合流制污水溢流治理技术综述

邢丽贞，王恩革，常青霞

(山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

随着我国城市化进程的加快，城区的大规模扩展，道路、广场、停车场、房屋等不透水面积的大幅增加，引起雨水自然下渗量减少，径流系数增大。我国大部分农村地区和城镇老城区由于采用雨污合流制排水系统及部分地区的排水管网不健全，雨季经常出现污水溢流现象。合流制排水管网系统在降暴雨时，由于大量雨水流入，流量超过污水收集系统设计能力时以溢流方式直接排入城市水体，称作合流制排水系统污水溢流(combined sewer overflows，CSOs)。在城市点源污染被逐步控制后，城市CSOs作为典型的非点源污染已经成为世界城市水环境污染、生态系统失衡的重要原因，排入天然水体的污染物质严重影响了水体功能的恢复，因此治理CSOs对改善水环境具有重要意义[1－3]。

1 CSOs的性质

CSOs收集了生活污水、工业废水、雨水，以及晴天时形成的腐烂的管道底泥和雨水对大气和地表冲刷所带来的污染物。污染物的量根据各种水量比例的不同而不同，主要包括:悬浮固体(SS)、耗氧物质(COD)、重金属物质、富营养化物质(N、P)、致病细菌、病毒、有毒有机物和腐殖质等。溢流污水不同于一般的生活污水，一般溶解性的COD、SS浓度相对较高，水质变化大，时间、地点、雨量大小和强度的变化都会导致溢流污水的水质发生变化，水质随降雨历时呈现一定的规律，尤其在降雨初期存在着初期效应，径流所含污染物较多[4，5]。表 1为不同城市和地区 CSOs[6－11]的水质情况。

上述实测数据表明，合流制管道溢流主要污染物的浓度变化范围很大，其中一些地区的一些时段COD和SS均值远远高于典型城市生活污水。由此可见，CSOs是城市水体污染的不可忽视因素。

表1 不同城市的CSOs值 mg/L

2 CSOs污染控制技术

由于溢流污染的特殊性和复杂性，各国在对其治理的态度及其治理措施上存在一定的差别，美国、德国等国对CSOs控制研究较早，已经制定了指导各自国家CSOs污染控制的技术设计规范和标准[12，13]，并应用于实际，主要的处理方式有:

(1)分流制管道系统

分流制系统可以使废水实现雨污分离，从根本上消除CSOs的产生。但是对于一般已建成的大中城市是很难实现的，需要改建所有的接户管，建造两个管道系统，要将各种污水严格分流，而且需要足够的路面宽度来支持分流制管道的敷设，破坏大量路面，改建工作量极大，不仅耗时耗力，而且极不经济。

瑞典在八十年代初就放弃了市政管网雨污分流的思想。由于合流制改造为分流制影响范围大、耗时长、耗资大，故把重点放到源头污染源控制，消减径流量和其他雨水径流污染控制的措施上[14]。

(2)截流式合流制系统

沿受纳水体在直排合流管出口处设置截流溢流井并敷设截留干管。晴天时，将生活污水、工业废水全部截留经截留干管排往下游污水处理厂进行处理，雨天时，初期雨水与污水一起流入污水厂处理，随着雨量的增加，当混合物水量超过截留干管截留的能力时部分混合污水经溢流井流入水体。截流倍数n0为开始溢流时所截留的雨水量与旱流污水量之比。n0提高，则被截流雨水量增大，CSOs量减小，当n0提高到足够大时，所有雨污混合废水都被截流至污水处理厂，CSOs排入水体的量为零。但n0的提高意味着城市污水厂的处理能力要同时提高以满足大流量污水的处理，因此工程费用也就相应增加。所以n0的设计应根据CSOs污染控制要求以及经济能力作出适当的选择。

张怀宇等[15]对广州市合流制排水系统截流倍数的研究中指出，随着截流倍数的提高，污水系统截流倍数达到2～4时其排水系统的年溢流污染物总量与分流制相当。王敬东等[16]对辽宁省恒仁县污水截流工程的研究，发现:当截流倍数小于等于1.5时，污水溢流次数较多，溢流所造成的浑江水水质不能满足地面水三级标准，只有当截流倍数大于2时，溢流污水对浑江水体的影响较轻。我国在设计规范中规定的n0为1～5，实际工程中为节省投资一般采用0.5～1.0，选用n0值偏小，使得CSOs水量偏大。表2为国内外常采用的截流倍 数[17，18]。

表2 各国合流污水系统常用的截流倍数

(3)溢流调蓄池

合流制排水系统的溢流调蓄池(the retention basins with overflow，RBO)或称合流污水调蓄池(combined sewage detention tank，CSDT)工作原理如图1所示。调蓄池在降雨期间收集部分初期雨水，将收集的雨水缓慢地输送至截流总管，最终进入污水处理厂，从而减少初期雨水对受纳水体的污染[19]。调蓄池是提高系统排水能力的一项有效措施，可以降低下游合流制干管、泵站的设计容量，提高合流制系统的截流倍数，减小CSOs的污染。由于调蓄池的容积受到实际情况的限制，出现较大暴雨时，仍会出现雨污水溢流，对水体形成污染。

图1 溢流调蓄池工艺

上海于2003～2005年沿苏州河新建了5座大型CSDT。以成都路CSDT为例，运行4年来，发挥了良好的暴雨溢流污染减排效益，年均削减量和削减率为82400m3和8.37%，对典型暴雨溢流污染物COD和SS的年削减率分别为(6.2% ～14.9%)和(6.9% ～16.5%)。调蓄池有效提高了排水系统的截留能力，相当于将系统截流倍数从未建设调蓄池前的3.87倍提高至1h内的6.90倍和0.5h内的9.92倍[20，21]。

(4)强化混凝

20世纪80年代，随着高效、廉价的絮凝剂的出现，化学强化一级处理(chemically enhanced primary treatment，CEPT)得以发展，并正被广泛应用于雨水和合流溢流污水的处理中[22]。国外的多种溢流污水高效处理装置已经成功商业化，主要有ACTIFLO工艺，DENSADEG+BIOFOR工艺和Lamella Plate工艺[23，24]。根据国外 CSOs的控制经验，在溢流多发点建造调蓄池并进行化学强化处理可有效控制水体污染。盛铭军等人在上海某泵站建立了一套合流溢流污水处理装置，工艺如图2所示[25]。该套装置启动快，当采用湿式启动方式时只需数分钟便可达到稳定状态，高效沉淀池表面水力负荷可达32m3/(h·m2)，因此结构紧凑，占地面积小。在几次不同降雨强度下，调蓄池水质SS为204～694mg/L，浊度为70～332NTU，TP为2.04 ～3.8mg/L，CODcr为 138 ～586mg/L。将系统进水量控制在60～100m3/h，投加80～120mg/L PAC 和0.8～1.2mg/L PAM 后，除在进水量很大的情况下会有少许矾花跑冒外，可使SS、浊度、TP和 COD平均去除率分别达到82%、79%、78%和68%以上。强化混凝工艺投药量的比例不易控制，暴雨时易造成雨污水溢流，污泥排放处理易造成二次污染。

图2 强化混凝工艺

(5)人工湿地

人工湿地(constructed wetlands，CW)污水处理系统源于对自然湿地的模拟，是20世纪70年代末发展起来的一种废水处理技术，近十年来，英国、德国、美国、荷兰等国家的人工湿地发展迅速，它不仅成为中小城市污水处理措施，而且也成为雨水处理等的重要技术。人工湿地利用系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，来实现对污水的净化[26]。其工艺如图3所示，调节稳定塘起预处理作用，可有效降低营养物质浓度，同时也能够降低SS，防止人工湿地基质的堵塞。目前国内外常规人工湿地水力负荷为0.2～0.4m3/(m2·d)。人工湿地主体是在一定坡度的填料床中种植相关植物，污水流经床体时，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等实现对污染物的降解作用。人工湿地的基建投资少、运行费用低、抗负荷能力强，作为城市生态景观基础设施，又具有调蓄雨洪、调节气候、改善生态环境、为市民提供休闲娱乐的社会功能。但是人工湿地占地面积大、受季节影响显著。

图3 人工湿地处理工艺

美国佛罗里达州坦帕市Hidden River Corporate Office Park湿地[27]，用来处理城市雨水径流，效果良好。湿地系统包括两个总面积为750m2的人工进水池，一个面积为1.21hm2的天然草质湿地，汇水区域为6.2hm2。在29个月的监测期间，湿地的平均进水量为136m3/d，平均出水量为52.4m3/d，平均水力负荷为0.0106m3/(m2·d)，对 TN、TP和TSS的去除率分别为46%、70%、86%。

肖海文[28]等在对重庆市江北区的生态住宅区的人工湿地系统研究中表明:人工湿地抗负荷能力强，对 COD、NH+4-N、TN和 TP的去除率分别为69.5%、86.2%、67.9%和 60.1%。

(6)雨水径流削减措施

降落在地面上的雨水，如果经过地面植物和洼地的截流、土壤渗透以后，地面径流量将大大削减。所以可采取工程性控制措施如设置洼地、植草缓冲带、多孔路面、渗透沟、延时滞留调节池等来减少径流水量。美国的雨洪利用就是以提高天然入渗能力为其宗旨。但是这种地表自然渗透方式削减的雨水量是有限的，这些措施主要针对现代生态建筑，对于占绝大多数的建筑类型却不适应。米文秀[29]等在上海华东大学的一块绿地对雨水径流中污染物消减效果做了研究，结果表明:绿地对有机物、氮磷等污染物的平均去除率可达30% ～50%，降雨量不同对污染物去除率的影响较大，降雨量较小时绿地对总磷的去除率相对较高，最高可达47%。

3 结语

(1)综合国外的CSOs治理经验是:工程措施与非工程措施相结合。以小区或建筑群为单元，采用雨水削减、收集措施与城市整体CSOs治理措施相结合，并制定一系列相关法律法规，完善雨水利用系统，做到减少排放，加强有效利用。

(2)建议新城区一般采用分流制系统;截流式合流制系统由于改造成本低、效果显著，可应用于合流制排水系统的改造;调蓄池、强化混凝工艺适用于土地资源紧张的地区，但要注意强化混凝造成的二次污染;人工湿地由于占地大，可结合生态城市建设总体规划进行。各地要因地制宜地采取综合的、系统的CSOs控制措施，从而有效地控制城市水体污染。

(3)城市人工湿地的建设不仅可以实现雨水资源化，并能创造生态的、节能的、可持续发展的、适合人与城市和谐发展的宜人环境，符合城市化的长远规划。

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