巢湖市排水系統雨天溢流污染控制策略
摘 要 合流制系統改造及溢流污染控制是黑臭河道治理的核心工作之一。文中在總結國內外合流制溢流污染(CSO)治理措施的基礎上，論述了巢湖市排水系統溢流污染控制策略。系統分析了合流制溢流污染產生的原因，依據巢湖市污染排查和管網檢測等前期研究相關結果，提出了整體控制策略；并選取典型區域小王莊中溝，提出針對典型區域合流制系統的控制措施，即在現有管網的基礎上，借助管網系統與系統之間的互調性以及末端調蓄控制手段，對整個管網的污水運行及入河排放進行污染物溢流污染控制。
關鍵詞 溢流污染 現狀調查 末端調蓄 工程措施 旋流分離
合流制系統改造及溢流污染控制工作是河道治理的核心問題之一，傳統的合流制徹底改造分流制，目前在許多城市存在顯著的弊端：施工難度大、成本高、預期效果不明顯，徹底實行雨污分流改造的設想并不現實[1-2]。我國合流制溢流污染控制盡管取得了階段性進展和成果，但瓶頸在于尚未形成與特定區域相適應的污染控制技術體系，缺乏全過程技術指導與管理體系[3-4]。
巢湖沿岸城市合流制系統雨天溢流污染嚴重、污水收集率與城區排澇安全程度較低，造成巢湖的富營養化狀況加劇，藍藻水華頻繁發生，湖泊的生態環境遭到破壞，嚴重影響了流域供水安全，且成為影響社會穩定、制約區域經濟可持續發展的重大問題[5]。巢湖流域城市污染物排放是導致巢湖水環境不斷惡化的重要原因，隨著點源污染逐步受到控制，沿岸城市的城區面源污染控制已迫在眉睫。由于歷史原因，老城區采用合流制，溢流污染嚴重；而新開發城區排水系統雖采用分流制，但存在雨污混接現象，造成了嚴重的河道污染[6]。同時，雨天大量雨水進入污水管道也影響到污水廠運行效果，整個雨水、污水管網系統運行效率低。
針對巢湖市合流制排水系統溢流污染現狀，本文對旱天和雨天情況合流制排水系統雨污水的收集、輸送、截流、儲存、管道沉積物和雨天排放等環節進行診斷和評估，并進行各環節水質水量的調研和污染負荷平衡計算；在總體思路的基礎上，選取典型案例，經過計算，依據總體方案提出，典型區域小王莊中溝溢流污染削減技術及工程實施方案，為巢湖市合流制系統溢流污染削減工程和運行提供技術支撐。通過小王莊中溝工程的建設，截流旱流混接污水及初期雨水，減少小王莊中溝對洗耳池的不良影響。
1 研究區域與方法
1.1 研究區域概況
巢湖市合流制排水系統研究區域共分為5個片區，分別是：西環城河、東環城河、洗耳池、官圩、西壩片區。洗耳池是巢湖市市內水環境的主要水系之一，凈水面積為0.038 km2，前期調查顯示區域主要以合流制溢流污染為主，主要污染來源為小王莊中溝，具有典型性和重要性(圖1)。小王莊中溝為一地下箱涵，旱天主要污染來源為生活污水。在未進行改造前，對箱涵出水口水量進行監測，旱天排放水量高達7 004 m3/d。
1.2 技術路線
本研究的總體技術路線如圖2所示。
1.3 排水系統現狀診斷評估方法
巢湖市示范區域內環城河直排口現狀調查由同濟大學主導完成，對現狀雨水排口、污水排口、合流排口進行了普查，對排口污染源(居民、商鋪、賓館、飯店等)情況進行了調查，并提出截污方案[7-8]。
在環城河直排口現狀調查基礎上，依托當地截流工程，對環城河的污水和雨水排口進行全面截流改造。改造后，對主要排口進行了旱天排污情況調查，對雨天溢流污染特征進行了研究，方法和結論參見相關文獻[9]。基于現場調查數據，對代表性合流制排水系統的雨天溢流污染物出流規律、溢流事件平均濃度、系統溢流污染負荷，以及系統溢流的初期效應等指標進行了分析，為巢湖流域徑流水質數據庫的建立提供基礎數據支持。
2 控制策略及技術
2.1 巢湖市合流制排水系統溢流污染現狀
影響合流管網溢流污水的因素包含4個方面：降雨情況、下墊面情況、管道沉積物污染和截流倍數。由于城市基礎設施的落后，巢湖市中心城區現有的合流制管網不能滿足雨季排水要求，雨天溢流污染排入環城河的現象時有發生，造成環城河水質嚴重惡化，影響城市面貌和市民的生活質量。
對巢湖市示范區溢流污染特征及來源進行了分析[9]，對環城河主要的2個重力流混接雨水排口(軍分區路排口和團結路排口)進行了監測，分別在旱天和雨天溢流進行采樣，分析了主要污染物特性、顆粒態污染物和重金屬貢獻。以16 mm降雨場次為例，每場降雨軍分區路排口和團結路排口分別產生約40 kg COD和105 kg COD的溢流污染；旱季相同時間內2個排口則分別產生約6 kg COD和18 kg COD的污染。在不同的日降雨量條件下，污染濃度差異較大。有機污染物與營養鹽污染物由于主要來源不同，因此，其隨降雨量的變化也存在明顯的差異。溢流顆粒態的COD及有機質的濃度均隨降雨量的增大而減小。而氮、磷等營養物質在不同降雨量條件下出現一定的波動。同時，項目組利用SWMM耦合特卡洛算法，建立了旱天水質模型背景和雨天水動力水質模型。
巢湖市降水時空變化大，且為氣象災害多發區，當雨季特別是暴雨時期來臨時，管網承受能力有限，經常容易出現污水溢流現象。另外，研究區域內透水區域較小，大部分的面積為透水性較差的混凝土區域和磚砌半透水區域，雨天徑流系數較高，徑流量較大，進一步加劇了溢流污染的產生[10]。以巢湖市老城區為例，排水管道年久失修，旱天積累的沉積物較多，改造后混接現象較嚴重，污染物被雨污水沖刷而混入合流制雨污水中，導致污染物濃度升高。
此外，通過合流制污水廠運行工況調查與分析，采用附加管底沖淤的SWMM模型，對巢湖市合流制管道的雨天水質水量進行了預測，計算不同截流倍數時，截流干管截污量和溢流量的體積，由此，推算不同截流倍數情況下的去除率。最后，以單位工程投資環境效益為目標函數進行截流倍數優選，研究發現巢湖市環城河內合流管道最佳截流倍數N0=4.0。當N0=4.0時，截流式合流制系統全年溢入環城河的污染物總量小于分流制雨水管道直接排入環城河的污染物量，達到合流制排水系統分流化的效果。
2.2 合流制排水系統溢流污染及控制策略
合流管網溢流污染產生系統由污染物發生子系統(點源和面源)、污染物收集與輸送子系統、污水處理與回用子系統、污水排放口子系統、接受水體子系統組成(圖3)。該系統同時包括了從城鎮污水排水系統、工廠排水系統、雨水排水系統排出的溢流污染物。
在上述合流管網溢流污染產生系統中，溢流污染物的傳輸過程主要包括雨污水的收集、輸送、截流、儲存、處理、旱季沉淀、雨季溢流排放等多個環節，運行可大致分為晴天和雨天兩種情景。CSO污染主要包括3部分：超過管道截流能力而在溢流井處的溢流；截流到污水處理廠但超過處理能力的廠前溢流；污水處理廠的超越排放。
CSO污染的產生、輸送、負荷及分配受降雨特點(降雨量、降雨強度、雨型等)、下墊面條件(地形地貌、下滲、滯蓄能力等)、管道拓撲及溢流井分布、截流能力(截流倍數)、污水處理廠處理能力及工藝配制等多因素的綜合影響。在不同降雨條件和截流倍數處理能力下，CSO發生的位置和時間、CSO污染物排放總量及相應的控制均有所不同。為實現CSO污染物總量削減的目標，應從“源頭-過程-末端”整個系統入手，實現全過程控制。
(1)采取源頭控制措施，減少進入合流制系統的徑流量Qr。
(2)適當提高截流管截流能力并相應提高污水廠污水處理能力Qw，減少溢流井處溢流量，或根據污水處理廠規劃設計能力合理確定截流倍數，減少不必要的截流干管投資和污水處理廠的廠前溢流。
(3)對于超過截流管能力和污水處理廠處理能力的合流污水，在溢流井附近設置調蓄設施暫時儲存，雨水輸送到污水處理廠或就地處理后利用或排放。
(4)對超過調蓄設施調蓄能力的合流污水就地處理后再溢流排放。
(5)對污水處理廠及其工藝進行合理的升級改造，減少場內超越排放和提高對雨季污水的處理效率。
(6)一個完整的水污染控制系統還應包括管理子系統，管理子系統是規劃實施和運行的保障，管理子系統一般應包括管理體制和運行機制、規劃項目資金籌措、監督管理、嚴格法規和公眾參與等。
2.3 合流制排水系統溢流污染控制措施
綜合國內外對CSO污染的治理措施，控制模式如圖3所示。總體而言，CSO控制措施可分為源頭控制和末端處理兩大類[11]。
研究區域為巢湖市中心城區，大多數管網修建年份已久，且合流制管網地上建筑密集。舊合流制排水管渠系統的改造是一項非常復雜的工程。改造措施應根據城市的具體情況，因地制宜，綜合考慮污水水質、水量、水文、氣象條件、資金條件、現場施工條件等因素，結合城市排水規劃，在盡可能減少水體污染的同時，充分利用原有管渠，實現保護環境和節約投資的雙重目標。由于中心城區內建筑密度大、道路狹窄等客觀因素的制約，欲進行雨、污分流改造不符合實際情況，所需經濟投入較大。針對這一問題，提出合流制系統的優化調度策略，即在現有管網的基礎上，借助管網系統與系統之間的互調性、末端調蓄控制的策略性，對整個管網的污水運行及入河排放進行優化控制，以達到減少合流制溢流污染的目的。具體措施如下。
(1)截流式合流制排水系統被認為是較合理可行的改進措施。保留中心城區部分合流管，沿城區周圍水體敷設截流干管，對合流污水實施截流，并視城市的發展狀況，逐步完善管網，改為分流制。這種方式，由于工程量相對較小、節約投資、易于施工、見效快，已廣泛應用，并取得良好效果。在截流干管適當位置設置合流污水調蓄構筑物，將超過截流干管轉輸能力及污水廠處理能力的合流污水引入調蓄構筑物中暫時儲存，待暴雨過后再通過污水泵提升至截流干管，最終進入污水廠處理，基本保證水體不受或少受污染。針對合流污水水量大、濃度低的特點，可采用一級處理，選擇篩濾、混凝沉淀、投氯消毒的處理工藝，合流污水經處理后，污染物濃度可顯著降低，從而大大減輕對水體的污染。
(2)加強市政污水支管的建設力度，提高支管與總管收集程度的配備度；通過對污水管道狀況的判斷，可提供完善管網系統的工程方案，對中心城區主要區段的合流制管道進行修整，以提高巢湖市中心城區內合流制系統的污水納管率。在配套管網新建及管道修復完成后，定期采樣監測。
(3)根據巢湖市雨天排水污染情況，提出可行的控制措施，削減或改善合流制排水系統溢流污染狀況，從而提高雨水利用率，緩解城市水資源短缺問題。
(4)在對巢湖市合流制管網現狀分析的基礎上進行規劃所需的相關預測，主要為水量和水質兩方面。要求分別估算生活污水量、工業廢水量和雨水徑流量，研究巢湖市污水處理與利用的方法及管網、排口、泵站、污水處理廠的最優改造總體方案。
(5)降低人口壓力帶來的生活水環境質量惡化風險，改變人們的生產、生活方式，節約利用水資源，減少水污染；降低重污染工業的發展，促進產業的技術升級，大力發展環保產業和高新技術產業，實現綠色生產，減少工業水污染對水環境造成的危害；推動循環型經濟增長方式，促進水資源的整合利用。
目前，針對溢流污染情況，常采用的排口末端截污措施包括人工濕地、濱岸緩沖帶、調蓄池和新型末端截污。新型末端截污常用措施包括旋流分離器、多級土壤滲濾系統、土地滲濾系統和管道自沖洗等。
2.4 巢湖市小王莊中溢流污染控制技術研究
針對本工程研究范圍內排水系統雨天溢流污染和初期雨水徑流污染的控制問題，結合巢湖市近年來的城市水環境領域科研成果，對排水系統雨天污染物出流特性進行研究，分析其對水環境造成的影響程度。根據巢湖水環境質量建設目標及水環境現狀容量，結合排水系統雨天污染物出流特點和國內外類似工程的成功經驗，合理確定本工程所在區域初期雨水截流標準。對城市初期雨水污染的控制，宜采用截流、泵站提升、處理相組合的方式。本工程的主要目的是有效降低巢湖市小王莊中溝合流制排水系統對洗耳池水體造成的污染，旱天截流污水至洗耳池泵站，經提升后輸送至崗嶺污水廠處理；雨天收集污染較為嚴重的初期雨水，至新建的旋流分離設施處理后排放到陸家河，強降雨期間通過液壓壩泄洪至洗耳池，確保上游區域的防洪排澇安全。由于缺少巢湖當地的歷時長、精度較高且較完整的氣象降雨、初期雨水水質資料，參照合肥市初期雨水6～10 mm截流標準，確定本工程初期雨水截流標準為8 mm，區域綜合徑流系數評價為0.6，則初期雨水凈截流量為5 mm。據確定的截流標準，新增設施收集處理服務區域內的5 mm當量降雨量，污水截流量約為7 000 m3/d。結合巢湖市相關工程規劃、監測水質以及第三方檢測結果，計算可知區域初期雨水收集量不小于5 mm當量降雨量、雨季溢流COD負荷在現有基礎上平均削減20%以上[9,12]。
3 結論
參照國內外合流制排水系統溢流污染工程經驗，本研究系統地總結了合流制排水系統溢流污染的產生、輸送、影響因素和控制措施。其次，以小王莊中溝為示范區域，結合區域范圍內建筑密度大、道路狹窄、合改分經濟投入大等客觀因素，采用末端截流的控制措施(旋流分離器)。在對示范區域內現狀水體水質進行合理監測的基礎上，分析了工程方案的水環境治理效果及工程效益；結合巢湖市相關工程規劃，完成初期雨水轉輸工程建設，實現區域初期雨水收集量不小于5 mm當量降雨量、雨季溢流COD負荷在現有基礎上平均削減20%以上的目標。
作者單位：上海市城市建設設計研究總院〈集團〉有限公司
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