合流制溢流污染控制研究進展

葛樂樂 易瑩 周艷偉 王知兵 楊昌達 謝喬光

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣東廣州 510300）

0 引言

初期雨水是指降雨初期在地面形成10 mm～15 mm 厚地表徑流的降水［1］。降雨過程中，城市硬化下墊面使道路、屋頂的污染物通過地表徑流沖刷直接進入水體，大幅度增加水體中SS、COD 等污染物濃度，導致水體水質惡化，危害城市水生態平衡［2］。有研究表明［3］，初期雨水使得合流制污水中SS增加40%。

合流制管道匯集雨水、生活污水、工業廢水，雨天運輸水量超過管網納污能力便會出現溢流，溢流污水超過受納水體自凈能力，產生的黑臭水體嚴重影響城市生態環境。因此著力于合流制溢流（Combined Sewer Overflow，CSO）處理非常必要。

1 國內外研究進展

1.1 國外研究進展

美國有32 個州共895 處保留合流制排水體制。美國對CSO 的控制歷經早期發展階段、長期控制規劃發展初期及綠色發展階段［4］。在早期，美國聯邦政府尚未對CSO 控制提出明確目標［9］。20 世紀60 年代，美國國會通過《聯邦水污染控制法修正案》授權CSO 控制技術；70 年代，各州、地區參照清潔水法制訂地方性CSO 控制規劃及控制目標，同期國會通過《清潔水法》；1989 年美國環保局（EPA）發布CSO 控制對策；90 年代EPA 發布實施CSO 長期規劃控制指南和9 項基本控制措施、確定CSO 長期控制規劃，同期國會通過《清潔水法修正案》［5］，標志著美國對CSO 的控制進入新的發展時期；21 世紀初，EPA 發布《通過市政雨污水綜合規劃實現水質改善》，同期，綠色基礎設施（GI）與CSO 控制相結合進入美國CSO 控制體系；2011 年后，GI 理念和CSO 控制精密聯系在一起相繼被納入CSO 控制模板、綜合規劃等，開啟了美國CSO 控制的綠色發展階段［6］。作為美國發展較早的城市，費城年溢流體積達到0.6 億m3，對CSO 控制策略歷經早期發展階段、長期控制規劃發展初期，到2011 年，費城水務局確認實施包括以植樹造林、推行綠色屋頂、建造濕地為主的GI 控制策略將溢流總量的控制率達到85%，實現“綠城清水”的控制目標，對CSO 控制進入綠色發展階段［7］。

日本包括東京、大阪在內的195 座城市仍然保留合流制管道，服務人口超過全國的20%［8］。1982 年發布的《合流制溢流對策暫定指南》要求全年低強度降雨溢流產生的BOD5達到削減95%的目標；2003 年首次將CSO 處理加入《下水道法》并指出包括溢流排放口在內的各個排放口BOD5年排放平均濃度要低于40 mg/L，要求各個城市在20 a 內完成此規劃，2008年發布的《合流制排水系統緊急改善計劃編制指南》進一步明確了此目標，據統計到2017 年改善率達到了80%［9］。為了更好地實現污染治理目標，日本成立了財團法人下水道新技術推進機構，通過深入調研日本各地CSO 情況，對多種處理方法的去除效果、經濟效益等方面進行評估，選擇并推薦以篩分（格柵）、過濾、混凝沉淀、消毒為主的處理方法作為CSO 治理工藝。以過濾技術為主的CSO 控制在日本蓬勃發展，日本東京都芝浦水再生中心利用中空圓筒狀上浮濾料，建造2 列（8 池/列）的高速過濾池，雨天最高處理水量可達到420 000 m3/（d·列），有效消減60%以上的SS 和50%以上的BOD5，最大力度減少CSO 污染。

美國和日本在污染控制方面具有相同之處。首先，政府部門在CSO 污染控制中發揮主要作用，美國EPA 貫穿了CSO 污染控制的整個過程；日本國土交通省在CSO 治理的立法、出臺控制措施、明確控制目標等方面扮演重要角色。其次，美國、日本兩國通過分析“合改分”的難度、時間跨度等因素，均保留了大部分的合流制排水系統，通過綜合治理措施控制CSO 污染；而且，美國、日本都指出CSO 污染控制是1 項時間跨度大的工作，美國EPA 發布的CSO 長期規劃控制指南和9 項基本控制措施指南明確了CSO 控制是1 項長期且復雜的工作，日本《下水道法》明確要求各城市對CSO 污染控制需專項長期計劃，充分尊重CSO 污染控制的長期性和復雜性。兩國對CSO 污染控制也存在差異。美國地理面積廣、地形差異大、各地發展水平有所差異，獨立的國家層面的法律并不能在各地CSO 控制的實施中提供有效的支持和指導，基于此，包括EPA、市政部門、技術部門在內的人員成立咨詢委員會，旨在建立CSO 控制框架，由各地依據自身的條件制定適宜的策略并通過“推定法”和“實證法”確定CSO 控制目標；日本國土面積小、人口密度大、氣候條件差異小、各地發展相近，在國家層面的法律、技術規范、措施足夠以支持各地的CSO 控制并達到控制目標。

1.2 國內研究進展

據統計，我國現有的合流制管道占總排水管道的20%左右［10］。20 世紀90 年代，上海率先建立起合流制雨水調蓄池整治蘇州河黑臭水體［11］。《城鎮給水排水技術規范》（GB 50788—2012）首次規定對于合流制污水廠應有截留初期雨水的能力；《城鎮污水處理廠工程施工規范》（GB 51221—2017）給出了CSO 污染控制的調蓄設施相關計算方法、工程設計和施工驗收要點；2020 年昆明市市場監督管理局發布了《城鎮污水處理廠主要污染物排放限值》（DB 5301/T43—2020），首次提出了CSO 污染控制的E 級排放標準。

相比于發達國家，我國在CSO 污染控制方面研究起步晚，還沒有形成完善的技術體系。近些年來，生態環境作為我國快速發展中的“短板”被愈發重視，CSO 也逐漸受到國家的重視，這加速了CSO 污染控制研究進展，涌現出諸多技術方法。

2 控制方法

我國CSO 控制研究主要包括對溢流污染的源頭控制、調蓄、末端治理技術，以及管理手段等方面。

2.1 治理技術

（1）源頭控制。CSO 污染源頭控制可以采取以低影響開發技術（LID）為主的城市綠化、多孔材料等對雨水進行過濾以截留大部分污染物。綠色屋面通過屋頂綠化植物和土壤的過濾作用將污染物截留。張千千等［12］對12 場不同強度的降雨進行統計，分析測定綠色屋面與普通屋面徑流水水質，結果顯示綠色屋面對TSS、COD、BOD5等污染物的消減率分別為90.53%、36.48%、41.31%，利用下凹式綠地儲存雨水，減少徑流，并過濾一定的污染物。王娟等［13］研究表明土壤中的草絮狀根須能夠吸收降解雨水中的酚、氰等化合物，從而過濾有毒有害的雨水。田文龍［14］研究表明暴雨徑流初期，當水力負荷小于0.867 m3/（m2·d）時，出水可以滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類水質標準，當水力負荷較小時，對N 的去除率高于90%，同時通過截留SS 可以有效去除一部分COD。

海綿城市是指城市建筑和綠化像海綿一樣能吸收、儲存、凈化雨水，可以實現雨水徑流控制、面源污染控制，真正走向生態化和低碳化城市［15］。于磊等［16］研究了北京國家海綿城市試點區，構建區域排水數值模型，分析海綿城市對CSO 的控制效果，研究表明：海綿城市有效消減CSO，消減率超過20%，并能夠減少區域CSO 量及溢流次數。

（2）調蓄。合流污水調蓄池將降雨期間收集的初期雨水通過截流總管輸送至污水處理廠，從而減少初期雨水對受納水體的污染［17］。閻軼靖［18］采用城市綜合流域排水模型（InfoWorks ICM）構建八一大溝排水系統管網模型來研究在CSO 污染中調蓄池的作用，研究表明，降雨初期當地表徑流小于15 mm 時不出現溢流，當降雨量到達18 mm 時對溢流污染控制率可以達到93.2%，增加調蓄池單元結構可以在83%降雨中不發生溢流并能在87%降雨中有效截留一半以上的污染物。陳貽龍［19］采用城市雨污水排水系統模型（InfoWorks CS）建立了昆明市西片區排水管網的水力模型，分析了土堆泵站片區和鄭和路溝片區兩地設置調蓄池對CSO 污染的削減作用，研究表明在增加調蓄池之后對COD 的消減率不低于分流制對COD 的消減率。張平等［20］依據初期雨水對天津市河道水質的影響確定了設計規格為25 mm 降雨量時的合流制調蓄池，在先鋒河服務范圍內設計了有效容積為10 萬m3的合流制調蓄池，能夠有效截留78%年平均徑流量、消減90%的溢流污染物。

（3）末端處理。將調蓄池收集和截留的雨污經污水處理廠處理后排放。徐文征［21］選用A/A/O 污水處理工藝，以上海市初期雨水為研究對象，通過活性污泥2 號模型（ASM2）模擬污水處理廠對雨污的處理，模擬結果表明在雨季、旱季條件下均能有效降低雨污污染物量，對COD、BOD5、SS 去除率均在80%以上。廣東省竹料污水處理廠［22］采用細格柵、沉砂池、高效沉淀池組合設計6 萬m3/d 的雨水處理設施，初期雨水通過格柵和沉砂池進入高效沉淀池，雨水當中的懸浮物等在高效沉淀池絮凝區絮凝成較易沉降的顆粒物，隨后在沉降區沉降，處理后的雨水水質：COD≤120 mg/L，去除率達到52%；BOD5≤60 mg/L，去除率為57%；SS≤50 mg/L，去除率為72%。

2.2 管理措施

對CSO 有效地控制，離不開包括管理體系機制和政策法規在內的管理措施的支持。自2012 年，我國相繼發布了包括《城鎮給水排水技術規范》在內的一系列技術規范，都相應地對CSO 污染控制提出相應的指導性措施；2015 年 《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”）發布，作為黑臭水體的重要成因——CSO 污染也迅速引起國家重視；國家“十三五”規劃中提出以截留、調蓄方法控制CSO 污染；“十四五”規劃對水污染防治、污水處理進一步深化，雨季溢流污染控制問題進一步得到重視。這些技術規范都促進了CSO 控制的發展進程，為CSO控制的發展提供保障，但是我國對CSO 控制起步較晚，缺少相應的研究規劃和具有指導性的法律政策，自上而下還未形成完備的管理體系。

3 結論與建議

（1）完善相應法律政策。縱觀美國、日本CSO 污染的治理，在CSO 控制的不同階段都有相應的政策文件為指導、以相應的法律法規為支撐。我國應當提出并不斷完善針對CSO 污染治理的法律規范、研究有效的指導文件，為CSO 溢流控制提供依靠和技術支撐。

（2）我國幅員遼闊，各地氣候、地理情況、經濟發展、人口密度及城市化水平等都存在差異，各地的CSO 污染情況也具有各自的特點，所以在治理CSO 污染時應充分考慮各個地區的差異，合理選用治理手段，構建科學的排放限值計算方法。

（3）搭建完備的管控體系。有效的控制CSO 污染需要法律的支持、適宜的排放標準、實時檢測反饋。以法律為依靠，將CSO 污染的控制貫徹于全國水環境保護的整體進程；因地制宜，制訂適宜的排放標準，將CSO 納入排放許可體系；通過實時在線監測反饋掌握各地CSO 污染控制是否達標。

（4）綠色可持續發展是社會發展的總趨勢。在污染治理時，將LID 和CSO 控制相結合，綜合應用海綿城市、綠色濕地的理念，以高效、綠色的手段有效控制CSO 污染。