控制合流制溢流治理水體黑臭的技術探討

何雨豪，宋玉亮，張百德，張真真，張志斌，邢麗貞

(1.山東建筑大學 市政與環境工程學院，山東 濟南 250101；2.濰坊市市政工程設計研究院有限公司，山東 濰坊 261000)

外源污染和內源污染的交互作用加劇了水體黑臭程度，而CSOs(Combined sewer overflows，CSOs)中含有大量有機物、氮、磷、重金屬等，是常見的外源污染。在我國，雖然一些新建城市或新建城區排水系統都采用了分流制，但仍有相當一部分城市的老城區采用的是合流制排水系統，暴雨時CSOs會對河流造成較嚴重的污染，因此，解決老城區合流制污水溢流問題是防治城市水體黑臭的重要措施之一。

1 CSOs與水體污染

上世紀九十年代Balmforth D J等[1]就認識到合流制溢流是英國城市河流污染的主要原因之一。盡管水體有一定的自凈作用，但CSOs如果不加處理直接排入水體，對水體的污染在短時間內很難消除。

1.1 CSOs與排水體制

排水系統雨污分流制在源頭上杜絕了雨季混合污水進入水體，可對水體起到根本的保護作用。根據劉翠云等[2]對北京城區進行的研究，在采用分流制的新城區等環境管理良好的地區基本不會出現城市水體出現黑臭的情況。一些老城區，由于管網改造的難度大，仍然保留了雨污合流管網，這些管網以截留式合流制排水系統居多。旱季，污水通過管網進入污水處理廠進行處理，而雨季，當暴雨徑流量較大時，管道過流量超過管道最大設計流量，CSOs會對當地水體質量造成明顯的沖擊。一般情況下，上游或者毗鄰老城區的合流制污水溢流也是造成一些新城區周邊水體黑臭的重要原因。陳邵軍等運用數學模型對沈陽北部合流制排水系統進行模擬，結果顯示：一場歷時2 h的小到中雨(降雨量5.1～18.0 mm/6 h)，可使管網中的混合污水流量增加率最高達到125%；而發生一場歷時2.5 h的中到大雨(降雨量18.1～38.0 mm/6 h)，管網中混合污水量增加率最大值將超過230%[3]。

1.2 CSOs水質

合流制污水溢流的污染物主要來源于旱流污水、管道沉積物和地表徑流等。陳紹軍等[3]通過對沈陽的暴雨徑流的研究，發現CSOs的污染程度在降雨歷時1～2 h內，隨時間延長COD、SS等會有所增加，而氨氮有所降低。葉婉露等[4]對華北某地CSOs中的污染物進行分析后發現，根據雨量不同污染物濃度有所變化，COD濃度在25～1 630 mg/L，氨氮濃度在1.07～24.60 mg/L，TP濃度在0.21～5.72 mg/L。張偉等對某地溢流至護城河的初期雨水進行研究，發現暴雨重現期越大，CSOs對河流的污染程度就越重。當為P=1 a時，CSOs中的COD、NH4-N、TP和TSS分別達到145.60,1.52,0.09,275.90 mg/L；當重現期為20 a時，CSOs中的COD、NH4-N、TP和TSS可達263.3,2.43,0.14,499.7 mg/L[5]。

2 控制合流制污水溢流的技術措施

對CSOs的控制可以分別從源頭治理、過程治理和末端治理進行。

2.1 源頭治理

源頭治理是從減少進入管網和水體的雨水量和污染物總量入手。

2.1.1 雨污分流 根據劉翠云等[2]對北京城區合流制和分流制兩種排水系統的對照研究發現，城中雨污分流制排水系統的污染負荷遠低于合流制排水系統的污染負荷。李青云等[6]對北京采用不同排水體制的兩個村鎮開展研究，也得出在面源污染控制方面雨污分流制更優于合流制的結論。將合流制排水系統改造成分流制排水系統是控制CSOs污染的有效措施，對有條件的地區應盡可能把合流制排水系統逐步改造成分流制排水系統。

2.1.2 海綿工程措施 海綿城市建設是通過低影響開發技術實現的，在老城區排水系統改造和黑臭水體治理方面有明顯優勢。傳統開發會斬斷雨水的自然循環路線，在減少下滲的同時增加了雨水徑流量。低影響開發(LID)則是通過海綿工程措施達到雨水收集、高效滲透、地下凈化和回收利用的目的?？梢燥@著減少CSOs的主要技術措施有雨水花園、雨水塘、下沉式綠地、植草溝、綠色屋頂等，這些工程措施都可以結合景觀效果進行建設。

(1)雨水花園

雨水花園是常見的生物滯留設施，通過在低洼區域種植樹木或地被植物，可以于存儲雨水的同時，顯著減少暴雨徑流，且入滲性能穩定，對水質也能起到一定的凈化作用。日本京都的兩個雨水花園在運行期內對于暴雨徑流的平均削減率都在60%以上[7]，美國圣路易斯市的一個雨水花園可減少76%的雨水徑流量[8]，俄亥俄州辛那提的一個雨水花園能截留50%的雨水徑流，并在當地90%的降雨事件中完全控制住了溢流情況的發生[9]，而位于西安某高校內的雨水花園對于暴雨徑流的總削減率最高達到了99.0%[10]。根據Hunt W F等[11]的研究，雨水花園對于氮的去除率都能達到75%，對于鋅、銅和鉛的去除率分別能達到98%,99%,81%。

(2)雨水塘

雨水塘可分為干塘、延時滯留塘和濕塘。干塘在旱季是干的，用來臨時調蓄雨水徑流，控制洪峰流量，并有一定的水質凈化功能；延時滯留塘時干時濕，有雨時可暫時調蓄雨水徑流，雨后再逐漸將積水排泄出去；濕塘是一種永久性水池，調節雨水徑流的能力差，常用于水質控制。隨著研究的進一步深入，多級出水口被證明能夠更大程度地提升雨水塘的調蓄能力和削減洪峰的能力[12]。設計合理的具有多級出水口的雨水塘，隨著塘中水位的變化，可兼具削減出流峰值、控制徑流總量、凈化水質等多重功能[13]。

(3)下沉式綠地

下沉式綠地也是一種生物滯留設施，滲水蓄水能力較強，可建于小區、綠地、道路和廣場內。其高程一般低于周邊地平100～200 mm，下凹深度可視植物特性和土壤滲透性能而定。

葉水根等[14]對下沉式綠地對雨水的截留效果進行了計算和分析，結果表明：在1倍匯水面積的情況下，對于10,50和100年一遇的暴雨雨量的削減率分別為87.15%，58.48%和50.75%。

根據劉志勇等[15]的研究，小區地下空間頂板的淺層綠地對雨水中污染物的凈化作用主要依靠種植基質層，對COD、TN、TP的去除率分別在54.5%～60.3%,48.5%～61.0%和6.3%～54.0%之間。由于雨水在綠地中的水力停留時間很短，植物對污染物的削減量并不明顯。

(4)植草溝

(5)綠色屋頂

綠色屋頂(EGR)是對建筑屋面進行適當改造而成，由下往上一般由100 mm礫石排水層、100 mm砂濾層、土工布層以及100 mm砂土層組成[19]，再在上面因地制宜種植各種植物，可對雨水徑流起到一定的截留作用。

綠色屋頂對雨水徑流的截留效率受到植物、建筑密集程度、屋頂坡度等的影響。根據XiaoXiao Li等[20]對一些常見植物的研究，植物對綠色屋頂截留雨水徑流的貢獻至少在36.5%以上。在建筑密集程度較低的重慶大學虎溪校區，屋面全部綠化后的綠色屋頂對峰值降雨徑流可降低5.3%，對降雨徑流總量可降低31%; 對總懸浮物( TSS) 、總磷、總氮的污染負荷分別降低 40.0%,31.6%,29.8%[21]。廣州建造的大面積綠色屋頂，雖然綠色屋頂只占總建筑面積的37.25%，但是暴雨徑流總截留效率可達23.29%～28.44%[22]。Kristin L Getter等[23]對單一屋頂進行研究，在坡降2%～25%的屋面栽種相同的植物，對雨水徑流的平均截留效率為80.8%。

2.2 過程治理

過程控制是通過管網改造、對管道進行清淤等措施降低CSOs總量或污染物濃度。

2.2.1 管網改造 對于合流制排水系統，地面徑流的雨水最終通過管網流入污水處理廠或溢流至水體。暴雨時，污水處理廠處理能力有限，截留干管截留倍數n0偏小，則會導致超量的CSOs進入水體，因此通過工程措施增大管徑提高下游干管截留倍數是控制CSOs的一個有效手段。然而，如果一味增大n0，對環境污染的改善程度會逐步減緩，而建設成本卻成倍增加，因此存在一個以單位投資環境效益最大為目標的最佳截留倍數。張超等[24]運用SWMM模型對巢湖市環城河以內老城區進行研究得出其最佳截流倍數為4.0，當n0=4時，截流式合流制系統全年溢入環城河的污染物總量已小于分流制雨水管道直接排入環城河的污染物量，達到了合流制排水系統分流化的效果。

2.2.2 管道清淤 老城區的管道如果年久失修，極易造成管道淤積或堵塞，旱流時的沉積物就會在雨季被暴增的雨水沖刷起來，混入合流污水中，增加污水處理廠的負荷，大雨時更會加重對水體的污染。有研究表明CSOs的污染物中20%～80%的SS、VSS、COD和BOD5來自管道內淤積的物質[25]。同時管道淤積會減少過水斷面，從而使溢流情況加重對水體造成更嚴重的污染。對于疏于管理的管網系統，定時清淤是緩解CSOs污染水體的有效措施，也是必行之策。

2.3 末端處理

合流制排水系統中，雨天超量的混合污水會通過溢流井溢流至水體。末端控制就是從盡可能避免CSOs直接排入水體入手，對現有溢流出水口進行改造，設置 CSOs調蓄池或凈化設施對CSOs進行存儲或凈化，達到對CSOs污染的有效控制。

2.3.1 溢流口改造 Balmforth D J研究發現，合理的溢流口結構設計能夠有效地分離懸浮污染物[1]。需要改造的溢流口大多是小型且分布較為密集的類型。對于溢流口多的地區應當進行整合，封閉不必要的溢流口，將能整合到一起的溢流口建造為大尺寸溢流口進行統一管理。哈爾濱市馬家溝城區段進行的溢流口改造工程，就是通過整合區段內的溢流口，極大地改善了區段內的合流制污水溢流情況[26]。鞍山市也通過合并和改造溢流口，同時配合調蓄池及處理設施的建設，減少了CSOs對運糧河的污染。

2.3.2 調蓄設施 當截留干管管徑或污水處理廠容量有限時，在溢流口建設調蓄設施或就地進行處理是減少CSOs污染的有效措施。

調蓄池是最早運用于CSOs治理的技術，其作用是收集污染程度較高的初期降雨或者當管網容量以及污水處理廠處理能力不足時暫時貯存溢流水量，等雨后再將污水排入污水處理廠或者就地進行處理。上海在蘇州河沿岸建造了5座調蓄池來解決因CSOs導致的蘇州河水體黑臭問題，這些調蓄池在汛期對雨洪水量削減率可達到75.4%，全年削減率可達78.8%；汛期對CSOs的COD削減率可達90.8%，全年削減率可達92.3%[27]。為應對合流制污水溢流，天津市在先鋒河和新開河修建了2座調蓄池，可有效控制全年徑總量的78%，對CSOs污染物削減率約為90%[28]。

2.3.3 凈化設施 末端處理設施基本都是在一定的時間內處理調蓄池中的污水或直接收集和處理CSOs，再將處理水排入水體，以達到減輕污水處理廠處理負荷的目的。

(1)常見凈化設施

常見凈化設備有旋流分離器、絮凝沉淀池及一些組合工藝等。

旋流器分離技術在對CSOs的處理中頗具優勢。流體動力旋流分離器起源于1960年，由Bernard Smisson發明并首次用于治理CSOs，可截留70%的污染物總量[29]。對鎮江水體環境進行治理時應用了水力旋流器，對SS的去除率為75%，對COD的去除率在40.3%以上，對TP的去除率在15%以上[30]。旋流分離器也經常與其他工藝組合運用，如黃勇強等[31]報道的旋流分離器、雙向旋流絮凝設備和高效吸附凈化床組合工藝，可以使COD、SS、氨氮和TP 的平均去除率分別達到72.1%,90.3%,75.1%和53.2%。

磁絮凝沉淀池對于CSOs的處理效果明顯，從而受到了極大關注。磁絮凝沉淀池與傳統高效絮凝沉淀池的相比，占地面積小、沉降速度快、處理效果好，對于CSOs中的SS、TP、COD的去除率都能達到90%以上[32]。

(2)人工濕地

人工濕地具有較強的凈化和收集降雨徑流的能力，通常結合地形和景觀設計采用，可在凈化污水的同時，達到一定的景觀效果。余佳潔[33]對某地人工濕地3年的運行數據進行分析，得出人工濕地對BOD5的去除率在50%～90%之間，對CODcr的去除率接近82%，對SS的去除率在84.3%以上。建造于北卡羅來納海岸平原的雨水濕地可分別減少80%的峰值流量和54%的徑流量，以及36%的TN負荷、37%的TP負荷和49%的TSS負荷[34]。重慶的棕櫚泉人工濕地是較典型的處理城市住宅區暴雨徑流的復合型人工濕地，系統由水平潛流人工濕地(HSSF)與垂直潛流人工濕地(SWF)組合而成，在無沖擊負荷的條件下運行時，對COD、SS、TN的去除率均在80%以上[35]。

3 結論

(1)減少CSOs排放量，降低其有機物、氮、磷、重金屬等含量，對解決城市水體黑臭有著重要意義，宜將源頭治理、過程治理和末端治理相結合，系統性地對目標區域的CSOs進行控制。

(2)受技術經濟的局限，在沒有條件對合流制排水系統徹底改造為分流制的區域，應從治理效果、城市用地情況、經濟效益、河流環境容量等方面進行權衡，有選擇性地采取合理的技術措施，減少CSOs對水體的污染。

(3)治理黑臭水體和控制CSOs的過程中，應考慮將工程設施如各類海綿工程措施、調蓄池、人工濕地等向宜人、可持續發展和環境友好型方向打造。