合流制溢流污染控制技術研究

董利鵬，王芳芳，王曉玲

（1.寧夏公路勘察設計院有限責任公司，寧夏 銀川 750001；2.寧夏交通投資集團有限公司，寧夏 銀川 750011；3.吉林建筑大學市政與環境工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

近年來，隨著居民環保意識的提高和國家對水環境治理的不斷投入，分流制改造、黑臭水體治理等措施使城鎮水生態環境質量得到了大幅的提高，城市排水管網不斷完善，污水收集處理率持續提升，城市黑臭水體逐漸消除。但部分城市區域由于道路斷面、經濟制約等因素短期內難以實現分流制改造，雨季（汛期） 污染即合流制管網產生的溢流污染已成為城市水生態環境質量進一步提升的瓶頸。旱季“藏污納垢”、雨季“零存整取”的合流制管網溢流所形成的城市面源污染，已成為城市水體污染的重要問題之一。溢流污染將對城市水環境造成巨大沖擊，排入城市水體的污染負荷超過水環境容量時，水環境質量將會下降甚至再次形成黑臭水體。眾多學者對合流制溢流污染的特點及危害進行了深入的研究，并提出相應的技術路線和治理措施。

1 合流制溢流污染的特征

1.1 合流制排水系統污水溢流的概念

分流制排水系統和合流制排水系統是城市排水體制的2 種基本形式，分流制排水系統是將雨水和污水分別采用獨立的雨水管道、污水管道收集和輸送的城市排水系統，而合流制則是將雨水和污水合用一個排水管網進行收集和輸送的排水系統。合流制排水系統管道數量少，建設費用低，因此在我國早期建設的城市中多數為合流制排水系統。隨著我國經濟的發展和居民環保意識的提升，傳統的合流制排水系統已逐步改造為分流制排水系統或截流式合流制排水系統。

截流式合流制排水系統是在原有合流制排水系統的下游新建截留干管和溢流井，旱季污水截留至截留干管并最終輸送至污水處理廠進行處理，雨季超過截留能力的混合污水通過溢流井排至周邊水體。這種超過截留能力產生的溢流現象即為合流制排水系統污水溢流。

1.2 水質特性

根據國內外研究顯示，溢流的混合污水具有高污染性，溢流的混合污水中污染物產生方式主要有生活污水排放、雨水徑流沖刷地表沉積物以及旱季時管道沉積物被沖刷帶起等多種渠道，因污染物產生途徑較多，所含污染物種類也復雜多樣，有機污染物、懸浮固體、氮、磷、重金屬等無機物以及細菌、病毒等微生物含量高于地表水甚至高于城市生活污水排放標準，溢流污水一旦無序排放，將給城市水體環境帶來嚴重污染。

由于溢流現象僅在雨季時產生，溢流的混合污水又具有非連續性，相應的污水處理設施建造因經濟性較差而更難實施。

同時，溢流的混合污水水質隨著降雨的進行呈現出先升后降的規律，國內外相關研究研究結論揭示：降雨初期，雨水地表徑流沖刷地表污染物以及合流系統內的沉積物，污染物濃度較高，隨著降雨的進行，沖刷所產生的污染物逐漸減少，大量水質優良的雨水與污水混合排放，污染物平均含量低于原有混合污水。因此，溢流污染治理的措施要充分考慮非連續性、時序性的影響。

1.3 環境影響

合流制溢流污水中的污染物由于來源廣、濃度高、種類多。其對城市環境的影響嚴重且深遠。

合流制溢流污水中高濃度的有機污染物在降解時需要大量消耗河湖中的溶解氧，當超過水體的富氧能力時便會造成水體缺氧，影響水生動植物的正常生存，進而影響水生態，甚至形成黑臭水體。合流制溢流污水中高濃度的氮、磷等污染物，是城市水體中形成水華的元兇之一。

同時，合流制溢流污水中的難降解有機污染物、重金屬等，被水生動植物攝入后再被高等級的動物捕食，會逐漸造成污染物的富集，最終通過食物影響人類的健康。

臨水而居，把水納入居住空間，是城市生態景觀的重要內容，過量的合流制溢流污水進入城市水體后，依靠水體自凈能力已不能滿足要求，將會產生色度增加、濁度升高、臭味增加的現象，當污染物積累到一定程度時便會成為黑臭水體，不僅會給人帶來不適的感官體驗，也會影響城市的生態功能，削弱城市活力，影響城市的綜合發展。

2 溢流污染控制技術路線

根據國內外典型城市的合流制溢流污染控制實踐來看，溢流污染控制主要通過以下3 種技術路線結合實現：源頭削減、過程控制、末端治理。

2.1 源頭削減

雨季時，超過截留干管截留能力的過量雨水匯入合流制管渠中以及雨水沖刷地表和管道是造成溢流的兩大直接原因。源頭控制即從減水量和提水質兩方面入手，通過下沉式綠地、植草溝等措施下滲吸收部門雨水量以減少進入管網的水量，通過綠化植物、透水鋪裝、生物滯留措施等過濾截留措施減少雨水徑流沖刷帶入的污染物，從而實現從源頭減少溢流污染總量的目的。

2.1.1 綠色屋頂

綠色屋頂能夠通過植物、過濾層等攔截過濾晴天時降落的懸浮物、灰塵、顆粒有機物等污染物，減少雨水徑流中攜帶的污染物，可有效的控住城市面源污染，是海綿城市建設的重要措施之一，章孫遜等試驗結果揭示，植被可提高綠色屋頂徑流削減率和有效降低徑流中NO3-N 的濃度。同時，綠色屋頂在不增加占地的情況下還能發揮降噪、降低城市熱島效應的優點，應用前景廣泛。

2.1.2 下凹式綠地

下凹式綠地能夠通過其下凹的結構暫存和下滲雨水，又稱雨水花園，是海綿城市建設的重要措施之一。

其具備的調節容積可以削減雨水徑流的洪峰流量，本身所具有的植物能夠對徑流雨水的污染物進行去除，同時，下滲的雨水可補充地下水。

2.2 過程控制

除分流制改造外，過程控制通常通過以下兩種途徑實現：

2.2.1 提高系統的截留倍數

截流制合流制排水系統中，截留干管截留的雨水量通常按旱流流量的指定倍數計算，該制定倍數被稱之為截流倍數。超過截留倍數的雨水量，將通過溢流井溢流至下游水體，即合流制溢流量計算式如下：

式中：Qy為合流制溢流量；n0為截留倍數；Qs為雨水設計流量；Qdr為旱季設計污水量。

從上式可以看出，截留倍數越大，則合流制溢流量越小，造成的環境污染越小。但同時截留干管的管徑相應增大，與之配套的污水處理處理規模也相應提升，鑒于溢流的混合污水的非連續性，過大的截流倍數將造成處理能力的浪費和經濟性的下降，因此，在選擇截留倍數時需結合環境要求和工程經濟性綜合衡量后確定。

2.2.2 調蓄池

調蓄池作為一種水收集措施，在控制分流制初期雨水和合流制溢流污染等方面應用較為普遍。其基本工作原理是降雨時利用自身較大的容積暫存初期雨水或超過溢流能力的混合污水，在雨量減小或停止時，再將所儲存的污染較為嚴重的混合污水通過管網輸送至污水處理廠進行處理，其效果相當于增大系統的截流倍數，從而實現提高水質的目的。有資料表明，興建調蓄池后，排水城市水體的污染物削減量可達50%。

但受限于自身容積的限制，當降雨量大于設計能力時，仍有部分混合污水溢流至下游水體，如何確定調蓄池的容積參數需經過模型模擬或統計計算等方法確定。

2.3 末端治理措施

通過對源頭治理措施和過程控制措施的分析可知，在降雨量較大的時候均存在混合污水溢流污染的風險。

因此，采用經濟合理的末端治理措施也是減少污染的重要手段之一，其中旋流分離器、末端人工濕地的應用較為典型。

2.3.1 旋流分離器

旋流分離器在離心力的作用下，通過旋流分離技術，利用混合污水中固液兩相的密度差來實現固液分離從而減少混合污水中的污染物。高速的混合污水通過旋流分離器上端進入，在旋流分離器特定的結構旋轉下降，混合污水中的固相和液相由于受到不同的離心力而產生相分離，并通過下端不同的排出口排出，實現污染物的去除。有研究表明，溢流的混合污水通過旋流分離器后，特定粒徑的顆粒物的去除率可達60%。同時旋流分離器還具有結構緊湊占地面積小、污染物處理效率高、操作維修技術要求低等優點，國外應用較多，國內工程實踐則剛處于起步階段。

2.3.2 人工濕地

人工濕地通過人為干預建設而成，并通過控制其運行參數形成類似于天然沼澤地的新型污水處理系統。

設計建造中通常采用不同植物的搭配并進行適當的地形塑造而形成城市景觀與污水處理設施為一體的生態處理設施。其主要工作機理是效仿它根據自然濕地生態系統，綜合物理、化學、生物等多重效能實現污染物的去除。通常的結構形式為人工基質、水生植物等。經過一定時間的培養馴化，便會產生適合于污水處理的微生物菌群并形成生物膜附著與人工基質（通常選用比表面積較高的填料） 空隙以及水生植物根部。污染物隨水流流動時。

污染物經過人工基質的截留以及生物膜的代謝逐漸去除，氮磷等污染物還可以通過植物根部的吸收作為植物生長的營養元素，最終以植物收割的方式去除。

LENHART H A 等的研究表明，人工濕地能夠削減徑流總量和峰值流量可達54%和80%。對總氮、總磷、總懸浮固體的處理效率可達36%、37%、49%。

肖海文等對水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地組合工藝的處理效果進行了研究，處理典型城市溢流污水時，經過人工濕地系統凈化后的有機物、懸浮固體、總氮等溢流污染物濃度降為進水污染物濃度的20%以下。

2.4 其他措施

非工程措施是通過國家政策干預、法律法規要求、頂層規劃設計以及管理措施強化等措施來提升改善合流制溢流污水的管理水平、降低溢流污染的影響。

2.4.1 完善相關法律法規及標準

完善相關法律法規及標準，因地制宜的出臺合流制溢流污水排放管理辦法，制定適合當地環境容量和經濟狀況的排放標準，建立完善的合流制溢流污水排放水質監測體系，研究有利于可持續發展的合流制溢流污水治理規劃，將合流制溢流污水排放治理成果納入各級行政主管部門的考核體系。

2.4.2 強化日常管理

強化日常管理，如增加合流制區域的道路清掃，減少因雨水徑流沖刷地表沉積物而帶來的面源污染，從源頭減少污染物的總量；強化沿線居民、企業、商戶的管理力度，嚴禁向管網中傾倒各類垃圾、未達到納管標準的高濃度廢水、油污等污染物；增加對管網的的清淤工作，在雨季來臨之前，對合流制管網的雨水口、主、支管線進行清淤，減少管道沉積物被沖刷帶起的污染物等。

2.4.3 積極探索治理新模式

城市的水環境是一個系統工程，傳統的治理以“點”或者“面”來推進，沒有從全局的角度、以系統的思維來綜合考慮，頭疼醫頭腳疼醫腳，投資大且效果不理想。

近年來，“廠網河一體化”綜合治理模式逐漸興起，從“水資源、水生態、水環境、水災害”等方面綜合考慮，實現治理溢流污水、完善內澇排水、補充城市再生水等多重目的。

3 結語

通過“十三五”期間城市黑臭水體治理的攻堅戰后，合流制溢流污染已經成為影響城市水生態環境質量的主要污染源之一。

生態環境部等國家部位也多次發文加大對合流制溢流污染的治理力度，國內高校研究機構等專家學者也進行了深入的研究，提出了相應的系統的治理理論，但由于治理時間短、工程實踐案例較少，各地情況復雜多變，因此，理論聯系實際并探索適合當地實際情況的治理方法仍將是水務工作者未來工作的重點。

同時，除了采取以上工程措施外，水務環保工作者及有關部門應注重完善管理體制及政策法規，增加公共教育提升公眾環保意識，加強環境清理等非工程性的措施，積極探索治理新模式，多措并舉減少合流制溢流污染。