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[1]劉智曉,劉龍志,王浩正,等.流域治理視角下合流制雨季超量混合污水治理策略[J].中國(guó)給水排水,2020,36(8):20-29.

點(diǎn)擊復(fù)制

 

流域治理視角下合流制雨季超量混合污水治理策略

中國(guó)給水排水[ISSN:1000-4062/CN:12-1073/TU] 卷: 第36卷 期數(shù): 2020年第8期 頁(yè)碼: 20-29 欄目: 出版日期: 2020-04-17

Title:

Watershed Management and Control Strategies for Urban Combined Sewer Overflows during Peak Wet Weather Flow Conditions

作者:

劉智曉¹，劉龍志²，王浩正²，王海玲³，劉文欣⁴

關(guān)鍵詞:

合流制溢流污染控制; 雨季超量污水處理; 化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理; 調(diào)蓄池

Keywords:

CSO pollution control; peak wet weather flow treatment; CEPT; storage tank

摘要:

傳統(tǒng)集中式城鎮(zhèn)衛(wèi)生系統(tǒng)在改善水環(huán)境的同時(shí)，也凸顯了集中管網(wǎng)系統(tǒng)在雨季對(duì)匯水區(qū)域雨水快速收集、快速下泄導(dǎo)致的污水廠進(jìn)水短期水量大幅提高的水力負(fù)荷沖擊問(wèn)題，而我國(guó)目前活性污泥系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行模式無(wú)法應(yīng)對(duì)雨季峰值流量，導(dǎo)致管網(wǎng)沿程溢流或廠前溢流或者超越，嚴(yán)重污染了城市河道、受納水體。在分析集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)應(yīng)對(duì)峰值流量系統(tǒng)性欠缺的基礎(chǔ)上，結(jié)合雨季峰值流量特性，總結(jié)了歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在雨季超量混合流量處理方面主要的技術(shù)路線、解決方案和運(yùn)行控制模式，并就我國(guó)流域治理大背景下實(shí)施雨季峰值流量處理在立法及排放標(biāo)準(zhǔn)方面提出了建議。

Abstract:

While the traditional urban sanitary sewers system collects wastewater and improves the water environment, it also reveals the hydraulic capacity shortage of the WWTPs and their insufficiency in handling peak wet weather flow problems caused by rapid increase of inflow due to high intensity stormwater collected from the catchment area and the rapid transfer of stormwater to the WWTPs in the centralized urban drainage system. However, the current wastewater treatment design and operation in our country, for example activated sludge design, does not address peak wet weather flow condition. This causes sanitary sewer collection system overflow and bypass before wastewater reaches wastewater treatment plants and internal bypass of wastewater design processes within the WWTP. The overflow and bypass have significantly polluted our rivers, receiving streams, and surface waters. Evaluating the systematic capacity shortage of the centralized urban collection systems in dealing with peak wet weather flow and analyzing the characteristics of the peak wet weather flow pattern in our country, this paper studied the main technical framework, solutions and operational control model of dealing with peak wet weather flows in the developed countries in Europe and North America. This paper has thus provided recommendations to policy making and legislation as well as development of effluent discharge standards for peak wet weather flow treatment, serving as a next phase in watershed management in China.

更新日期/Last Update: 2020-04-17

導(dǎo)語(yǔ)：傳統(tǒng)集中式城鎮(zhèn)衛(wèi)生系統(tǒng)在改善水環(huán)境的同時(shí)，也凸顯了集中管網(wǎng)系統(tǒng)在雨季對(duì)匯水區(qū)域雨水快速收集、快速下泄導(dǎo)致的污水廠進(jìn)水短期水量大幅提高的水力負(fù)荷沖擊問(wèn)題，而我國(guó)目前活性污泥系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行模式無(wú)法應(yīng)對(duì)雨季峰值流量，導(dǎo)致管網(wǎng)沿程溢流或廠前溢流或者超越，嚴(yán)重污染了城市河道、受納水體。在分析集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)應(yīng)對(duì)峰值流量系統(tǒng)性欠缺基礎(chǔ)上，結(jié)合雨季峰值流量特性，總結(jié)了歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在雨季超量混合流量處理方面主要的技術(shù)路線、解決方案和運(yùn)行控制模式，并就我國(guó)流域治理大背景下下一步實(shí)施雨季峰值流量處理在立法及排放標(biāo)準(zhǔn)方面提出了建議。

作者簡(jiǎn)介：劉智曉（1972-），男，山東莒縣人，工學(xué)博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事市政給、排水系統(tǒng)，水廠、污水廠及水環(huán)境治理領(lǐng)域技術(shù)方案、優(yōu)化與審核等相關(guān)工作。

流域水環(huán)境質(zhì)量惡化、湖庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化，城鎮(zhèn)黑臭水體是當(dāng)今世界范圍內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量改善面臨的共同挑戰(zhàn)，造成水質(zhì)惡化的外源驅(qū)動(dòng)性重要因素就是人類活動(dòng)加劇了污染物尤其是氮、磷等物質(zhì)由固相向液相的轉(zhuǎn)移、釋放過(guò)程。因此，改善水環(huán)境質(zhì)量的技術(shù)本質(zhì)及措施就是要設(shè)法采用工程技術(shù)和運(yùn)行控制措施減緩、削減或阻斷N、P營(yíng)養(yǎng)物向水體的轉(zhuǎn)移與釋放過(guò)程。集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)由于其對(duì)雨季流量的大收集、大輸送、快轉(zhuǎn)輸?shù)忍匦�，下游污水廠往往不具備超量混合污水處理能力，造成沿程溢流污染、廠前溢流或者廠內(nèi)超越，給城市水系及受納水體造成了短時(shí)沖擊性污染，這是國(guó)內(nèi)城市水體黑臭的直接原因，這也是我國(guó)當(dāng)今進(jìn)行海綿城市建設(shè)和流域治理需迫切解決的系統(tǒng)性難題。

0 1

現(xiàn)代集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的系統(tǒng)性欠缺

現(xiàn)代城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)主要是集中式排水系統(tǒng)，包括合流制與分流制，但是我國(guó)很多城市現(xiàn)實(shí)管網(wǎng)情況復(fù)雜，多種管網(wǎng)建設(shè)模式并存，如截流式合流制等。傳統(tǒng)集中式城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)在解決人類集聚區(qū)環(huán)境質(zhì)量衛(wèi)生、減緩水體污染等方面起到了重要作用。但是這種大收集、集中處理的工業(yè)化操作理念，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大及人口密度的過(guò)度集中，注定了集中式排水系統(tǒng)成為水社會(huì)循環(huán)和水自然循環(huán)鏈條中最脆弱的環(huán)節(jié)。

集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，現(xiàn)代集中式排水系統(tǒng)從源頭收集、過(guò)程輸送至末端處理及受納水體排放，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)設(shè)施損壞或突發(fā)性失效，都將可能會(huì)成為水環(huán)境的最大污染源，如轉(zhuǎn)輸過(guò)程的泄漏、處理過(guò)程的失效等都會(huì)造成污染物的外溢或急速釋放。此外，轉(zhuǎn)輸過(guò)程的外水的入滲入流（Inflow & Infiltration ，簡(jiǎn)稱I/I）會(huì)稀釋污染物導(dǎo)致濃度的降低和處理設(shè)施進(jìn)水流量的大幅增加，提高了過(guò)程輸送及污水廠處理成本。

圖1集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)示意

從排水系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)性、系統(tǒng)性角度來(lái)看，以普遍的截流式合流制系統(tǒng)為例，一方面我國(guó)合流制管網(wǎng)應(yīng)對(duì)雨季流量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（如截流倍數(shù)）偏低，很多城市實(shí)際截流倍數(shù)不足1.0，大量合流混合污水不能得到有效收集截流；另一方面，國(guó)內(nèi)污水廠按旱季流量進(jìn)行設(shè)計(jì)，不具備雨季超量混合污水的處理能力，即便提高了截流倍數(shù)，污水廠也會(huì)在雨季成為限制排水系統(tǒng)發(fā)揮整體效能的 “卡脖”環(huán)節(jié)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致雨季管網(wǎng)系統(tǒng)沿途出現(xiàn)CSO溢流或在廠前溢流，因此，從城市水循環(huán)角度看，沒(méi)有末端污水廠處理能力進(jìn)行匹配的這種截污行為實(shí)際上是加速了污染物向水體的轉(zhuǎn)移釋放過(guò)程， CSO已被證明是新型微量有機(jī)污染物向受納水體轉(zhuǎn)移的主要途徑之一。簡(jiǎn)而言之，上述問(wèn)題可歸結(jié)為集中式排水系統(tǒng)“源頭-中途-末端”工程技術(shù)措施缺乏系統(tǒng)性考慮， “小-中-大”排水系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)規(guī)劃與能力銜接，這種典型的系統(tǒng)性、結(jié)構(gòu)性問(wèn)題也必然導(dǎo)致傳統(tǒng)集中式排水系統(tǒng)在面對(duì)極端性氣候條件時(shí)系統(tǒng)“彈性”不足，導(dǎo)致城市排水系統(tǒng)安全問(wèn)題和水環(huán)境問(wèn)題頻發(fā)。

從現(xiàn)實(shí)情況看，管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)維環(huán)節(jié)中存在諸多問(wèn)題又進(jìn)一步加劇了集中式排水系統(tǒng)存在的系統(tǒng)性、結(jié)構(gòu)性問(wèn)題。仍以截流式合流制系統(tǒng)為例，很多城市排水管網(wǎng)由于施工質(zhì)量差、后期維護(hù)管理不到位，導(dǎo)致雨污管網(wǎng)、河網(wǎng)混接錯(cuò)接嚴(yán)重；河水倒灌，地下水入侵、雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)等導(dǎo)致各類外水嚴(yán)重?cái)D占污水管道空間，有些城市外水的入流入滲比例達(dá)到16%～55%，截污干管多數(shù)情況下是滿管運(yùn)行，這種情況下截流倍數(shù)就已經(jīng)失去了本來(lái)應(yīng)有的工程意義，“滿管”運(yùn)行也削弱了管網(wǎng)對(duì)污水的輸送能力，也嚴(yán)重稀釋了污染物濃度。有研究顯示，COD、N、P平均約有55%、33%、30%的污染物未經(jīng)任何有效處理而在中途泄漏或在管道內(nèi)被去除。在滿管流條件下，管內(nèi)污水流速偏低，導(dǎo)致污水中顆粒性有機(jī)物發(fā)生沉積；進(jìn)一步，滿管運(yùn)行導(dǎo)致管網(wǎng)在雨季失去在線存儲(chǔ)能力，而國(guó)外案例研究表明，管網(wǎng)I/I率較高直接與CSO量呈正相關(guān)，即入滲入流量升高還會(huì)直接影響CSO。對(duì)于地下水位低的城市，存在管內(nèi)污水的外泄，對(duì)德國(guó)萊比錫市的合流制排水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)研究顯示，研究區(qū)域約9.9% ～13%的旱季流量直接外泄到地下水，對(duì)地下水造成污染。綜上，應(yīng)該以系統(tǒng)性思維評(píng)估管網(wǎng)自身問(wèn)題給整個(gè)排水系統(tǒng)帶來(lái)的全局性影響。

0 2

傳統(tǒng)集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)改進(jìn)思路

基于上述分析，從流域治理視角看，現(xiàn)代集中式城鎮(zhèn)衛(wèi)生系統(tǒng)整個(gè)鏈條中存在諸多風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，加之這種“收集-轉(zhuǎn)輸-處理-排放（或回用）”水的社會(huì)循環(huán)過(guò)程都是以高昂的投資和運(yùn)營(yíng)成本作為支撐，從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及經(jīng)濟(jì)性角度而言，如不解決上述問(wèn)題，只是承擔(dān)流域范圍內(nèi)徑流量的快速轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)集中式排水系統(tǒng)是不可持續(xù)的，為此，需要更新思維，亟需構(gòu)建以可靠性、彈性和可持續(xù)性為基本特征面向未來(lái)的現(xiàn)代城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)，傳統(tǒng)快速收集、快速釋放的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)在流域治理理念下各要素面臨結(jié)構(gòu)性、系統(tǒng)性重構(gòu)。

具體來(lái)說(shuō)，解決未來(lái)水環(huán)境問(wèn)題，需要系統(tǒng)性思維，以流域?yàn)槌叨�，在流�?/span>“點(diǎn)-線-面-體”不同尺度上，從“量”“質(zhì)”兩個(gè)維度系統(tǒng)思維，以可持續(xù)性為基準(zhǔn)原則，進(jìn)行頂層規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從水社會(huì)循環(huán)鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)入手，定量化水質(zhì)-污染源-排水系統(tǒng)之間的關(guān)系，從而科學(xué)構(gòu)建面向未來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠性、彈性與可持續(xù)性相統(tǒng)一的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)。具體工程技術(shù)措施方面，著眼污染物在集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)中產(chǎn)生、輸送與轉(zhuǎn)化軌跡，需要對(duì)“管網(wǎng)-泵站-過(guò)程調(diào)蓄（處理）設(shè)施-污水廠”沿程各要素匹配性進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估，需要從“用戶控制-源頭分離-收集管網(wǎng)完善-污水廠處理及資源回收-排放過(guò)程控制“各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)性規(guī)劃。通過(guò)工程技術(shù)措施或管理手段盡最大可能減少或降低污染物在輸送過(guò)程中的滲漏或降解，有效規(guī)劃與實(shí)施排水管網(wǎng)的入滲入流、施工排水控制，削減污染物在排水管網(wǎng)系統(tǒng)輸送過(guò)程中的滲漏及通過(guò)各種排口向水體的轉(zhuǎn)移 ，使污水廠成為污染物最終的受納、處理或資源回收?qǐng)鏊��?/span>

基于上述過(guò)程及原理分析，除了采用LID等綠色基礎(chǔ)設(shè)施源頭對(duì)雨水進(jìn)行削峰和削減污染物濃度外，中途分散式調(diào)蓄設(shè)施構(gòu)建，管網(wǎng)輸送環(huán)節(jié)通過(guò)工程技術(shù)措施修復(fù)漏損管道、混接錯(cuò)接進(jìn)一步削減入滲入流量以外，應(yīng)該盡最大可能充分利用管網(wǎng)系統(tǒng)的在線調(diào)蓄，并在末端提高污水廠雨季處理能力。

0 3

雨季污水處理廠流量特性

污水廠進(jìn)水流量通常包括污水基礎(chǔ)流量(Base Wastewater Flow，簡(jiǎn)稱BWF)和入滲流量及雨水入流量。美國(guó)EPA相關(guān)報(bào)告中將I/I區(qū)具體分為入流入滲量（ Rainfall-derived infiltration and inflow，RDII）和地下水滲透量（Groundwater Infiltration，GWI），也就是說(shuō)雨天污水廠進(jìn)流分成三部分，即BWF 、GWI和RDII，其中BWF主要指來(lái)自住宅區(qū)、商業(yè)、工業(yè)和政府機(jī)構(gòu)的生活污水和生產(chǎn)廢水，BWF與GWI共同組成了旱季流量（Dry Weather Flow， DWF）。而研究顯示，GWI與年降水量也有顯著的線性關(guān)系。以美國(guó)溫斯頓塞勒姆市Elledge 污水廠2010年9月30日降雨其上游管線流量變化曲線為例（見(jiàn)圖2，圖中1gpm= 0.23m 3/h，1in=2.54cm），說(shuō)明雨季合流制系統(tǒng)進(jìn)水流量的組成及降雨影響。從圖2可以看出，降雨情形下，合流制管網(wǎng)雨季進(jìn)水峰值流量受降雨影響較為明顯，存在顯著的雨水效應(yīng)，也就是RDII周期，這期間污水廠承受短期的沖擊性流量，流量峰值系數(shù)達(dá)到2.66。通常，歐美污水廠雨季設(shè)計(jì)流量一般是旱季的3～8倍。

圖2美國(guó)Elledge WWTP上游管線在2010年9月30日降雨時(shí)的流量曲線

0 4

雨季超量混合污水治理策略

4.1源頭減量

近些年海綿城市建設(shè)尤其是源頭LID、藍(lán)-綠基礎(chǔ)設(shè)施（BGI）實(shí)踐表明， LID、BGI等措施可以就地削減區(qū)塊峰值流量20%～90%，展現(xiàn)了源頭設(shè)施在雨季通過(guò)源頭控制和滯留對(duì)排水系統(tǒng)削峰、錯(cuò)峰方面的作用。除此以外，BGI等措施與灰色設(shè)施的結(jié)合還能削減污水處理過(guò)程溫室氣體的排放并降低污水廠的運(yùn)行能耗。除此，前已述及，集中式排水系統(tǒng)尤其是合流制排水系統(tǒng)，提升對(duì)污染物的收集與去除效率，重要的措施是逐步控制管網(wǎng)的I/I、清污分流，降低外水的比例，降低管道運(yùn)行液位，進(jìn)一步提升管網(wǎng)的流速和污染物的濃度，提高脫氮除磷效率，降低碳源、除磷等藥劑的使用。

4.2中途過(guò)程控制及徑流分擔(dān)

對(duì)于雨季峰值流量的管控，中途徑流分擔(dān)機(jī)制非常關(guān)鍵，中途徑流分擔(dān)措施之一主要是讓下水道系統(tǒng)騰出空間，發(fā)揮管線的在線存儲(chǔ)能力，或通過(guò)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較構(gòu)建經(jīng)濟(jì)合理、規(guī)模適度的集中式或分散式調(diào)蓄設(shè)施。

中途調(diào)蓄可以建設(shè)在線或離線調(diào)蓄設(shè)施（調(diào)蓄池、深隧等），也可利用管網(wǎng)在線調(diào)蓄。調(diào)蓄池或者具有處理功能的高效調(diào)蓄處理池（Retention Treatment Basin，簡(jiǎn)稱RTB）在北美、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家得到比較廣泛的應(yīng)用，不僅可以在雨季峰值流量期間進(jìn)行調(diào)蓄，減少CSO頻次或溢流總量，而且將處理功能與調(diào)蓄功能相結(jié)合，可以有效削減污染物。加拿大Stantec公司研究發(fā)現(xiàn)，RTB在上升流速達(dá)到11m/h時(shí)，通過(guò)投加聚合物經(jīng)過(guò)物化處理對(duì)SS的去除率可達(dá)到80%。我國(guó)近些年也對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行了功能拓展和技術(shù)革新，如將調(diào)蓄功能與生物處理功能相結(jié)合，不但削減了SS、TP，還進(jìn)一步削減了BOD 5和氨氮，可以原位實(shí)現(xiàn)CSO或者初雨的處理就地排放，而無(wú)需雨后泵送到污水廠進(jìn)行處理，實(shí)際上這也是我國(guó)很多城鎮(zhèn)污水廠在當(dāng)前尚不具備雨季峰值流量處理能力時(shí)的一種中途截流就地處理模式的創(chuàng)新。管網(wǎng)在線調(diào)蓄通過(guò)歐美多年的實(shí)踐應(yīng)用已被證明是最經(jīng)濟(jì)的方式之一，可以有效降低CSO和污水廠前溢流。但國(guó)內(nèi)很多地區(qū)下游管線滿管運(yùn)行，導(dǎo)致管內(nèi)流速降低的同時(shí)，也失去了雨季峰值流量的在線存儲(chǔ)空間，因此通過(guò)削減入滲入流量、降低外水進(jìn)入，控制城市外河道運(yùn)行水位等綜合措施的實(shí)施進(jìn)一步降低污水管網(wǎng)運(yùn)行液位控制，可以為雨季峰值流量騰出在線存貯空間，以“空間”換“時(shí)間”，這是發(fā)揮管線調(diào)蓄能力的基礎(chǔ)。此外，對(duì)于徑流的過(guò)程控制，重要控制點(diǎn)是通過(guò)對(duì)不同匯水區(qū)域的管網(wǎng)系統(tǒng)采用分布式流量控制，控制上游管線的流量向下游主干管網(wǎng)的輸送速度，從而對(duì)污水廠流量起到削峰作用。該方式在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家被證明是經(jīng)濟(jì)有效的辦法，例如美國(guó)南本德市基于大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)管網(wǎng)關(guān)鍵位置的閥門(mén)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，當(dāng)水廠達(dá)到最大處理能力或管網(wǎng)達(dá)到最大輸送能力時(shí)才允許溢流，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)管網(wǎng)在線存貯空間的充分利用，減少了灰色設(shè)施的投資。

4.3 末端采用污水廠雨季峰值流量處理

源頭與中途措施的結(jié)合，基本目標(biāo)是最大程度上削減外水進(jìn)入市政排水系統(tǒng)，在大部分城市，現(xiàn)有的排水系統(tǒng)實(shí)際上面臨系統(tǒng)重構(gòu)，提高源頭削減、過(guò)程調(diào)蓄與錯(cuò)峰削峰的流量控制能力。但是，對(duì)于超標(biāo)雨水，上述新型排水系統(tǒng)布局只是從有限的空間和時(shí)間上減緩了峰值流量到達(dá)污水廠的時(shí)間，最終雨季峰值流量依然是污水廠面臨的技術(shù)和運(yùn)行難題，因此，如何構(gòu)建污水廠的峰值處理能力，是我國(guó)多數(shù)城市未來(lái)改善水環(huán)境質(zhì)量的“邁不過(guò)去的坎”，筆者結(jié)合國(guó)外成功案例及自身實(shí)踐，總結(jié)并提出如下建議和對(duì)策。

4.3.1關(guān)于污水廠處理能力的確定

在英美發(fā)達(dá)國(guó)家，不論是排水體制采用合流制還是分流制，污水廠處理能力表征和確定與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完全不同，如美國(guó)明尼蘇達(dá)州根據(jù)不同情況確定了不同的污水廠設(shè)計(jì)流量指標(biāo)：旱季月均流量（ADW）， 雨季月平均流量（AWW），雨季小時(shí)峰值流量（PHWW）和雨季瞬間峰值流量（PIWW）等，且如果PHWW/ADW > 3 ，需要考慮進(jìn)水流量調(diào)蓄或處理工序的均衡措施。污水廠除了處理旱季流量，還同時(shí)預(yù)留雨季流量處理的能力，以美國(guó)北卡羅來(lái)納州Muddy, Elledge, South Fork Basins三座污水廠實(shí)測(cè)值為例，年、月、日、時(shí)各自對(duì)應(yīng)的峰值系數(shù)匯總見(jiàn)表1�？梢钥闯�，美國(guó)污水廠處理能力具有很大的彈性和空間。相反，我國(guó)污水廠處理規(guī)模的確定，并沒(méi)有考慮雨季峰值流量的處理，而僅僅是按照分流制水量估算原則考慮了綜合生活污水量變化系數(shù) K，跟發(fā)達(dá)國(guó)家相比，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014—2006，2016年版）給定的 K值偏低；其次，污水廠構(gòu)筑物設(shè)計(jì)流量并沒(méi)有考慮雨季峰值流量的處理，導(dǎo)致雨季超出污水廠設(shè)計(jì)規(guī)模的混合污水在廠前或者中途管線形成CSO溢流，這是我國(guó)黑臭水體的直接原因。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)近些年治理水體黑臭及海綿城市建設(shè)中很多城市實(shí)施了沿河截污，并提高了截流倍數(shù)，但是污水廠的處理能力卻沒(méi)有與之匹配，目前污水廠對(duì)峰值流量處理的缺失，已經(jīng)成為新形勢(shì)下改善水環(huán)境質(zhì)量的瓶頸。

表1美國(guó)Muddy, Elledge, South Fork Basins 三座污水廠年、月、日、時(shí)峰值系數(shù)

物理-化學(xué)處理工藝在歐美污水廠處理雨季合流制峰值流量中得到廣泛應(yīng)用并有多年成熟經(jīng)驗(yàn)，近些年我國(guó)個(gè)別城市如上海、昆明也開(kāi)始了采用化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理工藝處理合流制混合污水的實(shí)踐，生產(chǎn)性試驗(yàn)表明，在優(yōu)化藥劑選型配比及工藝高效運(yùn)行情況下，化學(xué)一級(jí)強(qiáng)化處理效率可達(dá)到“COD為50% ～86%、 BOD 5為50%～70%、 SS為 60%～90%、 TP 為70%～90%”，但對(duì)TN、NH 3-N去除極其有限。通常做法是旱季流量全部經(jīng)過(guò)生化二級(jí)處理工藝， 雨季峰值流量則通過(guò)與二級(jí)生物處理段并行的輔助處理設(shè)施進(jìn)行處理（見(jiàn)圖3）以去除污水中的SS和一部分BOD 5，主要的處理工藝有傳統(tǒng)化學(xué)一級(jí)強(qiáng)化處理（CEPT）、高效澄清池等，近些年一些專有工藝如高效沉淀池HRC（威立雅Actiflo ®、蘇伊士DensaDeg®）、Aqua-Aerobic Systems公 司高速濾池（AquaPrime™）、磁混凝沉淀（CoMag®）以及壓縮球過(guò)濾（CMF Media）。一些常用峰值流量處理工藝設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖4，上述工藝可以有效去除部分SS、BOD 5和TP等，加載絮凝工藝甚至對(duì)CSO中疏水性有機(jī)污染物可獲得50%～80%的去除率 ，未來(lái)“物理-化學(xué)處理”工藝將繼續(xù)向集約化、高效、與生化工藝相結(jié)合的方向發(fā)展。

圖3 可用于雨季峰值流量處理的處理單元

圖4 用于峰值流量處理的高效澄清工藝設(shè)計(jì)參數(shù)選擇圖譜

需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，單獨(dú)建設(shè)化學(xué)一級(jí)強(qiáng)化或者峰值流量過(guò)濾單元，導(dǎo)致投資過(guò)大和旱季設(shè)備閑置問(wèn)題，因此，設(shè)計(jì)中可以考慮這些設(shè)施實(shí)現(xiàn)旱季雨季“雙重應(yīng)用模式”，旱季用于三級(jí)深度處理，雨季用于峰值流量處理，分別可以用于改善出水水質(zhì)或改進(jìn)能耗，運(yùn)行靈活，設(shè)計(jì)和運(yùn)行模式見(jiàn)圖5。美國(guó)Aqua-Aerobic Systems 公司從2012年就開(kāi)始將Pile cloth濾池兩用于CSO和污水廠三級(jí)深度處理，Tomahawk Creek WWTP 將其用于初級(jí)過(guò)濾，也取得了很好的效果，這為提高這些設(shè)施運(yùn)行靈活性和提升運(yùn)行效率提供了重要的范例。

圖5 高效沉淀或高效過(guò)濾工藝旱季-雨季“雙重應(yīng)用”

②分點(diǎn)進(jìn)水（Step-feed）工藝

Step-feed工藝獨(dú)特的多點(diǎn)進(jìn)水特性使其擁有了天然的應(yīng)對(duì)峰值流量的優(yōu)勢(shì)，實(shí)踐證明，在雨季采用分點(diǎn)進(jìn)水工藝可以大幅度提高生化工藝的處理能力，分點(diǎn)進(jìn)水工藝不但可以通過(guò)生物池沿程多點(diǎn)配水方式實(shí)現(xiàn)雨季峰值流量的提升，而且避免了傳統(tǒng)工藝生物池首端單點(diǎn)進(jìn)水導(dǎo)致峰值流量期間因二沉池固體負(fù)荷陡升可能引發(fā)大量活性污泥的可能溢出。美國(guó)在這方面有非常多案例和成功經(jīng)驗(yàn)，如俄亥俄州Akron市再生水廠通過(guò)采用Step-feed工藝，并通過(guò)對(duì)二沉池進(jìn)行水力學(xué)性能改進(jìn)，雨季峰值流量期間二沉池水力負(fù)荷達(dá)到了3m/h，處理能力由41.6×104m3/d提升到97.4×104m3/d，同時(shí)出水BOD5、SS、氨氮、TP等指標(biāo)達(dá)到了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。由于分點(diǎn)進(jìn)水效應(yīng)，使得生化池前端可以儲(chǔ)存高濃度的MLSS，雨季模式，在生化系統(tǒng)對(duì)MLSS總保有量不變甚至提高的情況下，可以降低二沉池進(jìn)水MLSS濃度和固體負(fù)荷率，進(jìn)而可有效提升二沉池水力負(fù)荷。紐約Wards Island 污水廠濕兩季不同運(yùn)行模式下MLSS在反應(yīng)池各區(qū)段的分配及污泥總量見(jiàn)表2，并以該廠采用分點(diǎn)進(jìn)水工藝處理雨季峰值流量示范項(xiàng)目為例，說(shuō)明采用分點(diǎn)進(jìn)水工藝如何在干季、雨季切換兩種不同的運(yùn)行模式，具體見(jiàn)圖6。

表2Wards Island 污水廠干濕兩季生物池各段MLSS及污泥量分布

圖6 紐約Wards Island污水廠干濕兩季生物池運(yùn)行模式切換示意 （PE:初沉池出水；RAS：回流污泥）

分點(diǎn)進(jìn)水工藝用于雨季峰值流量的處理在發(fā)達(dá)國(guó)家得到重視研究和應(yīng)用。例如，日本的“3W”法本質(zhì)上也是分點(diǎn)進(jìn)水工藝，“3W”在日本用于污水廠雨季流量的處理，雨季處理能力為3 Q（Q為旱季日均流量），其中1 Q 通過(guò)生物池完整處理過(guò)程，其余2 Q則從生物池后端接入。此外，雨季Step-feed工藝選擇在末端進(jìn)水就實(shí)現(xiàn)了接觸-穩(wěn)定 工藝的運(yùn)行模式，也是歐美污水廠處理雨季峰值流量的常用的運(yùn)行方式。分點(diǎn)進(jìn)水工藝主要的技術(shù)要點(diǎn)是基于不同季節(jié)水溫和水量變化，如何進(jìn)行進(jìn)水點(diǎn)的選擇和水量的分配，在獲取構(gòu)筑物最大去除能力和高效去除污染物之間找到平衡。

③側(cè)流活性污泥工藝

側(cè)流活性污泥工藝在丹麥和瑞典等北歐國(guó)家具有比較多的應(yīng)用案例，側(cè)流活性污泥工藝集合了吸附-再生工藝、Step-feed及活性污泥發(fā)酵工藝的各自技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不但可以實(shí)現(xiàn)雨季峰值流量處理模式，而且側(cè)流活性污泥池在雨季存儲(chǔ)了大量MLSS，還能進(jìn)一步通過(guò)硝化、反硝化和厭氧發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)低C/N比污水的強(qiáng)化脫氮除磷，更加適合我國(guó)國(guó)情。側(cè)流活性污泥工藝運(yùn)行方式靈活，旱季模式雨季模式切換方便，旱季可以強(qiáng)化脫氮除磷，雨季可以作為活性污泥存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)峰值流量期間高濃度活性污泥在側(cè)流池ARP池的“離線”存儲(chǔ)（見(jiàn)圖7），雨季峰值流量期間可以有效降低二沉池固體負(fù)荷提升處理能力同時(shí)，還能通過(guò)“主流-側(cè)流”這種“主-輔”反應(yīng)器聯(lián)合模式強(qiáng)化除磷脫氮，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，側(cè)流活性污泥工藝?yán)�用存量設(shè)施并保持原排放標(biāo)準(zhǔn)情況下在雨季可以進(jìn)一步提升30%～60%的處理能力（個(gè)別項(xiàng)目處理能力提升達(dá)100%），而無(wú)需新增曝氣池池容，只需要對(duì)已有生物池池容進(jìn)行功能劃分和管道的重構(gòu)。美國(guó)勞倫斯市Wakarusa再生水廠創(chuàng)新性將3段式氧化溝池型與側(cè)流活性污泥發(fā)酵（S2EBPR）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了雨季峰值流量3 Q（Q為旱季平均流量）的處理能力，無(wú)需濾池和化學(xué)除磷，實(shí)現(xiàn)出水穩(wěn)定TP<0.2mg/L，NO -3-N< 8mg/L，側(cè)流活性污泥工藝與傳統(tǒng)活性污泥工藝的結(jié)合彰顯未來(lái)應(yīng)對(duì)雨季超量混合污水的彈性與穩(wěn)定性。

圖7 側(cè)流活性污泥應(yīng)對(duì)峰值流量運(yùn)行模式

④活性污泥快速生物吸附-高效澄清工藝

活性污泥生物吸附-分離實(shí)際上是高負(fù)荷活性污泥法與高效固液分離技術(shù)的融合，目前商業(yè)化的工藝包 如威立雅的BioActiflo ®、BioMag TM等。威立雅的Actiflo ®物理-化學(xué)處理技術(shù)優(yōu)勢(shì)是快速實(shí)現(xiàn)對(duì)SS的高效去除，對(duì)BOD 5也有一定去除效果，如在此基礎(chǔ)上將一部分活性污泥引入峰值流量處理設(shè)施，可以利用活性污泥快速吸附與生物降解功能，進(jìn)一步提升對(duì)SS、BOD 5的去除效率，是生化過(guò)程與高效物化分離技術(shù)的組合，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)就是雨季峰值流量可以實(shí)現(xiàn)短HRT下較好的活性污泥生物處理效果（BOD 5去除率≥85%、SS去除率為90%～98%）�；钚晕勰辔�附-高效分離工藝在美國(guó)已經(jīng)有多個(gè)項(xiàng)目在建設(shè)和運(yùn)行，具體工藝設(shè)計(jì)有不同的實(shí)現(xiàn)方式，不會(huì)導(dǎo)致旱季主體處理構(gòu)筑物的能力過(guò)度閑置。以美國(guó)CH2M HILL公司完成的Creek WWTP污水廠雨季能力提升項(xiàng)目為例， Actiflo ®實(shí)現(xiàn)了“一池兩用”（見(jiàn)圖8），雨季峰值流量一部分以Setp-feed模式進(jìn)入生物接觸池（停留時(shí)間為28min，MLSS為700～1500mg/L），然后泥水混合液至BioActiflo ®進(jìn)行泥水分離，雨季模式下二沉池出水直接進(jìn)入濾池；旱季切換運(yùn)行模式，生物吸附池作為生物池一部分，出流至二沉池- Actiflo ®，此時(shí)Actiflo ®是用于三級(jí)深度處理的物理-化學(xué)過(guò)程，沒(méi)有活性污泥分離作用。該項(xiàng)目2018年進(jìn)入調(diào)試，三個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明該工藝對(duì)BOD 5的平均去除率達(dá)到90.5%。

圖8 高負(fù)荷生物吸附-分離工藝在旱季和雨季的運(yùn)行模式切換

4.4 廠-網(wǎng)聯(lián)調(diào)聯(lián)控技術(shù)（RTC）應(yīng)對(duì)峰值流量

應(yīng)對(duì)城市雨季峰值流量，僅靠灰色基礎(chǔ)設(shè)施（調(diào)蓄池等）不僅投資大，運(yùn)行成本也不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)要發(fā)揮硬件設(shè)施之間的協(xié)同聯(lián)動(dòng)性。如何發(fā)揮排水管網(wǎng)、排水設(shè)施與末端污水廠之間的聯(lián)動(dòng)，20世紀(jì)90年代開(kāi)始，美國(guó)、德國(guó)、丹麥等國(guó)家在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐，基于“管網(wǎng)-處理廠”系統(tǒng)集成化管控角度，采用實(shí)時(shí)控制（Real Time Control, 簡(jiǎn)稱RTC）技術(shù)進(jìn)行“廠-網(wǎng)”聯(lián)調(diào)聯(lián)控，充分通過(guò)“硬件-軟件”組合提高或發(fā)揮“廠-池-站-網(wǎng)”的匹配性，可以有效提高系統(tǒng)空間容量和處理能力的使用率，在同等條件下減少合流制溢流污染和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)、提高污水處理率，實(shí)踐證明了RTC技術(shù)對(duì)提高城市排水系統(tǒng)彈性的優(yōu)勢(shì)，在不增加現(xiàn)有主要設(shè)施的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)CSO溢流量減少23%～100%的目標(biāo)。為更好地規(guī)范和指導(dǎo)RTC項(xiàng)目的實(shí)施，德國(guó)水協(xié)會(huì) 于2005年發(fā)布的《排水管網(wǎng)實(shí)時(shí)控制規(guī)劃框架》中包括了排水管網(wǎng)實(shí)時(shí)控制項(xiàng)目規(guī)劃的步驟、可行性評(píng)估的要求和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的具體要求等內(nèi)容。美國(guó)環(huán)保署于2006年發(fā)布了《城市排水管網(wǎng)的實(shí)時(shí)控制》，提出要依據(jù)采集的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)施設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到晴天（提高污水處理率）和雨天（減少CSO和內(nèi)澇）的運(yùn)行目標(biāo)。不同城市水系統(tǒng)廠-網(wǎng)實(shí)時(shí)控制案例見(jiàn)表3。

表3部分城市水系統(tǒng)廠-網(wǎng)實(shí)時(shí)控制溢流效果及頻次

實(shí)施RTC策略主要是解決“廠-池-站-網(wǎng)”的匹配性問(wèn)題，使得排水系統(tǒng)中各組成要素如管網(wǎng)、泵站、調(diào)蓄池和污水廠等在系統(tǒng)目標(biāo)約束條件（溢流頻次和溢流總量等）下實(shí)現(xiàn)雨污水收集、轉(zhuǎn)輸、調(diào)蓄和處理能力的相互匹配，實(shí)際上這也是我國(guó)近些年大規(guī)模沿河截污后面臨的共性問(wèn)題，“源頭-中途-末端”沒(méi)有實(shí)現(xiàn)能力的有效協(xié)同，快速化的工程實(shí)施又進(jìn)一步加劇了各要素之間的不匹配性。目前，我國(guó)很多城市“廠-池-站-網(wǎng)”的匹配性存在很大問(wèn)題，嚴(yán)重制約了水環(huán)境質(zhì)量改善，具體主要體現(xiàn)在：①存量設(shè)施在線存儲(chǔ)能力雨季沒(méi)有充分釋放和發(fā)揮；②降雨期間上游徑流量無(wú)有效管控下對(duì)下游形成沖擊負(fù)荷，缺乏中途徑流分擔(dān)機(jī)制；③上游排水系統(tǒng)收集能力與污水廠處理能力不匹配；④多種原因?qū)е碌恼{(diào)蓄池、泵站作為“承上啟下”節(jié)點(diǎn)，面臨上游管網(wǎng)收集和下游管網(wǎng)輸送能力不匹配的瓶頸制約。因此，成功實(shí)施RTC策略，重要的前期基礎(chǔ)性工作就是進(jìn)行排水系統(tǒng)要素匹配性分析，發(fā)現(xiàn)、識(shí)別系統(tǒng)的瓶頸并定量評(píng)估，制定改造方案以提高系統(tǒng)的匹配性，在對(duì)瓶頸的識(shí)別分析基礎(chǔ)上提出改造方案，統(tǒng)籌制定、調(diào)整RTC調(diào)度規(guī)則。

0 5

雨季混合流量處理面臨的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)制約分析及建議

目前我國(guó)尚未在法律、法規(guī)方面出臺(tái)對(duì)雨季峰值流量進(jìn)行處理的要求和規(guī)定，美國(guó)在聯(lián)邦法規(guī)、EPA歷年出臺(tái)的CSO控制策略中對(duì)污水廠雨季峰值流量的處理均有明確定義和約定原則，且隨著水環(huán)境質(zhì)量提升和管理實(shí)踐的不斷豐富，美國(guó)EPA也在與利益相關(guān)方協(xié)調(diào)試圖不斷更新上述規(guī)則，為了鼓勵(lì)污水廠雨季多處理峰值流量，美國(guó)1989年就出臺(tái)了CSO控制策略，USEPA 1994出臺(tái)的CSO控制政策中明確提出了“Nine minimum control”，即“九項(xiàng)基本控制措施”，提出要發(fā)揮污水廠存量設(shè)施的最大化處理能力，對(duì)雨季超量混合污水或峰值流量進(jìn)行處理，要求對(duì)合流制管網(wǎng)雨季收集到的85%的流量進(jìn)行處理，這樣相當(dāng)于控制CSO溢流頻次4～6次/a；對(duì)超量混合污水廠可采用“附加處理”措施。需要說(shuō)明的是，一些用于雨季超量雨污混合流量處理的高效物-化處理工藝如EHRT，投資更省，作為集約型“非生物處理 的二級(jí)處理”工藝，其出水可以獲得同樣的“二級(jí)處理”效果，出水在與生化處理出水進(jìn)行“ 摻混”最終經(jīng)過(guò)消毒后排放 ，這是有利于合流制系統(tǒng)減少CSO對(duì)環(huán)境的污染。值得進(jìn)一步指出的是，在分流制污水系統(tǒng)（SSO），這種“摻混” 的做法在美國(guó)持續(xù)多年存在爭(zhēng)議，美國(guó)EPA對(duì)CSO同意“摻混”解決雨季峰值流量問(wèn)題， 但對(duì)SSO并沒(méi)有明確法律政策。2013年美國(guó)聯(lián)邦第八巡回上訴法院裁定，SSO使用非生物處理工藝處理峰值流量與經(jīng)過(guò)生物處理的流量進(jìn)行摻混并且達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)是合法的，但該裁決只適用于第八巡回法院管轄范圍內(nèi)的7個(gè)州。 美國(guó)在污水廠峰值流量處理政策方面已經(jīng)有了數(shù)十年的積淀，雖然各州政策和做法不盡相同，但是都是鼓勵(lì)對(duì)雨季峰值流量進(jìn)行必要處理。因此，我國(guó)亟需出臺(tái)這方面的法律法規(guī)，真正確立支撐“網(wǎng)-廠-河”模式的法律法規(guī)基礎(chǔ)，從立法角度提倡和鼓勵(lì)市政污水廠在雨季發(fā)揮設(shè)施最大能力對(duì)超額流量進(jìn)行處理，最大程度削減CSO和向環(huán)境排放的污染物。

其次，在排放標(biāo)準(zhǔn)層面，目前我國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)、取樣約定及考核方式不利于雨季峰值流量的處理。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家一般是基于流域TMDL理念下的排放許可證制度，采用周均值、月均值進(jìn)行考核，而我國(guó)采用日均值考核，實(shí)際執(zhí)法時(shí)往往采取瞬時(shí)值或?qū)崟r(shí)在線儀表監(jiān)測(cè)值。由于進(jìn)水條件等多種原因?qū)е碌膶?duì)生物處理工藝的干擾并引起出水波動(dòng)性，為了穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行單位不得不采取更加保守的運(yùn)行模式對(duì)污水廠進(jìn)水流量和工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)控，日均值考核模式實(shí)際上大大提高了污水廠建設(shè)投資及運(yùn)行成本，這種考核方式在技術(shù)層面和運(yùn)營(yíng)層面都制約了污水廠雨季進(jìn)行峰值流量處理。尤其是雨季峰值流量處理設(shè)施往往是物理-化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理，即便采用部分活性污泥工藝處理峰值流量出水也會(huì)存在短時(shí)不穩(wěn)定現(xiàn)象，按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002 ）一級(jí)A考核或者近些年出臺(tái)地標(biāo)考核，會(huì)存在達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。因此，為激勵(lì)污水廠對(duì)峰值流量進(jìn)行處理，除了政策法規(guī)支撐外，執(zhí)行層面建議可以借鑒歐美國(guó)家，在排放標(biāo)準(zhǔn)上要調(diào)整目前的日均值考核方式，可采用周均值和月均值水質(zhì)達(dá)標(biāo)考核方式；或者各地因地制宜單獨(dú)制定針對(duì)峰值流量的排放標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)性處理技術(shù)路線，如昆明《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放限值》征求意見(jiàn)稿中，明確雨天污水廠處理量超過(guò)設(shè)計(jì)處理規(guī)模1.1倍時(shí)，超量溢流污水經(jīng)一級(jí)強(qiáng)化處理，設(shè)置單獨(dú)排放口，但超量污水處理并不對(duì)NH 3-N、TN進(jìn)行要求，出水執(zhí)行E級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，BOD5為30mg/L,COD為70mg/L, TP為2mg/L。針對(duì)合流制雨季超量混合污水制定單獨(dú)排放標(biāo)準(zhǔn)和審批單獨(dú)排放口，這樣有利于鼓勵(lì)污水廠多處理峰值流量，降低溢流排放量，促進(jìn)水環(huán)境質(zhì)量的持續(xù)改善，真正實(shí)現(xiàn)流域治理理念下的“網(wǎng)-廠-河-湖”綜合治理體系。

本文將刊登于《中國(guó)給水排水》2020年第8期，題目：流域治理視角下合流制雨季超量混合污水治理策略；作者：北京首創(chuàng)股份有限公司劉智曉，中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司劉龍志、王浩正，昆明滇池投資有限責(zé)任公司王海玲，美國(guó)愛(ài)荷華自然資源部環(huán)境保護(hù)局劉文欣

編輯：丁彩娟

審核：李德強(qiáng)