日本合流制溢流污染防治的经验和思考

易莹， 葛乐乐， 周艳伟， 林野， 杨昌达， 王知兵， 韩家骏

（1.中国电器科学研究院股份有限公司， 广州 510300； 2.日立造船株式会社， 东京 1400013）

随着我国城市化程度提高， 城市规模不断扩大， 不透水下垫层面积迅速增长， 降雨排水对城市排水系统的依赖度越来越高。 我国设市城市合流制排水管网约11 万km， 按照管网长度计算， 我国658 个城市中约有1／3 为合流制排水系统［1］。 大部分城镇老城区保留了大面积雨污合流制排水系统或存在分流制混接、 错接污水， 依赖管网进行排水的单一做法导致了雨季常出现溢流现象［2］。 初期溢流雨污水污染远高于正常排放的污水， 未经处理排入受纳水体， 会严重影响城市水环境， 导致水体黑臭， 危害公共卫生安全［3-7］。

美国、 日本、 德国等发达国家保有大量的合流制排水系统， 较早就开始了合流制溢流控制和溢流污染防治研究等相关工作， 并取得了一定成效。 日本与我国相邻， 人口密度高， 土地开发强度大， 对于我国规模快速增长的城市， 其合流制溢流治理具有很好的参考意义［8］。

1 日本合流制溢流治理的管理措施发展历程

1956 年， 日本以防渗和推行下水道普及为主要目标， 积极建设能够同时收集雨水和污水的合流制排水系统。 1971 年， 日本《下水道法》目标增加了 “有助于公共用水区域的水质保护”， 开始重点推行分流制排水系统， 特别是重点保护水域地区尝试“合改分”。 截至1999 年， 实施合流制排水系统的城市有192 个， 合流制排水系统约占全部排水系统的20%。 日本许多城市的排水系统具有中心城区为合流制， 其他区域多为分流制， “合-分”同时存在的特点［9］， 如东京合流制区域占比均超过80%。 这与我国许多大城市排水系统具有相似性。

合流制排水系统的溢流污染问题愈发凸显。 因此， 日本国土交通省在1982 年发布了《合流制排水系统溢流对策暂定指南》； 1998 年7 月和2001 年6月分别成立了“合流制下水道溢流对策调查专门委员会”和“合流制下水道溢流对策审查委员会”， 进行全国范围调研， 制定了溢流改善对策指南； 2002年， 设立了“合流制下水道紧急改善项目”， 在结合水域保护和考虑成本的基础上， 以降低溢流产生的污染负荷量、 保证公共卫生安全以及削减夹杂物为目标， 改善内涝和合流制溢流污染问题； 2003 年，将合流制排水系统问题纳入《下水道法》， 要求各城市制定改善计划， 对合流制排水系统进行改善。

由于前期改善计划实施未达到预期效果， 日本国土交通省于2007 年重新制定改善方案指南， 明确合流制溢流改善技术路线为“不排入合流管网”、“雨季送至污水处理厂处理”、 “贮存”。 各地制定符合城市规模、 气候等情况的长期治理规划， 设定年度阶段目标； 重点提出采用新型技术来降低处理成本和提高处理效率［10］。 同时下水道实施新的排水标准， 要求合流制排水系统最终排水的BOD5年平均质量浓度不超过40 mg／L。 通过多年的溢流治理工作， 根据2017 年日本国土交通省的评估数据， 总体改善率达到78.9%［11］。

2 溢流防治技术路线和措施

日本的溢流防治主要包括溢流产生控制和污染治理等方面， 技术路线示例［12］如图1 所示。

图1 日本合流制溢流防治措施Fig. 1 Prevention measures for combined sewer overflow in Japan

2.1 管网系统改造

（1） 通过对管路清扫、 修补， 清除管道内的沉积污泥和杂物， 确保管路排水通畅， 有效利用既有管路。 截至2020 年， 日本东京都已完成核心4 区10 059 hm2管路系统的修补［13］。

（2） 废止和合并雨水排口， 建造大口径合流截污管道、 分流管道， 提高排水管路的截污能力。 位于日本北海道的札幌市， 其排水系统管路从1970年的910 km 增加至2016 年的8 265 km， 收集能力提升了9 倍以上［14］。

（3） 将合流管道与雨水排口分离， 设置专用的截污收集管， 解决下游侧的溢流从溢流堰流出， 而上游的溢流直接从排口排放的问题。

（4） 设置排水管网水位实时监测系统， 通过监测降雨量和管道内水位情况， 控制水泵和格栅等设备的运行， 最大限度地发挥管网系统的排水能力及调蓄池的错峰作用、 贮存能力， 尽量降低溢流频率和实现溢流负荷最小化。

2.2 建设雨水贮存、 渗透设施

贮存措施包括现场（on site）贮存和离线（off site）贮存。 在公园、 广场、 停车场、 住宅区等场所建造雨水沟等排水、 渗透设施， 减少内涝风险。 离线贮存是指将含有较高浓度污染物的初期雨水、 雨水排放池及泵站的溢流水贮存在调蓄池或贮留管（深隧）， 在降雨结束后进行处理排放。

截至2020 年底， 东京都建造累计容量140 万m3雨水调蓄池。 例如： 森崎水再生中心建造了容量为3 万m3的调蓄池， 以收集降雨初期污染物浓度特别高的雨污水， 削减排放到海老取运河的污染负荷； 东京品川区2018 年完工的第二立会川干线（深隧）， 设计规模为每小时最大雨量153 mm， 存储容量约为3.45 万m3； 大阪市规划建设深隧56条， 总长为156 km， 干管直径多为2 ～3 m， 埋深为10 ～20 m； 横滨市的金井川深隧， 管道内径为10.8 m， 长度为2 km， 设计容量达17.4 万m3。

2.3 溢流污染治理技术

由于初期雨水中含有大量污染物， 为了避免溢流对水体的污染， 在完成溢流收集和贮存后， 在排口、 泵站、 污水处理厂等场所进行溢流水处理， 主要手段包括： ①夹杂物去除， 在雨水排口的溢流堰处设置过滤筛网、 溢流格栅、 转鼓格栅等； ②物理固液分离， 通过重力沉淀、 水力离心等作用将雨水中的固体物质去除， 如雨水沉淀池、 斜板沉淀池、涡流式固液分离装置； ③高效简易处理， 如高速过滤法、 高效沉淀池； ④污水处理厂处理， 将溢流直接送至污水处理厂进行处理， 如雨天时活性污泥法等； ⑤消毒， 溢流中可能携带病原性微生物， 在排放前需要进行消毒处理。

2.4 其他措施

在降雨结束后， 将泵站的泵井和雨水池残留污水通过污水管送至处理设施进行处理， 避免下次降雨时与溢流一起排出造成黑臭问题。 同时， 还通过设置浮动筛网来减少较小粒径的杂质排放至水体。其他污染治理措施还包括对城市非点源污染处理、融雪时溢流处理等［15］。

3 溢流污染治理案例介绍

为了加快实现溢流污染削减的目标， 日本通过广泛的、 以实用化为目的的产学研合作， 开发了一系列的新技术， 并且在日本多个城市大力推广。 这些技术一般具有雨来即处理的特点， 不需要较长的启动时间， 可以应对突发、 非连续性降雨的情况，且具有良好的处理效果。 下面对一些日本溢流污染治理典型技术和案例进行介绍。

3.1 高速过滤技术

高速过滤技术是采用新型轻质材料作为过滤材料， 可有效截留雨污水中的SS 和SS 携带的有机污染物等。 由于水头损失小， 滤速较快， 最高可达1 000 m／d， 极大地提高了污水处理效率。 东京都6 个污水处理厂全部应用该项技术， 且过滤设施均为污水处理厂原有沉淀池改造。 东京下水道局调研结果显示， 高速过滤设施的污染物去除效果为传统沉淀池的2 倍以上， 而且所占空间较小， 可以利用原有沉淀池进行改造， 缩短工期［13］。

东京都北多摩二号水再生中心采用高速过滤技术处理合流制排水， 该污水处理厂原有4 个初沉池， 将4＃ 初沉池的二分之一改造为高速过滤池。合流制溢流雨污水处理流程如图2 所示。 通过运行采样分析， 高速过滤池对合流制溢流BOD5去除率可达50%～70%， SS 去除率可达65% ～75%。 由于不需要投加药剂， 运行费用远低于高效沉淀池。

图2 合流制溢流雨污水处理流程Fig. 2 Process flow of combined storm sewage overflow treatment

3.2 混凝沉淀和高速过滤组合技术

东京都芝浦水再生中心的雨污水高效简易处理工艺采用混凝沉淀和高速过滤组合工艺， 雨季时，雨污水首先进入混凝沉淀池， 投加混凝药剂反应后， 再进入高速过滤池。 通过实际运行采样分析，可实现合流制溢流BOD5去除率达50% ～70% 和SS 去除率达70%的目标［16］。

3.3 雨天时活性污泥法（3W 法）

雨天时活性污泥法是在雨季时， 3 Qsh（Qsh为污水处理厂设计处理量）的雨污水在通过初沉池后，将2 Qsh的雨污水直接送至活性污泥法第四反应阶段， 1 Qsh的雨污水仍然按活性污泥法处理， 最终3 Qsh雨污水经二沉池处理后排放。 该法可通过旁通管路的改造有效利用现有设施， 无需新增设施。不过污泥的产生量增加， 对污泥处理设施的负担增大， 因此应提升污泥处理设施的处理能力［17］。

大阪平野污水处理厂采用3 W 法来处理合流制溢流， 晴天时污水处理厂处理能力为11 196 m3／h， 雨天时处理能力为40 320 m3／h， 处理后BOD5的去除率可达89%， SS 去除率可达86%， 具有良好的处理效果。

4 讨论和建议

我国从20 世纪90 年代开始合流制溢流污染控制技术研究。 随着近年对黑臭水体整治等措施的推进， 我国的合流制溢流治理也取得了较大的进展。2019 年发布实施的《海绵城市建设评价标准》也提出了从 “源头治理、 过程控制、 系统治理”方面着手削减年溢流总量和控制溢流污染， 跟日本合流制溢流治理路线有很多相似之处， 如雨水渗透设施、雨水处理设施等灰绿措施。 同时， 日本合流制溢流治理经验还有很多方面值得借鉴。

4.1 管理措施

（1） 合理选择“合改分”。 对于人口密度大且已有排水系统的城市， 管道维护、 改造和铺设所需资金投入高， 如日本札幌市老旧管道维修改造和管道敷设的费用已远超建设溢流处理设施和污水处理工艺改造的支出。 国内南京市从2010 年开始雨污分流改造， 工程耗资约183 亿［18］。 对于管网密集、 人口密度大等改造难度大的地区可保留合流制排水系统， 通过设置调蓄设施和合流制溢流处理设施等解决溢流问题。

（2） 合流制溢流基础数据调查。 调查城市的排水系统等情况， 摸清溢流污染情况， 才能设立和制定科学、 合理的合流制溢流改善目标和政策， 如不同排水系统区域分布以及对应人口情况； 排口、 排水泵站的数量， 排水是否排入地表水体； 降雨情况； 年溢流情况； 区分治理优先等级， 优先处理溢流、 优先改善内涝、 无需改善区域及其他等； 受影响水体的水质监测； 管道内污染物沉积情况等。

（3） 制定溢流治理指南或排水规范。 日本通过计算某个降雨量相当的总雨水量产生的BOD5负荷， 进行换算和验证， 得到日本合流制系统BOD5年平均最终排放浓度（包括排口、 污水处理厂等年排放负荷除以年排放水量）， 确保合流制系统（包括排口排放、 污水处理厂处理排放等）经过整改后能够达到分流制的排水效果。 在雨季／非雨季， 合流制的污水处理厂可实施不同的排放标准。 雨季超过污水处理厂设计处理能力的水量， 处理后达到合流制系统排水规范即可排放， 缓解合流制污水处理厂雨季处理压力。

4.2 工程和技术措施

（1） 管网系统的改造和维护。 管道沉积物对溢流水质影响较大， 需定期对排水管道清扫， 减少管道污染物沉积； 管道探伤或者流量异常监控， 对管道“查漏补缺”； 废弃对地表水水质影响较大或敏感水域的溢流排口， 但是要注意避免管道压力增加而导致内涝的问题； 排口设置水量测控设备， 以及联动的移动式溢流堰， 提高溢流截留效率。

（2） 提高截污能力和调蓄容量。 我国现有排水管网截流倍数设计标准较低， 一般在1 ～3［19］， 而日本以前的管网截流倍数就达到了3 ～4。 现在一般要求输送到污水处理厂的管路能够满足污水处理厂雨季3 Q（Q 为旱季污水处理厂的处理能力）。 合理增加调蓄容量， 如日本模拟截留雨水量1 mm／h+ 调蓄量3 ～5 mm／h 时， 污染负荷和溢流次数综合削减效果最佳。

（3） 开发合流制管网实时监控（RTC）系统。 开发利用降雨雷达等气象预报设备的RTC 系统， 快速预测降雨的趋势和降雨量， 设定针对内涝产生的触发基准， 实现对排水管网的智能化控制， 最大限度地发挥主要管网及调蓄池的错峰作用、 贮存能力， 减少内涝的产生。

（4） 开发溢流污染治理技术。 相较于渗透设施、 绿地、 管道建设等涉及到市政、 园林等多个领域， 溢流污染处理设施的建设难度较小。 利用污水处理厂原有处理系统， 开发类似3 W 的污水处理工艺； 增加一级强化处理工艺， 考虑到设备用地限制， 开发占地面积小或利用现有设施是更有效的解决方案。 高速过滤技术具有占地面积小、 处理速度快、 处理效果好等特点， 已在日本多个污水处理厂实践应用， 在污水处理厂、 排口和泵站等空间受限的场所均可应用。 因此， 在进行合流制溢流污染处理时可开展该技术的应用研究工作， 验证该技术的本地可行性。