CSO污染快速凈化處理技術(shù)進展與思考
慧聰水工業(yè)網(wǎng)
導(dǎo) 讀Abstract：合流制溢流污染是城市水環(huán)境治理進程中需要長期應(yīng)對的難題。以物理化學(xué)法為核心的快速凈化處理可有效削減入河污染物總量，降低水體雨后黑臭風(fēng)險，符合我國政策要求和行業(yè)發(fā)展需要。闡述了一級強化、旋流分離和快速過濾技術(shù)用于合流制溢流污染快速凈化處理的進展情況，介紹了國內(nèi)外典型工程案例，并有針對性地提出了推進快速凈化措施實施的建議。
張維，孫永利，李家駒，等. 合流制溢流污染快速凈化處理技術(shù)進展與思考［J］. 給水排水，2022，48（9）：157-164.
作為城市排水管網(wǎng)的設(shè)計建設(shè)模式之一，合流制排水系統(tǒng)在我國和其他國家普遍存在，合流制溢流（Combined Sewer Overflow，CSO）污染是國際公認(rèn)的需要長期應(yīng)對的重大工程和技術(shù)難題。相對于發(fā)達(dá)國家，我國污水收集管道長期低流速運行導(dǎo)致的管道沉積問題較為突出，挾帶大量管道沉積物的CSO污染是很多城市水體雨后黑臭的重要根源。采取快速凈化措施對合流制溢流污染進行處理后排放，是現(xiàn)階段國家政策要求和行業(yè)發(fā)展需要。
與生活污水和工業(yè)廢水不同，CSO污水由于混合了旱季污水、降雨徑流和從管道內(nèi)沖刷出的沉積物，顆粒物、懸浮物含量更高，水質(zhì)水量波動更大，具有間歇性、爆發(fā)性特征，對排水系統(tǒng)的短時沖擊影響更強，因此，對處理設(shè)施的啟動反應(yīng)時間、顆粒污染物去除效果、抗沖擊能力以及旱季期間的運維管理都提出較高要求。以物理化學(xué)法為主的快速凈化處理具有啟動快、停留時間短、可間歇運行、維護簡便等優(yōu)勢，可有效削減入河污染物總量，是歐美等發(fā)達(dá)國家實施CSO污染治理的主要方式。
我國針對CSO污染控制的研究和實踐開展較晚，雖然“十一五”以來國家層面也設(shè)立了降雨徑流、溢流污染控制相關(guān)的科研項目和課題，并開展了工程示范，但由于缺少國家層面的雨天溢流凈化處理排放標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)和支撐，導(dǎo)致技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化不足，工程應(yīng)用難以推進。通過梳理CSO快速凈化處理常用技術(shù)及其進展情況，總結(jié)國內(nèi)外典型工程案例，并有針對性提出推進CSO快速凈化處理的建議，以期為各地快速凈化措施落地實施提供借鑒和參考，為我國排水系統(tǒng)長效治理和城鎮(zhèn)高質(zhì)量發(fā)展提供保障。
1、CSO快速凈化處理技術(shù)進展
1.1 一級強化
沉淀池作為傳統(tǒng)污水處理工藝鏈條中重要的初級處理單元，對可沉淀顆粒污染物具有較好的去除效果，是最早用于合流制溢流污染控制的技術(shù)措施之一。1998年德國建成的40 000多個CSO處理系統(tǒng)中，約有17 000個建有沉淀池，可去除溢流污水中55%~75%的SS，對CSO污染總量削減發(fā)揮了重要作用。絮凝劑行業(yè)的發(fā)展有效促進了化學(xué)一級強化（Chemically Enhanced Primary Treatment，CEPT）工藝的應(yīng)用，使SS、BOD、TP的去除效果從常規(guī)一沉池的50%~60%、25%~40%、10%提升至90%、50%~70%、80%~90%。在污水處理廠內(nèi)建設(shè)CEPT設(shè)施為主要形式的CSO快速凈化處理在美國多個地區(qū)得到應(yīng)用，美國環(huán)境保護署EPA在2001年提交國會的研究報告指出，全美439個地區(qū)中有69個地區(qū)采用了CEPT控制CSO污染，占比16%。國內(nèi)張善發(fā)、盛銘軍等的中試結(jié)果表明，溢流污水經(jīng)CEPT處理出水SS、COD、TP的平均去除率可達(dá)到84%~95%、68%~89%和78%~80%，沉淀池表面水力負(fù)荷分別為56 m³/（m²·h）、25 m³/（m²·h），均在普通沉淀池水力負(fù)荷的10倍以上。
近年來，投加微砂、磁粉或回流污泥作為絮凝核心，以實現(xiàn)更優(yōu)的絮凝沉淀效果的加砂沉淀、磁混凝沉淀、高密度沉淀等高效沉淀工藝逐漸發(fā)展成熟并成功用于CSO處理。與傳統(tǒng)CEPT工藝相比，污染物在絮凝劑作用下與絮凝核心聚合成更易于沉淀的大顆粒絮體，加快了污染物的沉淀速度，同時采用上流式斜管或斜板作為沉淀單元，可有效縮短水力停留時間，改善出水水質(zhì)，減少設(shè)施占地和藥劑使用量，可作為CSO快速凈化處理的首選技術(shù)。加砂沉淀池、磁混凝沉淀池和高密度沉淀池用于CSO快速凈化的主要設(shè)計參數(shù)可參考表1。
表1 加砂沉淀池、磁混凝沉淀池、高密度沉淀池用于CSO處理的主要設(shè)計參數(shù)
注：表中只提供了主要參數(shù)的典型范圍值，具體水力負(fù)荷、出水SS濃度等需要根據(jù)實際情況確定。
歐美地區(qū)已開展的中試和工程應(yīng)用結(jié)果表明，投加微砂、污泥介質(zhì)的高效沉淀對溢流污水TSS、COD、BOD5、TP和TKN的去除率分別為34%~92%、40%~82%、32%~75%、43%~86%和9%~34%，對進水的波動變化具有較好的適應(yīng)性。目前，市場上的商業(yè)化產(chǎn)品主要有威立雅水務(wù)的Actiflo、得利滿的Densadeg以及Parkson公司的Lemalla Plate，其中Actiflo微砂高效沉淀池已成功用于美國堪薩斯州、法國巴黎、比利時布魯塞爾、法國里爾以及我國昆明等地區(qū)的CSO處理，運行效果穩(wěn)定。相對來說，磁混凝沉淀的水力停留時間更短，對SS的去除率高達(dá)97%，但用于溢流污染的處理大多還處于探索階段，國內(nèi)中建環(huán)能科技股份有限公司的MagCS磁介質(zhì)混凝沉淀、青島洛克環(huán)�？萍加邢薰镜腟ediMagTM技術(shù)已發(fā)展較為成熟，北京延慶縣媯水河溢流污水處理工程采用超磁處理設(shè)備，實現(xiàn)了COD、SS、TP分別為53.8%、88.9%和82.7%的有效去除。
1.2 旋流分離
旋流分離是一種利用離心沉降原理從懸浮液中分離固體顆粒的技術(shù)工藝，根據(jù)動力來源不同可分為水力旋流分離和壓力旋流分離。旋流分離器對大顆粒（>125 μm）污染物去除效果較好，易實現(xiàn)規(guī)模化和連續(xù)運行，具有占地面積小、建設(shè)費用低、操作簡便等優(yōu)點，通常作為溢流污水排放到水體之前的一種簡易處理裝置使用，是城市老舊城區(qū)和繁華地段等密集區(qū)域控制降雨污染的首選。已有研究結(jié)果表明，旋流分離的污染物去除效果往往受所處地區(qū)的氣候和水文地質(zhì)條件影響，包括降雨強度、兩次降雨間的干旱天數(shù)、顆粒物粒徑分布以及集水區(qū)的坡度和形狀等，對SS、COD的去除范圍分別為36%~90%、15%~80%。由于旋流分離器處理規(guī)模相對較小，通常僅適用于管徑較小的管道。
自20世紀(jì)60年代初Bernard Smisson在英國布里斯托爾建造并測試了第一代水力旋流分離器以來，旋流分離技術(shù)在歐美地區(qū)得到快速發(fā)展。用于CSO和雨水處理的商業(yè)化產(chǎn)品主要有Storm King、Swirl Concentrator、FluidsepTM、Downstream Defender和VortechsTM旋流分離器，截至21世紀(jì)初已有1 500多套旋流分離產(chǎn)品用于雨水和污廢水的處理，是旋流分離技術(shù)處理效果的有力證明。針對前期旋流分離器對衛(wèi)生用品等中性浮力固體去除效果不理想的問題，目前用于CSO處理的旋流分離設(shè)施大多都增加了4 mm孔徑的自清潔篩選系統(tǒng)，并在英國維甘污水處理廠CSO處理中驗證了其可行性。此外，旋流分離器的流體力學(xué)特征使其還可用作化學(xué)消毒的混合接觸設(shè)施，有利于進一步減小快速凈化裝置的容積和占地。
“十一五”以來，我國在旋流分離處理降雨污染方向也開展了很多試驗研究，并在工程應(yīng)用方面進行了有益探索。王云浩等開展的小試表明，旋流分離對降雨徑流中140 μm的硅土顆粒的去除率可達(dá)70%，對80 μｍ顆粒的去除率也有40%。清華大學(xué)朱紅生在實驗室條件下研究了無壓旋流分離對初期雨水的處理效果，SS去除率基本在20%~40%波動。李玲霞利用55m³/h的壓力旋流分離中試裝置處理合肥南淝河清Ⅰ/Ⅱ沖溢流污水，對COD、SS的平均去除率分別達(dá)35.2%和47.4%。儲金宇等將水力旋流器安裝于鎮(zhèn)江市雨水管路中，實現(xiàn)了降雨徑流污染中SS、COD和濁度的高效去除，SS去除效果隨進水流速升高而提升，在流速較大時高達(dá)75％，但對TN、TP的去除作用不大。胡曉慶等結(jié)合北方某市護城河排河口改造項目研究了Downstream Defender旋流分離器對雨水徑流的處理效果，結(jié)果表明，SS和COD的平均去除率分別為60%和31%，峰值去除率均超過90%。巢湖市小王莊中溢流污染末端控制中采用了旋流分離設(shè)施，實現(xiàn)雨季溢流COD負(fù)荷在已有基礎(chǔ)上平均削減20%。
1.3 快速過濾
CSO的過濾處理通常是指利用格柵、篩網(wǎng)、固體顆粒、濾布等介質(zhì)的過濾截留作用實現(xiàn)固液物理分離的技術(shù)手段，在沿河截流干管或溢流口設(shè)置過濾裝置是溢流污染末端控制的常用方法。德國、英國等歐洲發(fā)達(dá)國家通過在溢流構(gòu)筑物排水堰上安裝水平過濾格篩，用于截留去除4~6 mm以上的懸浮物和漂浮物，但僅可保證在受納水體沿岸看不到明顯的垃圾雜質(zhì)，COD最高截留率為25%。一般認(rèn)為，適用于雨天溢流污染治理的快速過濾技術(shù)有濾布過濾、可壓縮介質(zhì)過濾和懸浮介質(zhì)過濾，其中，濾布過濾、可壓縮介質(zhì)過濾可實現(xiàn)50%的COD去除和90%的TSS去除，而懸浮介質(zhì)過濾對COD、TSS的去除率較低，分別為10%~50%和30%~70%。傳統(tǒng)的顆粒介質(zhì)過濾由于其較低的表面負(fù)荷和較大的占地面積，通常難以滿足CSO快速凈化處理的技術(shù)需求。
MARTIN、HUGHES等在美國辛辛那提、拉什維爾開展的濾布濾池處理降雨徑流的試驗結(jié)果表明，在265 L/min（15.86 m/h）、140~265 L/min（9~16 m/h）的負(fù)荷條件下，濾布過濾仍可實現(xiàn)COD和TSS的有效去除，適用于雨天溢流污染的快速處理。相對來說，可壓縮介質(zhì)過濾的處理能力更強，設(shè)計負(fù)荷可達(dá)到48.4~73.2 m/h，運行于Springfield污水處理廠內(nèi)的中試裝置出水SS可維持在30 mg/L以下，即使在低溫環(huán)境（-13~-5℃）下也可正常運行，在堪薩斯州完成的中試對比測試表明，可壓縮介質(zhì)過濾器的出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)CEPT和加砂沉淀，與濾布過濾的處理效果相當(dāng)，似乎更適用于CSO的快速凈化，但建設(shè)成本相對較高，市場上成熟的產(chǎn)品有WesTech WWETCO FlexFilterTM、Schreiber Fuzzy Filter。懸浮介質(zhì)過濾在不添加化學(xué)藥劑的情況下即可實現(xiàn)常規(guī)一級處理效果，雖然在美國仍被認(rèn)為是一項新興技術(shù)，但其作為日本“21世紀(jì)污水處理工程集成與創(chuàng)新技術(shù)項目”（SPIRIT 21）研發(fā)的技術(shù)之一，懸浮介質(zhì)高速過濾系統(tǒng)已經(jīng)陸續(xù)在日本東京、盛岡等地進行了工程應(yīng)用，可去除70%的SS和50%的COD；在韓國首爾開展的高速過濾系統(tǒng)處理CSO的中試驗證表明，濾速20 m/h且投加混凝劑的條件下，出水SS和BOD5均低于40 mg/L，為首爾2026年前完成建設(shè)總規(guī)模75萬m³/d的CSO快速處理設(shè)施的規(guī)劃目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。
然而，我國將過濾技術(shù)應(yīng)用于CSO處理的大多還處于研究階段，一些高校和科技公司研發(fā)了以物理過濾作用為主的CSO處理裝置，但鮮有實際工程案例的報道。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)大部分研究和工程更傾向于采用對溶解性有機物和氮磷去除效果較好的生物濾池或組合濾池，而這可能與需要滿足較高的處理排放標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。
2、CSO快速凈化處理工程案例
2.1 Seine Aval 污水處理廠加砂沉淀
Seine Aval污水處理廠位于法國巴黎下游的塞納河畔，是歐洲最大的污水處理廠，承接了巴黎將近80%的生活污水，設(shè)計規(guī)模170萬m³/d。該污水處理廠設(shè)計了旱季、雨季2種運行模式，加砂沉淀單元由9座Actiflo池組成，在旱季處理生物池出水，在雨季處理合流制雨污水與生物池出水的混合污水（混合比例由降雨強度決定），最大處理能力30~35 m³/s，工藝流程如圖1所示。
圖1 Seine Aval污水處理廠旱季、雨季運行模式
雨天降雨數(shù)據(jù)及加砂沉淀單元運行參數(shù)如表2所示。其中，6月7日的降雨量較小，加砂沉淀單元40%進水來源于生物處理單元，其余60%為合流污水，而其他2次降雨事件的進水則全部來源于CSO污水。由表3的處理效果可知，加砂沉淀對顆粒污染物的去除效果較好，6月份2場降雨TSS去除率分別為86.7%和80.2%，COD去除75.2%和76.8%，TP去除86.4%和88.4%，而第3場降雨處理效果較差的原因可能是混凝劑和微砂投加量較低所致。同時，加砂沉淀可實現(xiàn)溢流污水中9%~35%的TKN去除，但對氨氮的去除作用不大，而絮凝劑的使用使出水溶解性TP和正磷酸鹽維持在0.3 mg/L和0.1 mg/L的濃度水平。
表2 降雨數(shù)據(jù)及Seine Aval污水處理廠加砂沉淀單元運行參數(shù)
表3 Seine Aval污水處理廠加砂沉淀單元雨季處理效果
2.2 Springfield污水處理廠高速過濾系統(tǒng)
位于美國俄亥俄州的Springfield污水處理廠擁有目前世界上最大的高速過濾處理系統(tǒng)，在旱季用于市政污水的三級處理，在降雨期間用于CSO的快速處理，設(shè)計日處理規(guī)模1×104萬加侖。該高速過濾系統(tǒng)采用WWETCO FlexFilterTM可壓縮介質(zhì)過濾設(shè)備，耗資3 350萬美元于2014年建設(shè)完成，工程實景如圖2所示。
圖2 Springfield污水處理廠高速過濾系統(tǒng)
根據(jù)2015年至 2016年期間共41場降雨事件的跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)，高速過濾系統(tǒng)進水TSS、CBOD5在40~400mg/L和20~200mg/L范圍內(nèi)波動變化，未使用化學(xué)藥劑的情況下，系統(tǒng)出水TSS、CBOD5、NH3-N、TP的平均濃度分別為16 mg/L、20 mg/L、2.5 mg/L和0.6 mg/L，滿足當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準(zhǔn)要求。實踐證明，可壓縮介質(zhì)過濾處理效果穩(wěn)定，運行期間無人值守，TSS去除率高達(dá)90%，成功使Mad River免受降雨污染的沖擊影響。
2.3 昆明第五水質(zhì)凈化廠CEPT單元
昆明第五水質(zhì)凈化廠采用CEPT工藝處理雨天溢流污染，是國內(nèi)CSO快速凈化處理的典型工程。該水質(zhì)凈化廠設(shè)計規(guī)模18.5萬m³/d，CEPT系統(tǒng)由2組平流混凝沉淀池組成，設(shè)計規(guī)模10.7萬m³/d。雨天溢流CEPT處理典型工藝流程如圖3所示。
圖3 雨天溢流CEPT處理典型工藝流程
2014年9至 11月運行期間，當(dāng)雨天污水處理廠進水量超過設(shè)計水量的1.3倍時，將啟動CEPT系統(tǒng)進行分流處理，CEPT單元的處理水量、進出水污染物濃度見表4。由表4結(jié)果可知，CEPT對溢流污水COD、TP和SS的平均去除率分別為86.2%、80.3%和92.1%，對氨氮去除效果較差，僅為8.7%。對照現(xiàn)行《昆明市城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放限值》（DB 5301/T 43-2020）中的E級限值，出水COD、TP濃度滿足COD＜70mg/L和TP＜2mg/L的要求。
表4 昆明第五水質(zhì)凈化廠2014年9月~11月CEPT處理效果
3、推進CSO快速凈化處理的建議
3.1 出臺雨天溢流凈化處理排放標(biāo)準(zhǔn)，支撐快速凈化工程落地
歐美等發(fā)達(dá)國家多數(shù)以污染物總量、溢流口溢流頻次或最大日負(fù)荷總量（Total Maximum Daily Load，TMDL）控制作為CSO治理的主要依據(jù)，部分國家還出臺了相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)置了污染物排放限值。目前，我國國家政策標(biāo)準(zhǔn)體系中尚未明確雨天溢流污染凈化處理的排放標(biāo)準(zhǔn)和考核方式，也就是說大部分城市在水環(huán)境治理工程設(shè)計和監(jiān)管中無法支持CSO快速凈化處理的模式。
全國政協(xié)“推進城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效”雙周協(xié)商座談會明確提出，“建議國家層面進一步明確政策，督促各地因地制宜盡快出臺合流制溢流污水快速凈化設(shè)施排放標(biāo)準(zhǔn)”，雨天溢流凈化排放標(biāo)準(zhǔn)的缺位已經(jīng)成為我國CSO治理的主要瓶頸。建議結(jié)合我國典型區(qū)域合流制溢流污染特征和技術(shù)可行性分析，制定合理可行的雨天溢流凈化排放標(biāo)準(zhǔn)，同時從國家層面明確政策要求和考核評估辦法，支撐快速凈化措施落地實施。
3.2 強化降雨溢流污染監(jiān)測與特征分析，科學(xué)規(guī)劃設(shè)施建設(shè)
與發(fā)達(dá)國家不同，我國排水管道普通存在建設(shè)不完善、工程質(zhì)量差、運行管理不到位等問題，旱季合流制管道高液位低流速運行的情況比比皆是，導(dǎo)致污水污染物不斷在管道內(nèi)沉淀沉積，遇強降雨沖刷后再次懸浮，成為溢流污水中顆粒物和有機污染物的主要來源。這也是目前大部分城市降雨污染沒有表現(xiàn)出明顯“初期沖刷效應(yīng)”的關(guān)鍵所在，是我國CSO污染的獨有特征。
目前，很多城市的合流制溢流情況僅依靠典型降雨事件或模型來估算，而實際的年溢流頻次、溢流發(fā)生的邊界條件及溢流水質(zhì)水量等底數(shù)情況并不清楚，對降雨污染的科學(xué)治理形成了一定阻礙。建議進一步加強降雨期間典型地塊、泵站、雨水口、溢流口、合流制污水處理廠/站的水質(zhì)水量監(jiān)測和特征分析，并納入統(tǒng)一管理，為CSO快速凈化設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)以及源-網(wǎng)-廠-河/湖一體化系統(tǒng)治理提供科技支撐。
3.3 研發(fā)CSO快速凈化關(guān)鍵技術(shù)與裝備，探索建設(shè)運行新模式
由于沒有排放標(biāo)準(zhǔn)作為考核依據(jù)，國內(nèi)大部分降雨污染治理工程被要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A甚至更高標(biāo)準(zhǔn)，很多設(shè)施不得不選用以活性污泥或生物膜技術(shù)為核心的生物處理工藝，而一級強化、旋流分離等快速凈化技術(shù)由于難以達(dá)到較高的排放標(biāo)準(zhǔn)往往不被認(rèn)可和采納。
由于降雨具有短時爆發(fā)性和季節(jié)性特征，生物處理不僅需要解決雨季的負(fù)荷沖擊影響和旱季的微生物活性維持問題，通常還存在投資高、占地面積大、旱季“曬太陽”的困擾。在已有科研成果基礎(chǔ)上，突破啟動反應(yīng)時間、污染物去除效能、設(shè)施占地等技術(shù)瓶頸，研發(fā)符合我國實際溢流污染特征的快速凈化處理關(guān)鍵技術(shù)和成套化裝備，積極探索可推廣可復(fù)制的建設(shè)運行模式，是科學(xué)推進降雨污染控制的有效途徑之一。
3.4 簡化快速凈化設(shè)施征地審批手續(xù)，優(yōu)化建設(shè)審批流程
現(xiàn)階段我國大部分城鎮(zhèn)污水處理廠已經(jīng)處于飽和或超負(fù)荷狀態(tài)，污水處理廠內(nèi)通常不具備擴建或新建一級強化等快速處理設(shè)施的條件，即使解決了污水處理廠內(nèi)占地問題，很多城市可能還涉及辦理污水處理廠新增入河排污口的審批和許可，或?qū)υ腥牒优盼劭谶M行調(diào)整變更等程序。
如擬在城市水體沿線增設(shè)快速凈化設(shè)施，不僅需要辦理設(shè)施占地、排污許可申請，還需要考慮鄰避效益的影響。為解決上述問題，建議各地合理劃定城市水體藍(lán)線，并將快速凈化設(shè)施的征地和排污許可審批手續(xù)納入地方行政服務(wù)聯(lián)審聯(lián)辦制度，進一步優(yōu)化設(shè)施建設(shè)審批流程，減少審批時間，從管理層面給予更多引導(dǎo)和支持。
4、結(jié) 語
隨著水污染防治工作由全面治污轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污，CSO污染控制已經(jīng)成為現(xiàn)階段我國城市水環(huán)境治理的工作重點和難點。發(fā)達(dá)國家實踐證明，以一級強化、旋流分離或快速過濾為主的單一或組合技術(shù)可有效削減入河SS、COD和TP的污染負(fù)荷，具有水力負(fù)荷高、占地面積小、啟動快、抗沖擊能力強等優(yōu)點，是符合我國實際國情的CSO污染控制方式。
我國要想進一步推進CSO快速凈化處理，亟待研究出臺雨天溢流凈化排放標(biāo)準(zhǔn)和考核辦法，同時強化溢流污染基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測和科研投入，探索切實可行的建設(shè)運行模式，建議地方主管部門進一步優(yōu)化工程建設(shè)審批程序，支持快速凈化處理設(shè)施落地。
