巢湖市排水系統(tǒng)雨天溢流污染控制策略
摘 要 合流制系統(tǒng)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(jié)國(guó)內(nèi)外合流制溢流污染(CSO)治理措施的基礎(chǔ)上，論述了巢湖市排水系統(tǒng)溢流污染控制策略。系統(tǒng)分析了合流制溢流污染產(chǎn)生的原因，依據(jù)巢湖市污染排查和管網(wǎng)檢測(cè)等前期研究相關(guān)結(jié)果，提出了整體控制策略；并選取典型區(qū)域小王莊中溝，提出針對(duì)典型區(qū)域合流制系統(tǒng)的控制措施，即在現(xiàn)有管網(wǎng)的基礎(chǔ)上，借助管網(wǎng)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的互調(diào)性以及末端調(diào)蓄控制手段，對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的污水運(yùn)行及入河排放進(jìn)行污染物溢流污染控制。
關(guān)鍵詞 溢流污染 現(xiàn)狀調(diào)查 末端調(diào)蓄 工程措施 旋流分離
合流制系統(tǒng)改造及溢流污染控制工作是河道治理的核心問(wèn)題之一，傳統(tǒng)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(yù)期效果不明顯，徹底實(shí)行雨污分流改造的設(shè)想并不現(xiàn)實(shí)[1-2]。我國(guó)合流制溢流污染控制盡管取得了階段性進(jìn)展和成果，但瓶頸在于尚未形成與特定區(qū)域相適應(yīng)的污染控制技術(shù)體系，缺乏全過(guò)程技術(shù)指導(dǎo)與管理體系[3-4]。
巢湖沿岸城市合流制系統(tǒng)雨天溢流污染嚴(yán)重、污水收集率與城區(qū)排澇安全程度較低，造成巢湖的富營(yíng)養(yǎng)化狀況加劇，藍(lán)藻水華頻繁發(fā)生，湖泊的生態(tài)環(huán)境遭到破壞，嚴(yán)重影響了流域供水安全，且成為影響社會(huì)穩(wěn)定、制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題[5]。巢湖流域城市污染物排放是導(dǎo)致巢湖水環(huán)境不斷惡化的重要原因，隨著點(diǎn)源污染逐步受到控制，沿岸城市的城區(qū)面源污染控制已迫在眉睫。由于歷史原因，老城區(qū)采用合流制，溢流污染嚴(yán)重；而新開(kāi)發(fā)城區(qū)排水系統(tǒng)雖采用分流制，但存在雨污混接現(xiàn)象，造成了嚴(yán)重的河道污染[6]。同時(shí)，雨天大量雨水進(jìn)入污水管道也影響到污水廠運(yùn)行效果，整個(gè)雨水、污水管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效率低。
針對(duì)巢湖市合流制排水系統(tǒng)溢流污染現(xiàn)狀，本文對(duì)旱天和雨天情況合流制排水系統(tǒng)雨污水的收集、輸送、截流、儲(chǔ)存、管道沉積物和雨天排放等環(huán)節(jié)進(jìn)行診斷和評(píng)估，并進(jìn)行各環(huán)節(jié)水質(zhì)水量的調(diào)研和污染負(fù)荷平衡計(jì)算；在總體思路的基礎(chǔ)上，選取典型案例，經(jīng)過(guò)計(jì)算，依據(jù)總體方案提出，典型區(qū)域小王莊中溝溢流污染削減技術(shù)及工程實(shí)施方案，為巢湖市合流制系統(tǒng)溢流污染削減工程和運(yùn)行提供技術(shù)支撐。通過(guò)小王莊中溝工程的建設(shè)，截流旱流混接污水及初期雨水，減少小王莊中溝對(duì)洗耳池的不良影響。
1 研究區(qū)域與方法
1.1 研究區(qū)域概況
巢湖市合流制排水系統(tǒng)研究區(qū)域共分為5個(gè)片區(qū)，分別是：西環(huán)城河、東環(huán)城河、洗耳池、官圩、西壩片區(qū)。洗耳池是巢湖市市內(nèi)水環(huán)境的主要水系之一，凈水面積為0.038 km2，前期調(diào)查顯示區(qū)域主要以合流制溢流污染為主，主要污染來(lái)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(lái)源為生活污水。在未進(jìn)行改造前，對(duì)箱涵出水口水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，旱天排放水量高達(dá)7 004 m3/d。
1.2 技術(shù)路線
本研究的總體技術(shù)路線如圖2所示。
1.3 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀診斷評(píng)估方法
巢湖市示范區(qū)域內(nèi)環(huán)城河直排口現(xiàn)狀調(diào)查由同濟(jì)大學(xué)主導(dǎo)完成，對(duì)現(xiàn)狀雨水排口、污水排口、合流排口進(jìn)行了普查，對(duì)排口污染源(居民、商鋪、賓館、飯店等)情況進(jìn)行了調(diào)查，并提出截污方案[7-8]。
在環(huán)城河直排口現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上，依托當(dāng)?shù)亟亓鞴こ�，�?duì)環(huán)城河的污水和雨水排口進(jìn)行全面截流改造。改造后，對(duì)主要排口進(jìn)行了旱天排污情況調(diào)查，對(duì)雨天溢流污染特征進(jìn)行了研究，方法和結(jié)論參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[9]�；诂F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)代表性合流制排水系統(tǒng)的雨天溢流污染物出流規(guī)律、溢流事件平均濃度、系統(tǒng)溢流污染負(fù)荷，以及系統(tǒng)溢流的初期效應(yīng)等指標(biāo)進(jìn)行了分析，為巢湖流域徑流水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
2 控制策略及技術(shù)
2.1 巢湖市合流制排水系統(tǒng)溢流污染現(xiàn)狀
影響合流管網(wǎng)溢流污水的因素包含4個(gè)方面：降雨情況、下墊面情況、管道沉積物污染和截流倍數(shù)。由于城市基礎(chǔ)設(shè)施的落后，巢湖市中心城區(qū)現(xiàn)有的合流制管網(wǎng)不能滿足雨季排水要求，雨天溢流污染排入環(huán)城河的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成環(huán)城河水質(zhì)嚴(yán)重惡化，影響城市面貌和市民的生活質(zhì)量。
對(duì)巢湖市示范區(qū)溢流污染特征及來(lái)源進(jìn)行了分析[9]，對(duì)環(huán)城河主要的2個(gè)重力流混接雨水排口(軍分區(qū)路排口和團(tuán)結(jié)路排口)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分別在旱天和雨天溢流進(jìn)行采樣，分析了主要污染物特性、顆粒態(tài)污染物和重金屬貢獻(xiàn)。以16 mm降雨場(chǎng)次為例，每場(chǎng)降雨軍分區(qū)路排口和團(tuán)結(jié)路排口分別產(chǎn)生約40 kg COD和105 kg COD的溢流污染；旱季相同時(shí)間內(nèi)2個(gè)排口則分別產(chǎn)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(jī)污染物與營(yíng)養(yǎng)鹽污染物由于主要來(lái)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(tài)的COD及有機(jī)質(zhì)的濃度均隨降雨量的增大而減小。而氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在不同降雨量條件下出現(xiàn)一定的波動(dòng)。同時(shí)，項(xiàng)目組利用SWMM耦合特卡洛算法，建立了旱天水質(zhì)模型背景和雨天水動(dòng)力水質(zhì)模型。
巢湖市降水時(shí)空變化大，且為氣象災(zāi)害多發(fā)區(qū)，當(dāng)雨季特別是暴雨時(shí)期來(lái)臨時(shí)，管網(wǎng)承受能力有限，經(jīng)常容易出現(xiàn)污水溢流現(xiàn)象。另外，研究區(qū)域內(nèi)透水區(qū)域較小，大部分的面積為透水性較差的混凝土區(qū)域和磚砌半透水區(qū)域，雨天徑流系數(shù)較高，徑流量較大，進(jìn)一步加劇了溢流污染的產(chǎn)生[10]。以巢湖市老城區(qū)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(xiàn)象較嚴(yán)重，污染物被雨污水沖刷而混入合流制雨污水中，導(dǎo)致污染物濃度升高。
此外，通過(guò)合流制污水廠運(yùn)行工況調(diào)查與分析，采用附加管底沖淤的SWMM模型，對(duì)巢湖市合流制管道的雨天水質(zhì)水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，計(jì)算不同截流倍數(shù)時(shí)，截流干管截污量和溢流量的體積，由此，推算不同截流倍數(shù)情況下的去除率。最后，以單位工程投資環(huán)境效益為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行截流倍數(shù)優(yōu)選，研究發(fā)現(xiàn)巢湖市環(huán)城河內(nèi)合流管道最佳截流倍數(shù)N0=4.0。當(dāng)N0=4.0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)到合流制排水系統(tǒng)分流化的效果。
2.2 合流制排水系統(tǒng)溢流污染及控制策略
合流管網(wǎng)溢流污染產(chǎn)生系統(tǒng)由污染物發(fā)生子系統(tǒng)(點(diǎn)源和面源)、污染物收集與輸送子系統(tǒng)、污水處理與回用子系統(tǒng)、污水排放口子系統(tǒng)、接受水體子系統(tǒng)組成(圖3)。該系統(tǒng)同時(shí)包括了從城鎮(zhèn)污水排水系統(tǒng)、工廠排水系統(tǒng)、雨水排水系統(tǒng)排出的溢流污染物。
在上述合流管網(wǎng)溢流污染產(chǎn)生系統(tǒng)中，溢流污染物的傳輸過(guò)程主要包括雨污水的收集、輸送、截流、儲(chǔ)存、處理、旱季沉淀、雨季溢流排放等多個(gè)環(huán)節(jié)，運(yùn)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(guò)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(guò)處理能力的廠前溢流；污水處理廠的超越排放。
CSO污染的產(chǎn)生、輸送、負(fù)荷及分配受降雨特點(diǎn)(降雨量、降雨強(qiáng)度、雨型等)、下墊面條件(地形地貌、下滲、滯蓄能力等)、管道拓?fù)浼耙缌骶植�、截流能�?截流倍數(shù))、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(shù)處理能力下，CSO發(fā)生的位置和時(shí)間、CSO污染物排放總量及相應(yīng)的控制均有所不同。為實(shí)現(xiàn)CSO污染物總量削減的目標(biāo)，應(yīng)從“源頭-過(guò)程-末端”整個(gè)系統(tǒng)入手，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程控制。
(1)采取源頭控制措施，減少進(jìn)入合流制系統(tǒng)的徑流量Qr。
(2)適當(dāng)提高截流管截流能力并相應(yīng)提高污水廠污水處理能力Qw，減少溢流井處溢流量，或根據(jù)污水處理廠規(guī)劃設(shè)計(jì)能力合理確定截流倍數(shù)，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(duì)于超過(guò)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(shè)置調(diào)蓄設(shè)施暫時(shí)儲(chǔ)存，雨水輸送到污水處理廠或就地處理后利用或排放。
(4)對(duì)超過(guò)調(diào)蓄設(shè)施調(diào)蓄能力的合流污水就地處理后再溢流排放。
(5)對(duì)污水處理廠及其工藝進(jìn)行合理的升級(jí)改造，減少場(chǎng)內(nèi)超越排放和提高對(duì)雨季污水的處理效率。
(6)一個(gè)完整的水污染控制系統(tǒng)還應(yīng)包括管理子系統(tǒng)，管理子系統(tǒng)是規(guī)劃實(shí)施和運(yùn)行的保障，管理子系統(tǒng)一般應(yīng)包括管理體制和運(yùn)行機(jī)制、規(guī)劃項(xiàng)目資金籌措、監(jiān)督管理、嚴(yán)格法規(guī)和公眾參與等。
2.3 合流制排水系統(tǒng)溢流污染控制措施
綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)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(lèi)[11]。
研究區(qū)域?yàn)槌埠兄行某菂^(qū)，大多數(shù)管網(wǎng)修建年份已久，且合流制管網(wǎng)地上建筑密集。舊合流制排水管渠系統(tǒng)的改造是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程。改造措施應(yīng)根據(jù)城市的具體情況，因地制宜，綜合考慮污水水質(zhì)、水量、水文、氣象條件、資金條件、現(xiàn)場(chǎng)施工條件等因素，結(jié)合城市排水規(guī)劃，在盡可能減少水體污染的同時(shí)，充分利用原有管渠，實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和節(jié)約投資的雙重目標(biāo)。由于中心城區(qū)內(nèi)建筑密度大、道路狹窄等客觀因素的制約，欲進(jìn)行雨、污分流改造不符合實(shí)際情況，所需經(jīng)濟(jì)投入較大。針對(duì)這一問(wèn)題，提出合流制系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度策略，即在現(xiàn)有管網(wǎng)的基礎(chǔ)上，借助管網(wǎng)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的互調(diào)性、末端調(diào)蓄控制的策略性，對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的污水運(yùn)行及入河排放進(jìn)行優(yōu)化控制，以達(dá)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(tǒng)被認(rèn)為是較合理可行的改進(jìn)措施。保留中心城區(qū)部分合流管，沿城區(qū)周?chē)w敷設(shè)截流干管，對(duì)合流污水實(shí)施截流，并視城市的發(fā)展?fàn)顩r，逐步完善管網(wǎng)，改為分流制。這種方式，由于工程量相對(duì)較小、節(jié)約投資、易于施工、見(jiàn)效快，已廣泛應(yīng)用，并取得良好效果。在截流干管適當(dāng)位置設(shè)置合流污水調(diào)蓄構(gòu)筑物，將超過(guò)截流干管轉(zhuǎn)輸能力及污水廠處理能力的合流污水引入調(diào)蓄構(gòu)筑物中暫時(shí)儲(chǔ)存，待暴雨過(guò)后再通過(guò)污水泵提升至截流干管，最終進(jìn)入污水廠處理，基本保證水體不受或少受污染。針對(duì)合流污水水量大、濃度低的特點(diǎn)，可采用一級(jí)處理，選擇篩濾、混凝沉淀、投氯消毒的處理工藝，合流污水經(jīng)處理后，污染物濃度可顯著降低，從而大大減輕對(duì)水體的污染。
(2)加強(qiáng)市政污水支管的建設(shè)力度，提高支管與總管收集程度的配備度；通過(guò)對(duì)污水管道狀況的判斷，可提供完善管網(wǎng)系統(tǒng)的工程方案，對(duì)中心城區(qū)主要區(qū)段的合流制管道進(jìn)行修整，以提高巢湖市中心城區(qū)內(nèi)合流制系統(tǒng)的污水納管率。在配套管網(wǎng)新建及管道修復(fù)完成后，定期采樣監(jiān)測(cè)。
(3)根據(jù)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(tǒng)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(wèn)題。
(4)在對(duì)巢湖市合流制管網(wǎng)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)劃所需的相關(guān)預(yù)測(cè)，主要為水量和水質(zhì)兩方面。要求分別估算生活污水量、工業(yè)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(wǎng)、排口、泵站、污水處理廠的最優(yōu)改造總體方案。
(5)降低人口壓力帶來(lái)的生活水環(huán)境質(zhì)量惡化風(fēng)險(xiǎn)，改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)、生活方式，節(jié)約利用水資源，減少水污染；降低重污染工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)，大力發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)，減少工業(yè)水污染對(duì)水環(huán)境造成的危害；推動(dòng)循環(huán)型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，促進(jìn)水資源的整合利用。
目前，針對(duì)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(diào)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(jí)土壤滲濾系統(tǒng)、土地滲濾系統(tǒng)和管道自沖洗等。
2.4 巢湖市小王莊中溢流污染控制技術(shù)研究
針對(duì)本工程研究范圍內(nèi)排水系統(tǒng)雨天溢流污染和初期雨水徑流污染的控制問(wèn)題，結(jié)合巢湖市近年來(lái)的城市水環(huán)境領(lǐng)域科研成果，對(duì)排水系統(tǒng)雨天污染物出流特性進(jìn)行研究，分析其對(duì)水環(huán)境造成的影響程度。根據(jù)巢湖水環(huán)境質(zhì)量建設(shè)目標(biāo)及水環(huán)境現(xiàn)狀容量，結(jié)合排水系統(tǒng)雨天污染物出流特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，合理確定本工程所在區(qū)域初期雨水截流標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)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(tǒng)對(duì)洗耳池水體造成的污染，旱天截流污水至洗耳池泵站，經(jīng)提升后輸送至崗嶺污水廠處理；雨天收集污染較為嚴(yán)重的初期雨水，至新建的旋流分離設(shè)施處理后排放到陸家河，強(qiáng)降雨期間通過(guò)液壓壩泄洪至洗耳池，確保上游區(qū)域的防洪排澇安全。由于缺少巢湖當(dāng)?shù)氐臍v時(shí)長(zhǎng)、精度較高且較完整的氣象降雨、初期雨水水質(zhì)資料，參照合肥市初期雨水6～10 mm截流標(biāo)準(zhǔn)，確定本工程初期雨水截流標(biāo)準(zhǔn)為8 mm，區(qū)域綜合徑流系數(shù)評(píng)價(jià)為0.6，則初期雨水凈截流量為5 mm。據(jù)確定的截流標(biāo)準(zhǔn)，新增設(shè)施收集處理服務(wù)區(qū)域內(nèi)的5 mm當(dāng)量降雨量，污水截流量約為7 000 m3/d。結(jié)合巢湖市相關(guān)工程規(guī)劃、監(jiān)測(cè)水質(zhì)以及第三方檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算可知區(qū)域初期雨水收集量不小于5 mm當(dāng)量降雨量、雨季溢流COD負(fù)荷在現(xiàn)有基礎(chǔ)上平均削減20%以上[9,12]。
3 結(jié)論
參照國(guó)內(nèi)外合流制排水系統(tǒng)溢流污染工程經(jīng)驗(yàn)，本研究系統(tǒng)地總結(jié)了合流制排水系統(tǒng)溢流污染的產(chǎn)生、輸送、影響因素和控制措施。其次，以小王莊中溝為示范區(qū)域，結(jié)合區(qū)域范圍內(nèi)建筑密度大、道路狹窄、合改分經(jīng)濟(jì)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(duì)示范區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀水體水質(zhì)進(jìn)行合理監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，分析了工程方案的水環(huán)境治理效果及工程效益；結(jié)合巢湖市相關(guān)工程規(guī)劃，完成初期雨水轉(zhuǎn)輸工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域初期雨水收集量不小于5 mm當(dāng)量降雨量、雨季溢流COD負(fù)荷在現(xiàn)有基礎(chǔ)上平均削減20%以上的目標(biāo)。
作者單位：上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院〈集團(tuán)〉有限公司
