合流制溢流控制指標與標準制定研究

李俊奇，周金成，楊 正，張建新

(1.北京建筑大學城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044； 2.北京建筑大學國家級水環境實驗教學示范中心，北京 100044； 3.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083；4.北京市排水集團有限責任公司，北京 100044)

2017年，全國城鎮污水處理率達到94.54%[1]，城市點源污染得到有效控制，但城市水環境狀況依然不容樂觀，合流制溢流(combined sewer overflow， CSO)污染的治理成為水環境質量提升的關鍵。《海綿城市建設評價標準》對CSO排口提出年徑流總量控制率不應小于50%、處理設施處理SS質量濃度月均值不應大于50 mg/L的量化要求[2]；《城市黑臭水體治理攻堅戰實施方案》將削減合流制溢流污染作為治理黑臭水體的重要舉措[3]。在興建大型截污工程、提高系統截流倍數改善CSO直排現象時，未充分考慮污水處理系統各部分的收集處理容量，三部委印發的《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019—2021年)》可從污水處理全系統補齊短板、完善基礎設施建設、科學調度等方面實現提質增效、改善水環境[4]。部分城市在CSO控制過程中也提出了相關的設計要求，如昆明的DB 5301/T 43—2020《城鎮污水處理廠主要污染物排放限值》針對污染物提出分區分級的執行要求，并針對雨天CSO提出在雨季污水處理廠處理量為1.1倍的設計處理規模時，超量的溢流污水經一級強化處理，BOD5、COD及TP需達到E級標準后排放[5]。國家層面尚未形成針對CSO污染控制的專項法規政策，僅在部分標準中對相關要求有所提及，并且現有的CSO排放標準與截流倍數標準、污水處理廠雨季排放標準、就地處理設施的排放標準等其他CSO控制系統的標準銜接程度不足。

1 CSO控制指標

根據CSO排口銜接管網及水體的位置特征，CSO控制指標可按基于技術的排放控制指標和基于受納水體水質保障的控制指標兩種方式劃分。美國CSO長期控制規劃多以年均溢流頻次、年溢流體積控制率及年均污染物去除率作為主要控制指標；歐洲國家更側重于基于受納水體水質保障的相關指標；我國目前多以溢流頻次、溢流體積控制率以及污染物排放限值作為指標進行監管。

1.1 基于技術的排放控制指標

基于技術的排放控制指標包括溢流頻次、溢流體積控制率、污染物排放濃度限值、CSO效率及稀釋度等。

a. 溢流頻次。溢流頻次是衡量CSO發生頻率的指標，常用年均值來表示，也可用季節限值(如可游泳季節)來表示。部分城市在海綿城市建設和黑臭水體治理時，多將其編入規劃及實施方案中，以溢流頻次的削減作為水環境質量提升的考核指標。本底條件和受納水體敏感度是溢流頻次標準制定的主要依據，管網類型及養護水平、降雨量、城市化程度等因素導致不同城市的本底溢流頻次數值有較大差異。研究發現，上海蘇州河南岸合流制管網系統與日本的192座城市的合流制管網系統相比，降雨特性參數類似，截流倍數設計標準低，但因蘇州河南岸合流制管網系統連通性高、坡度小、管徑大以及大流域下降雨時空分布差異性大，溢流頻次僅為日本192座城市的平均溢流頻次的1/5[6]。不同類型的受納水體的水環境容量不同，對應的溢流頻次也有較大差距，蘇格蘭環保局(Scottish Environment Protection Agency)針對不同用途的受納水體設計不同的溢流頻次標準，可游泳的水體溢流頻次在可游泳的季節不超過3次，貝類捕撈區水域的溢流頻次每年不超過10次，或者CSO排放許可證申請者可通過建模證明排放符合水質標準，溢流量超過50 m3時被認為是嚴重溢流[7]。溢流頻次作為排放控制指標，與受納水體系統銜接度不足，Lau等[8]研究發現溢流頻次和溢流體積削減率不是量化城市排水對受納水體影響的最優指標。

b. 溢流體積控制率。溢流體積控制率是指通過雨污分流、截流、調蓄、處理等措施削減或收集處理的雨天溢流的合流污水體積與總溢流體積的百分比。美國、加拿大等國家將溢流體積控制率作為CSO污染控制的主要指標，各州/省針對溢流體積控制率提出具體的指標值。溢流體積控制率也是我國目前主要采用的CSO控制指標，從實施層面來說，存在著系統雨季運維調度的相關問題。如我國污水處理系統設計標準偏低，多數污水處理廠不具有雨季處理高負荷運行的能力，合流制截流干管將雨季合流污水輸送到污水處理廠，在超過污水處理廠處理能力時，調蓄能力不足的水廠其超量污水在廠前溢流至水體，這部分未達標排放的體積使得溢流體積控制率較現實情況偏高。由于存在此類不合規排放現象，溢流體積控制率不能較好地反映CSO控制項目建設后受納水體的水質特征。

c. 污染物排放濃度限值。美國《清潔水法》制定國家污染物排放削減制度(national pollutant discharge elimination system, NPDES)，傳統污染物排放限值采用最佳傳統污染物控制技術法(best conventional pollutant control technology, BCT)，非傳統污染物和有毒污染物的排放限值采用最佳技術經濟可行法(best available technology economically achievable, BAT)分析確定基于技術的污染物排放限值。奧地利綜合考慮區域規模與溢流量制定固體污染物的排放限值，規定若人口數與溢流量之比小于25人/(L·s-1)時，應遵循50 mg/L的排放限值[9]。我國GB/T 51345—2018《海綿城市建設評價標準》中提出污水處理廠一級處理后采用就地處理設施處理，固體懸浮物(SS)排放質量濃度的月均值不應大于50 mg/L[2]。應注意的是，規定的月均值50 mg/L的限值要同時滿足所有溢流口的年均溢流體積控制率達到50%的要求。在溢流體積削減標準的基礎上，根據溢流量變化的特征，制定CSO處理的出水水質標準。

d. CSO效率。CSO效率是由奧地利水與廢水協會(Austrian Water and Waste Management Association)頒布的《合流制溢流設計指南》中提出的一項控制指標，是指不產生溢流的徑流雨水占雨水徑流總量的百分比[10]。CSO效率的計算需通過水文模型進行10年以上的降雨連續模擬，CSO效率計算應確定合流制管網的服務面積，用以將溢流量或徑流量的體積單位轉化為深度單位。其計算公式為

(1)

式中：η為CSO效率，%；QVO為年均溢流量(不考慮外水入滲)，mm/a；QVR為年均雨水徑流量，mm/a。

歐洲的許多國家對CSO效率的適宜性進行了研究，奧地利的相關研究發現年均降水量與CSO效率之間的相關性一般情況下較低，但在降雨歷時超過12 h的情況下，相關性較好，奧地利立法將CSO效率作為控制指標[11]，此外，在頒布的《合流制設施設計指南》中提出溢流率可接受度(1/η)的概念，并將其作為設計指標。

e. 稀釋度。稀釋度是合流制管網的總流量與管網的污水流量的百分比，如稀釋度為5則表明管網流量20%為污水流量。稀釋度指標又分為平均稀釋度和最小稀釋度。平均稀釋度與我國的截流倍數定義相似，平均稀釋度指溢流事件中管網總流量與污水流量的百分比，而截流倍數指截流雨水量與旱季污水量的百分比，與截流倍數相比，平均稀釋度在反映溢流事件的水量占比上更具優勢；最小稀釋度是在管網無反坡的情況下，首次溢流的溢流量與旱季流量的百分比。兩個溢流頻次和溢流量相同的CSO區域可能有不同的污染負荷，對稀釋程度的估計有助于量化這一點。對于稀釋，不同國家和地區的要求不同，美國佐治亞洲環境保護局(Environmental Protection Division, EPD)要求CSO設施排放遵守水質標準，不允許稀釋[12]。英國標準協會頒布的BS EN752—2008《室外排水與污水系統設計標準》中規定：當受納水體自凈能力不受到影響時，可將稀釋倍數(溢流前稀釋5～8倍的旱季流量)用作排放標準。

1.2 基于受納水體水質保障的控制指標

基于受納水體水質保障的控制指標包括常規污染物、急性氨中毒、溶解氧濃度、細菌標準及其他毒理指標等，其中應用較廣的指標主要有急性氨中毒、溶解氧濃度和細菌標準。

a. 急性氨中毒。合流污水除攜帶SS、BOD等常規污染物外，往往還存在高氮現象，NH3含量過高會損害水生生物健康。研究發現，NH3對鯽魚、鰱魚、鳙魚和草魚有不同程度的急性和慢性中毒影響[13]。即使在非致死濃度下，也可能危害水生生物健康，而較低的溶解氧濃度會加強其中毒效果[14]。

急性氨中毒指標主要在歐洲國家應用較廣，英國的臨時標準(fundamental intermittent standards，FIS)對鯉魚科與鮭魚科為主的水體的CSO污水1 h的氨質量濃度進行了細分，鯉魚科不應高于 5 mg/L，鮭魚科不應高于2.5 mg/L。

b. 溶解氧濃度。溶解氧濃度在歐洲國家的CSO標準中通常與氨中毒指標并行監管，英國的臨時標準FIS針對鯉魚類和鮭魚類水體制定了不同重現期的NH3和溶解氧的限值。奧地利規定，若在旱季流量中無厭氧性微生物且河流坡度大于3～5 m/km 時，無須考察溶解氧濃度指標。美國各州也對不同用途水體的溶解氧濃度制定了不同的標準。

c. 細菌標準。美國環保署(Environmental Protection Agency， EPA)建議各州對淡水用大腸桿菌活腸球菌指標，海水用腸球菌指標。在34個存在合流制溢流現象的州中，有12個州采用了1986年細菌環境水質標準。

1.3 現有指標總結

除上述已列指標外，不同國家對CSO事件間隔時間的劃分方式也存在差異性，間隔時間的劃分方式決定著溢流次數，相關CSO控制指標[11-18]見表1。

指標的選取應統籌考慮當地合流制區域規模、管網本底條件、區域調蓄能力、污水處理廠處理工藝規模及受納水體敏感程度及水環境容量，科學制定因地制宜的指標體系，通過灰綠結合的技術措施實現削峰和受納水體水質保障的雙重目標。

溢流頻次和溢流體積控制率與受納水體的銜接度不足，難以量化合流制排水系統對受納水體的影響。與上述兩個指標相比，CSO效率和稀釋度更能反映合流制管網的雨水流量占比及雨季運行情況。因CSO的污染物與懸浮固體一般存在相關性，故CSO的污染物排放濃度限值通常以SS或TSS作為代表污染物，此指標從一定程度上能夠反映水質情況，但依舊缺少與其他污染物相關性的量化論證。基于受納水體水質保障的指標主要考慮水體用途和生物舒適度，包括娛樂、垂釣、游泳的可接觸用途實現及水生生物的正常生存條件實現，此類作為目標導向的指標與基于技術的排放指標缺少量化關系。

表1 CSO控制指標一覽

1.4 系統性指標

1.4.1雨季CSO污染負荷占比

總體來說，現有的CSO控制指標是基于效果或基于目標導向，并不能很好地銜接產匯流和溢流。本文在此提出雨季CSO污染負荷占比的概念，雨季CSO污染負荷占比是雨季合流制區域產生溢流的徑流雨水(管網中)污染負荷與該區域產匯流的地表雨水徑流污染總負荷的百分比，用以表征徑流雨水對CSO的貢獻率及合流制管網中雨污水污染負荷的比率，典型污染物可選取SS、BOD、COD、TN、TP等。

(2)

式中：α為雨季CSO污染負荷占比，%；C1為合流制區域產生溢流的徑流雨水(管網中)污染物質量濃度，mg/L；V1為合流制區域產生溢流的徑流雨水(管網中)體積，L；C2為合流制區域地表雨水徑流污染物質量濃度，mg/L；V2為合流制區域地表雨水徑流雨水體積，L。該指標適用于因降雨產生的合流制溢流事件(場次值或年均值)。

1.4.2基于受納水體水質保障的指標體系

現階段，應監測雨季合流制區域排水分區、管網、排口及受納水體不同區段的水量、峰值流量及典型污染物濃度，量化源頭、管網、河(湖)水質水量的響應關系，分析污染物之間的相關性，確定適宜的排放指標和受納水體水質保障指標。另外，宜將黑臭水體特征指標的感官指標、水體生態流速指標及單位面積種群生物量指標等舒適度指標納入基于受納水體水質保障的指標體系，從而完善指標體系。

2 CSO控制標準確定依據

CSO控制標準制定依據主要分為類比分流制污染負荷確定CSO污染物排放限值、依據工程實踐效果制定CSO效果標準及依據水體用途對CSO制定不同控制水平的標準。

2.1 類比分流制污染負荷確定CSO污染物排放限值

制定區域CSO污染物排放限值時可假定該區域為分流制，概算出分流制情況下的污染物負荷量，將其轉化為濃度限值。日本針對水環境質量在《環境基本法》的基礎上制定了《水污染防治法》，強調在全國范圍內使用統一的水環境質量標準和排放標準[19]。2004年，日本對《水污染防治法》的執行令進行了修訂，建立了污水排放水質技術標準，標準針對旱季雨季兩種情形制定日本的CSO排放水質標準，旱季對溢流口和污水處理廠出水制定pH值、大腸菌群數、懸浮固體、BOD5、磷、氮的標準限值；雨季規定各CSO排口全年外排的污染物(以BOD5計)的平均質量濃度不高于40 mg/L，該考核限值是根據相同情況下分流制排水系統的水質情況確定的，相當于90%的累積出水水質數值。

2.2 依據工程實踐效果制定CSO效果標準

CSO控制標準可依據工程實踐效果制定，美國CSO效果標準的確定方法有推定法和實證法，推定法以效果標準代替基于水質的排放限值，實證法需通過建模證明水質達標[18]。美國各州多以推定法通過CSO項目實踐來制定CSO性能標準。實證法所需的數據較多，應用的規模較小，如美國紐約州奧爾巴尼海灘天然泳池，考慮到受納水體水質模型模擬結果，采用實證法來制定CSO控制計劃，達到《細菌水質標準》所衡量的監管合規性，研究結果顯示，細菌和漂浮物是表征水質標準情況的主要污染物。

實證法通常用于驗證基于推定法確定的標準限值合理性。田納西州要求納什維爾供水和下水道服務部證明CSO是否為水體溶解氧濃度低的原因。首先，田納西州、納什維爾供水和下水道服務部初步將年均溢流頻次定為8次；其次，利用推定法對年均溢流頻次8次的方案進行了重新評估，進而將限值設定為6次；之后，研究機構對納什維爾的坎伯蘭河上的奇特姆湖進行建模，通過實證法來驗證并預測各種CSO控制方案可能取得的水質水量控制效果，將每年的CSO削減效果與建設成本及改善水體水質的效益進行比較篩選；實證法利用模型，確定年均溢流頻次為2次、4次、8次、16次條件下引起的水質影響[20]，結合推定法確定最終的年均溢流頻次限值。

2.3 依據水體用途對CSO制定不同控制水平的標準

2.3.1按水體用途評估及分類

CSO控制標準制定應最終以受納水體水質達標為導向，不同用途的受納水體需要制定的限值標準也有差異，可針對水體用途(可接觸、瀕危物種生存等)進行評估。如美國的水質可達性分析(use attainability analysis， UAA)、歐洲的城市污染管理指南(urban pollution management， UPM)、加拿大的市政污水排放管理戰略(management of municipal wastewater effluent， MWWE)等。

UAA是對《清潔水法》規定的水體“可捕撈/可游泳”的可行性科學評估。綜合考慮水質限值和成本效益，用以評估及中止水體不科學用途的使用，分析結果納入州水質標準并提交EPA審核，以符合《清潔水法》和《瀕危物種法》。水體用途分為現有用途和指定用途，現有用途是水體的實際用途，無論其是否符合水質標準；指定用途是水質標準中規定的水體用途，無論此用途是否可使用，如印第安納州指定所有的水體用于人體可接觸的娛樂用途，而并非所有水體均已用于全身可接觸的娛樂項目。存在CSO的區域進行水體水質可達性分析用以確定受納水體用途是否受到損害及依據水體用途指定控制標準[21]。

UPM定義是在雨季對管網和污水處理系統的雨污水排放進行管理，以便具有成本效益的方式滿足受納水體的要求。UPM既涉及監管方面又涉及工具(降雨、管網系統、污水處理工程和受納水體的建模)。UPM提到臨時標準FIS，即在短期高濃度污染事件中保護河流水生生物的限值，限值采用溶解氧和非電離氨在不同重現期的濃度/持續時間閾值。鮭魚類水體營養鹽含量通常較低，CSO排放會對水環境產生更大的影響，UPM將受納水體按鮭魚類適宜生存水體、鯉魚類適宜生存水體、鯉魚類臨界生存水體3種不同類型分類限值。

加拿大的紐芬蘭和拉布拉多省基于MWWE戰略提出了《污水系統排水法規》(wastewater systems effluent regulations， WSER)，制定了CSO風險評估過程，包括:①監測計算在連續的12個月期間，合流制管網溢流流量與排口排放流量的比值(<10%、10%～25%、25%～50%或>50%)；②監測記錄在12個月期間的溢流次數(<5次、5～15次或>25次)；③CSO通過每個溢流點沉積到環境敏感區域(如500 m范圍內的貝類捕撈區、瀕危物種等)的位置。對3個項目的不同表現水平分三類或四類水平評分，得出CSO排口的風險評分，進而制定適用于各類風險水平的控制方案及標準。若市政當局無監測數據計算時，可根據設計流量估算溢流點和排放點的旱季平均流量的比值，根據降雨事件和CSO設計能力粗略估算溢流頻率。風險評估得分高的CSO排口應制定嚴格的控制標準[22]。

2.3.2按水體分類制定標準

美國CSO控制標準制定將國家公園、野生動物保護區等敏感水體作為高優先級考慮因素，綜合評估水體用途后進行標準制定，針對敏感水體的標準制定宜采用實證法。美國內布拉斯加州奧馬哈市制定密蘇里河的水質標準時考慮密蘇里河中的瀕危物種淺色鱘魚、藍鲇等的生存條件，在氨標準制定方面制定限值[23]。堪薩斯州制定標準時也充分考慮了確定的7種受威脅或瀕臨滅絕的水生物種[24]。

加拿大安大略省CSO控制政策從3個目標出發：①消除旱天溢流；②盡量減少CSO對水生生物和人類健康的影響；③在每年6月1日至9月30日的4個月內，受CSO影響的海灘至少95%的時間實現大腸桿菌的省級水質目標。相較于美國“所有CSO排口符合清潔水法案基于技術和水質要求”的控制目標，美國CSO控制政策基于“可捕撈/可游泳”的目標、安大略省的CSO政策更側重于海灘地區水體娛樂用途得以保障。而非海灘地區，CSO控制目標考慮排放指標，以90%溢流體積控制率為標準監管[16]。日本的公共用水域(河川、湖沼、海域)根據相應的水域類型(自來水、工業用水、農業用水、水產、環境保護等水體用途)制定試用的標準值[25]，提出針對河川、湖沼、海域的BOD、COD標準值；針對湖沼、內灣的氮磷限值；針對水生生物保護目標的化學物質和溶解氧限值。

總結上述歐美、日本、加拿大的CSO治理經驗及相關標準，美國各州多根據EPA推定法規定的溢流頻次4～6次、溢流體積控制率85%作為參考，結合本區域項目實踐效果提出各州的效果標準，少部分區域尺度和規模較小、易于建模的受納水體區域采用實證法對水質達標進行理論計算；日本合流制污染物去除標準按相同情況下分流制的水質情況設定；加拿大安大略省對海灘非海灘水體分類監管，敏感水體采用類似美國實證法的水質目標；歐洲國家特別是英國近年來將控制目標從排放指標到受納水體水質指標轉換，目前采用環境質量目標/環境質量標準(EQO/EQS)作為CSO的控制標準。

3 研究展望

CSO控制過程具有長期性、復雜性的特點，治理思路宜以規劃方案近遠期銜接、標準監管近遠期銜接、技術措施近遠期銜接為原則來制定。我國近期可暫以排放限值監管，遠期基于水體水質達標制定CSO控制標準中長期專項規劃，統籌考慮近遠期標準、技術措施的銜接，摸清本底、明確目標、系統治理，構建以受納水體水質達標為目標導向的CSO控制標準體系及治理技術路線。

3.1 摸清本底——合流制管網溢流成因監測分析及水體敏感度判斷

3.1.1溢流成因分析

合流制區域的溢流成因差異性較大，部分地區盲目的通過“合改分”、興建調蓄設施控制CSO，缺乏系統本底的監測及地區CSO的成因分析。制定CSO控制標準前，應充分監測合流制管網本底條件，評估管網是否存在地下水、施工降水等外水入滲的情況及底泥沉積物淤積過多導致管網實際運行水位偏低的情況，底泥中沉積物的存在會使CSO的各類污染物形成協同效應，沖擊水環境質量[26]。此類管網本底條件造成的CSO現象應本著“修復優先”的原則，協調排水管網養護公司對破損漏損的管網修復、對管網底部清淤，優先解決管網功能性、結構性缺陷，提高管網雨季運行流速、降低運行水位。

3.1.2受納水體敏感度判斷

基于水體功能屬性保護的目標，劃分不同水體、水體的不同區段的功能屬性，明確CSO排放區域受納水體的現有用途和潛在用途，綜合考慮排放水質限值和成本效益，實時更新水體用途類型，中止水體不科學的用途。

3.2 明確目標——以水體水質達標為目標導向制定CSO控制標準

3.2.1“源-廠-網-河(湖)”控制標準銜接

CSO控制系統是由多個子系統銜接構成的，包括源頭體積控制系統、截流管網系統、就地處理系統、調蓄系統、污水處理系統。目前在CSO控制的目標下，子系統標準相對獨立，銜接程度不足，缺少系統統籌規劃。應在子系統標準的基礎上，充分考慮系統間水量水質轉輸削減規律，編制CSO控制中長期規劃。在摸清系統本底的情況下，得到子系統的CSO控制效果，相同調蓄容積設計下的源頭綠色設施和灰色調蓄設施截流污染物負荷不同，應制定的CSO排放標準也不宜相同。

3.2.2應對水體分類制定CSO排放標準

通過調研發現，歐洲多采用基于受納水體水質保障的控制指標，并對不同類型受納水體制定不同的標準閾值監管。CSO標準的制定宜從基于技術的排放限值轉向基于受納水體水質達標的排放限值，針對不同本底情況的合流制區域、不同敏感程度的受納水體制定適宜的指標及限值。對娛樂、游泳、魚類養殖、水生生物保護區等不同用途水體分類制定標準。娛樂、游泳等可接觸水用途的水體可制定嚴格的季節性細菌水質標準；對于魚類養殖水域，考慮魚類生存所需的溶解氧和毒理化合物的限值要求；對湖泊、海灣等敏感脆弱水體應保障換水周期，制定更嚴格的氮、磷排放的地方標準，防止水體富營養化；對生態流速快，自凈能力強的河道型水體可適當放寬控制標準。

3.3 系統治理——構建“源-廠-網-河(湖)”全流程多系統綜合調控的CSO技術體系

針對多個子系統銜接的CSO控制系統，應推進以“河(湖)”水質達標為目標的“源-廠-網-河(湖)”全流程多系統綜合調控CSO技術體系。“源-網”協同實現源頭減量、徑流分擔，灰綠結合削減污染物負荷；“廠-網”一體化實現雨季合流污水實時調度、合理運營，提高污水處理廠雨季處理能力，改良雨季處理工藝，合理匹配污水處理廠和管網的轉輸和處理規模，避免污水直接排入水體的現象發生，進而實現全流程多系統銜接，綜合調控CSO，實現水體長治久清。