以海陵城北区为例浅析城镇排水体制的选择

李秋红，刘广兵，岳 强，王 凯，刘 淼

(江苏省环境科学研究院，南京 210036)

引 言

城市排水系统是指一个区域内收集输送生活污水、生产废水及雨水的系统组合，可分为合流制与分流制两种排水体制。合流制排水系统是指在同一套管道内收集和输送地表径流、生活污水和工业废水，并将其混合污水同时排出[1]。分流制排水系统是将生产废水、生活污水和雨水分别建立独立排水管道，生产废水与生活污水通过污水管网收集后，经提升泵站提升至污水处理厂站进行集中生化处理。近年来，关于城市排水体制的报道与研究不断深入。王淑梅等在排水管网的建设及截留倍数的选取方面进行了研究，认为排水管网应与污水厂建设作为一个整体[2]；柳林等对合流排水体制中溢流污染进行了研究，通过在溢流口进行生态化改造缓解了溢流污染问题[3]。以上报道均立足于解决不同排水体制中的部分弊端，对于城镇排水体制的适用性选择研究较少。本文以泰州市海陵城北为研究区域，对比了该区域实施雨污分流建设工程前后污水厂进水COD的浓度及地表水环境质量的变化，分析了分流排水体制工程实施对厂站收水浓度及水环境质量的改善效果，为城镇排水体制的选择提供了借鉴。

1 国内外不同排水体制应用现状及经验

1.1 合流制排水体制应用现状及经验

当今国内外习惯采用截流式合流式排水体制，截流的关键在于河滨岸带建设的截污井，详见图1。当雨污水来水总量达到设计上限时，多余的雨污水将由截污井溢流至河道，未经处理直接排放的混合污水即为合流制排水系统溢流污水(Combined Sewer Overflows，CSOs)[4]。初期CSOs污染物浓度高，直接下河对水环境质量影响极大，后期污染较小，呈现出瞬时性，入河污染物通量波动较大的特点。当溢流污染总量一定，受纳水体流量较大时，该水体的纳污和自净能力较强，可减轻CSOs对受纳水体的影响；对于流量较小的支浜而言，水体纳污及自净能力不足，CSOs往往会造成受纳水体水环境质量的下降。

图1 截留合流制排水系统示意与工程图Fig.1 Combined sewerage system with entrapment

日本有192个城市采用合流制排水系统[5]，合流管网汇水面积达2270km2，服务人口约占日本总人口的30%。为应对合流制溢流污染的影响，东京采用了源头雨水抑制、调蓄池建设、高速过滤系统处理和溢流口规范化改造等技术措施，在抑制溢流污染方面取得了较为明显的成效。英国伦敦城市排水系统始建于19世纪60年代，排水体制为合流制排水系统[6]。随着人口的快速增长，伦敦原有的合流制排水系统时常发生溢流污染的现象，管网污水溢流频次高达每周一次。通过增建一个深层排水隧道储蓄溢流污水，伦敦市每年合流制溢流污染由50次/a左右降低为4～6次/a，年平均溢流污水量由3950m3削减至235m3。

1.2 分流制排水体制应用现状及经验

分流制排水体制有效避免了生活污水的外溢入河的风险，减少对污水处理厂的冲击负荷，保证污水处理场站的有效运行，但却忽视了初期雨水的污染。同时存在建设工程费用投资高、改造工程量大、施工工期长、对居民生活影响严重等诸多问题。以南京实施雨污分流治水工程为例[7]，2010～2014年间该市累计投资180亿元用于水环境整治工程，雨污分流改造总面积达226.85km2。虽然取得了一定的成效，但城市内河污染的问题仍未切实得到解决。由图2来看，南京的雨污分流仅为排水系统，遇大雨无“留水”功能，雨水井及雨水管道积存高污染浓度的污泥杂物，初期雨水直排下河污染现象仍较为突出。

国外许多城市安装倒锥形的管道防止污水的颗粒物在管道内沉积，很好地解决了雨水管道存积污染的问题。由此可见，雨污分流工程需综合考虑实施难度、社会影响及投资成本等因素，结合海绵城市、低影响开发、源头截污、水体生态修复技术等方式，同时制定雨水管网的管养措施，解决初期雨水造成内河污染问题，进一步改善河道生态环境。

图2 分流制排水体制城市内河水质观感不佳Fig.2 Poor river water quality with diversion of storm sewage

2 研究区域与方法

海陵区是泰州市主城区，位于东经119°54'42”，北纬32°29'54”，地处江苏省腹部，卤汀河、南官河、泰东河、引江河、新通扬运河、老通扬运河六条航道的交会点，西邻扬州市江都区，北、东与姜堰区接壤，南连高港区。区内现有城北污水厂和第一城南污水厂，处理规模分别为6万m3/d和8万m3/d。本文以城北污水处理厂的收水范围为研究对象，城北污水处理厂收水范围四至边界为西起引江河，东至海陵区规划边界，北起规划边界，南至扬州路、北城河、海姜大道，收水范围服务面积91.8km2，如图3所示，收水区域内地表水省考断面为朱庄大桥与迎江桥断面。

图3 海陵城北区域收水范围Fig.3 Range of water drainage system in north Hailin

结合研究区域2019～2021年雨污分流改造工程的实施，分析了雨污分流改造对城北污水处理厂进水水量水质变化、汇水范围内区域水环境质量变化情况影响。海陵区城区污水处理提质增效“333”工程已完成了对阳台污水的改造工程，本案例仅考虑生活污水与雨水的排水体制变化对水环境质量的影响。通过计算不同时间海陵区2019年至2021年区域雨污分流管网占比，寻找研究区域污水厂进水水量、进水COD浓度与区域水环境的总体变化趋势展开研究。

3 分析与讨论

3.1 海陵城北分区的雨污分流工程实施效果

城北分区现状市政管道排水体制以雨污分流制为主，2018年末海陵城市建成区有241个小区与集中居住区，其中55个小区和6个集中居住区尚未实施雨污分流改造，雨污分流占比74.7%，雨污合流占比25.3%。2019～2021年全区逐步开展雨污分流改造，海陵城北分区雨污分流占排水系统比例由74.69%提升至96.27%，厂区进水COD浓度由165mg/L提升至191mg/L，城北片区朱庄大桥与迎江桥控制断面地表水例行监测高锰酸盐指数浓度值由4.2mg/L降至2.8mg/L，逐月变化详见表1与图4。

分析表明，城北片区雨污分流改造工程的推进对于区域地表水环境质量改善有一定的效果，除雨污分流改造的贡献外，海陵区开展了控源截污等大量工程举措；雨污分流改造降低了生活污水跑冒滴漏的现象，阻断了雨水径流混入生活污水管网的途径，对于污水处理厂收水COD浓度的提升有一定促进作用。

表1 海陵城北分区雨污分流改造、污水厂水质水量及地表水环境质量的变化过程Tab.1 The change process of rain and sewage diversion reform，water quality and quantity in wastewater treatment plant and surface water quality in Hailin

图4 城北片区水环境及雨污分流改造变化趋势Fig.4 Change of Water Environment and Transformation of Rainwater and Sewage Diversion in North Area

3.2 排水系统的差异性及适用性

(1)合流制排水系统建设投资低，空间需求小。合流制排水运维管理简单、不会产生雨污水混接、错接等现象。在中小降雨的气候条件下，雨水径流还可冲刷管网中淤积污泥进入污水处理厂，有助于排污管道的清洁。系统设计得当，初期降雨将被收集至污水处理厂，不存在初期雨水直排下河污染城市水环境的问题。然而，在遭遇特大暴雨等极端天气时，合流制排水系统存在溢流污染现象。有研究表明当管网中水流速度达到0.2m/s时[8]，雨水可将沉积在管渠中的污泥冲起，增加初期雨污水的污染物浓度，此时溢流污染程度最大。

(2)分流制排水系统解决雨天溢流污染问题。分流制切断了污水直排入河的途径，而其最大的弊端就是初期雨水直排下河。有研究发现从降雨形成地面径流开始，前15min降雨径流携带有大量污染物，某些重金属浓度甚至超过城市污水厂的进水水质，初期雨水中SS和COD经常会超过一般污水处理厂的进水浓度[9]。如放任初期雨水直排下河，高污染通量的初期雨水将威胁城市河流水环境质量。相较于合流制排水体制，分流制系统工程投资费用高，地下空间需求大，运维管理更为复杂，易产生雨污水管道错搭混接等问题。

(3)不同排水系统的适用性。不同排水体制有其各自的适用范围及特点，详见表2。新建城区排水系统的建设，应科学论证、系统规划、因地制宜、分步实施。丰水地区应严格推行雨污分流，同时要考虑初期雨水污染的削减去除，结合海绵城市的工程理念，在雨水收集管网末端建设生态净化型蓄水池，降低初雨直排的污染程度[10]。

干旱地区、老城区不可盲目“一刀切”推广雨污分流。如新疆、甘肃、内蒙古等地相关城市等，年降雨量较低，宜采用合流制排水体制。以2020年兰州降雨为例[11]，全年最大单日降雨量为37mm，年均降雨量仅为327mm，采用合流制不会产生合流制溢流污染问题。实施雨污分流改造工程是对地方财力及人力资源的浪费，可以考虑利用道路两旁绿地建设生物滞留池，渗渠、以及下沉式绿地等多样化形式收集消纳部分初期雨水，加强对雨水资源的生态化利用。

表2 不同排水系统的适用条件Tab.2 Application condition of different drainage systems

4 结论与建议

江苏省处于东南沿海地区，水系发达、雨量充沛，建设规模及居住密度较为集中，合流制管网占比较高，溢流污染问题突出，苏北地区建议保留合流制排水系统，苏南地区有必要开展雨污分流改造，对于排水系统改造工程提出如下建议。

4.1 工程赋能，阻断溢流污染问题

基于我省合流制排水系统占比较重的现状，排水体制改造工作需加强与城市规划建设的联系，充分利用建构筑物、铺装路面、自然绿地、水流河道等系统对自然降雨的存蓄与吸纳功效。结合海绵城市、低影响开发等工程设计思路，实现雨水的自然积蓄、渗透及污染降解净化，辅以管网截留，排放口改造及末端污水处理厂设施改造等工程，控制雨水径流峰值与合流制溢流污染。

对于分流制排水系统而言，初期雨水的污染浓度较大，可在雨水管道与污水处理厂连接端设置雨水调蓄池，池体安装电动阀门、提升泵、浊度及COD传感器，通过水体浊度与COD双因子的实时在线监测大致判断水体受污染程度。对于前期污染程度较高的初期雨水，提升至污水处理厂进行处理；随着降雨历程的发展，后期雨水水质较好可打开阀门直接排入河流。

4.2 一城一策，科学优选排水体制

城市排水体制的改造没有一个放之四海而皆准的标准答案，排水系统改造工作需结合降雨量、城市基础建设条件、水系发达程度、人口聚集度、区位地理地势条件等多方面因素。年降雨量大于400mm的地区，合流制排水体制易出现污水溢流污染，可逐步实施雨污分流改造工程，同步辅以雨水的截留净化措施；对于年降雨量较小地区，不易造成污水溢流污染，雨水混入污水管网，对污水处理厂的影响也有限，可考虑保留合流排水体制对于苏南经济发达的老城区，街道非常密集，地下管网复杂，对于居住密度较大，改造工作严重影响居民生活的区块，可辅以雨水滞留池建设，强化溢流污染控制，有改造条件的地区要超前规划、科学论证，稳妥进行雨污分流改造工作；苏北地区老城区宜以保留现状合流制排水体制为主，加强溢流井的规范化建设。在新建城区宜采用雨污分流体制，重点国省考断面汇水范围内适当进行雨污分流改造同时控制初期雨水直排污染，雨水管末端建设雨水生物缓冲池，消纳降解初期雨水的污染。

4.3 结合生态修复，巩固提升初雨水环境质量

城市河道承载着城市的生态景观，是休闲娱乐与文化展示的重要平台，是城市特质与城市形象的集中反映。因早期规划缺乏科学论证，城市河道分布着许多雨水排口，初期雨水不能得到净化处理给河流水体带来了较大的污染负荷，优选排水体制工作的同时，兼顾在初雨受纳水体增设生态净化措施，如生物截留池、生态缓冲带等，利用植物根系与天然微生物群落耦合，形成固土-净水的功效，进一步提升初雨受纳水体的水环境、水生态质量，实现城市初期雨水由污水到生态补水的转变，保障城市河流生态用水的水资源量。