何雨豪，宋玉亮，張百德，張真真，張志斌，邢麗貞

(1.山東建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.濰坊市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濰坊 261000)

外源污染和內(nèi)源污染的交互作用加劇了水體黑臭程度，而CSOs(Combined sewer overflows，CSOs)中含有大量有機(jī)物、氮、磷、重金屬等，是常見的外源污染。在我國，雖然一些新建城市或新建城區(qū)排水系統(tǒng)都采用了分流制，但仍有相當(dāng)一部分城市的老城區(qū)采用的是合流制排水系統(tǒng)，暴雨時(shí)CSOs會(huì)對(duì)河流造成較嚴(yán)重的污染，因此，解決老城區(qū)合流制污水溢流問題是防治城市水體黑臭的重要措施之一。

1 CSOs與水體污染

上世紀(jì)九十年代Balmforth D J等[1]就認(rèn)識(shí)到合流制溢流是英國城市河流污染的主要原因之一。盡管水體有一定的自凈作用，但CSOs如果不加處理直接排入水體，對(duì)水體的污染在短時(shí)間內(nèi)很難消除。

1.1 CSOs與排水體制

排水系統(tǒng)雨污分流制在源頭上杜絕了雨季混合污水進(jìn)入水體，可對(duì)水體起到根本的保護(hù)作用。根據(jù)劉翠云等[2]對(duì)北京城區(qū)進(jìn)行的研究，在采用分流制的新城區(qū)等環(huán)境管理良好的地區(qū)基本不會(huì)出現(xiàn)城市水體出現(xiàn)黑臭的情況。一些老城區(qū)，由于管網(wǎng)改造的難度大，仍然保留了雨污合流管網(wǎng)，這些管網(wǎng)以截留式合流制排水系統(tǒng)居多。旱季，污水通過管網(wǎng)進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理，而雨季，當(dāng)暴雨徑流量較大時(shí)，管道過流量超過管道最大設(shè)計(jì)流量，CSOs會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厮w質(zhì)量造成明顯的沖擊。一般情況下，上游或者毗鄰老城區(qū)的合流制污水溢流也是造成一些新城區(qū)周邊水體黑臭的重要原因。陳邵軍等運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)沈陽北部合流制排水系統(tǒng)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示：一場(chǎng)歷時(shí)2 h的小到中雨(降雨量5.1～18.0 mm/6 h)，可使管網(wǎng)中的混合污水流量增加率最高達(dá)到125%；而發(fā)生一場(chǎng)歷時(shí)2.5 h的中到大雨(降雨量18.1～38.0 mm/6 h)，管網(wǎng)中混合污水量增加率最大值將超過230%[3]。

1.2 CSOs水質(zhì)

合流制污水溢流的污染物主要來源于旱流污水、管道沉積物和地表徑流等。陳紹軍等[3]通過對(duì)沈陽的暴雨徑流的研究，發(fā)現(xiàn)CSOs的污染程度在降雨歷時(shí)1～2 h內(nèi)，隨時(shí)間延長COD、SS等會(huì)有所增加，而氨氮有所降低。葉婉露等[4]對(duì)華北某地CSOs中的污染物進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，根據(jù)雨量不同污染物濃度有所變化，COD濃度在25～1 630 mg/L，氨氮濃度在1.07～24.60 mg/L，TP濃度在0.21～5.72 mg/L。張偉等對(duì)某地溢流至護(hù)城河的初期雨水進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)暴雨重現(xiàn)期越大，CSOs對(duì)河流的污染程度就越重。當(dāng)為P=1 a時(shí)，CSOs中的COD、NH4-N、TP和TSS分別達(dá)到145.60,1.52,0.09,275.90 mg/L；當(dāng)重現(xiàn)期為20 a時(shí)，CSOs中的COD、NH4-N、TP和TSS可達(dá)263.3,2.43,0.14,499.7 mg/L[5]。

2 控制合流制污水溢流的技術(shù)措施

對(duì)CSOs的控制可以分別從源頭治理、過程治理和末端治理進(jìn)行。

2.1 源頭治理

源頭治理是從減少進(jìn)入管網(wǎng)和水體的雨水量和污染物總量入手。

2.1.1 雨污分流 根據(jù)劉翠云等[2]對(duì)北京城區(qū)合流制和分流制兩種排水系統(tǒng)的對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，城中雨污分流制排水系統(tǒng)的污染負(fù)荷遠(yuǎn)低于合流制排水系統(tǒng)的污染負(fù)荷。李青云等[6]對(duì)北京采用不同排水體制的兩個(gè)村鎮(zhèn)開展研究，也得出在面源污染控制方面雨污分流制更優(yōu)于合流制的結(jié)論。將合流制排水系統(tǒng)改造成分流制排水系統(tǒng)是控制CSOs污染的有效措施，對(duì)有條件的地區(qū)應(yīng)盡可能把合流制排水系統(tǒng)逐步改造成分流制排水系統(tǒng)。

2.1.2 海綿工程措施 海綿城市建設(shè)是通過低影響開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，在老城區(qū)排水系統(tǒng)改造和黑臭水體治理方面有明顯優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)開發(fā)會(huì)斬?cái)嘤晁淖匀谎h(huán)路線，在減少下滲的同時(shí)增加了雨水徑流量。低影響開發(fā)(LID)則是通過海綿工程措施達(dá)到雨水收集、高效滲透、地下凈化和回收利用的目的?？梢燥@著減少CSOs的主要技術(shù)措施有雨水花園、雨水塘、下沉式綠地、植草溝、綠色屋頂?shù)龋@些工程措施都可以結(jié)合景觀效果進(jìn)行建設(shè)。

(1)雨水花園

雨水花園是常見的生物滯留設(shè)施，通過在低洼區(qū)域種植樹木或地被植物，可以于存儲(chǔ)雨水的同時(shí)，顯著減少暴雨徑流，且入滲性能穩(wěn)定，對(duì)水質(zhì)也能起到一定的凈化作用。日本京都的兩個(gè)雨水花園在運(yùn)行期內(nèi)對(duì)于暴雨徑流的平均削減率都在60%以上[7]，美國圣路易斯市的一個(gè)雨水花園可減少76%的雨水徑流量[8]，俄亥俄州辛那提的一個(gè)雨水花園能截留50%的雨水徑流，并在當(dāng)?shù)?0%的降雨事件中完全控制住了溢流情況的發(fā)生[9]，而位于西安某高校內(nèi)的雨水花園對(duì)于暴雨徑流的總削減率最高達(dá)到了99.0%[10]。根據(jù)Hunt W F等[11]的研究，雨水花園對(duì)于氮的去除率都能達(dá)到75%，對(duì)于鋅、銅和鉛的去除率分別能達(dá)到98%,99%,81%。

(2)雨水塘

雨水塘可分為干塘、延時(shí)滯留塘和濕塘。干塘在旱季是干的，用來臨時(shí)調(diào)蓄雨水徑流，控制洪峰流量，并有一定的水質(zhì)凈化功能；延時(shí)滯留塘?xí)r干時(shí)濕，有雨時(shí)可暫時(shí)調(diào)蓄雨水徑流，雨后再逐漸將積水排泄出去；濕塘是一種永久性水池，調(diào)節(jié)雨水徑流的能力差，常用于水質(zhì)控制。隨著研究的進(jìn)一步深入，多級(jí)出水口被證明能夠更大程度地提升雨水塘的調(diào)蓄能力和削減洪峰的能力[12]。設(shè)計(jì)合理的具有多級(jí)出水口的雨水塘，隨著塘中水位的變化，可兼具削減出流峰值、控制徑流總量、凈化水質(zhì)等多重功能[13]。

(3)下沉式綠地

下沉式綠地也是一種生物滯留設(shè)施，滲水蓄水能力較強(qiáng)，可建于小區(qū)、綠地、道路和廣場(chǎng)內(nèi)。其高程一般低于周邊地平100～200 mm，下凹深度可視植物特性和土壤滲透性能而定。

葉水根等[14]對(duì)下沉式綠地對(duì)雨水的截留效果進(jìn)行了計(jì)算和分析，結(jié)果表明：在1倍匯水面積的情況下，對(duì)于10,50和100年一遇的暴雨雨量的削減率分別為87.15%，58.48%和50.75%。

根據(jù)劉志勇等[15]的研究，小區(qū)地下空間頂板的淺層綠地對(duì)雨水中污染物的凈化作用主要依靠種植基質(zhì)層，對(duì)COD、TN、TP的去除率分別在54.5%～60.3%,48.5%～61.0%和6.3%～54.0%之間。由于雨水在綠地中的水力停留時(shí)間很短，植物對(duì)污染物的削減量并不明顯。

(4)植草溝

(5)綠色屋頂

綠色屋頂(EGR)是對(duì)建筑屋面進(jìn)行適當(dāng)改造而成，由下往上一般由100 mm礫石排水層、100 mm砂濾層、土工布層以及100 mm砂土層組成[19]，再在上面因地制宜種植各種植物，可對(duì)雨水徑流起到一定的截留作用。

綠色屋頂對(duì)雨水徑流的截留效率受到植物、建筑密集程度、屋頂坡度等的影響。根據(jù)XiaoXiao Li等[20]對(duì)一些常見植物的研究，植物對(duì)綠色屋頂截留雨水徑流的貢獻(xiàn)至少在36.5%以上。在建筑密集程度較低的重慶大學(xué)虎溪校區(qū)，屋面全部綠化后的綠色屋頂對(duì)峰值降雨徑流可降低5.3%，對(duì)降雨徑流總量可降低31%; 對(duì)總懸浮物( TSS) 、總磷、總氮的污染負(fù)荷分別降低 40.0%,31.6%,29.8%[21]。廣州建造的大面積綠色屋頂，雖然綠色屋頂只占總建筑面積的37.25%，但是暴雨徑流總截留效率可達(dá)23.29%～28.44%[22]。Kristin L Getter等[23]對(duì)單一屋頂進(jìn)行研究，在坡降2%～25%的屋面栽種相同的植物，對(duì)雨水徑流的平均截留效率為80.8%。

2.2 過程治理

過程控制是通過管網(wǎng)改造、對(duì)管道進(jìn)行清淤等措施降低CSOs總量或污染物濃度。

2.2.1 管網(wǎng)改造 對(duì)于合流制排水系統(tǒng)，地面徑流的雨水最終通過管網(wǎng)流入污水處理廠或溢流至水體。暴雨時(shí)，污水處理廠處理能力有限，截留干管截留倍數(shù)n0偏小，則會(huì)導(dǎo)致超量的CSOs進(jìn)入水體，因此通過工程措施增大管徑提高下游干管截留倍數(shù)是控制CSOs的一個(gè)有效手段。然而，如果一味增大n0，對(duì)環(huán)境污染的改善程度會(huì)逐步減緩，而建設(shè)成本卻成倍增加，因此存在一個(gè)以單位投資環(huán)境效益最大為目標(biāo)的最佳截留倍數(shù)。張超等[24]運(yùn)用SWMM模型對(duì)巢湖市環(huán)城河以內(nèi)老城區(qū)進(jìn)行研究得出其最佳截流倍數(shù)為4.0，當(dāng)n0=4時(shí)，截流式合流制系統(tǒng)全年溢入環(huán)城河的污染物總量已小于分流制雨水管道直接排入環(huán)城河的污染物量，達(dá)到了合流制排水系統(tǒng)分流化的效果。

2.2.2 管道清淤 老城區(qū)的管道如果年久失修，極易造成管道淤積或堵塞，旱流時(shí)的沉積物就會(huì)在雨季被暴增的雨水沖刷起來，混入合流污水中，增加污水處理廠的負(fù)荷，大雨時(shí)更會(huì)加重對(duì)水體的污染。有研究表明CSOs的污染物中20%～80%的SS、VSS、COD和BOD5來自管道內(nèi)淤積的物質(zhì)[25]。同時(shí)管道淤積會(huì)減少過水?dāng)嗝妫瑥亩挂缌髑闆r加重對(duì)水體造成更嚴(yán)重的污染。對(duì)于疏于管理的管網(wǎng)系統(tǒng)，定時(shí)清淤是緩解CSOs污染水體的有效措施，也是必行之策。

2.3 末端處理

合流制排水系統(tǒng)中，雨天超量的混合污水會(huì)通過溢流井溢流至水體。末端控制就是從盡可能避免CSOs直接排入水體入手，對(duì)現(xiàn)有溢流出水口進(jìn)行改造，設(shè)置 CSOs調(diào)蓄池或凈化設(shè)施對(duì)CSOs進(jìn)行存儲(chǔ)或凈化，達(dá)到對(duì)CSOs污染的有效控制。

2.3.1 溢流口改造 Balmforth D J研究發(fā)現(xiàn)，合理的溢流口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效地分離懸浮污染物[1]。需要改造的溢流口大多是小型且分布較為密集的類型。對(duì)于溢流口多的地區(qū)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行整合，封閉不必要的溢流口，將能整合到一起的溢流口建造為大尺寸溢流口進(jìn)行統(tǒng)一管理。哈爾濱市馬家溝城區(qū)段進(jìn)行的溢流口改造工程，就是通過整合區(qū)段內(nèi)的溢流口，極大地改善了區(qū)段內(nèi)的合流制污水溢流情況[26]。鞍山市也通過合并和改造溢流口，同時(shí)配合調(diào)蓄池及處理設(shè)施的建設(shè)，減少了CSOs對(duì)運(yùn)糧河的污染。

2.3.2 調(diào)蓄設(shè)施 當(dāng)截留干管管徑或污水處理廠容量有限時(shí)，在溢流口建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施或就地進(jìn)行處理是減少CSOs污染的有效措施。

調(diào)蓄池是最早運(yùn)用于CSOs治理的技術(shù)，其作用是收集污染程度較高的初期降雨或者當(dāng)管網(wǎng)容量以及污水處理廠處理能力不足時(shí)暫時(shí)貯存溢流水量，等雨后再將污水排入污水處理廠或者就地進(jìn)行處理。上海在蘇州河沿岸建造了5座調(diào)蓄池來解決因CSOs導(dǎo)致的蘇州河水體黑臭問題，這些調(diào)蓄池在汛期對(duì)雨洪水量削減率可達(dá)到75.4%，全年削減率可達(dá)78.8%；汛期對(duì)CSOs的COD削減率可達(dá)90.8%，全年削減率可達(dá)92.3%[27]。為應(yīng)對(duì)合流制污水溢流，天津市在先鋒河和新開河修建了2座調(diào)蓄池，可有效控制全年徑總量的78%，對(duì)CSOs污染物削減率約為90%[28]。

2.3.3 凈化設(shè)施 末端處理設(shè)施基本都是在一定的時(shí)間內(nèi)處理調(diào)蓄池中的污水或直接收集和處理CSOs，再將處理水排入水體，以達(dá)到減輕污水處理廠處理負(fù)荷的目的。

(1)常見凈化設(shè)施

常見凈化設(shè)備有旋流分離器、絮凝沉淀池及一些組合工藝等。

旋流器分離技術(shù)在對(duì)CSOs的處理中頗具優(yōu)勢(shì)。流體動(dòng)力旋流分離器起源于1960年，由Bernard Smisson發(fā)明并首次用于治理CSOs，可截留70%的污染物總量[29]。對(duì)鎮(zhèn)江水體環(huán)境進(jìn)行治理時(shí)應(yīng)用了水力旋流器，對(duì)SS的去除率為75%，對(duì)COD的去除率在40.3%以上，對(duì)TP的去除率在15%以上[30]。旋流分離器也經(jīng)常與其他工藝組合運(yùn)用，如黃勇強(qiáng)等[31]報(bào)道的旋流分離器、雙向旋流絮凝設(shè)備和高效吸附凈化床組合工藝，可以使COD、SS、氨氮和TP 的平均去除率分別達(dá)到72.1%,90.3%,75.1%和53.2%。

磁絮凝沉淀池對(duì)于CSOs的處理效果明顯，從而受到了極大關(guān)注。磁絮凝沉淀池與傳統(tǒng)高效絮凝沉淀池的相比，占地面積小、沉降速度快、處理效果好，對(duì)于CSOs中的SS、TP、COD的去除率都能達(dá)到90%以上[32]。

(2)人工濕地

人工濕地具有較強(qiáng)的凈化和收集降雨徑流的能力，通常結(jié)合地形和景觀設(shè)計(jì)采用，可在凈化污水的同時(shí)，達(dá)到一定的景觀效果。余佳潔[33]對(duì)某地人工濕地3年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出人工濕地對(duì)BOD5的去除率在50%～90%之間，對(duì)CODcr的去除率接近82%，對(duì)SS的去除率在84.3%以上。建造于北卡羅來納海岸平原的雨水濕地可分別減少80%的峰值流量和54%的徑流量，以及36%的TN負(fù)荷、37%的TP負(fù)荷和49%的TSS負(fù)荷[34]。重慶的棕櫚泉人工濕地是較典型的處理城市住宅區(qū)暴雨徑流的復(fù)合型人工濕地，系統(tǒng)由水平潛流人工濕地(HSSF)與垂直潛流人工濕地(SWF)組合而成，在無沖擊負(fù)荷的條件下運(yùn)行時(shí)，對(duì)COD、SS、TN的去除率均在80%以上[35]。

3 結(jié)論

(1)減少CSOs排放量，降低其有機(jī)物、氮、磷、重金屬等含量，對(duì)解決城市水體黑臭有著重要意義，宜將源頭治理、過程治理和末端治理相結(jié)合，系統(tǒng)性地對(duì)目標(biāo)區(qū)域的CSOs進(jìn)行控制。

(2)受技術(shù)經(jīng)濟(jì)的局限，在沒有條件對(duì)合流制排水系統(tǒng)徹底改造為分流制的區(qū)域，應(yīng)從治理效果、城市用地情況、經(jīng)濟(jì)效益、河流環(huán)境容量等方面進(jìn)行權(quán)衡，有選擇性地采取合理的技術(shù)措施，減少CSOs對(duì)水體的污染。

(3)治理黑臭水體和控制CSOs的過程中，應(yīng)考慮將工程設(shè)施如各類海綿工程措施、調(diào)蓄池、人工濕地等向宜人、可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好型方向打造。