合流制污水溢流治理技術綜述

邢麗貞，王恩革，常青霞

(山東建筑大學市政與環境工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，城區的大規模擴展，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，徑流系數增大。我國大部分農村地區和城鎮老城區由于采用雨污合流制排水系統及部分地區的排水管網不健全，雨季經常出現污水溢流現象。合流制排水管網系統在降暴雨時，由于大量雨水流入，流量超過污水收集系統設計能力時以溢流方式直接排入城市水體，稱作合流制排水系統污水溢流(combined sewer overflows，CSOs)。在城市點源污染被逐步控制后，城市CSOs作為典型的非點源污染已經成為世界城市水環境污染、生態系統失衡的重要原因，排入天然水體的污染物質嚴重影響了水體功能的恢復，因此治理CSOs對改善水環境具有重要意義[1－3]。

1 CSOs的性質

CSOs收集了生活污水、工業廢水、雨水，以及晴天時形成的腐爛的管道底泥和雨水對大氣和地表沖刷所帶來的污染物。污染物的量根據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(COD)、重金屬物質、富營養化物質(N、P)、致病細菌、病毒、有毒有機物和腐殖質等。溢流污水不同于一般的生活污水，一般溶解性的COD、SS濃度相對較高，水質變化大，時間、地點、雨量大小和強度的變化都會導致溢流污水的水質發生變化，水質隨降雨歷時呈現一定的規律，尤其在降雨初期存在著初期效應，徑流所含污染物較多[4，5]。表 1為不同城市和地區 CSOs[6－11]的水質情況。

上述實測數據表明，合流制管道溢流主要污染物的濃度變化范圍很大，其中一些地區的一些時段COD和SS均值遠遠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

由于溢流污染的特殊性和復雜性，各國在對其治理的態度及其治理措施上存在一定的差別，美國、德國等國對CSOs控制研究較早，已經制定了指導各自國家CSOs污染控制的技術設計規范和標準[12，13]，并應用于實際，主要的處理方式有:

(1)分流制管道系統

分流制系統可以使廢水實現雨污分離，從根本上消除CSOs的產生。但是對于一般已建成的大中城市是很難實現的，需要改建所有的接戶管，建造兩個管道系統，要將各種污水嚴格分流，而且需要足夠的路面寬度來支持分流制管道的敷設，破壞大量路面，改建工作量極大，不僅耗時耗力，而且極不經濟。

瑞典在八十年代初就放棄了市政管網雨污分流的思想。由于合流制改造為分流制影響范圍大、耗時長、耗資大，故把重點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

沿受納水體在直排合流管出口處設置截流溢流井并敷設截留干管。晴天時，將生活污水、工業廢水全部截留經截留干管排往下游污水處理廠進行處理，雨天時，初期雨水與污水一起流入污水廠處理，隨著雨量的增加，當混合物水量超過截留干管截留的能力時部分混合污水經溢流井流入水體。截流倍數n0為開始溢流時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n0提高到足夠大時，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提高以滿足大流量污水的處理，因此工程費用也就相應增加。所以n0的設計應根據CSOs污染控制要求以及經濟能力作出適當的選擇。

張懷宇等[15]對廣州市合流制排水系統截流倍數的研究中指出，隨著截流倍數的提高，污水系統截流倍數達到2～4時其排水系統的年溢流污染物總量與分流制相當。王敬東等[16]對遼寧省恒仁縣污水截流工程的研究，發現:當截流倍數小于等于1.5時，污水溢流次數較多，溢流所造成的渾江水水質不能滿足地面水三級標準，只有當截流倍數大于2時，溢流污水對渾江水體的影響較輕。我國在設計規范中規定的n0為1～5，實際工程中為節省投資一般采用0.5～1.0，選用n0值偏小，使得CSOs水量偏大。表2為國內外常采用的截流倍 數[17，18]。

表2 各國合流污水系統常用的截流倍數

(3)溢流調蓄池

合流制排水系統的溢流調蓄池(the retention basins with overflow，RBO)或稱合流污水調蓄池(combined sewage detention tank，CSDT)工作原理如圖1所示。調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，最終進入污水處理廠，從而減少初期雨水對受納水體的污染[19]。調蓄池是提高系統排水能力的一項有效措施，可以降低下游合流制干管、泵站的設計容量，提高合流制系統的截流倍數，減小CSOs的污染。由于調蓄池的容積受到實際情況的限制，出現較大暴雨時，仍會出現雨污水溢流，對水體形成污染。

圖1 溢流調蓄池工藝

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，運行4年來，發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%)。調蓄池有效提高了排水系統的截留能力，相當于將系統截流倍數從未建設調蓄池前的3.87倍提高至1h內的6.90倍和0.5h內的9.92倍[20，21]。

(4)強化混凝

20世紀80年代，隨著高效、廉價的絮凝劑的出現，化學強化一級處理(chemically enhanced primary treatment，CEPT)得以發展，并正被廣泛應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成功商業化，主要有ACTIFLO工藝，DENSADEG+BIOFOR工藝和Lamella Plate工藝[23，24]。根據國外 CSOs的控制經驗，在溢流多發點建造調蓄池并進行化學強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]。該套裝置啟動快，當采用濕式啟動方式時只需數分鐘便可達到穩定狀態，高效沉淀池表面水力負荷可達32m3/(h·m2)，因此結構緊湊，占地面積小。在幾次不同降雨強度下，調蓄池水質SS為204～694mg/L，濁度為70～332NTU，TP為2.04 ～3.8mg/L，CODcr為 138 ～586mg/L。將系統進水量控制在60～100m3/h，投加80～120mg/L PAC 和0.8～1.2mg/L PAM 后，除在進水量很大的情況下會有少許礬花跑冒外，可使SS、濁度、TP和 COD平均去除率分別達到82%、79%、78%和68%以上。強化混凝工藝投藥量的比例不易控制，暴雨時易造成雨污水溢流，污泥排放處理易造成二次污染。

圖2 強化混凝工藝

(5)人工濕地

人工濕地(constructed wetlands，CW)污水處理系統源于對自然濕地的模擬，是20世紀70年代末發展起來的一種廢水處理技術，近十年來，英國、德國、美國、荷蘭等國家的人工濕地發展迅速，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。人工濕地利用系統中的物理、化學和生物的三重協同作用，來實現對污水的凈化[26]。其工藝如圖3所示，調節穩定塘起預處理作用，可有效降低營養物質濃度，同時也能夠降低SS，防止人工濕地基質的堵塞。目前國內外常規人工濕地水力負荷為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植物，污水流經床體時，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等實現對污染物的降解作用。人工濕地的基建投資少、運行費用低、抗負荷能力強，作為城市生態景觀基礎設施，又具有調蓄雨洪、調節氣候、改善生態環境、為市民提供休閑娛樂的社會功能。但是人工濕地占地面積大、受季節影響顯著。

圖3 人工濕地處理工藝

美國佛羅里達州坦帕市Hidden River Corporate Office Park濕地[27]，用來處理城市雨水徑流，效果良好。濕地系統包括兩個總面積為750m2的人工進水池，一個面積為1.21hm2的天然草質濕地，匯水區域為6.2hm2。在29個月的監測期間，濕地的平均進水量為136m3/d，平均出水量為52.4m3/d，平均水力負荷為0.0106m3/(m2·d)，對 TN、TP和TSS的去除率分別為46%、70%、86%。

肖海文[28]等在對重慶市江北區的生態住宅區的人工濕地系統研究中表明:人工濕地抗負荷能力強，對 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置洼地、植草緩沖帶、多孔路面、滲透溝、延時滯留調節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，這些措施主要針對現代生態建筑，對于占絕大多數的建筑類型卻不適應。米文秀[29]等在上海華東大學的一塊綠地對雨水徑流中污染物消減效果做了研究，結果表明:綠地對有機物、氮磷等污染物的平均去除率可達30% ～50%，降雨量不同對污染物去除率的影響較大，降雨量較小時綠地對總磷的去除率相對較高，最高可達47%。

3 結語

(1)綜合國外的CSOs治理經驗是:工程措施與非工程措施相結合。以小區或建筑群為單元，采用雨水削減、收集措施與城市整體CSOs治理措施相結合，并制定一系列相關法律法規，完善雨水利用系統，做到減少排放，加強有效利用。

(2)建議新城區一般采用分流制系統;截流式合流制系統由于改造成本低、效果顯著，可應用于合流制排水系統的改造;調蓄池、強化混凝工藝適用于土地資源緊張的地區，但要注意強化混凝造成的二次污染;人工濕地由于占地大，可結合生態城市建設總體規劃進行。各地要因地制宜地采取綜合的、系統的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不僅可以實現雨水資源化，并能創造生態的、節能的、可持續發展的、適合人與城市和諧發展的宜人環境，符合城市化的長遠規劃。

[1]陳紹軍，張白良，張智穎.合流污水管道雨天水質水量的變化規律[J].中國市政工程，1994，65(2):55 －58.

[2]顏曉斐.上海成都路合流污水調蓄池的污染減排效益及優化[J].中國給水排水，2010，26(8):6 －10.

[3]郭青海，馬克明，楊柳.城市非點源污染的主要來源及分類控制對策[J].環境科學，2006，27(11):2170 －2175.

[4]王祖琴，李田.上海市雨水污染控制初探[J].上海環境科學，2002，21(5):305 －309.

[5]盛銘軍.雨天溢流污水就地處理工藝開發及處理裝置CFD模擬研究[D].上海:同濟大學環境科學與工程學院，2007.

[6]金苗，陳霆.城市合流制排水系統溢流的污染特性分析[J].山西能源與節能，2007，45(2):23 －26.

[7]李賀，李田.上海高密度居民區合流制系統雨天溢流水質研究[J].環境科學，2006，27(8):1565 －1569.

[8]周軍，葉長明，黃翔峰，等.合流制排水系統溢流污水消毒處理[J].鄭州輕工業學院學報，2007，22(1):24 －27.

[9]張力，張善發，周琪.合流制排水系統溢流污染就地調蓄處理控制技術研究[J].環境污染與防治，2007，29(7):541 －544.

[10]Green M B，Martin J，R，Griffin P.Treatment of combined sewer overflows at small wastewater treatment works by constructed reed beds[J].Wat Sci Tech，1999，40(3):357 －364.

[11]Annelies M K，Van de Moortel，Diederik P L，et al.A comparative study of surface and subsurface flowconstructed wetlands for treatment of combined sewer overflows:A greenhouse experiment[J].Ecological Engineering ，2009，35(2):175 －183.

[12]袁銘道.美國水污染控制和發展概況[M].北京:中國環境科學出版社，1986.

[13]EPA.National menu of best management practices for storm water phase[S].2005，12，20.

[14]Janurce Niemczynouicz.Swedish way to stormwater enhancement by source control[A].Urban Stormwater Qulity Enhancement[C].New York，1990，156 －168.

[15]張懷宇，趙磊，王海嶺，等.合流制排水系統雨季污染物溢流的截流與調蓄控制研究[J].給水排水，2010，36(6):42 －45.

[16]王敬東，于文禮.城市截流式管道系統截流倍數n0值剖析[J].沈陽建筑工程學院學報，1995，11(1):20 －24.

[17]Diaz-Fierros F，Puerta T J，Suarez J.Contaminant loads of CSOs at the wastewater treatment plant of a city in NW spain [J].Urban Water，2002，4(3):291 －299.

[18]劉保生.淺談截流倍數[J].甘肅科技，2006，22(12):182.

[19]張辰.合流制排水系統溢流調蓄技術研究及應用實例分析[J].城市道橋與防洪，2006，22(5):1 －4.

[20]張力.城市合流制排水系統調蓄設施計算方法研究[J].城市道橋與防洪，2010，26(2):130 －133.

[21]程江，呂永鵬，黃小芳，等.上海中心城區合流制排水系統調蓄池環境效應研究[J].環境科學，2009，30(8):2234 －2240.

[22]鄭興燦，張悅.化學—生物聯合絮凝的污水強化一級處理工藝[J].中國給水排水，2000，16(7):29 －32.

[23]羅啟達，周克明.ACTIFLO—一種新型高效水處理澄清工藝[J].凈水技術，2004，23(1):38 －42.

[24]Daligault A，Meaudre D，Arnault D，et al.Stormwater and lamella sttlers:efficiency and reality[J].Wat Sci，1999，39(2):93－101.

[25]盛銘軍，馬魯銘，王紅武，等.強化混凝—高效沉淀工藝控制城市溢流污水研究[J].給水排水，2006，32(9):23 －25.

[26]梁繼東，周啟星，孫鐵珩.人工濕地污水處理系統研究及性能改進分析[J].生態學雜志，2003，22(2):49 －55.

[27]王寶貞，王琳.水污染治理新技術—新工藝，新概念，新理論[M].北京:科學出版社，2004.

[28]肖海文，翟俊.處理生態住宅區雨水徑流的人工濕地運行特性研究[J].中國給水排水，2008，24(11):34 －38.

[29]米文秀，謝冰.城市綠地對雨水徑流中污染物消減效果研究[J].上?；ぃ?007，32(10):2 －4.