廈門(mén)浯溪黑臭水體治理中的合流制溢流污染控制技術(shù)
01.CSO污染控制的必要性
住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2015年8月?tīng)款^編制了《城市黑臭水體整治工作指南》，提到合流制污水系統(tǒng)沿岸排放口應(yīng)采取永久性工程治理，應(yīng)在沿河岸或湖岸布置溢流控制裝置。黑臭水體治理過(guò)程中，CSO污染控制是必須開(kāi)展的工作任務(wù)。
1.1 黑臭水體治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)
由于建設(shè)年代較早的城市，合流制排水體制偏多，排水設(shè)施不完善導(dǎo)致水環(huán)境污染嚴(yán)重，合流制溢流造成黑臭水體問(wèn)題凸顯。
CSO污染對(duì)城市水體造成了嚴(yán)重威脅, 已成為許多城市水體的主要污染源之一。城市合流制管道溢流污水中含有多種病原微生物、氮磷營(yíng)養(yǎng)物及有毒有害物質(zhì)，若未經(jīng)有效處理便直接排入水體，則會(huì)嚴(yán)重地破壞水環(huán)境功能并危及人類健康。鑒于此，國(guó)內(nèi)一些城市就CSO污染問(wèn)題采取了相關(guān)治理措施。
然而，國(guó)內(nèi)大多城市對(duì)CSO污染情況不夠重視，對(duì)其污染規(guī)律及控制措施研究薄弱，相關(guān)基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏，缺少工程經(jīng)驗(yàn)的積累；加上，合流制排水體制多位于老舊城區(qū)，在這些區(qū)域開(kāi)展合流制改造及溢流污染控制工程面臨施工難度大、影響范圍廣、耗資巨大等諸多問(wèn)題，CSO污染控制遭遇難題和困惑。
另一方面，合流制溢流控制不像污水直排口處理那么簡(jiǎn)單，直接采用末端截污納管的方式很難取得良好的效果?？梢?jiàn)，CSO污染控制不能一蹴而就，必然是一項(xiàng)復(fù)雜的長(zhǎng)期系統(tǒng)工程。
1.2 消除黑臭的必然要求
2015年以來(lái)，國(guó)家、部委層面下達(dá)任務(wù)要求，限定時(shí)間消除建成區(qū)黑臭水體。本文中的廈門(mén)市翔安區(qū)浯溪是住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合掛名督辦的重度黑臭水體。消除浯溪黑臭迫在眉睫，況且合流制溢流是造成河道水質(zhì)惡劣的重要原因，進(jìn)行CSO污染控制是必然要求。以水質(zhì)提升為目標(biāo)，倒逼排水設(shè)施建設(shè)、補(bǔ)齊污水處理短板，也是綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展迫切需要的。
對(duì)于合流制溢流問(wèn)題，很多地方采取的方式是開(kāi)展大范圍合改分，認(rèn)為只有進(jìn)行合流制改分流制才能解決污染問(wèn)題。其實(shí)，合流制排水系統(tǒng)并不是導(dǎo)致我國(guó)水體黑臭的根本原因，合流制排水系統(tǒng)產(chǎn)生的溢流才是關(guān)注點(diǎn)。重點(diǎn)應(yīng)該在控制溢流頻次和溢流污水量。通過(guò)雨污分流、源頭減排、加大截流倍數(shù)和設(shè)置調(diào)蓄處理設(shè)施，能達(dá)到控制CSO污染的目的。
02.國(guó)內(nèi)外CSO污染控制策略
世界上很多城市都是合流制排水體制，水環(huán)境并沒(méi)有很糟糕，治理成效很好。自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)外一些城市就開(kāi)始關(guān)注合流制排水系統(tǒng)溢流污染問(wèn)題，也開(kāi)展了卓有成效的CSO污染控制研究工作。
在出臺(tái)一系列關(guān)于CSO污染控制法規(guī)的基礎(chǔ)上，美國(guó)各地采取不同的工程措施。通過(guò)合流管道改造、污水廠擴(kuò)容、調(diào)蓄設(shè)施建設(shè)和溢流量削減等方式，完成CSO污染控制。美國(guó)費(fèi)城在溢流口采用充氣式橡膠堰，充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)的貯存容積，減少一場(chǎng)降雨中70%的溢流量。亞特蘭大興建了地下隧道、貯存池并與管道相連，雨天時(shí)隧道和貯存池用于貯存過(guò)多的雨污水，降雨過(guò)后則將這部分雨污水輸送至污水廠。
德國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始重視城市雨水徑流和CSO污染的控制，他們不是依賴“雨污分流”的辦法，而是更加重視源頭污染控制、CSO污染控制和雨水徑流污染控制的結(jié)合。
由于日本大多數(shù)城市為合流制排水系統(tǒng)，CSO污染問(wèn)題也非常突出，還專門(mén)成立了合流制管道系統(tǒng)顧問(wèn)委員會(huì)來(lái)研究CSO污染的控制問(wèn)題。大阪市約97%的地區(qū)為合流制，為了控制CSO污染，市政府建造雨水儲(chǔ)存管、雨水隧道、蓄水池等控制措施。還提出了“雨季廢水處理方法”，可使雨季管道處理能力達(dá)到最優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)對(duì)CSO污染的控制。
我國(guó)不少城市合流制區(qū)域溢流問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，陸續(xù)開(kāi)展了CSO污染控制的治理工作。早在30年前，上海就開(kāi)展了CSO污染對(duì)蘇州河的相關(guān)工程，加強(qiáng)合流污水調(diào)蓄池的建設(shè)，對(duì)初期雨水進(jìn)行調(diào)蓄處理并配套相應(yīng)的管理措施，加強(qiáng)污染源頭的治理與控制，通過(guò)工程措施和管理措施，減少雨天溢流的次數(shù)和溢流污染負(fù)荷。
昆明針對(duì)老城區(qū)合流制排水系統(tǒng)，為減少雨污混合水溢流河道，削減高濃度初期雨水造成的面源污染，共建設(shè)16座合流污水調(diào)蓄池，總規(guī)模達(dá)到21.3×104m3。將降雨過(guò)程中產(chǎn)生的超負(fù)荷合流污水暫時(shí)儲(chǔ)存后，待污水處理廠有空余能力時(shí)進(jìn)行處理，或經(jīng)簡(jiǎn)易沉淀處理后排放。
盡管已有不少治理案例，但是對(duì)CSO污染的重視程度不夠，沒(méi)有合理有效的控制策略和工程措施，溢流污染對(duì)水環(huán)境的影響并未有所減弱。筆者以浯溪黑臭水體治理為例，重新審視治理措施，針對(duì)合流制區(qū)域產(chǎn)生的雨天溢流污染問(wèn)題進(jìn)行深刻剖析，制定相關(guān)工程方案。
03.浯溪現(xiàn)狀和問(wèn)題分析
3.1 流域概況
浯溪起點(diǎn)為鄭坂箱涵出口，終點(diǎn)為蔡浦魚(yú)鱗閘，向西排入東坑灣入海?？傞L(zhǎng)度3.63km，流域總面積為7.73km2。2015年7月對(duì)浯溪及其支流12個(gè)斷面進(jìn)行旱天監(jiān)測(cè)，顯示2個(gè)河段為重度黑臭水體，1個(gè)河段為輕度黑臭，其余8個(gè)斷面為劣V類水質(zhì)。浯溪沿岸共20個(gè)排水口，最大的是鄭坂箱涵合流制排水口，兩孔箱涵單孔尺寸為4.5m×3.0m。
利用QV和CCTV等手段對(duì)流域內(nèi)排水管網(wǎng)進(jìn)行混錯(cuò)接深度排查，火炬工業(yè)園區(qū)和體育場(chǎng)周邊區(qū)域分別存在26處和5處市政混接點(diǎn)，最終排至浯溪。
圖1 浯溪流域雨污混接位置及現(xiàn)場(chǎng)排查
3.2 問(wèn)題分析鄭坂箱涵排水口上游區(qū)域內(nèi)旱季污水量預(yù)測(cè)僅為4427m3/d，但實(shí)測(cè)箱涵內(nèi)污水量為（1.1～1.3）萬(wàn)m3/d。由于現(xiàn)有臨時(shí)泵站提升截流能力有限，鄭坂箱涵在小雨時(shí)就會(huì)發(fā)生溢流，中大雨時(shí)問(wèn)題尤為明顯。以2018年6月30日為例，當(dāng)日降雨量為20mm，合流污水超過(guò)臨時(shí)提升泵站截流量，黑臭水從箱涵出口溢流排放進(jìn)入河道，污染程度極大。
圖2 合流溢流造成浯溪水質(zhì)惡劣
對(duì)浯溪流域水環(huán)境污染情況進(jìn)行定量化核算，分別從旱天和雨天不同場(chǎng)景分析污染物占比情況。旱天污染物主要來(lái)自農(nóng)村點(diǎn)源排放，占總排放量的67.70%。雨天污染物主要來(lái)自城市面源和合流制溢流污染，分別占比58.44%和32.98%。雨天水環(huán)境容量1.57t/d，污染物排放10.66t/d，排放量約為環(huán)境容量的6.81倍，直接導(dǎo)致水質(zhì)變差并影響雨后水環(huán)境質(zhì)量。
圖3 浯溪流域旱天雨天污染源占比分布
基于翔安區(qū)28年的降雨數(shù)據(jù)分析，確定2005年為典型年，全年降雨場(chǎng)次122場(chǎng)，超過(guò)2mm的降雨64場(chǎng)。選擇MIKE URBAN CS對(duì)鄭坂箱涵現(xiàn)狀進(jìn)行模擬，溢流頻次達(dá)100%。鄭坂箱涵雨季總溢流量約為330萬(wàn)噸/年，COD排放量為429噸/年。
圖4 鄭坂箱涵典型年溢流水量與降雨量對(duì)比
圖5 鄭坂箱涵典型年溢流COD排放量與降雨量對(duì)比
可以看到，鄭坂箱涵合流溢流形勢(shì)嚴(yán)峻，到了非控不可的地步。削減合流溢流進(jìn)入河道水量和溢流頻次，事關(guān)浯溪黑臭水體治理成敗。制定切實(shí)可行的治理目標(biāo)和工程措施，能有效改善浯溪水環(huán)境，達(dá)到消除黑臭的目標(biāo)。04浯溪CSO污染控制方案
通過(guò)一系列水環(huán)境改善項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)浯溪流域健康水循環(huán)，重構(gòu)人水和諧關(guān)系，塑造水清岸綠、河暢景美、生態(tài)和諧的城市水系。在方案中，重點(diǎn)討論鄭坂箱涵合流制溢流控制的技術(shù)策略。
4.1 目標(biāo)和技術(shù)路線
4.1.1 浯溪黑臭水體治理目標(biāo)和思路
近期目標(biāo)全面消除黑臭，旱天污水不入河；雨天控制合流污水，降低合流污水溢流次數(shù)和溢流量，保證雨天水體不黑不臭。遠(yuǎn)期目標(biāo)穩(wěn)定維持水體不黑臭，建設(shè)良好景觀環(huán)境達(dá)到生態(tài)和諧。雨天時(shí)，重要任務(wù)是控制鄭坂箱涵合流溢流，同時(shí)削減面源污染入河。
圖6 浯溪流域消除黑臭的近遠(yuǎn)期治理思路
4.1.2 浯溪黑臭水體治理技術(shù)路線技術(shù)路線從“控源截污、內(nèi)源治理、生態(tài)修復(fù)、活水保質(zhì)”四個(gè)方面落實(shí)水環(huán)境整治建設(shè)要求的工程指標(biāo)和內(nèi)容，從“源頭減排、過(guò)程控制、系統(tǒng)治理”系統(tǒng)制定水環(huán)境改善的工程方案?？刂莆廴救牒樱巍凹膊 ?，善控源截污體系；提升自凈能力，強(qiáng)“體魄”，提升水環(huán)境質(zhì)量。
圖7 浯溪流域黑臭治理技術(shù)路線
明確以CSO污染控制、點(diǎn)源治理為核心，面源污染控制和內(nèi)源削減等為輔助，環(huán)境容量提升為保障的原則，合理分配各工程措施目標(biāo)，優(yōu)化與調(diào)整工程規(guī)模，兼顧工程經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)有效達(dá)到水環(huán)境改善。
圖8 浯溪流域水環(huán)境改善措施指標(biāo)分解示意
4.1.3 浯溪CSO污染控制技術(shù)路線旱天污水全截流至翔安污水廠；雨天先將旱天污水截流至翔安污水廠，一體化泵站提升后的合流污水經(jīng)箱涵容積調(diào)蓄后通過(guò)在線物化設(shè)備處理后排至濕地。為了控制典型年溢流頻次，需要新建CSO調(diào)蓄池，超過(guò)溢流頻次的合流污水經(jīng)濕地后排河。
圖9 鄭坂箱涵合流制溢流控制技術(shù)流程
4.2 CSO綜合整治方案在浯溪黑臭水體治理中，從污染物削減和環(huán)境容量提升兩大方面制定若干工程措施。本文不再贅述其他工程，更多的介紹鄭坂箱涵CSO污染控制方案。
4.2.1 旱天污染物削減方案
基于旱天有大量污水排出，在箱涵出口建設(shè)一體化提升泵站，規(guī)模為2.0萬(wàn)m3/d，旱季污水全部截流進(jìn)入污水處理廠。
在開(kāi)展CSO調(diào)蓄和在線處理之前，應(yīng)當(dāng)充分完成上游火炬工業(yè)園區(qū)混接改造?；鹁婀I(yè)園區(qū)共排查到26處（44個(gè)點(diǎn)）混接點(diǎn)，其中14處需工程整改，12處由工程排污執(zhí)法處理。下圖為浯溪流域混接點(diǎn)改造工程布置圖，列出23#和27#改造詳圖。
圖10 浯溪流域混接點(diǎn)改造工程布置
4.2.2 雨天CSO污染控制思路合流制溢流工程分期分階段實(shí)施方法：鄭坂箱涵出水首先由一體化泵站提升至污水廠，通過(guò)出口位置的節(jié)制閘利用箱涵調(diào)蓄一部分合流污水，近期通過(guò)在線物化設(shè)備處理后經(jīng)濕地排河，起到控制溢流頻次和削減入河污染物的作用；遠(yuǎn)期根據(jù)混接改造后的效果，評(píng)估CSO調(diào)蓄池容積和在線物化處理設(shè)備的規(guī)模。
圖11 鄭坂箱涵合流溢流控制雨天工程措施
4.2.3 多目標(biāo)工程措施比選利用MIKE URBAN CS搭建鄭坂箱涵上游區(qū)域模型，依據(jù)排水系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的匯水區(qū)域，對(duì)水文模型的集水區(qū)進(jìn)行劃分，并采用泰森多邊形法進(jìn)行連接，設(shè)置集水區(qū)水文模型參數(shù)，設(shè)置降雨水位邊界條件后，即建立該區(qū)域管網(wǎng)的水文、水動(dòng)力模型。
圖12 鄭坂箱涵上游區(qū)域匯水分區(qū)模型
通過(guò)模型多方案比選，針對(duì)不同溢流控制目標(biāo)，制定相對(duì)應(yīng)最合理工程措施設(shè)置方案。在此過(guò)程中，不斷調(diào)整各溢流頻次目標(biāo)下的在線物化設(shè)備、CSO調(diào)蓄池等規(guī)模。對(duì)不同溢流次數(shù)控制目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，選取5、8、10、15、20、25、30和35次/年進(jìn)行工程措施的制定。在一體化泵站提升富余能力8000m3/d和箱涵出口設(shè)置節(jié)制閘后箱涵的10680m3調(diào)蓄容積同等基礎(chǔ)下，各目標(biāo)下合理的在線物化設(shè)備規(guī)模、CSO調(diào)蓄池容積、總投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用數(shù)據(jù)表如下。
表1 多目標(biāo)控制下的工程措施和投資數(shù)據(jù)
為實(shí)現(xiàn)2018年底消除黑臭，遵循“以工程換時(shí)間，以工程換效果”的近期實(shí)施思路，開(kāi)展以下工程：箱涵出口蓋板暗渠化處理，長(zhǎng)度160m；旱天污水量提升至翔安污水廠；雨天利用泵站8000m3/d富裕能力截流合流污水至污水廠；箱涵出口設(shè)置節(jié)制閘，調(diào)蓄容積1.1萬(wàn)m3；在線物化設(shè)備規(guī)模1.5萬(wàn)m3/d，占地300m2，L×B=30m×10m。近期工程實(shí)施后，年溢流次數(shù)控制目標(biāo)為36次/a，對(duì)應(yīng)日降雨量為10mm。
圖13 鄭坂箱涵合流溢流控制近遠(yuǎn)期工程布置
通過(guò)模擬，得到降雨過(guò)程線和箱涵出口流量過(guò)程線，設(shè)置節(jié)制閘和1.5萬(wàn)m3/d在線物化設(shè)備后，全年溢流量為137.6萬(wàn)m3，相較于原來(lái)溢流總量330萬(wàn)m3，削減了58.3%。
圖14 典型年降雨過(guò)程線與近期措施溢流量對(duì)比
遠(yuǎn)期追蹤箱涵上游混接改造情況，評(píng)估新建調(diào)蓄池的容積和在線物化設(shè)備規(guī)模。若混接改造效果良好，則縮減或取消新建CSO調(diào)蓄池規(guī)模。若混接改造效果不好，則按照15次/a溢流次數(shù)控制目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)在線物化設(shè)備處理能力調(diào)整到6萬(wàn)m3/d，占地1200m2，尺寸為L(zhǎng)×B=50m×25m。新建CSO調(diào)蓄池的容積為2.0萬(wàn)m3/d，占地4000m2，L×B=100m×40m。遠(yuǎn)期年溢流次數(shù)控制目標(biāo)為15次，對(duì)應(yīng)日降雨量26.8mm。遠(yuǎn)期工程措施實(shí)施后，鄭坂箱涵出口全年溢流量為51.8萬(wàn)m3，削減84.3%。
圖15 典型年降雨過(guò)程線與遠(yuǎn)期措施溢流量對(duì)比
4.2.5 CSO調(diào)蓄工程對(duì)箱涵行洪的影響鄭坂箱涵本身為雨水排澇的通道，肩負(fù)著上游3.9km2區(qū)域范圍內(nèi)的行洪。進(jìn)行鄭坂箱涵改造和出口設(shè)置2.7m節(jié)制閘后，降雨期間箱涵內(nèi)雍水是否會(huì)造成火炬工業(yè)園區(qū)內(nèi)澇積水也是需要關(guān)心的問(wèn)題。
追蹤?quán)嵺嘞涑隹谥鞲汕?，?duì)區(qū)域內(nèi)的水位情況進(jìn)行模擬。選取典型年2005年8月13日強(qiáng)降雨數(shù)據(jù)（215.1mm）輸入模型，得到上游區(qū)域箱涵管道水位線。結(jié)果顯示，鄭坂箱涵上游管道中水位運(yùn)行，紅色為最大水位線，未超過(guò)地面檢查井標(biāo)高，區(qū)域內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)內(nèi)澇積水，說(shuō)明出口設(shè)置節(jié)制閘和CSO調(diào)蓄設(shè)施之后，上游區(qū)域無(wú)內(nèi)澇積水，不會(huì)對(duì)鄭坂箱涵行洪產(chǎn)生影響。
圖16 鄭坂箱涵節(jié)制閘后溢流液位
圖17 設(shè)置節(jié)制閘后強(qiáng)降雨條件下管道水位線
05.結(jié)論①合流制排水系統(tǒng)區(qū)域應(yīng)盡量避免“合改分”一刀切，需要詳細(xì)梳理分析現(xiàn)狀問(wèn)題和成因，制定因地適宜的合流制改造方案。在能夠進(jìn)行合流改分流和混錯(cuò)接改造的基礎(chǔ)上，做好合流制溢流控制工作。
②CSO污染控制重點(diǎn)在于雨天工程措施的制定，應(yīng)結(jié)合截流、調(diào)蓄、污水處理和生態(tài)設(shè)施進(jìn)行多目標(biāo)多方案比選，在溢流頻次目標(biāo)、技術(shù)可行性、工程實(shí)施難度和投資造價(jià)等方面，優(yōu)化最佳方案實(shí)現(xiàn)控制溢流頻次和削減溢流量。
?、墼诖_定工程方案之后，需及時(shí)跟蹤“合改分”和混錯(cuò)接改造成果，動(dòng)態(tài)評(píng)估CSO污染情況，制定近遠(yuǎn)期不同階段工程措施。同時(shí)，分析合流管渠出口末端設(shè)置截流調(diào)蓄設(shè)施之后對(duì)上游區(qū)域行洪影響，避免造成合流溢流得以控制，降雨期間排水不暢形成內(nèi)澇積水。
本文的完整版刊登在《中國(guó)給水排水》2021年第6期，作者：常勝昆、周丹、馬洪濤、程慧芹、郭迎新、肖朝紅、郝婧，單位：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司北京分公司。