流域治理视角下合流制雨季超量混合污水治理策略

需要进一步说明的是，单独建设化学一级强化或者峰值流量过滤单元，导致投资过大和旱季设备闲置问题，因此，设计中可以考虑这些设施实现旱季雨季“双重应用模式”，旱季用于三级深度处理，雨季用于峰值流量处理，分别可以用于改善出水水质或改进能耗，运行灵活，设计和运行模式见图5。美国Aqua-Aerobic Systems 公司从2012年就开始将Pile cloth滤池两用于CSO和污水厂三级深度处理，Tomahawk Creek WWTP将其用于初级过滤，也取得了很好的效果，这为提高这些设施运行灵活性和提升运行效率提供了重要的范例。

图5高效沉淀或高效过滤工艺旱季-雨季“双重应用”

②分点进水（Step-feed）工艺

Step-feed工艺独特的多点进水特性使其拥有了天然的应对峰值流量的优势，实践证明，在雨季采用分点进水工艺可以大幅度提高生化工艺的处理能力，分点进水工艺不但可以通过生物池沿程多点配水方式实现雨季峰值流量的提升，而且避免了传统工艺生物池首端单点进水导致峰值流量期间因二沉池固体负荷陡升可能引发大量活性污泥的可能溢出。美国在这方面有非常多案例和成功经验，如俄亥俄州Akron市再生水厂通过采用Step-feed工艺，并通过对二沉池进行水力学性能改进，雨季峰值流量期间二沉池水力负荷达到了3m/h，处理能力由41.6×104m3/d提升到97.4×104m3/d，同时出水BOD5、SS、氨氮、TP等指标达到了当地的环保排放标准。由于分点进水效应，使得生化池前端可以储存高浓度的MLSS，雨季模式，在生化系统对MLSS总保有量不变甚至提高的情况下，可以降低二沉池进水MLSS浓度和固体负荷率，进而可有效提升二沉池水力负荷。纽约Wards Island 污水厂湿两季不同运行模式下MLSS在反应池各区段的分配及污泥总量见表2，并以该厂采用分点进水工艺处理雨季峰值流量示范项目为例，说明采用分点进水工艺如何在干季、雨季切换两种不同的运行模式，具体见图6。

表2Wards Island污水厂干湿两季生物池各段MLSS及污泥量分布

图6纽约Wards Island污水厂干湿两季生物池运行模式切换示意（PE:初沉池出水；RAS：回流污泥）

分点进水工艺用于雨季峰值流量的处理在发达国家得到重视研究和应用。例如，日本的“3W”法本质上也是分点进水工艺，“3W”在日本用于污水厂雨季流量的处理，雨季处理能力为3Q（Q为旱季日均流量），其中1Q通过生物池完整处理过程，其余2Q则从生物池后端接入。此外，雨季Step-feed工艺选择在末端进水就实现了接触-稳定工艺的运行模式，也是欧美污水厂处理雨季峰值流量的常用的运行方式。分点进水工艺主要的技术要点是基于不同季节水温和水量变化，如何进行进水点的选择和水量的分配，在获取构筑物最大去除能力和高效去除污染物之间找到平衡。

③侧流活性污泥工艺

侧流活性污泥工艺在丹麦和瑞典等北欧国家具有比较多的应用案例，侧流活性污泥工艺集合了吸附-再生工艺、Step-feed及活性污泥发酵工艺的各自技术优势，不但可以实现雨季峰值流量处理模式，而且侧流活性污泥池在雨季存储了大量MLSS，还能进一步通过硝化、反硝化和厌氧发酵，实现低C/N比污水的强化脱氮除磷，更加适合我国国情。侧流活性污泥工艺运行方式灵活，旱季模式雨季模式切换方便，旱季可以强化脱氮除磷，雨季可以作为活性污泥存储，实现峰值流量期间高浓度活性污泥在侧流池ARP池的“离线”存储（见图7），雨季峰值流量期间可以有效降低二沉池固体负荷提升处理能力同时，还能通过“主流-侧流”这种“主-辅”反应器联合模式强化除磷脱氮，根据实际项目经验，侧流活性污泥工艺利用存量设施并保持原排放标准情况下在雨季可以进一步提升30%～60%的处理能力（个别项目处理能力提升达100%），而无需新增曝气池池容，只需要对已有生物池池容进行功能划分和管道的重构。美国劳伦斯市Wakarusa再生水厂创新性将3段式氧化沟池型与侧流活性污泥发酵（S2EBPR）相结合，实现了雨季峰值流量3Q（Q为旱季平均流量）的处理能力，无需滤池和化学除磷，实现出水稳定TP<0.2mg/L，NO-3-N< 8mg/L，侧流活性污泥工艺与传统活性污泥工艺的结合彰显未来应对雨季超量混合污水的弹性与稳定性。

图7 侧流活性污泥应对峰值流量运行模式

④活性污泥快速生物吸附-高效澄清工艺

活性污泥生物吸附-分离实际上是高负荷活性污泥法与高效固液分离技术的融合，目前商业化的工艺包如威立雅的BioActiflo®、BioMagTM等。威立雅的Actiflo®物理-化学处理技术优势是快速实现对SS的高效去除，对BOD5也有一定去除效果，如在此基础上将一部分活性污泥引入峰值流量处理设施，可以利用活性污泥快速吸附与生物降解功能，进一步提升对SS、BOD5的去除效率，是生化过程与高效物化分离技术的组合，其技术优势就是雨季峰值流量可以实现短HRT下较好的活性污泥生物处理效果（BOD5去除率≥85%、SS去除率为90%～98%）。活性污泥吸附-高效分离工艺在美国已经有多个项目在建设和运行，具体工艺设计有不同的实现方式，不会导致旱季主体处理构筑物的能力过度闲置。以美国CH2M HILL公司完成的Creek WWTP污水厂雨季能力提升项目为例， Actiflo®实现了“一池两用”（见图8），雨季峰值流量一部分以Setp-feed模式进入生物接触池（停留时间为28min，MLSS为700～1500mg/L），然后泥水混合液至BioActiflo®进行泥水分离，雨季模式下二沉池出水直接进入滤池；旱季切换运行模式，生物吸附池作为生物池一部分，出流至二沉池- Actiflo®，此时Actiflo®是用于三级深度处理的物理-化学过程，没有活性污泥分离作用。该项目2018年进入调试，三个月的运行数据表明该工艺对BOD5的平均去除率达到90.5%。

图8高负荷生物吸附-分离工艺在旱季和雨季的运行模式切换

4.4厂-网联调联控技术（RTC）应对峰值流量

应对城市雨季峰值流量，仅靠灰色基础设施（调蓄池等）不仅投资大，运行成本也不经济，同时要发挥硬件设施之间的协同联动性。如何发挥排水管网、排水设施与末端污水厂之间的联动，20世纪90年代开始，美国、德国、丹麦等国家在该领域进行了大量研究和实践，基于“管网-处理厂”系统集成化管控角度，采用实时控制（Real Time Control, 简称RTC）技术进行“厂-网”联调联控，充分通过“硬件-软件”组合提高或发挥“厂-池-站-网”的匹配性，可以有效提高系统空间容量和处理能力的使用率，在同等条件下减少合流制溢流污染和内涝风险、提高污水处理率，实践证明了RTC技术对提高城市排水系统弹性的优势，在不增加现有主要设施的基础上，可实现对CSO溢流量减少23%～100%的目标。为更好地规范和指导RTC项目的实施，德国水协会于2005年发布的《排水管网实时控制规划框架》中包括了排水管网实时控制项目规划的步骤、可行性评估的要求和关键环节的具体要求等内容。美国环保署于2006年发布了《城市排水管网的实时控制》，提出要依据采集的现场监测数据，动态调整设施设备的开关状态和运行参数，以达到晴天（提高污水处理率）和雨天（减少CSO和内涝）的运行目标。不同城市水系统厂-网实时控制案例见表3。

实施RTC策略主要是解决“厂-池-站-网”的匹配性问题，使得排水系统中各组成要素如管网、泵站、调蓄池和污水厂等在系统目标约束条件（溢流频次和溢流总量等）下实现雨污水收集、转输、调蓄和处理能力的相互匹配，实际上这也是我国近些年大规模沿河截污后面临的共性问题，“源头-中途-末端”没有实现能力的有效协同，快速化的工程实施又进一步加剧了各要素之间的不匹配性。目前，我国很多城市“厂-池-站-网”的匹配性存在很大问题，严重制约了水环境质量改善，具体主要体现在：①存量设施在线存储能力雨季没有充分释放和发挥；②降雨期间上游径流量无有效管控下对下游形成冲击负荷，缺乏中途径流分担机制；③上游排水系统收集能力与污水厂处理能力不匹配；④多种原因导致的调蓄池、泵站作为“承上启下”节点，面临上游管网收集和下游管网输送能力不匹配的瓶颈制约。因此，成功实施RTC策略，重要的前期基础性工作就是进行排水系统要素匹配性分析，发现、识别系统的瓶颈并定量评估，制定改造方案以提高系统的匹配性，在对瓶颈的识别分析基础上提出改造方案，统筹制定、调整RTC调度规则。05

雨季混合流量处理面临的法规、标准制约分析及建议

目前我国尚未在法律、法规方面出台对雨季峰值流量进行处理的要求和规定，美国在联邦法规、EPA历年出台的CSO控制策略中对污水厂雨季峰值流量的处理均有明确定义和约定原则，且随着水环境质量提升和管理实践的不断丰富，美国EPA也在与利益相关方协调试图不断更新上述规则，为了鼓励污水厂雨季多处理峰值流量，美国1989年就出台了CSO控制策略，USEPA 1994出台的CSO控制政策中明确提出了“Nine minimum control”，即“九项基本控制措施”，提出要发挥污水厂存量设施的最大化处理能力，对雨季超量混合污水或峰值流量进行处理，要求对合流制管网雨季收集到的85%的流量进行处理，这样相当于控制CSO溢流频次4～6次/a；对超量混合污水厂可采用“附加处理”措施。需要说明的是，一些用于雨季超量雨污混合流量处理的高效物-化处理工艺如EHRT，投资更省，作为集约型“非生物处理的二级处理”工艺，其出水可以获得同样的“二级处理”效果，出水在与生化处理出水进行“掺混”最终经过消毒后排放，这是有利于合流制系统减少CSO对环境的污染。值得进一步指出的是，在分流制污水系统（SSO），这种“掺混”的做法在美国持续多年存在争议，美国EPA对CSO同意“掺混”解决雨季峰值流量问题， 但对SSO并没有明确法律政策。2013年美国联邦第八巡回上诉法院裁定，SSO使用非生物处理工艺处理峰值流量与经过生物处理的流量进行掺混并且达到排放标准是合法的，但该裁决只适用于第八巡回法院管辖范围内的7个州。

美国在污水厂峰值流量处理政策方面已经有了数十年的积淀，虽然各州政策和做法不尽相同，但是都是鼓励对雨季峰值流量进行必要处理。因此，我国亟需出台这方面的法律法规，真正确立支撑“网-厂-河”模式的法律法规基础，从立法角度提倡和鼓励市政污水厂在雨季发挥设施最大能力对超额流量进行处理，最大程度削减CSO和向环境排放的污染物。其次，在排放标准层面，目前我国的排放标准、取样约定及考核方式不利于雨季峰值流量的处理。欧美发达国家一般是基于流域TMDL理念下的排放许可证制度，采用周均值、月均值进行考核，而我国采用日均值考核，实际执法时往往采取瞬时值或实时在线仪表监测值。由于进水条件等多种原因导致的对生物处理工艺的干扰并引起出水波动性，为了稳定达标运行单位不得不采取更加保守的运行模式对污水厂进水流量和工艺参数进行严格调控，日均值考核模式实际上大大提高了污水厂建设投资及运行成本，这种考核方式在技术层面和运营层面都制约了污水厂雨季进行峰值流量处理。尤其是雨季峰值流量处理设施往往是物理-化学强化一级处理，即便采用部分活性污泥工艺处理峰值流量出水也会存在短时不稳定现象，按《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A考核或者近些年出台地标考核，会存在达标风险。

因此，为激励污水厂对峰值流量进行处理，除了政策法规支撑外，执行层面建议可以借鉴欧美国家，在排放标准上要调整目前的日均值考核方式，可采用周均值和月均值水质达标考核方式；或者各地因地制宜单独制定针对峰值流量的排放标准和指导性处理技术路线，如昆明《城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》征求意见稿中，明确雨天污水厂处理量超过设计处理规模1.1倍时，超量溢流污水经一级强化处理，设置单独排放口，但超量污水处理并不对NH3-N、TN进行要求，出水执行E级排放标准，BOD5为30mg/L,COD为70mg/L, TP为2mg/L。针对合流制雨季超量混合污水制定单独排放标准和审批单独排放口，这样有利于鼓励污水厂多处理峰值流量，降低溢流排放量，促进水环境质量的持续改善，真正实现流域治理理念下的“网-厂-河-湖”综合治理体系。