以海陵城北區(qū)為例淺析城鎮(zhèn)排水體制的選擇

李秋紅，劉廣兵，岳 強(qiáng)，王 凱，劉 淼

(江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，南京 210036)

引 言

城市排水系統(tǒng)是指一個區(qū)域內(nèi)收集輸送生活污水、生產(chǎn)廢水及雨水的系統(tǒng)組合，可分為合流制與分流制兩種排水體制。合流制排水系統(tǒng)是指在同一套管道內(nèi)收集和輸送地表徑流、生活污水和工業(yè)廢水，并將其混合污水同時排出[1]。分流制排水系統(tǒng)是將生產(chǎn)廢水、生活污水和雨水分別建立獨(dú)立排水管道，生產(chǎn)廢水與生活污水通過污水管網(wǎng)收集后，經(jīng)提升泵站提升至污水處理廠站進(jìn)行集中生化處理。近年來，關(guān)于城市排水體制的報(bào)道與研究不斷深入。王淑梅等在排水管網(wǎng)的建設(shè)及截留倍數(shù)的選取方面進(jìn)行了研究，認(rèn)為排水管網(wǎng)應(yīng)與污水廠建設(shè)作為一個整體[2]；柳林等對合流排水體制中溢流污染進(jìn)行了研究，通過在溢流口進(jìn)行生態(tài)化改造緩解了溢流污染問題[3]。以上報(bào)道均立足于解決不同排水體制中的部分弊端，對于城鎮(zhèn)排水體制的適用性選擇研究較少。本文以泰州市海陵城北為研究區(qū)域，對比了該區(qū)域?qū)嵤┯晡鄯至鹘ㄔO(shè)工程前后污水廠進(jìn)水COD的濃度及地表水環(huán)境質(zhì)量的變化，分析了分流排水體制工程實(shí)施對廠站收水濃度及水環(huán)境質(zhì)量的改善效果，為城鎮(zhèn)排水體制的選擇提供了借鑒。

1 國內(nèi)外不同排水體制應(yīng)用現(xiàn)狀及經(jīng)驗(yàn)

1.1 合流制排水體制應(yīng)用現(xiàn)狀及經(jīng)驗(yàn)

當(dāng)今國內(nèi)外習(xí)慣采用截流式合流式排水體制，截流的關(guān)鍵在于河濱岸帶建設(shè)的截污井，詳見圖1。當(dāng)雨污水來水總量達(dá)到設(shè)計(jì)上限時，多余的雨污水將由截污井溢流至河道，未經(jīng)處理直接排放的混合污水即為合流制排水系統(tǒng)溢流污水(Combined Sewer Overflows，CSOs)[4]。初期CSOs污染物濃度高，直接下河對水環(huán)境質(zhì)量影響極大，后期污染較小，呈現(xiàn)出瞬時性，入河污染物通量波動較大的特點(diǎn)。當(dāng)溢流污染總量一定，受納水體流量較大時，該水體的納污和自凈能力較強(qiáng)，可減輕CSOs對受納水體的影響；對于流量較小的支浜而言，水體納污及自凈能力不足，CSOs往往會造成受納水體水環(huán)境質(zhì)量的下降。

圖1 截留合流制排水系統(tǒng)示意與工程圖Fig.1 Combined sewerage system with entrapment

日本有192個城市采用合流制排水系統(tǒng)[5]，合流管網(wǎng)匯水面積達(dá)2270km2，服務(wù)人口約占日本總?cè)丝诘?0%。為應(yīng)對合流制溢流污染的影響，東京采用了源頭雨水抑制、調(diào)蓄池建設(shè)、高速過濾系統(tǒng)處理和溢流口規(guī)范化改造等技術(shù)措施，在抑制溢流污染方面取得了較為明顯的成效。英國倫敦城市排水系統(tǒng)始建于19世紀(jì)60年代，排水體制為合流制排水系統(tǒng)[6]。隨著人口的快速增長，倫敦原有的合流制排水系統(tǒng)時常發(fā)生溢流污染的現(xiàn)象，管網(wǎng)污水溢流頻次高達(dá)每周一次。通過增建一個深層排水隧道儲蓄溢流污水，倫敦市每年合流制溢流污染由50次/a左右降低為4～6次/a，年平均溢流污水量由3950m3削減至235m3。

1.2 分流制排水體制應(yīng)用現(xiàn)狀及經(jīng)驗(yàn)

分流制排水體制有效避免了生活污水的外溢入河的風(fēng)險(xiǎn)，減少對污水處理廠的沖擊負(fù)荷，保證污水處理場站的有效運(yùn)行，但卻忽視了初期雨水的污染。同時存在建設(shè)工程費(fèi)用投資高、改造工程量大、施工工期長、對居民生活影響嚴(yán)重等諸多問題。以南京實(shí)施雨污分流治水工程為例[7]，2010～2014年間該市累計(jì)投資180億元用于水環(huán)境整治工程，雨污分流改造總面積達(dá)226.85km2。雖然取得了一定的成效，但城市內(nèi)河污染的問題仍未切實(shí)得到解決。由圖2來看，南京的雨污分流僅為排水系統(tǒng)，遇大雨無“留水”功能，雨水井及雨水管道積存高污染濃度的污泥雜物，初期雨水直排下河污染現(xiàn)象仍較為突出。

國外許多城市安裝倒錐形的管道防止污水的顆粒物在管道內(nèi)沉積，很好地解決了雨水管道存積污染的問題。由此可見，雨污分流工程需綜合考慮實(shí)施難度、社會影響及投資成本等因素，結(jié)合海綿城市、低影響開發(fā)、源頭截污、水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)等方式，同時制定雨水管網(wǎng)的管養(yǎng)措施，解決初期雨水造成內(nèi)河污染問題，進(jìn)一步改善河道生態(tài)環(huán)境。

圖2 分流制排水體制城市內(nèi)河水質(zhì)觀感不佳Fig.2 Poor river water quality with diversion of storm sewage

2 研究區(qū)域與方法

海陵區(qū)是泰州市主城區(qū)，位于東經(jīng)119°54'42”，北緯32°29'54”，地處江蘇省腹部，鹵汀河、南官河、泰東河、引江河、新通揚(yáng)運(yùn)河、老通揚(yáng)運(yùn)河六條航道的交會點(diǎn)，西鄰揚(yáng)州市江都區(qū)，北、東與姜堰區(qū)接壤，南連高港區(qū)。區(qū)內(nèi)現(xiàn)有城北污水廠和第一城南污水廠，處理規(guī)模分別為6萬m3/d和8萬m3/d。本文以城北污水處理廠的收水范圍為研究對象，城北污水處理廠收水范圍四至邊界為西起引江河，東至海陵區(qū)規(guī)劃邊界，北起規(guī)劃邊界，南至揚(yáng)州路、北城河、海姜大道，收水范圍服務(wù)面積91.8km2，如圖3所示，收水區(qū)域內(nèi)地表水省考斷面為朱莊大橋與迎江橋斷面。

圖3 海陵城北區(qū)域收水范圍Fig.3 Range of water drainage system in north Hailin

結(jié)合研究區(qū)域2019～2021年雨污分流改造工程的實(shí)施，分析了雨污分流改造對城北污水處理廠進(jìn)水水量水質(zhì)變化、匯水范圍內(nèi)區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量變化情況影響。海陵區(qū)城區(qū)污水處理提質(zhì)增效“333”工程已完成了對陽臺污水的改造工程，本案例僅考慮生活污水與雨水的排水體制變化對水環(huán)境質(zhì)量的影響。通過計(jì)算不同時間海陵區(qū)2019年至2021年區(qū)域雨污分流管網(wǎng)占比，尋找研究區(qū)域污水廠進(jìn)水水量、進(jìn)水COD濃度與區(qū)域水環(huán)境的總體變化趨勢展開研究。

3 分析與討論

3.1 海陵城北分區(qū)的雨污分流工程實(shí)施效果

城北分區(qū)現(xiàn)狀市政管道排水體制以雨污分流制為主，2018年末海陵城市建成區(qū)有241個小區(qū)與集中居住區(qū)，其中55個小區(qū)和6個集中居住區(qū)尚未實(shí)施雨污分流改造，雨污分流占比74.7%，雨污合流占比25.3%。2019～2021年全區(qū)逐步開展雨污分流改造，海陵城北分區(qū)雨污分流占排水系統(tǒng)比例由74.69%提升至96.27%，廠區(qū)進(jìn)水COD濃度由165mg/L提升至191mg/L，城北片區(qū)朱莊大橋與迎江橋控制斷面地表水例行監(jiān)測高錳酸鹽指數(shù)濃度值由4.2mg/L降至2.8mg/L，逐月變化詳見表1與圖4。

分析表明，城北片區(qū)雨污分流改造工程的推進(jìn)對于區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量改善有一定的效果，除雨污分流改造的貢獻(xiàn)外，海陵區(qū)開展了控源截污等大量工程舉措；雨污分流改造降低了生活污水跑冒滴漏的現(xiàn)象，阻斷了雨水徑流混入生活污水管網(wǎng)的途徑，對于污水處理廠收水COD濃度的提升有一定促進(jìn)作用。

表1 海陵城北分區(qū)雨污分流改造、污水廠水質(zhì)水量及地表水環(huán)境質(zhì)量的變化過程Tab.1 The change process of rain and sewage diversion reform，water quality and quantity in wastewater treatment plant and surface water quality in Hailin

圖4 城北片區(qū)水環(huán)境及雨污分流改造變化趨勢Fig.4 Change of Water Environment and Transformation of Rainwater and Sewage Diversion in North Area

3.2 排水系統(tǒng)的差異性及適用性

(1)合流制排水系統(tǒng)建設(shè)投資低，空間需求小。合流制排水運(yùn)維管理簡單、不會產(chǎn)生雨污水混接、錯接等現(xiàn)象。在中小降雨的氣候條件下，雨水徑流還可沖刷管網(wǎng)中淤積污泥進(jìn)入污水處理廠，有助于排污管道的清潔。系統(tǒng)設(shè)計(jì)得當(dāng)，初期降雨將被收集至污水處理廠，不存在初期雨水直排下河污染城市水環(huán)境的問題。然而，在遭遇特大暴雨等極端天氣時，合流制排水系統(tǒng)存在溢流污染現(xiàn)象。有研究表明當(dāng)管網(wǎng)中水流速度達(dá)到0.2m/s時[8]，雨水可將沉積在管渠中的污泥沖起，增加初期雨污水的污染物濃度，此時溢流污染程度最大。

(2)分流制排水系統(tǒng)解決雨天溢流污染問題。分流制切斷了污水直排入河的途徑，而其最大的弊端就是初期雨水直排下河。有研究發(fā)現(xiàn)從降雨形成地面徑流開始，前15min降雨徑流攜帶有大量污染物，某些重金屬濃度甚至超過城市污水廠的進(jìn)水水質(zhì)，初期雨水中SS和COD經(jīng)常會超過一般污水處理廠的進(jìn)水濃度[9]。如放任初期雨水直排下河，高污染通量的初期雨水將威脅城市河流水環(huán)境質(zhì)量。相較于合流制排水體制，分流制系統(tǒng)工程投資費(fèi)用高，地下空間需求大，運(yùn)維管理更為復(fù)雜，易產(chǎn)生雨污水管道錯搭混接等問題。

(3)不同排水系統(tǒng)的適用性。不同排水體制有其各自的適用范圍及特點(diǎn)，詳見表2。新建城區(qū)排水系統(tǒng)的建設(shè)，應(yīng)科學(xué)論證、系統(tǒng)規(guī)劃、因地制宜、分步實(shí)施。豐水地區(qū)應(yīng)嚴(yán)格推行雨污分流，同時要考慮初期雨水污染的削減去除，結(jié)合海綿城市的工程理念，在雨水收集管網(wǎng)末端建設(shè)生態(tài)凈化型蓄水池，降低初雨直排的污染程度[10]。

干旱地區(qū)、老城區(qū)不可盲目“一刀切”推廣雨污分流。如新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地相關(guān)城市等，年降雨量較低，宜采用合流制排水體制。以2020年蘭州降雨為例[11]，全年最大單日降雨量為37mm，年均降雨量僅為327mm，采用合流制不會產(chǎn)生合流制溢流污染問題。實(shí)施雨污分流改造工程是對地方財(cái)力及人力資源的浪費(fèi)，可以考慮利用道路兩旁綠地建設(shè)生物滯留池，滲渠、以及下沉式綠地等多樣化形式收集消納部分初期雨水，加強(qiáng)對雨水資源的生態(tài)化利用。

表2 不同排水系統(tǒng)的適用條件Tab.2 Application condition of different drainage systems

4 結(jié)論與建議

江蘇省處于東南沿海地區(qū)，水系發(fā)達(dá)、雨量充沛，建設(shè)規(guī)模及居住密度較為集中，合流制管網(wǎng)占比較高，溢流污染問題突出，蘇北地區(qū)建議保留合流制排水系統(tǒng)，蘇南地區(qū)有必要開展雨污分流改造，對于排水系統(tǒng)改造工程提出如下建議。

4.1 工程賦能，阻斷溢流污染問題

基于我省合流制排水系統(tǒng)占比較重的現(xiàn)狀，排水體制改造工作需加強(qiáng)與城市規(guī)劃建設(shè)的聯(lián)系，充分利用建構(gòu)筑物、鋪裝路面、自然綠地、水流河道等系統(tǒng)對自然降雨的存蓄與吸納功效。結(jié)合海綿城市、低影響開發(fā)等工程設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)雨水的自然積蓄、滲透及污染降解凈化，輔以管網(wǎng)截留，排放口改造及末端污水處理廠設(shè)施改造等工程，控制雨水徑流峰值與合流制溢流污染。

對于分流制排水系統(tǒng)而言，初期雨水的污染濃度較大，可在雨水管道與污水處理廠連接端設(shè)置雨水調(diào)蓄池，池體安裝電動閥門、提升泵、濁度及COD傳感器，通過水體濁度與COD雙因子的實(shí)時在線監(jiān)測大致判斷水體受污染程度。對于前期污染程度較高的初期雨水，提升至污水處理廠進(jìn)行處理；隨著降雨歷程的發(fā)展，后期雨水水質(zhì)較好可打開閥門直接排入河流。

4.2 一城一策，科學(xué)優(yōu)選排水體制

城市排水體制的改造沒有一個放之四海而皆準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)答案，排水系統(tǒng)改造工作需結(jié)合降雨量、城市基礎(chǔ)建設(shè)條件、水系發(fā)達(dá)程度、人口聚集度、區(qū)位地理地勢條件等多方面因素。年降雨量大于400mm的地區(qū)，合流制排水體制易出現(xiàn)污水溢流污染，可逐步實(shí)施雨污分流改造工程，同步輔以雨水的截留凈化措施；對于年降雨量較小地區(qū)，不易造成污水溢流污染，雨水混入污水管網(wǎng)，對污水處理廠的影響也有限，可考慮保留合流排水體制對于蘇南經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的老城區(qū)，街道非常密集，地下管網(wǎng)復(fù)雜，對于居住密度較大，改造工作嚴(yán)重影響居民生活的區(qū)塊，可輔以雨水滯留池建設(shè)，強(qiáng)化溢流污染控制，有改造條件的地區(qū)要超前規(guī)劃、科學(xué)論證，穩(wěn)妥進(jìn)行雨污分流改造工作；蘇北地區(qū)老城區(qū)宜以保留現(xiàn)狀合流制排水體制為主，加強(qiáng)溢流井的規(guī)范化建設(shè)。在新建城區(qū)宜采用雨污分流體制，重點(diǎn)國省考斷面匯水范圍內(nèi)適當(dāng)進(jìn)行雨污分流改造同時控制初期雨水直排污染，雨水管末端建設(shè)雨水生物緩沖池，消納降解初期雨水的污染。

4.3 結(jié)合生態(tài)修復(fù)，鞏固提升初雨水環(huán)境質(zhì)量

城市河道承載著城市的生態(tài)景觀，是休閑娛樂與文化展示的重要平臺，是城市特質(zhì)與城市形象的集中反映。因早期規(guī)劃缺乏科學(xué)論證，城市河道分布著許多雨水排口，初期雨水不能得到凈化處理給河流水體帶來了較大的污染負(fù)荷，優(yōu)選排水體制工作的同時，兼顧在初雨受納水體增設(shè)生態(tài)凈化措施，如生物截留池、生態(tài)緩沖帶等，利用植物根系與天然微生物群落耦合，形成固土-凈水的功效，進(jìn)一步提升初雨受納水體的水環(huán)境、水生態(tài)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)城市初期雨水由污水到生態(tài)補(bǔ)水的轉(zhuǎn)變，保障城市河流生態(tài)用水的水資源量。