巢湖市排水系统雨天溢流污染控制策略
摘 要 合流制系统改造及溢流污染控制是黑臭河道治理的核心工作之一。文中在总结国内外合流制溢流污染(CSO)治理措施的基础上，论述了巢湖市排水系统溢流污染控制策略。系统分析了合流制溢流污染产生的原因，依据巢湖市污染排查和管网检测等前期研究相关结果，提出了整体控制策略；并选取典型区域小王庄中沟，提出针对典型区域合流制系统的控制措施，即在现有管网的基础上，借助管网系统与系统之间的互调性以及末端调蓄控制手段，对整个管网的污水运行及入河排放进行污染物溢流污染控制。
关键词 溢流污染 现状调查 末端调蓄 工程措施 旋流分离
合流制系统改造及溢流污染控制工作是河道治理的核心问题之一，传统的合流制彻底改造分流制，目前在许多城市存在显著的弊端：施工难度大、成本高、预期效果不明显，彻底实行雨污分流改造的设想并不现实[1-2]。我国合流制溢流污染控制尽管取得了阶段性进展和成果，但瓶颈在于尚未形成与特定区域相适应的污染控制技术体系，缺乏全过程技术指导与管理体系[3-4]。
巢湖沿岸城市合流制系统雨天溢流污染严重、污水收集率与城区排涝安全程度较低，造成巢湖的富营养化状况加剧，蓝藻水华频繁发生，湖泊的生态环境遭到破坏，严重影响了流域供水安全，且成为影响社会稳定、制约区域经济可持续发展的重大问题[5]。巢湖流域城市污染物排放是导致巢湖水环境不断恶化的重要原因，随着点源污染逐步受到控制，沿岸城市的城区面源污染控制已迫在眉睫。由于历史原因，老城区采用合流制，溢流污染严重；而新开发城区排水系统虽采用分流制，但存在雨污混接现象，造成了严重的河道污染[6]。同时，雨天大量雨水进入污水管道也影响到污水厂运行效果，整个雨水、污水管网系统运行效率低。
针对巢湖市合流制排水系统溢流污染现状，本文对旱天和雨天情况合流制排水系统雨污水的收集、输送、截流、储存、管道沉积物和雨天排放等环节进行诊断和评估，并进行各环节水质水量的调研和污染负荷平衡计算；在总体思路的基础上，选取典型案例，经过计算，依据总体方案提出，典型区域小王庄中沟溢流污染削减技术及工程实施方案，为巢湖市合流制系统溢流污染削减工程和运行提供技术支撑。通过小王庄中沟工程的建设，截流旱流混接污水及初期雨水，减少小王庄中沟对洗耳池的不良影响。
1 研究区域与方法
1.1 研究区域概况
巢湖市合流制排水系统研究区域共分为5个片区，分别是：西环城河、东环城河、洗耳池、官圩、西坝片区。洗耳池是巢湖市市内水环境的主要水系之一，净水面积为0.038 km2，前期调查显示区域主要以合流制溢流污染为主，主要污染来源为小王庄中沟，具有典型性和重要性(图1)。小王庄中沟为一地下箱涵，旱天主要污染来源为生活污水。在未进行改造前，对箱涵出水口水量进行监测，旱天排放水量高达7 004 m3/d。
1.2 技术路线
本研究的总体技术路线如图2所示。
1.3 排水系统现状诊断评估方法
巢湖市示范区域内环城河直排口现状调查由同济大学主导完成，对现状雨水排口、污水排口、合流排口进行了普查，对排口污染源(居民、商铺、宾馆、饭店等)情况进行了调查，并提出截污方案[7-8]。
在环城河直排口现状调查基础上，依托当地截流工程，对环城河的污水和雨水排口进行全面截流改造。改造后，对主要排口进行了旱天排污情况调查，对雨天溢流污染特征进行了研究，方法和结论参见相关文献[9]。基于现场调查数据，对代表性合流制排水系统的雨天溢流污染物出流规律、溢流事件平均浓度、系统溢流污染负荷，以及系统溢流的初期效应等指标进行了分析，为巢湖流域径流水质数据库的建立提供基础数据支持。
2 控制策略及技术
2.1 巢湖市合流制排水系统溢流污染现状
影响合流管网溢流污水的因素包含4个方面：降雨情况、下垫面情况、管道沉积物污染和截流倍数。由于城市基础设施的落后，巢湖市中心城区现有的合流制管网不能满足雨季排水要求，雨天溢流污染排入环城河的现象时有发生，造成环城河水质严重恶化，影响城市面貌和市民的生活质量。
对巢湖市示范区溢流污染特征及来源进行了分析[9]，对环城河主要的2个重力流混接雨水排口(军分区路排口和团结路排口)进行了监测，分别在旱天和雨天溢流进行采样，分析了主要污染物特性、颗粒态污染物和重金属贡献。以16 mm降雨场次为例，每场降雨军分区路排口和团结路排口分别产生约40 kg COD和105 kg COD的溢流污染；旱季相同时间内2个排口则分别产生约6 kg COD和18 kg COD的污染。在不同的日降雨量条件下，污染浓度差异较大。有机污染物与营养盐污染物由于主要来源不同，因此，其随降雨量的变化也存在明显的差异。溢流颗粒态的COD及有机质的浓度均随降雨量的增大而减小。而氮、磷等营养物质在不同降雨量条件下出现一定的波动。同时，项目组利用SWMM耦合特卡洛算法，建立了旱天水质模型背景和雨天水动力水质模型。
巢湖市降水时空变化大，且为气象灾害多发区，当雨季特别是暴雨时期来临时，管网承受能力有限，经常容易出现污水溢流现象。另外，研究区域内透水区域较小，大部分的面积为透水性较差的混凝土区域和砖砌半透水区域，雨天径流系数较高，径流量较大，进一步加剧了溢流污染的产生[10]。以巢湖市老城区为例，排水管道年久失修，旱天积累的沉积物较多，改造后混接现象较严重，污染物被雨污水冲刷而混入合流制雨污水中，导致污染物浓度升高。
此外，通过合流制污水厂运行工况调查与分析，采用附加管底冲淤的SWMM模型，对巢湖市合流制管道的雨天水质水量进行了预测，计算不同截流倍数时，截流干管截污量和溢流量的体积，由此，推算不同截流倍数情况下的去除率。最后，以单位工程投资环境效益为目标函数进行截流倍数优选，研究发现巢湖市环城河内合流管道最佳截流倍数N0=4.0。当N0=4.0时，截流式合流制系统全年溢入环城河的污染物总量小于分流制雨水管道直接排入环城河的污染物量，达到合流制排水系统分流化的效果。
2.2 合流制排水系统溢流污染及控制策略
合流管网溢流污染产生系统由污染物发生子系统(点源和面源)、污染物收集与输送子系统、污水处理与回用子系统、污水排放口子系统、接受水体子系统组成(图3)。该系统同时包括了从城镇污水排水系统、工厂排水系统、雨水排水系统排出的溢流污染物。
在上述合流管网溢流污染产生系统中，溢流污染物的传输过程主要包括雨污水的收集、输送、截流、储存、处理、旱季沉淀、雨季溢流排放等多个环节，运行可大致分为晴天和雨天两种情景。CSO污染主要包括3部分：超过管道截流能力而在溢流井处的溢流；截流到污水处理厂但超过处理能力的厂前溢流；污水处理厂的超越排放。
CSO污染的产生、输送、负荷及分配受降雨特点(降雨量、降雨强度、雨型等)、下垫面条件(地形地貌、下渗、滞蓄能力等)、管道拓扑及溢流井分布、截流能力(截流倍数)、污水处理厂处理能力及工艺配制等多因素的综合影响。在不同降雨条件和截流倍数处理能力下，CSO发生的位置和时间、CSO污染物排放总量及相应的控制均有所不同。为实现CSO污染物总量削减的目标，应从“源头-过程-末端”整个系统入手，实现全过程控制。
(1)采取源头控制措施，减少进入合流制系统的径流量Qr。
(2)适当提高截流管截流能力并相应提高污水厂污水处理能力Qw，减少溢流井处溢流量，或根据污水处理厂规划设计能力合理确定截流倍数，减少不必要的截流干管投资和污水处理厂的厂前溢流。
(3)对于超过截流管能力和污水处理厂处理能力的合流污水，在溢流井附近设置调蓄设施暂时储存，雨水输送到污水处理厂或就地处理后利用或排放。
(4)对超过调蓄设施调蓄能力的合流污水就地处理后再溢流排放。
(5)对污水处理厂及其工艺进行合理的升级改造，减少场内超越排放和提高对雨季污水的处理效率。
(6)一个完整的水污染控制系统还应包括管理子系统，管理子系统是规划实施和运行的保障，管理子系统一般应包括管理体制和运行机制、规划项目资金筹措、监督管理、严格法规和公众参与等。
2.3 合流制排水系统溢流污染控制措施
综合国内外对CSO污染的治理措施，控制模式如图3所示。总体而言，CSO控制措施可分为源头控制和末端处理两大类[11]。
研究区域为巢湖市中心城区，大多数管网修建年份已久，且合流制管网地上建筑密集。旧合流制排水管渠系统的改造是一项非常复杂的工程。改造措施应根据城市的具体情况，因地制宜，综合考虑污水水质、水量、水文、气象条件、资金条件、现场施工条件等因素，结合城市排水规划，在尽可能减少水体污染的同时，充分利用原有管渠，实现保护环境和节约投资的双重目标。由于中心城区内建筑密度大、道路狭窄等客观因素的制约，欲进行雨、污分流改造不符合实际情况，所需经济投入较大。针对这一问题，提出合流制系统的优化调度策略，即在现有管网的基础上，借助管网系统与系统之间的互调性、末端调蓄控制的策略性，对整个管网的污水运行及入河排放进行优化控制，以达到减少合流制溢流污染的目的。具体措施如下。
(1)截流式合流制排水系统被认为是较合理可行的改进措施。保留中心城区部分合流管，沿城区周围水体敷设截流干管，对合流污水实施截流，并视城市的发展状况，逐步完善管网，改为分流制。这种方式，由于工程量相对较小、节约投资、易于施工、见效快，已广泛应用，并取得良好效果。在截流干管适当位置设置合流污水调蓄构筑物，将超过截流干管转输能力及污水厂处理能力的合流污水引入调蓄构筑物中暂时储存，待暴雨过后再通过污水泵提升至截流干管，最终进入污水厂处理，基本保证水体不受或少受污染。针对合流污水水量大、浓度低的特点，可采用一级处理，选择筛滤、混凝沉淀、投氯消毒的处理工艺，合流污水经处理后，污染物浓度可显著降低，从而大大减轻对水体的污染。
(2)加强市政污水支管的建设力度，提高支管与总管收集程度的配备度；通过对污水管道状况的判断，可提供完善管网系统的工程方案，对中心城区主要区段的合流制管道进行修整，以提高巢湖市中心城区内合流制系统的污水纳管率。在配套管网新建及管道修复完成后，定期采样监测。
(3)根据巢湖市雨天排水污染情况，提出可行的控制措施，削减或改善合流制排水系统溢流污染状况，从而提高雨水利用率，缓解城市水资源短缺问题。
(4)在对巢湖市合流制管网现状分析的基础上进行规划所需的相关预测，主要为水量和水质两方面。要求分别估算生活污水量、工业废水量和雨水径流量，研究巢湖市污水处理与利用的方法及管网、排口、泵站、污水处理厂的最优改造总体方案。
(5)降低人口压力带来的生活水环境质量恶化风险，改变人们的生产、生活方式，节约利用水资源，减少水污染；降低重污染工业的发展，促进产业的技术升级，大力发展环保产业和高新技术产业，实现绿色生产，减少工业水污染对水环境造成的危害；推动循环型经济增长方式，促进水资源的整合利用。
目前，针对溢流污染情况，常采用的排口末端截污措施包括人工湿地、滨岸缓冲带、调蓄池和新型末端截污。新型末端截污常用措施包括旋流分离器、多级土壤渗滤系统、土地渗滤系统和管道自冲洗等。
2.4 巢湖市小王庄中溢流污染控制技术研究
针对本工程研究范围内排水系统雨天溢流污染和初期雨水径流污染的控制问题，结合巢湖市近年来的城市水环境领域科研成果，对排水系统雨天污染物出流特性进行研究，分析其对水环境造成的影响程度。根据巢湖水环境质量建设目标及水环境现状容量，结合排水系统雨天污染物出流特点和国内外类似工程的成功经验，合理确定本工程所在区域初期雨水截流标准。对城市初期雨水污染的控制，宜采用截流、泵站提升、处理相组合的方式。本工程的主要目的是有效降低巢湖市小王庄中沟合流制排水系统对洗耳池水体造成的污染，旱天截流污水至洗耳池泵站，经提升后输送至岗岭污水厂处理；雨天收集污染较为严重的初期雨水，至新建的旋流分离设施处理后排放到陆家河，强降雨期间通过液压坝泄洪至洗耳池，确保上游区域的防洪排涝安全。由于缺少巢湖当地的历时长、精度较高且较完整的气象降雨、初期雨水水质资料，参照合肥市初期雨水6～10 mm截流标准，确定本工程初期雨水截流标准为8 mm，区域综合径流系数评价为0.6，则初期雨水净截流量为5 mm。据确定的截流标准，新增设施收集处理服务区域内的5 mm当量降雨量，污水截流量约为7 000 m3/d。结合巢湖市相关工程规划、监测水质以及第三方检测结果，计算可知区域初期雨水收集量不小于5 mm当量降雨量、雨季溢流COD负荷在现有基础上平均削减20%以上[9,12]。
3 结论
参照国内外合流制排水系统溢流污染工程经验，本研究系统地总结了合流制排水系统溢流污染的产生、输送、影响因素和控制措施。其次，以小王庄中沟为示范区域，结合区域范围内建筑密度大、道路狭窄、合改分经济投入大等客观因素，采用末端截流的控制措施(旋流分离器)。在对示范区域内现状水体水质进行合理监测的基础上，分析了工程方案的水环境治理效果及工程效益；结合巢湖市相关工程规划，完成初期雨水转输工程建设，实现区域初期雨水收集量不小于5 mm当量降雨量、雨季溢流COD负荷在现有基础上平均削减20%以上的目标。
作者单位：上海市城市建设设计研究总院〈集团〉有限公司
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