，通過活性污泥2 號模型（ASM2）模擬污水處理廠對雨污的處理，模擬結(jié)果表明在雨季、旱季條件下均能有效降低雨污污染物量，對COD、BOD5、SS 去除率均在80%以上。廣東省竹料污水處理廠［22］采用細(xì)格柵、沉砂池、高效沉淀池組合設(shè)計(jì)6 萬m3/d 的雨水處理設(shè)施，初期雨水通過格柵和沉砂池進(jìn)入高效沉淀池，雨水當(dāng)中的懸浮物等在高效沉淀池絮凝區(qū)絮凝成較易沉降的顆粒物，隨后在沉降區(qū)沉降，處理后的雨水水質(zhì)：COD≤120 mg/L，去除率達(dá)到52%；BOD5≤60 mg/L，去除率為57%；SS≤50 mg/L，去除率為72%。

2.2 管理措施

對CSO 有效地控制，離不開包括管理體系機(jī)制和政策法規(guī)在內(nèi)的管理措施的支持。自2012 年，我國相繼發(fā)布了包括《城鎮(zhèn)給水排水技術(shù)規(guī)范》在內(nèi)的一系列技術(shù)規(guī)范，都相應(yīng)地對CSO 污染控制提出相應(yīng)的指導(dǎo)性措施；2015 年 《水污染防治行動計(jì)劃》（簡稱“水十條”）發(fā)布，作為黑臭水體的重要成因——CSO 污染也迅速引起國家重視；國家“十三五”規(guī)劃中提出以截留、調(diào)蓄方法控制CSO 污染；“十四五”規(guī)劃對水污染防治、污水處理進(jìn)一步深化，雨季溢流污染控制問題進(jìn)一步得到重視。這些技術(shù)規(guī)范都促進(jìn)了CSO 控制的發(fā)展進(jìn)程，為CSO控制的發(fā)展提供保障，但是我國對CSO 控制起步較晚，缺少相應(yīng)的研究規(guī)劃和具有指導(dǎo)性的法律政策，自上而下還未形成完備的管理體系。

3 結(jié)論與建議

（1）完善相應(yīng)法律政策?？v觀美國、日本CSO 污染的治理，在CSO 控制的不同階段都有相應(yīng)的政策文件為指導(dǎo)、以相應(yīng)的法律法規(guī)為支撐。我國應(yīng)當(dāng)提出并不斷完善針對CSO 污染治理的法律規(guī)范、研究有效的指導(dǎo)文件，為CSO 溢流控制提供依靠和技術(shù)支撐。

（2）我國幅員遼闊，各地氣候、地理情況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口密度及城市化水平等都存在差異，各地的CSO 污染情況也具有各自的特點(diǎn)，所以在治理CSO 污染時(shí)應(yīng)充分考慮各個(gè)地區(qū)的差異，合理選用治理手段，構(gòu)建科學(xué)的排放限值計(jì)算方法。

（3）搭建完備的管控體系。有效的控制CSO 污染需要法律的支持、適宜的排放標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)時(shí)檢測反饋。以法律為依靠，將CSO 污染的控制貫徹于全國水環(huán)境保護(hù)的整體進(jìn)程；因地制宜，制訂適宜的排放標(biāo)準(zhǔn)，將CSO 納入排放許可體系；通過實(shí)時(shí)在線監(jiān)測反饋掌握各地CSO 污染控制是否達(dá)標(biāo)。

（4）綠色可持續(xù)發(fā)展是社會發(fā)展的總趨勢。在污染治理時(shí)，將LID 和CSO 控制相結(jié)合，綜合應(yīng)用海綿城市、綠色濕地的理念，以高效、綠色的手段有效控制CSO 污染。