控制合流制溢流治理水体黑臭的技术探讨

2022-06-22何雨豪宋玉亮张百德张真真张志斌邢丽贞

应用化工 2022年4期

何雨豪，宋玉亮，张百德，张真真，张志斌，邢丽贞

(1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南 250101；2.潍坊市市政工程设计研究院有限公司，山东潍坊 261000)

外源污染和内源污染的交互作用加剧了水体黑臭程度，而CSOs(Combined sewer overflows，CSOs)中含有大量有机物、氮、磷、重金属等，是常见的外源污染。在我国，虽然一些新建城市或新建城区排水系统都采用了分流制，但仍有相当一部分城市的老城区采用的是合流制排水系统，暴雨时CSOs会对河流造成较严重的污染，因此，解决老城区合流制污水溢流问题是防治城市水体黑臭的重要措施之一。

1 CSOs与水体污染

上世纪九十年代Balmforth D J等[1]就认识到合流制溢流是英国城市河流污染的主要原因之一。尽管水体有一定的自净作用，但CSOs如果不加处理直接排入水体，对水体的污染在短时间内很难消除。

1.1 CSOs与排水体制

排水系统雨污分流制在源头上杜绝了雨季混合污水进入水体，可对水体起到根本的保护作用。根据刘翠云等[2]对北京城区进行的研究，在采用分流制的新城区等环境管理良好的地区基本不会出现城市水体出现黑臭的情况。一些老城区，由于管网改造的难度大，仍然保留了雨污合流管网，这些管网以截留式合流制排水系统居多。旱季，污水通过管网进入污水处理厂进行处理，而雨季，当暴雨径流量较大时，管道过流量超过管道最大设计流量，CSOs会对当地水体质量造成明显的冲击。一般情况下，上游或者毗邻老城区的合流制污水溢流也是造成一些新城区周边水体黑臭的重要原因。陈邵军等运用数学模型对沈阳北部合流制排水系统进行模拟，结果显示：一场历时2 h的小到中雨(降雨量5.1～18.0 mm/6 h)，可使管网中的混合污水流量增加率最高达到125%；而发生一场历时2.5 h的中到大雨(降雨量18.1～38.0 mm/6 h)，管网中混合污水量增加率最大值将超过230%[3]。

1.2 CSOs水质

合流制污水溢流的污染物主要来源于旱流污水、管道沉积物和地表径流等。陈绍军等[3]通过对沈阳的暴雨径流的研究，发现CSOs的污染程度在降雨历时1～2 h内，随时间延长COD、SS等会有所增加，而氨氮有所降低。叶婉露等[4]对华北某地CSOs中的污染物进行分析后发现，根据雨量不同污染物浓度有所变化，COD浓度在25～1 630 mg/L，氨氮浓度在1.07～24.60 mg/L，TP浓度在0.21～5.72 mg/L。张伟等对某地溢流至护城河的初期雨水进行研究，发现暴雨重现期越大，CSOs对河流的污染程度就越重。当为P=1 a时，CSOs中的COD、NH4-N、TP和TSS分别达到145.60,1.52,0.09,275.90 mg/L；当重现期为20 a时，CSOs中的COD、NH4-N、TP和TSS可达263.3,2.43,0.14,499.7 mg/L[5]。

2 控制合流制污水溢流的技术措施

对CSOs的控制可以分别从源头治理、过程治理和末端治理进行。

2.1 源头治理

源头治理是从减少进入管网和水体的雨水量和污染物总量入手。

2.1.1 雨污分流根据刘翠云等[2]对北京城区合流制和分流制两种排水系统的对照研究发现，城中雨污分流制排水系统的污染负荷远低于合流制排水系统的污染负荷。李青云等[6]对北京采用不同排水体制的两个村镇开展研究，也得出在面源污染控制方面雨污分流制更优于合流制的结论。将合流制排水系统改造成分流制排水系统是控制CSOs污染的有效措施，对有条件的地区应尽可能把合流制排水系统逐步改造成分流制排水系统。

2.1.2 海绵工程措施海绵城市建设是通过低影响开发技术实现的，在老城区排水系统改造和黑臭水体治理方面有明显优势。传统开发会斩断雨水的自然循环路线，在减少下渗的同时增加了雨水径流量。低影响开发(LID)则是通过海绵工程措施达到雨水收集、高效渗透、地下净化和回收利用的目的。可以显著减少CSOs的主要技术措施有雨水花园、雨水塘、下沉式绿地、植草沟、绿色屋顶等，这些工程措施都可以结合景观效果进行建设。

(1)雨水花园

雨水花园是常见的生物滞留设施，通过在低洼区域种植树木或地被植物，可以于存储雨水的同时，显著减少暴雨径流，且入渗性能稳定，对水质也能起到一定的净化作用。日本京都的两个雨水花园在运行期内对于暴雨径流的平均削减率都在60%以上[7]，美国圣路易斯市的一个雨水花园可减少76%的雨水径流量[8]，俄亥俄州辛那提的一个雨水花园能截留50%的雨水径流，并在当地90%的降雨事件中完全控制住了溢流情况的发生[9]，而位于西安某高校内的雨水花园对于暴雨径流的总削减率最高达到了99.0%[10]。根据Hunt W F等[11]的研究，雨水花园对于氮的去除率都能达到75%，对于锌、铜和铅的去除率分别能达到98%,99%,81%。

(2)雨水塘

雨水塘可分为干塘、延时滞留塘和湿塘。干塘在旱季是干的，用来临时调蓄雨水径流，控制洪峰流量，并有一定的水质净化功能；延时滞留塘时干时湿，有雨时可暂时调蓄雨水径流，雨后再逐渐将积水排泄出去；湿塘是一种永久性水池，调节雨水径流的能力差，常用于水质控制。随着研究的进一步深入，多级出水口被证明能够更大程度地提升雨水塘的调蓄能力和削减洪峰的能力[12]。设计合理的具有多级出水口的雨水塘，随着塘中水位的变化，可兼具削减出流峰值、控制径流总量、净化水质等多重功能[13]。

(3)下沉式绿地

下沉式绿地也是一种生物滞留设施，渗水蓄水能力较强，可建于小区、绿地、道路和广场内。其高程一般低于周边地平100～200 mm，下凹深度可视植物特性和土壤渗透性能而定。

叶水根等[14]对下沉式绿地对雨水的截留效果进行了计算和分析，结果表明：在1倍汇水面积的情况下，对于10,50和100年一遇的暴雨雨量的削减率分别为87.15%，58.48%和50.75%。

根据刘志勇等[15]的研究，小区地下空间顶板的浅层绿地对雨水中污染物的净化作用主要依靠种植基质层，对COD、TN、TP的去除率分别在54.5%～60.3%,48.5%～61.0%和6.3%～54.0%之间。由于雨水在绿地中的水力停留时间很短，植物对污染物的削减量并不明显。

(4)植草沟

(5)绿色屋顶

绿色屋顶(EGR)是对建筑屋面进行适当改造而成，由下往上一般由100 mm砾石排水层、100 mm砂滤层、土工布层以及100 mm砂土层组成[19]，再在上面因地制宜种植各种植物，可对雨水径流起到一定的截留作用。

绿色屋顶对雨水径流的截留效率受到植物、建筑密集程度、屋顶坡度等的影响。根据XiaoXiao Li等[20]对一些常见植物的研究，植物对绿色屋顶截留雨水径流的贡献至少在36.5%以上。在建筑密集程度较低的重庆大学虎溪校区，屋面全部绿化后的绿色屋顶对峰值降雨径流可降低5.3%，对降雨径流总量可降低31%; 对总悬浮物( TSS) 、总磷、总氮的污染负荷分别降低 40.0%,31.6%,29.8%[21]。广州建造的大面积绿色屋顶，虽然绿色屋顶只占总建筑面积的37.25%，但是暴雨径流总截留效率可达23.29%～28.44%[22]。Kristin L Getter等[23]对单一屋顶进行研究，在坡降2%～25%的屋面栽种相同的植物，对雨水径流的平均截留效率为80.8%。

2.2 过程治理

过程控制是通过管网改造、对管道进行清淤等措施降低CSOs总量或污染物浓度。

2.2.1 管网改造对于合流制排水系统，地面径流的雨水最终通过管网流入污水处理厂或溢流至水体。暴雨时，污水处理厂处理能力有限，截留干管截留倍数n0偏小，则会导致超量的CSOs进入水体，因此通过工程措施增大管径提高下游干管截留倍数是控制CSOs的一个有效手段。然而，如果一味增大n0，对环境污染的改善程度会逐步减缓，而建设成本却成倍增加，因此存在一个以单位投资环境效益最大为目标的最佳截留倍数。张超等[24]运用SWMM模型对巢湖市环城河以内老城区进行研究得出其最佳截流倍数为4.0，当n0=4时，截流式合流制系统全年溢入环城河的污染物总量已小于分流制雨水管道直接排入环城河的污染物量，达到了合流制排水系统分流化的效果。

2.2.2 管道清淤老城区的管道如果年久失修，极易造成管道淤积或堵塞，旱流时的沉积物就会在雨季被暴增的雨水冲刷起来，混入合流污水中，增加污水处理厂的负荷，大雨时更会加重对水体的污染。有研究表明CSOs的污染物中20%～80%的SS、VSS、COD和BOD5来自管道内淤积的物质[25]。同时管道淤积会减少过水断面，从而使溢流情况加重对水体造成更严重的污染。对于疏于管理的管网系统，定时清淤是缓解CSOs污染水体的有效措施，也是必行之策。

2.3 末端处理

合流制排水系统中，雨天超量的混合污水会通过溢流井溢流至水体。末端控制就是从尽可能避免CSOs直接排入水体入手，对现有溢流出水口进行改造，设置 CSOs调蓄池或净化设施对CSOs进行存储或净化，达到对CSOs污染的有效控制。

2.3.1 溢流口改造 Balmforth D J研究发现，合理的溢流口结构设计能够有效地分离悬浮污染物[1]。需要改造的溢流口大多是小型且分布较为密集的类型。对于溢流口多的地区应当进行整合，封闭不必要的溢流口，将能整合到一起的溢流口建造为大尺寸溢流口进行统一管理。哈尔滨市马家沟城区段进行的溢流口改造工程，就是通过整合区段内的溢流口，极大地改善了区段内的合流制污水溢流情况[26]。鞍山市也通过合并和改造溢流口，同时配合调蓄池及处理设施的建设，减少了CSOs对运粮河的污染。

2.3.2 调蓄设施当截留干管管径或污水处理厂容量有限时，在溢流口建设调蓄设施或就地进行处理是减少CSOs污染的有效措施。

调蓄池是最早运用于CSOs治理的技术，其作用是收集污染程度较高的初期降雨或者当管网容量以及污水处理厂处理能力不足时暂时贮存溢流水量，等雨后再将污水排入污水处理厂或者就地进行处理。上海在苏州河沿岸建造了5座调蓄池来解决因CSOs导致的苏州河水体黑臭问题，这些调蓄池在汛期对雨洪水量削减率可达到75.4%，全年削减率可达78.8%；汛期对CSOs的COD削减率可达90.8%，全年削减率可达92.3%[27]。为应对合流制污水溢流，天津市在先锋河和新开河修建了2座调蓄池，可有效控制全年径总量的78%，对CSOs污染物削减率约为90%[28]。

2.3.3 净化设施末端处理设施基本都是在一定的时间内处理调蓄池中的污水或直接收集和处理CSOs，再将处理水排入水体，以达到减轻污水处理厂处理负荷的目的。

(1)常见净化设施

常见净化设备有旋流分离器、絮凝沉淀池及一些组合工艺等。

旋流器分离技术在对CSOs的处理中颇具优势。流体动力旋流分离器起源于1960年，由Bernard Smisson发明并首次用于治理CSOs，可截留70%的污染物总量[29]。对镇江水体环境进行治理时应用了水力旋流器，对SS的去除率为75%，对COD的去除率在40.3%以上，对TP的去除率在15%以上[30]。旋流分离器也经常与其他工艺组合运用，如黄勇强等[31]报道的旋流分离器、双向旋流絮凝设备和高效吸附净化床组合工艺，可以使COD、SS、氨氮和TP 的平均去除率分别达到72.1%,90.3%,75.1%和53.2%。

磁絮凝沉淀池对于CSOs的处理效果明显，从而受到了极大关注。磁絮凝沉淀池与传统高效絮凝沉淀池的相比，占地面积小、沉降速度快、处理效果好，对于CSOs中的SS、TP、COD的去除率都能达到90%以上[32]。

(2)人工湿地

人工湿地具有较强的净化和收集降雨径流的能力，通常结合地形和景观设计采用，可在净化污水的同时，达到一定的景观效果。余佳洁[33]对某地人工湿地3年的运行数据进行分析，得出人工湿地对BOD5的去除率在50%～90%之间，对CODcr的去除率接近82%，对SS的去除率在84.3%以上。建造于北卡罗来纳海岸平原的雨水湿地可分别减少80%的峰值流量和54%的径流量，以及36%的TN负荷、37%的TP负荷和49%的TSS负荷[34]。重庆的棕榈泉人工湿地是较典型的处理城市住宅区暴雨径流的复合型人工湿地，系统由水平潜流人工湿地(HSSF)与垂直潜流人工湿地(SWF)组合而成，在无冲击负荷的条件下运行时，对COD、SS、TN的去除率均在80%以上[35]。