合流制溢流污染控制技术研究

董利鹏，王芳芳，王晓玲

（1.宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏 银川 750001；2.宁夏交通投资集团有限公司，宁夏 银川 750011；3.吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

近年来，随着居民环保意识的提高和国家对水环境治理的不断投入，分流制改造、黑臭水体治理等措施使城镇水生态环境质量得到了大幅的提高，城市排水管网不断完善，污水收集处理率持续提升，城市黑臭水体逐渐消除。但部分城市区域由于道路断面、经济制约等因素短期内难以实现分流制改造，雨季（汛期） 污染即合流制管网产生的溢流污染已成为城市水生态环境质量进一步提升的瓶颈。旱季“藏污纳垢”、雨季“零存整取”的合流制管网溢流所形成的城市面源污染，已成为城市水体污染的重要问题之一。溢流污染将对城市水环境造成巨大冲击，排入城市水体的污染负荷超过水环境容量时，水环境质量将会下降甚至再次形成黑臭水体。众多学者对合流制溢流污染的特点及危害进行了深入的研究，并提出相应的技术路线和治理措施。

1 合流制溢流污染的特征

1.1 合流制排水系统污水溢流的概念

分流制排水系统和合流制排水系统是城市排水体制的2 种基本形式，分流制排水系统是将雨水和污水分别采用独立的雨水管道、污水管道收集和输送的城市排水系统，而合流制则是将雨水和污水合用一个排水管网进行收集和输送的排水系统。合流制排水系统管道数量少，建设费用低，因此在我国早期建设的城市中多数为合流制排水系统。随着我国经济的发展和居民环保意识的提升，传统的合流制排水系统已逐步改造为分流制排水系统或截流式合流制排水系统。

截流式合流制排水系统是在原有合流制排水系统的下游新建截留干管和溢流井，旱季污水截留至截留干管并最终输送至污水处理厂进行处理，雨季超过截留能力的混合污水通过溢流井排至周边水体。这种超过截留能力产生的溢流现象即为合流制排水系统污水溢流。

1.2 水质特性

根据国内外研究显示，溢流的混合污水具有高污染性，溢流的混合污水中污染物产生方式主要有生活污水排放、雨水径流冲刷地表沉积物以及旱季时管道沉积物被冲刷带起等多种渠道，因污染物产生途径较多，所含污染物种类也复杂多样，有机污染物、悬浮固体、氮、磷、重金属等无机物以及细菌、病毒等微生物含量高于地表水甚至高于城市生活污水排放标准，溢流污水一旦无序排放，将给城市水体环境带来严重污染。

由于溢流现象仅在雨季时产生，溢流的混合污水又具有非连续性，相应的污水处理设施建造因经济性较差而更难实施。

同时，溢流的混合污水水质随着降雨的进行呈现出先升后降的规律，国内外相关研究研究结论揭示：降雨初期，雨水地表径流冲刷地表污染物以及合流系统内的沉积物，污染物浓度较高，随着降雨的进行，冲刷所产生的污染物逐渐减少，大量水质优良的雨水与污水混合排放，污染物平均含量低于原有混合污水。因此，溢流污染治理的措施要充分考虑非连续性、时序性的影响。

1.3 环境影响

合流制溢流污水中的污染物由于来源广、浓度高、种类多。其对城市环境的影响严重且深远。

合流制溢流污水中高浓度的有机污染物在降解时需要大量消耗河湖中的溶解氧，当超过水体的富氧能力时便会造成水体缺氧，影响水生动植物的正常生存，进而影响水生态，甚至形成黑臭水体。合流制溢流污水中高浓度的氮、磷等污染物，是城市水体中形成水华的元凶之一。

同时，合流制溢流污水中的难降解有机污染物、重金属等，被水生动植物摄入后再被高等级的动物捕食，会逐渐造成污染物的富集，最终通过食物影响人类的健康。

临水而居，把水纳入居住空间，是城市生态景观的重要内容，过量的合流制溢流污水进入城市水体后，依靠水体自净能力已不能满足要求，将会产生色度增加、浊度升高、臭味增加的现象，当污染物积累到一定程度时便会成为黑臭水体，不仅会给人带来不适的感官体验，也会影响城市的生态功能，削弱城市活力，影响城市的综合发展。

2 溢流污染控制技术路线

根据国内外典型城市的合流制溢流污染控制实践来看，溢流污染控制主要通过以下3 种技术路线结合实现：源头削减、过程控制、末端治理。

2.1 源头削减

雨季时，超过截留干管截留能力的过量雨水汇入合流制管渠中以及雨水冲刷地表和管道是造成溢流的两大直接原因。源头控制即从减水量和提水质两方面入手，通过下沉式绿地、植草沟等措施下渗吸收部门雨水量以减少进入管网的水量，通过绿化植物、透水铺装、生物滞留措施等过滤截留措施减少雨水径流冲刷带入的污染物，从而实现从源头减少溢流污染总量的目的。

2.1.1 绿色屋顶

绿色屋顶能够通过植物、过滤层等拦截过滤晴天时降落的悬浮物、灰尘、颗粒有机物等污染物，减少雨水径流中携带的污染物，可有效的控住城市面源污染，是海绵城市建设的重要措施之一，章孙逊等试验结果揭示，植被可提高绿色屋顶径流削减率和有效降低径流中NO3-N 的浓度。同时，绿色屋顶在不增加占地的情况下还能发挥降噪、降低城市热岛效应的优点，应用前景广泛。

2.1.2 下凹式绿地

下凹式绿地能够通过其下凹的结构暂存和下渗雨水，又称雨水花园，是海绵城市建设的重要措施之一。

其具备的调节容积可以削减雨水径流的洪峰流量，本身所具有的植物能够对径流雨水的污染物进行去除，同时，下渗的雨水可补充地下水。

2.2 过程控制

除分流制改造外，过程控制通常通过以下两种途径实现：

2.2.1 提高系统的截留倍数

截流制合流制排水系统中，截留干管截留的雨水量通常按旱流流量的指定倍数计算，该制定倍数被称之为截流倍数。超过截留倍数的雨水量，将通过溢流井溢流至下游水体，即合流制溢流量计算式如下：

式中：Qy为合流制溢流量；n0为截留倍数；Qs为雨水设计流量；Qdr为旱季设计污水量。

从上式可以看出，截留倍数越大，则合流制溢流量越小，造成的环境污染越小。但同时截留干管的管径相应增大，与之配套的污水处理处理规模也相应提升，鉴于溢流的混合污水的非连续性，过大的截流倍数将造成处理能力的浪费和经济性的下降，因此，在选择截留倍数时需结合环境要求和工程经济性综合衡量后确定。

2.2.2 调蓄池

调蓄池作为一种水收集措施，在控制分流制初期雨水和合流制溢流污染等方面应用较为普遍。其基本工作原理是降雨时利用自身较大的容积暂存初期雨水或超过溢流能力的混合污水，在雨量减小或停止时，再将所储存的污染较为严重的混合污水通过管网输送至污水处理厂进行处理，其效果相当于增大系统的截流倍数，从而实现提高水质的目的。有资料表明，兴建调蓄池后，排水城市水体的污染物削减量可达50%。

但受限于自身容积的限制，当降雨量大于设计能力时，仍有部分混合污水溢流至下游水体，如何确定调蓄池的容积参数需经过模型模拟或统计计算等方法确定。

2.3 末端治理措施

通过对源头治理措施和过程控制措施的分析可知，在降雨量较大的时候均存在混合污水溢流污染的风险。

因此，采用经济合理的末端治理措施也是减少污染的重要手段之一，其中旋流分离器、末端人工湿地的应用较为典型。

2.3.1 旋流分离器

旋流分离器在离心力的作用下，通过旋流分离技术，利用混合污水中固液两相的密度差来实现固液分离从而减少混合污水中的污染物。高速的混合污水通过旋流分离器上端进入，在旋流分离器特定的结构旋转下降，混合污水中的固相和液相由于受到不同的离心力而产生相分离，并通过下端不同的排出口排出，实现污染物的去除。有研究表明，溢流的混合污水通过旋流分离器后，特定粒径的颗粒物的去除率可达60%。同时旋流分离器还具有结构紧凑占地面积小、污染物处理效率高、操作维修技术要求低等优点，国外应用较多，国内工程实践则刚处于起步阶段。

2.3.2 人工湿地

人工湿地通过人为干预建设而成，并通过控制其运行参数形成类似于天然沼泽地的新型污水处理系统。

设计建造中通常采用不同植物的搭配并进行适当的地形塑造而形成城市景观与污水处理设施为一体的生态处理设施。其主要工作机理是效仿它根据自然湿地生态系统，综合物理、化学、生物等多重效能实现污染物的去除。通常的结构形式为人工基质、水生植物等。经过一定时间的培养驯化，便会产生适合于污水处理的微生物菌群并形成生物膜附着与人工基质（通常选用比表面积较高的填料） 空隙以及水生植物根部。污染物随水流流动时。

污染物经过人工基质的截留以及生物膜的代谢逐渐去除，氮磷等污染物还可以通过植物根部的吸收作为植物生长的营养元素，最终以植物收割的方式去除。

LENHART H A 等的研究表明，人工湿地能够削减径流总量和峰值流量可达54%和80%。对总氮、总磷、总悬浮固体的处理效率可达36%、37%、49%。

肖海文等对水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地组合工艺的处理效果进行了研究，处理典型城市溢流污水时，经过人工湿地系统净化后的有机物、悬浮固体、总氮等溢流污染物浓度降为进水污染物浓度的20%以下。

2.4 其他措施

非工程措施是通过国家政策干预、法律法规要求、顶层规划设计以及管理措施强化等措施来提升改善合流制溢流污水的管理水平、降低溢流污染的影响。

2.4.1 完善相关法律法规及标准

完善相关法律法规及标准，因地制宜的出台合流制溢流污水排放管理办法，制定适合当地环境容量和经济状况的排放标准，建立完善的合流制溢流污水排放水质监测体系，研究有利于可持续发展的合流制溢流污水治理规划，将合流制溢流污水排放治理成果纳入各级行政主管部门的考核体系。

2.4.2 强化日常管理

强化日常管理，如增加合流制区域的道路清扫，减少因雨水径流冲刷地表沉积物而带来的面源污染，从源头减少污染物的总量；强化沿线居民、企业、商户的管理力度，严禁向管网中倾倒各类垃圾、未达到纳管标准的高浓度废水、油污等污染物；增加对管网的的清淤工作，在雨季来临之前，对合流制管网的雨水口、主、支管线进行清淤，减少管道沉积物被冲刷带起的污染物等。

2.4.3 积极探索治理新模式

城市的水环境是一个系统工程，传统的治理以“点”或者“面”来推进，没有从全局的角度、以系统的思维来综合考虑，头疼医头脚疼医脚，投资大且效果不理想。

近年来，“厂网河一体化”综合治理模式逐渐兴起，从“水资源、水生态、水环境、水灾害”等方面综合考虑，实现治理溢流污水、完善内涝排水、补充城市再生水等多重目的。

3 结语

通过“十三五”期间城市黑臭水体治理的攻坚战后，合流制溢流污染已经成为影响城市水生态环境质量的主要污染源之一。

生态环境部等国家部位也多次发文加大对合流制溢流污染的治理力度，国内高校研究机构等专家学者也进行了深入的研究，提出了相应的系统的治理理论，但由于治理时间短、工程实践案例较少，各地情况复杂多变，因此，理论联系实际并探索适合当地实际情况的治理方法仍将是水务工作者未来工作的重点。

同时，除了采取以上工程措施外，水务环保工作者及有关部门应注重完善管理体制及政策法规，增加公共教育提升公众环保意识，加强环境清理等非工程性的措施，积极探索治理新模式，多措并举减少合流制溢流污染。