巢湖市排水系統(tǒng)雨天溢流污染控制策略

摘 要 合流制系統(tǒng)改造及溢流污染控制是黑臭河道治理的核心工作之一。文中在總結國內(nèi)外合流制溢流污染(CSO)治理措施的基礎上，論述了巢湖市排水系統(tǒng)溢流污染控制策略。系統(tǒng)分析了合流制溢流污染產(chǎn)生的原因，依據(jù)巢湖市污染排查和管網(wǎng)檢測等前期研究相關結果，提出了整體控制策略；并選取典型區(qū)域小王莊中溝，提出針對典型區(qū)域合流制系統(tǒng)的控制措施，即在現(xiàn)有管網(wǎng)的基礎上，借助管網(wǎng)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的互調(diào)性以及末端調(diào)蓄控制手段，對整個管網(wǎng)的污水運行及入河排放進行污染物溢流污染控制。

關鍵詞 溢流污染 現(xiàn)狀調(diào)查 末端調(diào)蓄 工程措施 旋流分離

合流制系統(tǒng)改造及溢流污染控制工作是河道治理的核心問題之一，傳統(tǒng)的合流制徹底改造分流制，目前在許多城市存在顯著的弊端：施工難度大、成本高、預期效果不明顯，徹底實行雨污分流改造的設想并不現(xiàn)實[1-2]。我國合流制溢流污染控制盡管取得了階段性進展和成果，但瓶頸在于尚未形成與特定區(qū)域相適應的污染控制技術體系，缺乏全過程技術指導與管理體系[3-4]。

巢湖沿岸城市合流制系統(tǒng)雨天溢流污染嚴重、污水收集率與城區(qū)排澇安全程度較低，造成巢湖的富營養(yǎng)化狀況加劇，藍藻水華頻繁發(fā)生，湖泊的生態(tài)環(huán)境遭到破壞，嚴重影響了流域供水安全，且成為影響社會穩(wěn)定、制約區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大問題[5]。巢湖流域城市污染物排放是導致巢湖水環(huán)境不斷惡化的重要原因，隨著點源污染逐步受到控制，沿岸城市的城區(qū)面源污染控制已迫在眉睫。由于歷史原因，老城區(qū)采用合流制，溢流污染嚴重；而新開發(fā)城區(qū)排水系統(tǒng)雖采用分流制，但存在雨污混接現(xiàn)象，造成了嚴重的河道污染[6]。同時，雨天大量雨水進入污水管道也影響到污水廠運行效果，整個雨水、污水管網(wǎng)系統(tǒng)運行效率低。

針對巢湖市合流制排水系統(tǒng)溢流污染現(xiàn)狀，本文對旱天和雨天情況合流制排水系統(tǒng)雨污水的收集、輸送、截流、儲存、管道沉積物和雨天排放等環(huán)節(jié)進行診斷和評估，并進行各環(huán)節(jié)水質(zhì)水量的調(diào)研和污染負荷平衡計算；在總體思路的基礎上，選取典型案例，經(jīng)過計算，依據(jù)總體方案提出，典型區(qū)域小王莊中溝溢流污染削減技術及工程實施方案，為巢湖市合流制系統(tǒng)溢流污染削減工程和運行提供技術支撐。通過小王莊中溝工程的建設，截流旱流混接污水及初期雨水，減少小王莊中溝對洗耳池的不良影響。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

巢湖市合流制排水系統(tǒng)研究區(qū)域共分為5個片區(qū)，分別是：西環(huán)城河、東環(huán)城河、洗耳池、官圩、西壩片區(qū)。洗耳池是巢湖市市內(nèi)水環(huán)境的主要水系之一，凈水面積為0.038 km2，前期調(diào)查顯示區(qū)域主要以合流制溢流污染為主，主要污染來源為小王莊中溝，具有典型性和重要性(圖1)。小王莊中溝為一地下箱涵，旱天主要污染來源為生活污水。在未進行改造前，對箱涵出水口水量進行監(jiān)測，旱天排放水量高達7 004 m3/d。

1.2 技術路線

本研究的總體技術路線如圖2所示。

1.3 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀診斷評估方法

巢湖市示范區(qū)域內(nèi)環(huán)城河直排口現(xiàn)狀調(diào)查由同濟大學主導完成，對現(xiàn)狀雨水排口、污水排口、合流排口進行了普查，對排口污染源(居民、商鋪、賓館、飯店等)情況進行了調(diào)查，并提出截污方案[7-8]。

在環(huán)城河直排口現(xiàn)狀調(diào)查基礎上，依托當?shù)亟亓鞴こ?，對環(huán)城河的污水和雨水排口進行全面截流改造。改造后，對主要排口進行了旱天排污情況調(diào)查，對雨天溢流污染特征進行了研究，方法和結論參見相關文獻[9]?；诂F(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，對代表性合流制排水系統(tǒng)的雨天溢流污染物出流規(guī)律、溢流事件平均濃度、系統(tǒng)溢流污染負荷，以及系統(tǒng)溢流的初期效應等指標進行了分析，為巢湖流域徑流水質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立提供基礎數(shù)據(jù)支持。

2 控制策略及技術

2.1 巢湖市合流制排水系統(tǒng)溢流污染現(xiàn)狀

影響合流管網(wǎng)溢流污水的因素包含4個方面：降雨情況、下墊面情況、管道沉積物污染和截流倍數(shù)。由于城市基礎設施的落后，巢湖市中心城區(qū)現(xiàn)有的合流制管網(wǎng)不能滿足雨季排水要求，雨天溢流污染排入環(huán)城河的現(xiàn)象時有發(fā)生，造成環(huán)城河水質(zhì)嚴重惡化，影響城市面貌和市民的生活質(zhì)量。

對巢湖市示范區(qū)溢流污染特征及來源進行了分析[9]，對環(huán)城河主要的2個重力流混接雨水排口(軍分區(qū)路排口和團結路排口)進行了監(jiān)測，分別在旱天和雨天溢流進行采樣，分析了主要污染物特性、顆粒態(tài)污染物和重金屬貢獻。以16 mm降雨場次為例，每場降雨軍分區(qū)路排口和團結路排口分別產(chǎn)生約40 kg COD和105 kg COD的溢流污染；旱季相同時間內(nèi)2個排口則分別產(chǎn)生約6 kg COD和18 kg COD的污染。在不同的日降雨量條件下，污染濃度差異較大。有機污染物與營養(yǎng)鹽污染物由于主要來源不同，因此，其隨降雨量的變化也存在明顯的差異。溢流顆粒態(tài)的COD及有機質(zhì)的濃度均隨降雨量的增大而減小。而氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)在不同降雨量條件下出現(xiàn)一定的波動。同時，項目組利用SWMM耦合特卡洛算法，建立了旱天水質(zhì)模型背景和雨天水動力水質(zhì)模型。

巢湖市降水時空變化大，且為氣象災害多發(fā)區(qū)，當雨季特別是暴雨時期來臨時，管網(wǎng)承受能力有限，經(jīng)常容易出現(xiàn)污水溢流現(xiàn)象。另外，研究區(qū)域內(nèi)透水區(qū)域較小，大部分的面積為透水性較差的混凝土區(qū)域和磚砌半透水區(qū)域，雨天徑流系數(shù)較高，徑流量較大，進一步加劇了溢流污染的產(chǎn)生[10]。以巢湖市老城區(qū)為例，排水管道年久失修，旱天積累的沉積物較多，改造后混接現(xiàn)象較嚴重，污染物被雨污水沖刷而混入合流制雨污水中，導致污染物濃度升高。

此外，通過合流制污水廠運行工況調(diào)查與分析，采用附加管底沖淤的SWMM模型，對巢湖市合流制管道的雨天水質(zhì)水量進行了預測，計算不同截流倍數(shù)時，截流干管截污量和溢流量的體積，由此，推算不同截流倍數(shù)情況下的去除率。最后，以單位工程投資環(huán)境效益為目標函數(shù)進行截流倍數(shù)優(yōu)選，研究發(fā)現(xiàn)巢湖市環(huán)城河內(nèi)合流管道最佳截流倍數(shù)N0=4.0。當N0=4.0時，截流式合流制系統(tǒng)全年溢入環(huán)城河的污染物總量小于分流制雨水管道直接排入環(huán)城河的污染物量，達到合流制排水系統(tǒng)分流化的效果。

2.2 合流制排水系統(tǒng)溢流污染及控制策略

合流管網(wǎng)溢流污染產(chǎn)生系統(tǒng)由污染物發(fā)生子系統(tǒng)(點源和面源)、污染物收集與輸送子系統(tǒng)、污水處理與回用子系統(tǒng)、污水排放口子系統(tǒng)、接受水體子系統(tǒng)組成(圖3)。該系統(tǒng)同時包括了從城鎮(zhèn)污水排水系統(tǒng)、工廠排水系統(tǒng)、雨水排水系統(tǒng)排出的溢流污染物。

在上述合流管網(wǎng)溢流污染產(chǎn)生系統(tǒng)中，溢流污染物的傳輸過程主要包括雨污水的收集、輸送、截流、儲存、處理、旱季沉淀、雨季溢流排放等多個環(huán)節(jié)，運行可大致分為晴天和雨天兩種情景。CSO污染主要包括3部分：超過管道截流能力而在溢流井處的溢流；截流到污水處理廠但超過處理能力的廠前溢流；污水處理廠的超越排放。

CSO污染的產(chǎn)生、輸送、負荷及分配受降雨特點(降雨量、降雨強度、雨型等)、下墊面條件(地形地貌、下滲、滯蓄能力等)、管道拓撲及溢流井分布、截流能力(截流倍數(shù))、污水處理廠處理能力及工藝配制等多因素的綜合影響。在不同降雨條件和截流倍數(shù)處理能力下，CSO發(fā)生的位置和時間、CSO污染物排放總量及相應的控制均有所不同。為實現(xiàn)CSO污染物總量削減的目標，應從“源頭-過程-末端”整個系統(tǒng)入手，實現(xiàn)全過程控制。

(1)采取源頭控制措施，減少進入合流制系統(tǒng)的徑流量Qr。

(2)適當提高截流管截流能力并相應提高污水廠污水處理能力Qw，減少溢流井處溢流量，或根據(jù)污水處理廠規(guī)劃設計能力合理確定截流倍數(shù)，減少不必要的截流干管投資和污水處理廠的廠前溢流。

(3)對于超過截流管能力和污水處理廠處理能力的合流污水，在溢流井附近設置調(diào)蓄設施暫時儲存，雨水輸送到污水處理廠或就地處理后利用或排放。

(4)對超過調(diào)蓄設施調(diào)蓄能力的合流污水就地處理后再溢流排放。

(5)對污水處理廠及其工藝進行合理的升級改造，減少場內(nèi)超越排放和提高對雨季污水的處理效率。

(6)一個完整的水污染控制系統(tǒng)還應包括管理子系統(tǒng)，管理子系統(tǒng)是規(guī)劃實施和運行的保障，管理子系統(tǒng)一般應包括管理體制和運行機制、規(guī)劃項目資金籌措、監(jiān)督管理、嚴格法規(guī)和公眾參與等。

2.3 合流制排水系統(tǒng)溢流污染控制措施

綜合國內(nèi)外對CSO污染的治理措施，控制模式如圖3所示?？傮w而言，CSO控制措施可分為源頭控制和末端處理兩大類[11]。

研究區(qū)域為巢湖市中心城區(qū)，大多數(shù)管網(wǎng)修建年份已久，且合流制管網(wǎng)地上建筑密集。舊合流制排水管渠系統(tǒng)的改造是一項非常復雜的工程。改造措施應根據(jù)城市的具體情況，因地制宜，綜合考慮污水水質(zhì)、水量、水文、氣象條件、資金條件、現(xiàn)場施工條件等因素，結合城市排水規(guī)劃，在盡可能減少水體污染的同時，充分利用原有管渠，實現(xiàn)保護環(huán)境和節(jié)約投資的雙重目標。由于中心城區(qū)內(nèi)建筑密度大、道路狹窄等客觀因素的制約，欲進行雨、污分流改造不符合實際情況，所需經(jīng)濟投入較大。針對這一問題，提出合流制系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度策略，即在現(xiàn)有管網(wǎng)的基礎上，借助管網(wǎng)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的互調(diào)性、末端調(diào)蓄控制的策略性，對整個管網(wǎng)的污水運行及入河排放進行優(yōu)化控制，以達到減少合流制溢流污染的目的。具體措施如下。

(1)截流式合流制排水系統(tǒng)被認為是較合理可行的改進措施。保留中心城區(qū)部分合流管，沿城區(qū)周圍水體敷設截流干管，對合流污水實施截流，并視城市的發(fā)展狀況，逐步完善管網(wǎng)，改為分流制。這種方式，由于工程量相對較小、節(jié)約投資、易于施工、見效快，已廣泛應用，并取得良好效果。在截流干管適當位置設置合流污水調(diào)蓄構筑物，將超過截流干管轉(zhuǎn)輸能力及污水廠處理能力的合流污水引入調(diào)蓄構筑物中暫時儲存，待暴雨過后再通過污水泵提升至截流干管，最終進入污水廠處理，基本保證水體不受或少受污染。針對合流污水水量大、濃度低的特點，可采用一級處理，選擇篩濾、混凝沉淀、投氯消毒的處理工藝，合流污水經(jīng)處理后，污染物濃度可顯著降低，從而大大減輕對水體的污染。

(2)加強市政污水支管的建設力度，提高支管與總管收集程度的配備度；通過對污水管道狀況的判斷，可提供完善管網(wǎng)系統(tǒng)的工程方案，對中心城區(qū)主要區(qū)段的合流制管道進行修整，以提高巢湖市中心城區(qū)內(nèi)合流制系統(tǒng)的污水納管率。在配套管網(wǎng)新建及管道修復完成后，定期采樣監(jiān)測。

(3)根據(jù)巢湖市雨天排水污染情況，提出可行的控制措施，削減或改善合流制排水系統(tǒng)溢流污染狀況，從而提高雨水利用率，緩解城市水資源短缺問題。

(4)在對巢湖市合流制管網(wǎng)現(xiàn)狀分析的基礎上進行規(guī)劃所需的相關預測，主要為水量和水質(zhì)兩方面。要求分別估算生活污水量、工業(yè)廢水量和雨水徑流量，研究巢湖市污水處理與利用的方法及管網(wǎng)、排口、泵站、污水處理廠的最優(yōu)改造總體方案。

(5)降低人口壓力帶來的生活水環(huán)境質(zhì)量惡化風險，改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)、生活方式，節(jié)約利用水資源，減少水污染；降低重污染工業(yè)的發(fā)展，促進產(chǎn)業(yè)的技術升級，大力發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)和高新技術產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)，減少工業(yè)水污染對水環(huán)境造成的危害；推動循環(huán)型經(jīng)濟增長方式，促進水資源的整合利用。

目前，針對溢流污染情況，常采用的排口末端截污措施包括人工濕地、濱岸緩沖帶、調(diào)蓄池和新型末端截污。新型末端截污常用措施包括旋流分離器、多級土壤滲濾系統(tǒng)、土地滲濾系統(tǒng)和管道自沖洗等。

2.4 巢湖市小王莊中溢流污染控制技術研究

針對本工程研究范圍內(nèi)排水系統(tǒng)雨天溢流污染和初期雨水徑流污染的控制問題，結合巢湖市近年來的城市水環(huán)境領域科研成果，對排水系統(tǒng)雨天污染物出流特性進行研究，分析其對水環(huán)境造成的影響程度。根據(jù)巢湖水環(huán)境質(zhì)量建設目標及水環(huán)境現(xiàn)狀容量，結合排水系統(tǒng)雨天污染物出流特點和國內(nèi)外類似工程的成功經(jīng)驗，合理確定本工程所在區(qū)域初期雨水截流標準。對城市初期雨水污染的控制，宜采用截流、泵站提升、處理相組合的方式。本工程的主要目的是有效降低巢湖市小王莊中溝合流制排水系統(tǒng)對洗耳池水體造成的污染，旱天截流污水至洗耳池泵站，經(jīng)提升后輸送至崗嶺污水廠處理；雨天收集污染較為嚴重的初期雨水，至新建的旋流分離設施處理后排放到陸家河，強降雨期間通過液壓壩泄洪至洗耳池，確保上游區(qū)域的防洪排澇安全。由于缺少巢湖當?shù)氐臍v時長、精度較高且較完整的氣象降雨、初期雨水水質(zhì)資料，參照合肥市初期雨水6～10 mm截流標準，確定本工程初期雨水截流標準為8 mm，區(qū)域綜合徑流系數(shù)評價為0.6，則初期雨水凈截流量為5 mm。據(jù)確定的截流標準，新增設施收集處理服務區(qū)域內(nèi)的5 mm當量降雨量，污水截流量約為7 000 m3/d。結合巢湖市相關工程規(guī)劃、監(jiān)測水質(zhì)以及第三方檢測結果，計算可知區(qū)域初期雨水收集量不小于5 mm當量降雨量、雨季溢流COD負荷在現(xiàn)有基礎上平均削減20%以上[9,12]。

3 結論

參照國內(nèi)外合流制排水系統(tǒng)溢流污染工程經(jīng)驗，本研究系統(tǒng)地總結了合流制排水系統(tǒng)溢流污染的產(chǎn)生、輸送、影響因素和控制措施。其次，以小王莊中溝為示范區(qū)域，結合區(qū)域范圍內(nèi)建筑密度大、道路狹窄、合改分經(jīng)濟投入大等客觀因素，采用末端截流的控制措施(旋流分離器)。在對示范區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀水體水質(zhì)進行合理監(jiān)測的基礎上，分析了工程方案的水環(huán)境治理效果及工程效益；結合巢湖市相關工程規(guī)劃，完成初期雨水轉(zhuǎn)輸工程建設，實現(xiàn)區(qū)域初期雨水收集量不小于5 mm當量降雨量、雨季溢流COD負荷在現(xiàn)有基礎上平均削減20%以上的目標。

作者單位：上海市城市建設設計研究總院〈集團〉有限公司