调蓄池控制合流制溢流污染的作用及设计要点分析

邢睿磊

(首都医科大学附属北京儿童医院，北京 100045)

引 言

在城市发展与改造的过程中，由于客观原因，尤其是许多老城区，实现完全的雨污分流具有极大的难度，如在北京市二环内的老城区中，实现完全的雨污分流区域范围比例不足15%[1]。盲目地进行分流制改造对于已建成的大中型城市是十分不理智的，不仅耗费时间精力，且极不经济[2]。很多城市已通过沿河或沿湖截污的方式解决了旱季污水直排入河的问题。我国现行《室外排水设计标准》(GB 50014-2021)中规定，截流倍数取值宜为2～5，但当降雨间隔时间长，强度大且雨量集中时，合流排放口排出的合流污水量超过截流管截流能力，地表的污染物便会随雨水径流进入合流管沟中，初期雨水、生活污水混杂着管沟中的积攒的污染物一并溢流涌入河道，使水体黑臭，造成合流制溢流(CSO)污染。尤其是随着城市人口不断扩大，极易发生溢流污染，水体无法利用自净能力消化合流污水[3]。要改变以老城区为代表的合流制城市水环境现状，就要设法控制合流制溢流污染的发生。

1 国内外合流制溢流的控制途径

从国内外城市排水系统改造的实际经验及排水现状的运行情况上看，部分合流制系统的存在是难以规避的，甚至在一定条件下相比分流制是相对合理的。如美国、日本、德国等发达国家在老城区内大多保持着合流制排水系统[4]。针对合流制溢流污染，发达国家大致经历了“末端截流调蓄为主”到“源头式分散控制为主”的转变过程。末端截流调蓄指修建调蓄池或者调蓄隧道等方式，将溢流污水收集储存，然后送至污水厂消纳，已初步形成了一套相对完整而成熟的设计计算方法和运营体系。源头式分散控制是指增设渗透设施和滞留设施，增加下渗雨水量，削减流入合流管线的雨水量。如在汇水面源头采用下凹式绿地、透水路面铺装、雨水湿地、屋顶花园和植被过滤设施等，实现削峰、减排和水质净化的目标。同等控制目标条件下，源头分散控制比末端调蓄控制更加节省建设和运维管理费用，但分散式控制需占用更多空间，其应用具有一定的限制性[5]。

我国在控制合流制污染的研究尚处于探索阶段，在城区改造的实践中证明，由于现今合流制体制的城市多为寸土寸金的老城区，故而采用源头式分散控制的方式在实施上存在较大难度。采用末端截流的方式更加符合我国国情，末端截流除了要进行截污管线的敷设，合流制调蓄池的建设也很有必要。虽然调蓄池在解决合流制溢流污染的问题上优势显著，但由于我国缺乏溢流水质、水量传输规律的基础研究，使得合流制调蓄池在规划方面缺乏相应科学依据，使得已建调蓄池运行效率偏低[6]。

2 调蓄池对溢流污染控制的必要性及应用

2.1 调蓄池建设的必要性

为高效实现削减溢流污染总量的目标，应从整个系统入手，修建调蓄池可发挥巨大作用。调蓄池可收集超过截流管能力和污水处理厂处理能力的合流污水，整体提升截污系统的截流量，减少溢流量。同时调蓄池的存在，使下游污水处理厂在洪峰时不会超负荷运行，雨停后再处理储存的溢流污水，将污水处理厂作用最大化，这样既减少不必要的截流干管投资，又减少污水处理厂厂前的溢流。

2.2 调蓄池的国内外应用

调蓄池在控制老城区合流制溢流污染过程中应用比较广泛。美国环境保护署提出调蓄池全年可控制溢流4～6次，或控制85%的溢流体积，即是合理的规模[7]。MEYAND[8]对比调蓄池实时控制前后的控制效率，发现采用实时控制的调蓄池的效率相比控制前可提高1.5～2.0倍，并且实施控制已从传统的水量控制发展到水质、受纳水体环境容量控制为主要目标。邱文新[9]通过在合流制污水管网末端与污水处理厂前段分别设置两座调蓄池，有效提升了截流干管的截流倍数，降低了排水系统溢流频次与溢流量。钱静等[10]在合肥市老城区排水系统研究中通过调蓄池的优化设计，在截流降雨量为14mm时，可实现平均年径流量约56.7%的合流污水的收集。刘松平等[11]研究发现，东莞石马河流域水环境综合治理中，在末端设置溢流调蓄池，可控制区域81.1%的降水事件，即相应年降水量的32.4%。

3 调蓄池的设计

我国各个城市基础设施现状有所不同，溢流污染情况各异，因此设计应充分考虑到不同城市特点及近远期规划，分析具体情况，有条件可借助模拟工具对规划、设计进行复核，因地制宜地设定最优方案。在减少溢流污染的过程中，截污管线与合流调蓄池的作用是相辅相成的，一味地增大截流倍数，不仅会大大增加截流管的管径，同时大量与水进入污水管道也会给下游污水处理厂带来过大的压力，使整个排水管网系统运行效率低下[12]。根据相关设计经验，调蓄池的设计需考虑以下几个方面。

3.1 调蓄池池容的确定

溢流雨水调蓄池已在各项工程中应用，调蓄池的容积是首要需要确定的。各地的调蓄池计算方式不尽相同，但在确定容积时，主要是需要结合当地的相关规划、降雨频次、降雨强度、径流系数以及汇水面积等等，同时要考虑到工程的投资、与下游水量的匹配，近远期的结合，从而确定调蓄量，选择出相应城市调蓄池池容的计算方法。

调蓄池建设费用高昂，选择合适的溢流污染控制目标对项目的实施性与经济性至关重要[13]。以南宁市那平江流域治理工程中合流调蓄池的池容计算为例，南宁市降雨比较丰富，通过对南宁市1980～2014年中发生的4541场降雨资料进行分析，南宁市平均降雨量为1298mm，降雨天数122天，降雨多以中小雨为主，25mm以下的降雨占比为90%，真降雨量对应的降雨次数频率关系曲线详见图1。同时，南宁市降雨分配十分不均匀，4月至9月为汛期，降水量达到1032mm，占全年总降水量的79.5%，而10月至翌年3月的降水总量仅为266mm，占全年的20.5%。

图1 南宁市不同降雨量对应的降雨次数频率曲线Fig.1 Frequency curve of rainfall frequency corresponding to different rainfall in Nanning

按照《海绵城市建设技术指南》技术要求，对基础降雨数据进行排序，并对年径流总量控制率与设计降雨量对应关系推算分析，得到相应关系曲线。如图2所示，南宁市年径流总量控制率为 70%、75%、80%、85%对应的设计降雨量分别为22.7 mm、26.0 mm、33.4 mm 和 40.4 mm。

图2 南宁市年径流总量控制率与设计降雨量对应关系曲线Fig.2 Corresponding relationship curve between total annual runoff control rate and design rainfall in Nanning

根据《南宁市海绵城市总体规划》中对年径流总量控制率的目标，2020年建成区示范区径流总量控制率不低于75%，其余不低于70%，2030年整体径流总量控制率不小于70%。根据南宁市降雨特征，70%径流总量控制率对应的设计降雨量为22.7 mm。假定降雨均匀，结合南宁市降雨频次、强度及工程投资等因素，确定管道截流系数为3，安全系数1.25。

调蓄池容积可按照下式进行计算：

V=10(H-y)ψFα。

式中：V——调蓄池容积，m3；

H——控制溢流次数对应降雨量，mm；

y——截留管线对应降雨量，mm；

ψ——径流系数；

F——雨水流域面积，km2；

α——安全系数，可取1.1～1.5。

3.2 调蓄池形式的选择

根据现场用地情况、排口情况以及下游管线及污水处理厂的情况，综合考虑决定调蓄池形式。调蓄池大多采用单层结构，现状合流排口经过截污管截流后，合流污水重力进入调蓄池，贮留混合污水减少溢流，还能起到净化污水的作用。当降雨结束后，暴雨时储存的合流污水经提升泵提升后排入污水管线，最终进入下游的污水处理厂进行处理。为使调蓄池可重力进水，调蓄池最高水位需在现况排河管线管内底以下。单层调蓄池剖面示意图见图3。

图3 单层调蓄池剖面示意图Fig.3 Section diagram of single-layer regulation storage tank

针对现况排河口高程较深且用地较为紧张的情况，也可考虑采用双层调蓄池形式，此形式可充分利用调蓄池上部空间，节省占地和造价。进水管线与现况排河口相接，截流污水重力进入下层调蓄池，经由提升泵由下层提升至上层调蓄池，待降雨结束后，针对下游管线高程，视情况采取重力或压力形式排至污水管中，最终进入污水处理厂，对合流污水进行错峰处理。双层调蓄池剖面示意图见图4。

单层调蓄池采用重力进水，不需要设置大流量的提升泵用以保障降雨时的抽升能力，安全度及保障度较高，只需根据排空时间设置流量较小的排空泵。此种形式的调蓄池应用广泛，稳定性较高，后期管养维护较为简便，但由于完全重力进水，调蓄池的最高水位不能高于现况排河口管内底。当现况排河口高程较低，施工时会造成调蓄池基坑深度较深且占地面积较大，增加基坑支护防水等措施费用。因此单层调蓄池适合现况排河口高程较浅，用地较为宽裕，具备较好放坡开挖条件的项目。

双层调蓄池可充分利用上层空间进行蓄水，在保证池容的前提下最大程度的减少了调蓄池用地，基坑占地面积小，节省了投资，同时尽可能地减少施工期间对周边居民和交通的影响，也为后期城市规划预留更大空间。同时，若上层调蓄池池底高程高于周边污水管高程，可考虑重力排空，更加节能。然而，下层调蓄池内需要设置流量较大的水泵以满足暴雨时的抽升能力，调蓄池后期管养维护较为复杂。因此双层调蓄池适用于现况排河管线较深，用地较为紧张的情况。

同样以南宁市那平江流域治理工程中溢流调蓄池为例，该项目共计6个调蓄池，建设位置均位于青秀区城区内，现况排河管线较深，导致调蓄池池深较深，且调蓄池占地较为紧张，不具备大范围开挖的实施条件，因此选取双层调蓄池形式。该项目调蓄池具体信息详见表1。

表1 南宁市那平江流域治理工程调蓄池汇总Tab.1 Summary of regulation and storage tank of naping river basin treatment project in Nanning

3.3 冲洗方式

调蓄池中既有初期雨水径流所携带的地表污染物与泥沙，又包含了不少管道内的堆积淤泥和生活污水，除了起到调蓄峰值雨水的作用，同时也在沉淀过程中净化合流污水，所以在调蓄池排空后，势必会在调蓄池底部沉积泥沙与杂物。若不及时清理，便无法将调蓄池作用最大化，同时若污染物在池体底部长期沉积，可能导致池体更加湿滑，污泥厌氧发酵，在翻起时也可能会产生有害气体，在运维人员下至池中检修设备或清理池体时，容易发生危险，故而在调蓄池的设计过程中应充分考虑调蓄池的冲洗方式。

只有在降雨量大时，调蓄池才会运行，尤其降雨频率较低的北方城市，调蓄池在较多时间处于空闲的状态，与长期运行的污水泵站或处理厂中构筑物相比，不大可能派人长期值守运维，故而在设计中应尽量采用可自动冲洗、运维简单的冲洗方式。调蓄池通常采用的冲洗措施有门式自冲洗系统、真空冲洗系统和智能喷射器冲洗系统等。各冲洗系统的特点对比详见表2。

在调蓄池设计中，需根据不同冲洗方式的优缺点，进行技术及经济的比选，选择出合适的冲洗方式，以保证调蓄池的正常运行，但无论采用哪种冲洗方式，在必要时仍需要采用人工清洁加以辅助[14]。

考虑到南宁市那平江流域治理工程中的调蓄池内多为合流污水及初期雨水，水质较差，调蓄池池底污染物较多且难清理，为保证冲洗效果，选择采用冲洗水头与冲洗宽度更大的真空冲洗系统。

3.4 除臭设计

合流制调蓄池中暂存的合流水中虽包含了大量雨水，但同样污染物的含量也很高，而调蓄池又多修建在城市之中，为尽量减少对周围环境的影响，所以同样需要考虑调蓄池的除臭系统设计。合流调蓄池可参考城镇污水处理厂的除臭方法。常用的除臭方法包含物理除臭法(如活性炭吸附法)、化学除臭法(如离子除臭法)以及生物除臭法(如生物土壤除臭法)。目前我国大部分仍采用生物除臭法，生物除臭法在针对低浓度和中浓度的除臭都较为适用，操作简单，经济且效率较高[15]。但在除臭工艺的选择上仍需要结合调蓄池自身的特点和要求，如在天气较冷的北方，在设计生物除臭的同时，也需要考虑日常维护管养以确保其除臭效率。

对于除臭风量，池内空间除臭风量通常可按2次内空间换气次数加臭气风量设计。对于新建的体积较大、工作人员经常入内操作的，需设置大风量的除臭设施，即便前期成本投资较高，但可更好地保障安全性，执行排放标准。而对于体量不大的调蓄池，除臭量可按照调蓄池容积的1～2倍的臭气体积考虑，在处理效果达标的前提下，尽可能节省投资[16]。

离子除臭法已比较成熟高效，运行成本低，受环境影响小，占地面积小，且无二次污染[17]。在那平江流域治理工程中，考虑到该项目调蓄池除臭处理的气量不大，且用地较为紧张，综合考虑决定采用离子除臭法。按照《城镇径流污染控制调蓄池技术规程》规定，除臭系统的处理风量按照调蓄池池容的2倍臭气体积计算，格栅间及进水泵的除臭风量按照《城镇污水处理厂臭气处理技术规程》中规定，进入水泵吸水井的臭气风量按单位水面面积臭气风量指标10m3/m2·h计算，并可增加1次/h的空间换气量。除臭支管流速3～5m/s，除臭干管流速10～15m/s。每个支管上设置风量调节阀，以保证风压平衡。

4 调蓄池运行效果

4.1 削减溢流污染效果

那平江流域治理工程于2021年6月底竣工，调蓄池运行情况良好。5#调蓄池位于南宁市仙葫大道南侧，有效池容为4400m3，最早封顶完工并投入试运行，于是对5#调蓄池进行了数据监测及统计。根据监测数据，在2021年降雨最为密集的7月，南宁市青秀区共降雨19次，其中5#调蓄池运行10次，排江4次。

以2021年7月17日的降雨为例，对5#调蓄池进行了水质的全过程监测，分别在截流井内(监测点位1)、排江口前的检查井(监测点位2)及调蓄池进水阀门井(监测点位3)设置水质监测点，具体检测点位图见图5。通过人工对截流水样、调蓄池的进水水样及排江水样进行采样，每15min采样一次，并对水质进行监测。从17：45降雨开始，大约18：00左右，调蓄池开始进水，20：45左右，池体上层水位达到设置水位上线，进水阀门井内电动阀门关闭，调蓄池停止进水，20：45之后的雨水直接排河。降雨持续至21：30，根据对调蓄池进水水样中COD及SS浓度的监测，图6即为5#调蓄池运行时进水污染物的浓度变化曲线，由图可知，此次调蓄过程中确实避免了污染物浓度较高时间段的污水直接排入水体。

根据监测数据，截流井内进水中，COD平均浓度为305.5mg/L，SS平均浓度为231mg/L；调蓄池进水中，COD平均浓度为282.7mg/L，SS平均浓度为178.8mg/L；排江口出水中，COD平均浓度为164.75mg/L，SS平均浓度为129mg/L。依据当日降雨量，可计算出当日5#调蓄池COD削减量为1243.7kg，COD削减率为51.88%，SS削减量为786.5kg，SS削减率为47.13%。

由计算结果可知，通过采用“截污管线+合流制调蓄池”的方式，有效减少了排放的污染物量。同时，调蓄池在合流制溢流污染的控制过程中扮演了相当重要的角色，对排江污染负荷的削减作用十分明显。

4.2 冲洗及除臭系统运行效果

对调蓄池廊道内离真空存水室5m处及冲洗廊道尽头处冲洗流速进行测定，离真空存水室5m处的冲洗流速约为5.3m/s，冲洗廊道尽头处的冲洗流速约为1.8m/s，在调蓄池的运行过程中，池底的垃圾和沉积物可较为有效地冲洗至集水槽内。

调蓄池内的臭气浓度会在合流污水滞留超过20h后出现较大幅度的增加。调蓄池采用的离子除臭系统，可迅速对臭气进行充分的氧化分解，对调蓄池进行有效除臭，控制尾气排放问题。各调蓄池均位于青秀区城区，运行至今，尾气控制方面表现良好，未发生相关投诉情况。

4.3 运行中的问题及措施

调蓄池在运行中，水质、水量的数据，不仅可以对调蓄池在控制合流制溢流污染的作用做出定量地评价，同时也能为调蓄池各系统的运维与参数调整起到指导作用。那平江调蓄池暂时未设置水质水量的在线监测系统，各项指标取样监测困难。

在后期的升级改造中，可在各调蓄池的截流井内、排江口前的检查井、调蓄池进水阀门井及调蓄池排放井内设置在线监测仪，实时监测各项水质水量指标。

5 结 论

(1)合流制溢流污染是水环境恶化的重要原因之一，控制CSO是改变水体黑臭现状的重中之重。我国与发达国家在控制溢流污染方面还有一定差距，根据我国国情，控制溢流污染可采用“截污管线+合流制调蓄池”的方式。

(2)在进行调蓄池设计时，应在满足国家有关规范的基础上，对当地气候、用地情况、现况管道及排河口情况、管养维护问题以及对周边环境近远期影响等方面进行综合考虑，确定调蓄池池容、形式、冲洗方式及除臭工艺等，只有这样才能保证调蓄池在控制溢流污染中发挥更大作用，并且与城市有机结合，融为一体。

(3)综合考虑南宁市降雨特点、现状管网、工程实施环境及投资等方面，那平江流域治理工程中的溢流调蓄池，确定了管道截流系数等参数，在此基础上计算调蓄池容积，并采用双层调蓄池形式、真空冲洗系统及离子除臭法。通过对运行中调蓄池工况及各项指标的监测与分析，调蓄池展现了较好的溢流污染削减能力，可大幅减少合流制溢流污染的发生，同时在池体反冲洗与尾气控制方面也达到设计预期效果。