合流制溢流污染控制技術(shù)研究

董利鵬，王芳芳，王曉玲

（1.寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001；2.寧夏交通投資集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 750011；3.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

近年來(lái)，隨著居民環(huán)保意識(shí)的提高和國(guó)家對(duì)水環(huán)境治理的不斷投入，分流制改造、黑臭水體治理等措施使城鎮(zhèn)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了大幅的提高，城市排水管網(wǎng)不斷完善，污水收集處理率持續(xù)提升，城市黑臭水體逐漸消除。但部分城市區(qū)域由于道路斷面、經(jīng)濟(jì)制約等因素短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)分流制改造，雨季（汛期） 污染即合流制管網(wǎng)產(chǎn)生的溢流污染已成為城市水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步提升的瓶頸。旱季“藏污納垢”、雨季“零存整取”的合流制管網(wǎng)溢流所形成的城市面源污染，已成為城市水體污染的重要問(wèn)題之一。溢流污染將對(duì)城市水環(huán)境造成巨大沖擊，排入城市水體的污染負(fù)荷超過(guò)水環(huán)境容量時(shí)，水環(huán)境質(zhì)量將會(huì)下降甚至再次形成黑臭水體。眾多學(xué)者對(duì)合流制溢流污染的特點(diǎn)及危害進(jìn)行了深入的研究，并提出相應(yīng)的技術(shù)路線(xiàn)和治理措施。

1 合流制溢流污染的特征

1.1 合流制排水系統(tǒng)污水溢流的概念

分流制排水系統(tǒng)和合流制排水系統(tǒng)是城市排水體制的2 種基本形式，分流制排水系統(tǒng)是將雨水和污水分別采用獨(dú)立的雨水管道、污水管道收集和輸送的城市排水系統(tǒng)，而合流制則是將雨水和污水合用一個(gè)排水管網(wǎng)進(jìn)行收集和輸送的排水系統(tǒng)。合流制排水系統(tǒng)管道數(shù)量少，建設(shè)費(fèi)用低，因此在我國(guó)早期建設(shè)的城市中多數(shù)為合流制排水系統(tǒng)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民環(huán)保意識(shí)的提升，傳統(tǒng)的合流制排水系統(tǒng)已逐步改造為分流制排水系統(tǒng)或截流式合流制排水系統(tǒng)。

截流式合流制排水系統(tǒng)是在原有合流制排水系統(tǒng)的下游新建截留干管和溢流井，旱季污水截留至截留干管并最終輸送至污水處理廠(chǎng)進(jìn)行處理，雨季超過(guò)截留能力的混合污水通過(guò)溢流井排至周邊水體。這種超過(guò)截留能力產(chǎn)生的溢流現(xiàn)象即為合流制排水系統(tǒng)污水溢流。

1.2 水質(zhì)特性

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究顯示，溢流的混合污水具有高污染性，溢流的混合污水中污染物產(chǎn)生方式主要有生活污水排放、雨水徑流沖刷地表沉積物以及旱季時(shí)管道沉積物被沖刷帶起等多種渠道，因污染物產(chǎn)生途徑較多，所含污染物種類(lèi)也復(fù)雜多樣，有機(jī)污染物、懸浮固體、氮、磷、重金屬等無(wú)機(jī)物以及細(xì)菌、病毒等微生物含量高于地表水甚至高于城市生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)，溢流污水一旦無(wú)序排放，將給城市水體環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染。

由于溢流現(xiàn)象僅在雨季時(shí)產(chǎn)生，溢流的混合污水又具有非連續(xù)性，相應(yīng)的污水處理設(shè)施建造因經(jīng)濟(jì)性較差而更難實(shí)施。

同時(shí)，溢流的混合污水水質(zhì)隨著降雨的進(jìn)行呈現(xiàn)出先升后降的規(guī)律，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究研究結(jié)論揭示：降雨初期，雨水地表徑流沖刷地表污染物以及合流系統(tǒng)內(nèi)的沉積物，污染物濃度較高，隨著降雨的進(jìn)行，沖刷所產(chǎn)生的污染物逐漸減少，大量水質(zhì)優(yōu)良的雨水與污水混合排放，污染物平均含量低于原有混合污水。因此，溢流污染治理的措施要充分考慮非連續(xù)性、時(shí)序性的影響。

1.3 環(huán)境影響

合流制溢流污水中的污染物由于來(lái)源廣、濃度高、種類(lèi)多。其對(duì)城市環(huán)境的影響嚴(yán)重且深遠(yuǎn)。

合流制溢流污水中高濃度的有機(jī)污染物在降解時(shí)需要大量消耗河湖中的溶解氧，當(dāng)超過(guò)水體的富氧能力時(shí)便會(huì)造成水體缺氧，影響水生動(dòng)植物的正常生存，進(jìn)而影響水生態(tài)，甚至形成黑臭水體。合流制溢流污水中高濃度的氮、磷等污染物，是城市水體中形成水華的元兇之一。

同時(shí)，合流制溢流污水中的難降解有機(jī)污染物、重金屬等，被水生動(dòng)植物攝入后再被高等級(jí)的動(dòng)物捕食，會(huì)逐漸造成污染物的富集，最終通過(guò)食物影響人類(lèi)的健康。

臨水而居，把水納入居住空間，是城市生態(tài)景觀(guān)的重要內(nèi)容，過(guò)量的合流制溢流污水進(jìn)入城市水體后，依靠水體自?xún)裟芰σ巡荒軡M(mǎn)足要求，將會(huì)產(chǎn)生色度增加、濁度升高、臭味增加的現(xiàn)象，當(dāng)污染物積累到一定程度時(shí)便會(huì)成為黑臭水體，不僅會(huì)給人帶來(lái)不適的感官體驗(yàn)，也會(huì)影響城市的生態(tài)功能，削弱城市活力，影響城市的綜合發(fā)展。

2 溢流污染控制技術(shù)路線(xiàn)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外典型城市的合流制溢流污染控制實(shí)踐來(lái)看，溢流污染控制主要通過(guò)以下3 種技術(shù)路線(xiàn)結(jié)合實(shí)現(xiàn)：源頭削減、過(guò)程控制、末端治理。

2.1 源頭削減

雨季時(shí)，超過(guò)截留干管截留能力的過(guò)量雨水匯入合流制管渠中以及雨水沖刷地表和管道是造成溢流的兩大直接原因。源頭控制即從減水量和提水質(zhì)兩方面入手，通過(guò)下沉式綠地、植草溝等措施下滲吸收部門(mén)雨水量以減少進(jìn)入管網(wǎng)的水量，通過(guò)綠化植物、透水鋪裝、生物滯留措施等過(guò)濾截留措施減少雨水徑流沖刷帶入的污染物，從而實(shí)現(xiàn)從源頭減少溢流污染總量的目的。

2.1.1 綠色屋頂

綠色屋頂能夠通過(guò)植物、過(guò)濾層等攔截過(guò)濾晴天時(shí)降落的懸浮物、灰塵、顆粒有機(jī)物等污染物，減少雨水徑流中攜帶的污染物，可有效的控住城市面源污染，是海綿城市建設(shè)的重要措施之一，章孫遜等試驗(yàn)結(jié)果揭示，植被可提高綠色屋頂徑流削減率和有效降低徑流中NO3-N 的濃度。同時(shí)，綠色屋頂在不增加占地的情況下還能發(fā)揮降噪、降低城市熱島效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。

2.1.2 下凹式綠地

下凹式綠地能夠通過(guò)其下凹的結(jié)構(gòu)暫存和下滲雨水，又稱(chēng)雨水花園，是海綿城市建設(shè)的重要措施之一。

其具備的調(diào)節(jié)容積可以削減雨水徑流的洪峰流量，本身所具有的植物能夠?qū)搅饔晁奈廴疚镞M(jìn)行去除，同時(shí)，下滲的雨水可補(bǔ)充地下水。

2.2 過(guò)程控制

除分流制改造外，過(guò)程控制通常通過(guò)以下兩種途徑實(shí)現(xiàn)：

2.2.1 提高系統(tǒng)的截留倍數(shù)

截流制合流制排水系統(tǒng)中，截留干管截留的雨水量通常按旱流流量的指定倍數(shù)計(jì)算，該制定倍數(shù)被稱(chēng)之為截流倍數(shù)。超過(guò)截留倍數(shù)的雨水量，將通過(guò)溢流井溢流至下游水體，即合流制溢流量計(jì)算式如下：

式中：Qy為合流制溢流量；n0為截留倍數(shù)；Qs為雨水設(shè)計(jì)流量；Qdr為旱季設(shè)計(jì)污水量。

從上式可以看出，截留倍數(shù)越大，則合流制溢流量越小，造成的環(huán)境污染越小。但同時(shí)截留干管的管徑相應(yīng)增大，與之配套的污水處理處理規(guī)模也相應(yīng)提升，鑒于溢流的混合污水的非連續(xù)性，過(guò)大的截流倍數(shù)將造成處理能力的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)性的下降，因此，在選擇截留倍數(shù)時(shí)需結(jié)合環(huán)境要求和工程經(jīng)濟(jì)性綜合衡量后確定。

2.2.2 調(diào)蓄池

調(diào)蓄池作為一種水收集措施，在控制分流制初期雨水和合流制溢流污染等方面應(yīng)用較為普遍。其基本工作原理是降雨時(shí)利用自身較大的容積暫存初期雨水或超過(guò)溢流能力的混合污水，在雨量減小或停止時(shí)，再將所儲(chǔ)存的污染較為嚴(yán)重的混合污水通過(guò)管網(wǎng)輸送至污水處理廠(chǎng)進(jìn)行處理，其效果相當(dāng)于增大系統(tǒng)的截流倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)提高水質(zhì)的目的。有資料表明，興建調(diào)蓄池后，排水城市水體的污染物削減量可達(dá)50%。

但受限于自身容積的限制，當(dāng)降雨量大于設(shè)計(jì)能力時(shí)，仍有部分混合污水溢流至下游水體，如何確定調(diào)蓄池的容積參數(shù)需經(jīng)過(guò)模型模擬或統(tǒng)計(jì)計(jì)算等方法確定。

2.3 末端治理措施

通過(guò)對(duì)源頭治理措施和過(guò)程控制措施的分析可知，在降雨量較大的時(shí)候均存在混合污水溢流污染的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，采用經(jīng)濟(jì)合理的末端治理措施也是減少污染的重要手段之一，其中旋流分離器、末端人工濕地的應(yīng)用較為典型。

2.3.1 旋流分離器

旋流分離器在離心力的作用下，通過(guò)旋流分離技術(shù)，利用混合污水中固液兩相的密度差來(lái)實(shí)現(xiàn)固液分離從而減少混合污水中的污染物。高速的混合污水通過(guò)旋流分離器上端進(jìn)入，在旋流分離器特定的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)下降，混合污水中的固相和液相由于受到不同的離心力而產(chǎn)生相分離，并通過(guò)下端不同的排出口排出，實(shí)現(xiàn)污染物的去除。有研究表明，溢流的混合污水通過(guò)旋流分離器后，特定粒徑的顆粒物的去除率可達(dá)60%。同時(shí)旋流分離器還具有結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小、污染物處理效率高、操作維修技術(shù)要求低等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外應(yīng)用較多，國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐則剛處于起步階段。

2.3.2 人工濕地

人工濕地通過(guò)人為干預(yù)建設(shè)而成，并通過(guò)控制其運(yùn)行參數(shù)形成類(lèi)似于天然沼澤地的新型污水處理系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)建造中通常采用不同植物的搭配并進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡匦嗡茉於纬沙鞘芯坝^(guān)與污水處理設(shè)施為一體的生態(tài)處理設(shè)施。其主要工作機(jī)理是效仿它根據(jù)自然濕地生態(tài)系統(tǒng)，綜合物理、化學(xué)、生物等多重效能實(shí)現(xiàn)污染物的去除。通常的結(jié)構(gòu)形式為人工基質(zhì)、水生植物等。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的培養(yǎng)馴化，便會(huì)產(chǎn)生適合于污水處理的微生物菌群并形成生物膜附著與人工基質(zhì)（通常選用比表面積較高的填料） 空隙以及水生植物根部。污染物隨水流流動(dòng)時(shí)。

污染物經(jīng)過(guò)人工基質(zhì)的截留以及生物膜的代謝逐漸去除，氮磷等污染物還可以通過(guò)植物根部的吸收作為植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素，最終以植物收割的方式去除。

LENHART H A 等的研究表明，人工濕地能夠削減徑流總量和峰值流量可達(dá)54%和80%。對(duì)總氮、總磷、總懸浮固體的處理效率可達(dá)36%、37%、49%。

肖海文等對(duì)水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地組合工藝的處理效果進(jìn)行了研究，處理典型城市溢流污水時(shí)，經(jīng)過(guò)人工濕地系統(tǒng)凈化后的有機(jī)物、懸浮固體、總氮等溢流污染物濃度降為進(jìn)水污染物濃度的20%以下。

2.4 其他措施

非工程措施是通過(guò)國(guó)家政策干預(yù)、法律法規(guī)要求、頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)以及管理措施強(qiáng)化等措施來(lái)提升改善合流制溢流污水的管理水平、降低溢流污染的影響。

2.4.1 完善相關(guān)法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)

完善相關(guān)法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)，因地制宜的出臺(tái)合流制溢流污水排放管理辦法，制定適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境容量和經(jīng)濟(jì)狀況的排放標(biāo)準(zhǔn)，建立完善的合流制溢流污水排放水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系，研究有利于可持續(xù)發(fā)展的合流制溢流污水治理規(guī)劃，將合流制溢流污水排放治理成果納入各級(jí)行政主管部門(mén)的考核體系。

2.4.2 強(qiáng)化日常管理

強(qiáng)化日常管理，如增加合流制區(qū)域的道路清掃，減少因雨水徑流沖刷地表沉積物而帶來(lái)的面源污染，從源頭減少污染物的總量；強(qiáng)化沿線(xiàn)居民、企業(yè)、商戶(hù)的管理力度，嚴(yán)禁向管網(wǎng)中傾倒各類(lèi)垃圾、未達(dá)到納管標(biāo)準(zhǔn)的高濃度廢水、油污等污染物；增加對(duì)管網(wǎng)的的清淤工作，在雨季來(lái)臨之前，對(duì)合流制管網(wǎng)的雨水口、主、支管線(xiàn)進(jìn)行清淤，減少管道沉積物被沖刷帶起的污染物等。

2.4.3 積極探索治理新模式

城市的水環(huán)境是一個(gè)系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)的治理以“點(diǎn)”或者“面”來(lái)推進(jìn)，沒(méi)有從全局的角度、以系統(tǒng)的思維來(lái)綜合考慮，頭疼醫(yī)頭腳疼醫(yī)腳，投資大且效果不理想。

近年來(lái)，“廠(chǎng)網(wǎng)河一體化”綜合治理模式逐漸興起，從“水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害”等方面綜合考慮，實(shí)現(xiàn)治理溢流污水、完善內(nèi)澇排水、補(bǔ)充城市再生水等多重目的。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)“十三五”期間城市黑臭水體治理的攻堅(jiān)戰(zhàn)后，合流制溢流污染已經(jīng)成為影響城市水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要污染源之一。

生態(tài)環(huán)境部等國(guó)家部位也多次發(fā)文加大對(duì)合流制溢流污染的治理力度，國(guó)內(nèi)高校研究機(jī)構(gòu)等專(zhuān)家學(xué)者也進(jìn)行了深入的研究，提出了相應(yīng)的系統(tǒng)的治理理論，但由于治理時(shí)間短、工程實(shí)踐案例較少，各地情況復(fù)雜多變，因此，理論聯(lián)系實(shí)際并探索適合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的治理方法仍將是水務(wù)工作者未來(lái)工作的重點(diǎn)。

同時(shí)，除了采取以上工程措施外，水務(wù)環(huán)保工作者及有關(guān)部門(mén)應(yīng)注重完善管理體制及政策法規(guī)，增加公共教育提升公眾環(huán)保意識(shí)，加強(qiáng)環(huán)境清理等非工程性的措施，積極探索治理新模式，多措并舉減少合流制溢流污染。