北方地区合流制溢流污水临时处理设施排放标准探讨

林英姿，武天莫，李思文，刘 根

(1.吉林建筑大学松辽流域水环境教育部重点实验室，长春 130118；2.吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118； 3.东北师范大学环境学院，长春 130117)

0 引言

合流制溢流(Combined Sewer Overflow，CSO)污染严重制约着我国水生态环境的治理。为解决合流制溢流问题，我国大部分地区在进行雨污分流改造的同时，也将合流制溢流排放标准的制定作为水环境系统管理过程中最重要的内容之一。合流制溢流污水排放标准的制定是对国家《水污染防治行动计划》的具体响应，也是改善生态环境、提高流域水质和消除流域黑臭水体的需要。

本研究旨在通过优化典型合流制排水设施的运行工况，以实现保护水体质量，控制溢流污染的目的。同时，根据污水处理设施进出水水质标准，结合现有相关污水排放标准，提出合流制污水处理设施的建议排放标准值，填补研究区合流制污水处理设施排放标准的空白。同时，本研究还是国家《水污染防治行动计划》的具体响应，符合城市生态文明建设的需要，是改善生态环境的重要一环。通过制定标准与实施建议，可有效地改善居民的生产、环境和居住条件，最终实现环境、经济和社会的可持续发展。

1 研究区域气候及降雨特征分析

1.1 研究区域气候条件与降雨特征

根据气象局资料统计，研究区域每年降雨量一般在580 mm左右，6月—9月的降水量大概在450.6 mm左右，此段时间为全年降雨量最多的时间，降雨量占全年降雨量的78%，7月—8月是降雨量最为集中的时间，一个月的降水量基本维持在306.3 mm左右，是全年降水量的一半。即便年均降雨量很多，但是降雨不能缓解气候问题，气候依旧干燥多风，这就使得全省的水分在陆地的蒸发量大于降雨量，平均的年份蒸发量大约为940 mm。

图1 北方某市平均气温与平均降雨量对照图

1.2 合流制溢流污水处理设施受纳水体水质控制要求

通过本研究所选取的合流制溢流临时污水处理设施处理后的污水排入的流域均为国省控江河断面内，对断面水质会产生影响，省控水质目标见表1。

1.3 降雨量与合流制溢流污水处理设施排放的相关性

本研究对北方某市A、B、C站3处典型的合流制溢流临时污水处理设施于2019年—2020年大雨及以上降雨量后的处理量情况进行了统计及分析。以A站为例，从图2中可以看出，虽然被研究地区近两年内大到暴雨的情况较少，地表径流、汇水面积和雨水渗透还存在一些不确定的因素，降雨当日的处理量和随后3日内的处理量变化幅度不大，但总体仍然体现出了一定的规律性，临时污水处理站的运行逐步趋于稳定。

表1 排放水体水质目标

图2 A站合流制处理设施雨后处理量变化分析图

1.4 合流制溢流污水处理设施运行情况分析

以北方某市A、B、C站3处典型的合流制溢流临时污水处理设施作为研究对象，A站设计处理规模为30 000 t/d，主要处理工艺采用超磁混凝分离技术；B站设计处理规模60 000 t/d，主要处理工艺采用超磁混凝分离技术；C站设计处理规模3 500 t/d，主要处理工艺采用混凝沉淀分离技术。

通过调研数据及现场实际水质指标值检测分析，所研究的这3处合流制污水处理设施的COD去除率随时间的变化逐步稳定，如图3所示。通过计算，3处总体的COD平均去除率为71.02%，TP去除率随处理时间的变化逐步稳定，如图4所示。通过计算，3处总体的TP平均去除率为77.5%。如图5所示，从A、B两站的SS去除情况可以看出，两者SS的去除率均在80%以上，效果较好。C站去除能力相对较弱的原因主要是A、B站采用的是超磁混凝分离技术，C站采用的是混凝沉淀处理工艺，可以看出超磁混凝剂对污染物的去除效果较好，由于C站运行时间短，所以对于污染物的平均去除率影响较小。

2 建议合流制溢流污水排放标准指标选择及计算

2.1 排放指标的选择方法

本研究通过对合流制溢流污水排放情况开展调查，收集和分析进出水污染物质量浓度最大值、最小值、平均值，水量以及采用的处理技术，在对污染物指标进行筛选的前提下，结合水污染物排放标准限值的确定方法，确定排放限值的区间范围，提出建议排放值。主要采用了综合评分法和层次分析法。

图3 A站、B站、C站3处合流制污水处理设施COD去除率随时间变化图

图4 A站、B站、C站3处合流制污水处理设施TP去除率随时间变化图

图5 A站、B站、C站3处合流制污水处理设施SS去除率随时间变化图

2.1.1 综合评分法的实施步骤

综合评分法是指将评审内容分类后分别赋予不同权重，然后请评标委员根据一定的标准对要选择的污染物质打分，最后将每个项目的分值累加成每个污染物质的总分数，对总分数进行排序，得分最高的污染物质则为最重要的控制因素。本文根据基础调查、环境管理统计的基本情况、专家组的意见以及相关文献研究，初始选取了9个建议评价指标，并采用德尔菲法对9个指标进行筛选。具体方法是将咨询表分发给所有专家，通过专家的反馈信息确定指标是否合理。当1/3以上的专家认为指标缺乏代表性和重叠时，指标被视为无效指标。如果超过85%的专家认可所选指标，则该指标有效。同时结合层次分析法对指标的相关性进行分析，征求专家组的意见，最终确定了5个评价指标即：COD、NH3-N、TP、SS和pH。

2.1.2 层次分析法的实施步骤。

此法是将较为复杂的难题分开为多个要素，并将多个要素按照不同关系建立主次结构。为综合评价，层次分析法通过各个要素之间的相互比较确定不同的重要程度，并确定指标的重要程度。层次分析法的计算步骤为：

1)通过对系统中各个因素的关系进行分析，建立层次分析结构。

2)对同一层次的指标相对于上一层次进行互相评价，创造判断方法，本文采取专家打分的形式，根据标准(表2)进行两两比较，确定各个指标之间的重要性关系，构建判断矩阵。

表2 (1-9)标度意义

为保证矩阵的相同性，对相应的判断矩阵进行相同性，具体方法为：

②进行检验，检验值CCI：CCI=λmax-n/(n-1)；

③计算得到对应的系数RCR，其中RCR=CCI/IRI，最后进行判断。

对应的IRI值见表3。

表3 IRI数值表

3)由判断矩阵的计算结果得到各个比较元素相对于上一层元素的权重。

4)将各个元素的权重进行汇总，通过计算得到各个元素在同一层次的整体权重，对各个元素的权重进行整体排序。

2.1.3 指标权重的确定

根据基础调查和环境管理两个维度，运用矩阵图分析得出最优结论：

1)目标层标记为：A(合流制评价指标的选取)。

2)影响合流制评价指标选取的因素有学校相关专家、城市排水公司相关专家、市政工程设计院相关专家，因此准则层分别标记为：C1(学校相关专家)、C2(城市排水公司相关专家)、C3(市政工程设计院相关专家)。

3)9个筛选目标分别为COD、NH3-N、TP、SS、pH、BOD、TN、色度、溶解氧等9个指标，则评判指标层标记为：D1(TN)、D2(色度)、D3(溶解氧)、D4(SS)、D5(COD)和D6(BOD)、D7(PH)、D8(NH3-N)和D9(TP)。

表4 准则层相对目标层的判断矩阵A：C1～C3

表5 评判指标层相对准则层的判断矩阵C1：D1～D9

表6 评判指标层相对准则层的判断矩阵C2：D1～D9

表7 评判指标层相对准则层的判断矩阵C3：D1～D9

表8 各评价指标相对于总目标层的比重

各个二级指标的权重分布情况如图6所示。确定各指标的权重是层次分析法的核心内容，由前述数据可知：合流制评价指标选取体系的第一层指标的排序为城市排水公司相关专家、市政工程设计院相关专家、学校相关专家。其中城市排水公司相关专家指标作为核心内容，占63.7%的权重；其次是市政工程设计院相关专家，权重为25.8%；学校相关专家权重为10.5%。在第2层指标中，按各指标相对于目标层的重要程度排序为：D5、D8、D4、D9、D7、D6、D3、D2、D1，这9个指标相对于目标层的权重作为主要权重，认为是反映合流制排放标准制定过程中对污染物因子优先控制的主要指标。通过前述方法最终确定本研究评价指标选择为COD、NH3-N、TP、SS、pH值等5项指标为标准评定指标。

图6 二级指标权重分布

2.2 建议合流制溢流污水排放值计算

基于A站、B站和C站不同地方的合流制溢流污水处理能力，在标准的确定上，充分考虑下雨期合流制和溢流集中、量大的实际特征，全面考虑区域气候的影响、接受水体的功能要求，以及不同处理设备所在地区的实际经济能力和现实条件，结合不同降雨程度下的污水水量，综合考量各指标的排放最大值。

基于技术的排放限值指的是根据现有的处理污染物的能力，考虑对收纳水体的影响后确定的排放值。在参考标准中，COD控制指标的排放限值有明确规定，其中，北京最严的排入地表水体的水污染物A的COD排放限值为20 mg/L，畜禽养殖废水最高日排放量为400 mg/L，其余标准排放限值均小于120 mg/L。对目前正在运行的3处合流制污水处理设施近3年出水水质的COD进行监测分析，结果如图7～8所示，出水COD主要集中在70～100 mg/L，运行期间排放值在100 mg/L以下的质量浓度可达到总体数量的83.5%。

图7 处理设备运行平均COD排放值与《城镇污水处理厂污染物排放标准》对比图

图8 设施出水COD值区间占比及累计占比

A站、B站、C站合流制污水处理设施COD去除情况具体见表9。

表9 A站、B站、C站合流制污水处理设施COD去除情况

基于各站处理设施的实际运行状况和相应的处理技术，综合考虑被研究地区夏季多雨其他季节少雨的气候因素、被研究地区受纳水体控制目标均为V类的要求，通过计算出水平均值的均值法，不同处理设施的COD以及其他参数的建议出水排放限值见表10。

表10 建议排放值表

3 结论

通过对3处临时合流制溢流污水处理设施进出水水质的检测与运行分析，并且将综合评分法及层次分析法两种方法相结合，最终确定了5项水质指标做为排放标准的指标值即：pH，COD，NH3—N，TP，SS。通过计算得出的建议排放值为日常(降雨量<25 mm)条件下：COD=80 mg/L、NH3—N=15 mg/L、TP=1 mg/L、SS=20 mg/L、pH值=6～9；暴雨条件下：COD=100 mg/L、NH3—N=20 mg/L、TP=3 mg/L、SS=30 mg/L、pH值=6～9。本研究为北方地区合流制临时污水处理设施排放标准的制定提供了建议排放值参考。