流域治理视角下合流制雨季超量混合污水治理策略

导语：传统集中式城镇卫生系统在改善水环境的同时，也凸显了集中管网系统在雨季对汇水区域雨水快速收集、快速下泄导致的污水厂进水短期水量大幅提高的水力负荷冲击问题，而我国目前活性污泥系统工艺设计及运行模式无法应对雨季峰值流量，导致管网沿程溢流或厂前溢流或者超越，严重污染了城市河道、受纳水体。在分析集中式城镇排水系统应对峰值流量系统性欠缺基础上，结合雨季峰值流量特性，总结了欧美发达国家在雨季超量混合流量处理方面主要的技术路线、解决方案和运行控制模式，并就我国流域治理大背景下下一步实施雨季峰值流量处理在立法及排放标准方面提出了建议。

流域水环境质量恶化、湖库水体富营养化，城镇黑臭水体是当今世界范围内水环境质量改善面临的共同挑战，造成水质恶化的外源驱动性重要因素就是人类活动加剧了污染物尤其是氮、磷等物质由固相向液相的转移、释放过程。因此，改善水环境质量的技术本质及措施就是要设法采用工程技术和运行控制措施减缓、削减或阻断N、P营养物向水体的转移与释放过程。集中式城镇排水系统由于其对雨季流量的大收集、大输送、快转输等特性，下游污水厂往往不具备超量混合污水处理能力，造成沿程溢流污染、厂前溢流或者厂内超越，给城市水系及受纳水体造成了短时冲击性污染，这是国内城市水体黑臭的直接原因，这也是我国当今进行海绵城市建设和流域治理需迫切解决的系统性难题。

01 现代集中式城镇排水系统的系统性欠缺

现代城镇污水系统主要是集中式排水系统，包括合流制与分流制，但是我国很多城市现实管网情况复杂，多种管网建设模式并存，如截流式合流制等。传统集中式城镇污水系统在解决人类集聚区环境质量卫生、减缓水体污染等方面起到了重要作用。但是这种大收集、集中处理的工业化操作理念，随着城市规模的不断扩大及人口密度的过度集中，注定了集中式排水系统成为水社会循环和水自然循环链条中最脆弱的环节。集中式城镇排水系统结构及风险点见图1。从图1可以看出，现代集中式排水系统从源头收集、过程输送至末端处理及受纳水体排放，任何一个环节出现设施损坏或突发性失效，都将可能会成为水环境的最大污染源，如转输过程的泄漏、处理过程的失效等都会造成污染物的外溢或急速释放。此外，转输过程的外水的入渗入流（Inflow & Infiltration，简称I/I）会稀释污染物导致浓度的降低和处理设施进水流量的大幅增加，提高了过程输送及污水厂处理成本。

图1集中式城镇排水系统结构及风险点示意

从排水系统整体结构性、系统性角度来看，以普遍的截流式合流制系统为例，一方面我国合流制管网应对雨季流量设计标准（如截流倍数）偏低，很多城市实际截流倍数不足1.0，大量合流混合污水不能得到有效收集截流；另一方面，国内污水厂按旱季流量进行设计，不具备雨季超量混合污水的处理能力，即便提高了截流倍数，污水厂也会在雨季成为限制排水系统发挥整体效能的 “卡脖”环节，势必会导致雨季管网系统沿途出现CSO溢流或在厂前溢流，因此，从城市水循环角度看，没有末端污水厂处理能力进行匹配的这种截污行为实际上是加速了污染物向水体的转移释放过程， CSO已被证明是新型微量有机污染物向受纳水体转移的主要途径之一。简而言之，上述问题可归结为集中式排水系统“源头-中途-末端”工程技术措施缺乏系统性考虑， “小-中-大”排水系统缺乏系统规划与能力衔接，这种典型的系统性、结构性问题也必然导致传统集中式排水系统在面对极端性气候条件时系统“弹性”不足，导致城市排水系统安全问题和水环境问题频发。

从现实情况看，管网系统建设和运维环节中存在诸多问题又进一步加剧了集中式排水系统存在的系统性、结构性问题。仍以截流式合流制系统为例，很多城市排水管网由于施工质量差、后期维护管理不到位，导致雨污管网、河网混接错接严重；河水倒灌，地下水入侵、雨水进入污水系统等导致各类外水严重挤占污水管道空间，有些城市外水的入流入渗比例达到16%～55%，截污干管多数情况下是满管运行，这种情况下截流倍数就已经失去了本来应有的工程意义，“满管”运行也削弱了管网对污水的输送能力，也严重稀释了污染物浓度。有研究显示，COD、N、P平均约有55%、33%、30%的污染物未经任何有效处理而在中途泄漏或在管道内被去除。在满管流条件下，管内污水流速偏低，导致污水中颗粒性有机物发生沉积；进一步，满管运行导致管网在雨季失去在线存储能力，而国外案例研究表明，管网I/I率较高直接与CSO量呈正相关，即入渗入流量升高还会直接影响CSO。对于地下水位低的城市，存在管内污水的外泄，对德国莱比锡市的合流制排水系统监测研究显示，研究区域约9.9%～13%的旱季流量直接外泄到地下水，对地下水造成污染。综上，应该以系统性思维评估管网自身问题给整个排水系统带来的全局性影响。

02 传统集中式城镇排水系统改进思路

基于上述分析，从流域治理视角看，现代集中式城镇卫生系统整个链条中存在诸多风险环节，加之这种“收集-转输-处理-排放（或回用）”水的社会循环过程都是以高昂的投资和运营成本作为支撑，从环境风险及经济性角度而言，如不解决上述问题，只是承担流域范围内径流量的快速转移，传统集中式排水系统是不可持续的，为此，需要更新思维，亟需构建以可靠性、弹性和可持续性为基本特征面向未来的现代城镇排水系统，传统快速收集、快速释放的城镇排水系统在流域治理理念下各要素面临结构性、系统性重构。具体来说，解决未来水环境问题，需要系统性思维，以流域为尺度，在流域“点-线-面-体”不同尺度上，从“量”“质”两个维度系统思维，以可持续性为基准原则，进行顶层规划、系统设计，从水社会循环链条各个环节入手，定量化水质-污染源-排水系统之间的关系，从而科学构建面向未来实现可靠性、弹性与可持续性相统一的城镇排水系统。具体工程技术措施方面，着眼污染物在集中式城镇排水系统中产生、输送与转化轨迹，需要对“管网-泵站-过程调蓄（处理）设施-污水厂”沿程各要素匹配性进行系统性评估，需要从“用户控制-源头分离-收集管网完善-污水厂处理及资源回收-排放过程控制“各个环节进行系统性规划。通过工程技术措施或管理手段尽最大可能减少或降低污染物在输送过程中的渗漏或降解，有效规划与实施排水管网的入渗入流、施工排水控制，削减污染物在排水管网系统输送过程中的渗漏及通过各种排口向水体的转移，使污水厂成为污染物最终的受纳、处理或资源回收场所。基于上述过程及原理分析，除了采用LID等绿色基础设施源头对雨水进行削峰和削减污染物浓度外，中途分散式调蓄设施构建，管网输送环节通过工程技术措施修复漏损管道、混接错接进一步削减入渗入流量以外，应该尽最大可能充分利用管网系统的在线调蓄，并在末端提高污水厂雨季处理能力。03

雨季污水处理厂流量特性

污水厂进水流量通常包括污水基础流量(Base Wastewater Flow，简称BWF)和入渗流量及雨水入流量。美国EPA相关报告中将I/I区具体分为入流入渗量（Rainfall-derived infiltration and inflow，RDII）和地下水渗透量（Groundwater Infiltration，GWI），也就是说雨天污水厂进流分成三部分，即BWF、GWI和RDII，其中BWF主要指来自住宅区、商业、工业和政府机构的生活污水和生产废水，BWF与GWI共同组成了旱季流量（Dry Weather Flow， DWF）。而研究显示，GWI与年降水量也有显著的线性关系。以美国温斯顿塞勒姆市Elledge 污水厂2010年9月30日降雨其上游管线流量变化曲线为例（见图2，图中1gpm= 0.23m3/h，1in=2.54cm），说明雨季合流制系统进水流量的组成及降雨影响。从图2可以看出，降雨情形下，合流制管网雨季进水峰值流量受降雨影响较为明显，存在显著的雨水效应，也就是RDII周期，这期间污水厂承受短期的冲击性流量，流量峰值系数达到2.66。通常，欧美污水厂雨季设计流量一般是旱季的3～8倍。

图2美国Elledge WWTP上游管线在2010年9月30日降雨时的流量曲线

04 雨季超量混合污水治理策略

4.1源头减量

近些年海绵城市建设尤其是源头LID、蓝-绿基础设施（BGI）实践表明， LID、BGI等措施可以就地削减区块峰值流量20%～90%，展现了源头设施在雨季通过源头控制和滞留对排水系统削峰、错峰方面的作用。除此以外，BGI等措施与灰色设施的结合还能削减污水处理过程温室气体的排放并降低污水厂的运行能耗。除此，前已述及，集中式排水系统尤其是合流制排水系统，提升对污染物的收集与去除效率，重要的措施是逐步控制管网的I/I、清污分流，降低外水的比例，降低管道运行液位，进一步提升管网的流速和污染物的浓度，提高脱氮除磷效率，降低碳源、除磷等药剂的使用。

4.2中途过程控制及径流分担

对于雨季峰值流量的管控，中途径流分担机制非常关键，中途径流分担措施之一主要是让下水道系统腾出空间，发挥管线的在线存储能力，或通过综合经济技术比较构建经济合理、规模适度的集中式或分散式调蓄设施。中途调蓄可以建设在线或离线调蓄设施（调蓄池、深隧等），也可利用管网在线调蓄。调蓄池或者具有处理功能的高效调蓄处理池（Retention Treatment Basin，简称RTB）在北美、欧洲等发达国家得到比较广泛的应用，不仅可以在雨季峰值流量期间进行调蓄，减少CSO频次或溢流总量，而且将处理功能与调蓄功能相结合，可以有效削减污染物。加拿大Stantec公司研究发现，RTB在上升流速达到11m/h时，通过投加聚合物经过物化处理对SS的去除率可达到80%。我国近些年也对调蓄池进行了功能拓展和技术革新，如将调蓄功能与生物处理功能相结合，不但削减了SS、TP，还进一步削减了BOD5和氨氮，可以原位实现CSO或者初雨的处理就地排放，而无需雨后泵送到污水厂进行处理，实际上这也是我国很多城镇污水厂在当前尚不具备雨季峰值流量处理能力时的一种中途截流就地处理模式的创新。管网在线调蓄通过欧美多年的实践应用已被证明是最经济的方式之一，可以有效降低CSO和污水厂前溢流。但国内很多地区下游管线满管运行，导致管内流速降低的同时，也失去了雨季峰值流量的在线存储空间，因此通过削减入渗入流量、降低外水进入，控制城市外河道运行水位等综合措施的实施进一步降低污水管网运行液位控制，可以为雨季峰值流量腾出在线存贮空间，以“空间”换“时间”，这是发挥管线调蓄能力的基础。此外，对于径流的过程控制，重要控制点是通过对不同汇水区域的管网系统采用分布式流量控制，控制上游管线的流量向下游主干管网的输送速度，从而对污水厂流量起到削峰作用。该方式在欧美发达国家被证明是经济有效的办法，例如美国南本德市基于大量的监测数据，对管网关键位置的阀门进行动态控制，当水厂达到最大处理能力或管网达到最大输送能力时才允许溢流，从而实现了对管网在线存贮空间的充分利用，减少了灰色设施的投资。

4.3 末端采用污水厂雨季峰值流量处理

源头与中途措施的结合，基本目标是最大程度上削减外水进入市政排水系统，在大部分城市，现有的排水系统实际上面临系统重构，提高源头削减、过程调蓄与错峰削峰的流量控制能力。但是，对于超标雨水，上述新型排水系统布局只是从有限的空间和时间上减缓了峰值流量到达污水厂的时间，最终雨季峰值流量依然是污水厂面临的技术和运行难题，因此，如何构建污水厂的峰值处理能力，是我国多数城市未来改善水环境质量的“迈不过去的坎”，笔者结合国外成功案例及自身实践，总结并提出如下建议和对策。

4.3.1关于污水厂处理能力的确定

在英美发达国家，不论是排水体制采用合流制还是分流制，污水厂处理能力表征和确定与我国标准规范完全不同，如美国明尼苏达州根据不同情况确定了不同的污水厂设计流量指标：旱季月均流量（ADW），雨季月平均流量（AWW），雨季小时峰值流量（PHWW）和雨季瞬间峰值流量（PIWW）等，且如果PHWW/ADW > 3，需要考虑进水流量调蓄或处理工序的均衡措施。污水厂除了处理旱季流量，还同时预留雨季流量处理的能力，以美国北卡罗来纳州Muddy, Elledge, South Fork Basins三座污水厂实测值为例，年、月、日、时各自对应的峰值系数汇总见表1。可以看出，美国污水厂处理能力具有很大的弹性和空间。相反，我国污水厂处理规模的确定，并没有考虑雨季峰值流量的处理，而仅仅是按照分流制水量估算原则考虑了综合生活污水量变化系数K，跟发达国家相比，《室外排水设计规范》（GB50014—2006，2016年版）给定的K值偏低；其次，污水厂构筑物设计流量并没有考虑雨季峰值流量的处理，导致雨季超出污水厂设计规模的混合污水在厂前或者中途管线形成CSO溢流，这是我国黑臭水体的直接原因。与此同时，国内近些年治理水体黑臭及海绵城市建设中很多城市实施了沿河截污，并提高了截流倍数，但是污水厂的处理能力却没有与之匹配，目前污水厂对峰值流量处理的缺失，已经成为新形势下改善水环境质量的瓶颈。

表1美国Muddy, Elledge, South Fork Basins三座污水厂年、月、日、时峰值系数

4.3.2雨季峰值流量处理措施

①物理-化学处理

物理-化学处理工艺在欧美污水厂处理雨季合流制峰值流量中得到广泛应用并有多年成熟经验，近些年我国个别城市如上海、昆明也开始了采用化学强化一级处理工艺处理合流制混合污水的实践，生产性试验表明，在优化药剂选型配比及工艺高效运行情况下，化学一级强化处理效率可达到“COD为50%～86%、 BOD5为50%～70%、 SS为 60%～90%、 TP 为70%～90%”，但对TN、NH3-N去除极其有限。通常做法是旱季流量全部经过生化二级处理工艺，雨季峰值流量则通过与二级生物处理段并行的辅助处理设施进行处理（见图3）以去除污水中的SS和一部分BOD5，主要的处理工艺有传统化学一级强化处理（CEPT）、高效澄清池等，近些年一些专有工艺如高效沉淀池HRC（威立雅Actiflo®、苏伊士DensaDeg®）、Aqua-Aerobic Systems公司高速滤池（AquaPrime™）、磁混凝沉淀（CoMag®）以及压缩球过滤（CMF Media）。一些常用峰值流量处理工艺设计参数见图4，上述工艺可以有效去除部分SS、BOD5和TP等，加载絮凝工艺甚至对CSO中疏水性有机污染物可获得50%～80%的去除率，未来“物理-化学处理”工艺将继续向集约化、高效、与生化工艺相结合的方向发展。

图3可用于雨季峰值流量处理的处理单元

图4用于峰值流量处理的高效澄清工艺设计参数选择图谱