水務熱點｜國內外城鎮排水系統出流污染的研究進展
時間：2023-12-26 作者：admin
導語
我國城市排水系統因存在河水等水體倒灌、地下水等外水入滲、合流制管網溢流(combined sewer overflows, CSOs)、雨污管網混接等諸多問題，污染物外排城市水體的情況仍較普遍。住房和城鄉建設部發布的《城市黑臭水體整治——排水口、管道及檢查井治理技術指南》規定：管網末端排口分為9 類，其中7 類都涉及雨天向水體排污的情況。以CSOs、分流制管網混錯接導致的排水管網出流污染占據了城市水體污染負荷的主要來源，是制約我國河湖水質長期未得到根本改善的主要原因之一。開展城市排水系統出流污染研究，重視與強化CSOs 污染、徑流污染的控制和管理，是我國當前階段水環境整治急需解決的關鍵問題。
美國、德國、日本等發達國家于20 世紀就高度關注城市CSOs 和雨水徑流污染控制的研究，并形成一套完善的控制體系。我國對CSOs 污染的研究則相對較晚，對傳統老城區合流制系統改造思路主要為“合改分”或截流式合流制改造。因此，本文梳理美國、德國、英國、日本等國家與我國在徑流污染控制和CSOs 污染控制的研究進展，總結我國排水系統出流污染控制領域存在的不足，以期為后續工作提供參考。
1 國外研究進展
國外對城市排水系統出流污染控制研究主要集中在CSOs 污染控制和雨水徑流污染控制兩大方面。在工程性措施上，通過灰色基礎設施和綠色基礎設施解決CSOs 污染和雨水徑流污染問題；在非工程性措施上，在大量合流制排水系統的基本資料數據基礎上，通過系統化、標準化的管理控制體制，解決城市排水系統出流污染控制問題。
1.1徑流污染控制研究進展
通過長期的理論研究和工程實踐，國外很多國家逐漸意識到僅通過灰色設施作用是很難高效且經濟地削減排水系統對城市受納水體造成的污染。自20 世紀70 年代起，對城市徑流污染控制開展了大量的研究和實踐，從只重視雨水徑流排放轉變為源頭、中途和末端的系統控制，并涌現出了多類控制雨水徑流污染的新技術和管理策略，如美國先后提出“最佳管理措施(best management practices，BMPs)”、“低 影 響 開 發(low impact development，LID)”、“綠色基礎設施(green infrastructure，GI)”，英國提出“可持續城市排水系統(sustainable urban drainage system，SUDS)”，澳大利亞提出“水敏感性城市設計(water sensitive urban design，WSUD)”，新加坡提出“ABC 計劃(active,beautiful,clean waters programme，ABC)”等。這些雨洪管理體系策略基本都強調采用城市排水管網設施與場地內植物、綠地、水體等自然景觀條件相結合的生態設計方式，通過雨水花園、透水鋪裝、綠色屋頂、雨水濕地等分散式源頭生態措施，凈化初期雨水、削減徑流污染，同時提高城市排水能力、改善水體水質。
1.2CSOs污染控制研究進展
美國、德國、日本和新西蘭等國家較早系統性開展了合流制排水系統改造和溢流控制的相關研究工作，并通過長期實踐取得較為豐富的工程經驗。
1.2.1 不同國家CSOs 污染控制策略
由于不同國家不同地區的降雨、場地等基礎條件各異，加上城市發展階段與管理水平不同，以及城市排水管網、污水廠等基礎設施情況特征不同，國外對合流制排水系統控制研究的技術策略也不盡相同。選取最為代表性的美國、德國、日本和新西蘭，對其合流制總體特征與技術策略進行總結，整體代表了不同區域典型發達國家對CSOs 污染問題的研究和控制水平，具體如表1 所示。目前，國外發達國家在CSOs 污染長期控制策略，主要包括雨污分流改造、排水管道修復、分散式調蓄設施建設、過濾消毒處理、深層調蓄隧道建設、污水處理廠提標升級、合流制溢流口改造、泵站能力提升和就地凈化處理設施建設9 項技術措施。其中，排水管網分流改造、污水處理廠提升改造和綠色基礎設施建設是目前國外應用最為廣泛的技術措施。
表1 不同國家的合流制排水系統總體特征及控制策略
1.2.2 CSOs 污染控制實踐應用
國外很多城市對CSOs 污染控制的研究較為成熟，通過長期實踐獲得了豐富的工程應用經驗，并取得顯著成果。
（1）美國
美國在十余個地區的早期CSOs 污染控制措施均以雨污分流管網改造、新建截污干管、增設末端調蓄和污水廠升級改造灰色基礎設施為主。如合流制的社區數量由1972 年的1 300 多個降至2004 年的722 個，將近1/2 的社區采取完全雨污分流策略應對早期的CSOs 問題。亞特蘭大市利用新建地下隧道和調蓄池存儲過多的雨污水，待降雨結束再將此部分雨污水通過排水管道輸送至污水處理廠，或通過添加礫石床等將調蓄池進一步改造為人工濕地處理系統，實現儲水和凈化功能。圣路易斯都會區對早期CSOs 污染控制同樣以灰色策略為主，投入大量資金對2 座污水廠的二級處理工藝進行升級改造，并建設配套的截流管網，在溢流口設置自動控制閘門、結合住宅改造進行雨污分流改造等。
綠色基礎設施這一概念為CSOs 污染控制提供新的思路。采取灰綠結合方式，可削減徑流污染，降低CSOs 污染的溢流量和溢流頻率。如美國紐約合流制系統高達2/3，為解決CSOs 污染問題，采用灰綠結合的改造策略，對422 個排放口設置調節器以攔截部分雨污水至下水道，升級改造污水廠來提高處理雨污合流污水能力；同時，通過推行雨水桶贈送計劃、綠色街道建設計劃、藍色飄帶計劃，建設存蓄雨水桶、街邊滯留洼地和植草溝、人工濕地和雨水滯留池等設施，處理城市的雨水徑流污染及CSOs問題，從而提高老城的排水能力。費城有60%的合流制系統，為解決CSOs 污染，2011 年推行“綠色城市，潔凈水體”計劃和“綠色英畝”概念，城市內在不增加灰色設施的情況下優先進行綠色基礎設施的布局建設。波特蘭市在20 世紀90 年代通過建設雨水花園等綠色設施，從源頭減少進入合流制管道的雨水量；此外，結合雨污分流和調蓄隧道等灰色設施控制合流制溢流污染問題。
為緩解各地因CSOs 污染控制帶來的巨大財政壓力，實現投資效益最大化，美國國家環保局于2012 年提出“綜合規劃”框架，倡導通過綜合性規劃實現對雨污水高效管理，推薦以可持續的控制措施，實現CSOs 污染控制、污水管道溢流(SSO)控制、雨洪管理、污水處理等的綜合管理。如費城從環境、社會和經濟3 個維度評估量化CSOs 污染控制措施的綜合效益；西雅圖則根據項目對水質的影響成效選擇實施或推遲，對綜合效益較低的CSOs 污染長期控制項目采取推遲策略，實施對水質影響顯著的雨水控制項目；圣路易斯都會區在長期規劃制定過程中，綜合分析了費用、控制效果、財政支付能力、項目可實施性和公眾接受程度等要素，最終確定綜合效益最好的控制方案。
（2）德國
德國從20 世紀80 年代開始重視城市雨水徑流和CSOs 污染控制，主要采取分散式源頭生態措施來凈化源頭雨水徑流污染，通過修建分散調蓄設施等污染就地處理控制和雨水徑流污染控制的結合方式實現CSOs 污染控制。如德國漢堡雨污合流制管網占排水系統總和的90%，在保留大量合流制系統的基礎上，通過源頭污染控制和終端污染控制相結合、排水系統升級改造等措施削減徑流量和污染總量，實現對CSOs 污染的有效控制。
（3）英國
英國于1999 年提出“可持續排水系統(SUDS)”，強調通過綜合可持續性措施來改善和優化城市水循環和水生態系統。在CSOs 污染控制上，同樣采取雨水源頭控制、排水管網截流和調蓄等措施相結合方式控制CSOs 污染。以英國倫敦為例，為解決倫敦市CSOs 污染問題，通過研究比選雨污分流、源頭改造、河道原位治理、大型深隧建設4 個方案，最后采取在原合流制排水系統基礎上，建設一個深層排水隧道儲蓄溢流污水的解決方案。
（4）日本
日本專門設立合流制管道系統顧問委員會來研究CSOs 污染的控制問題。除采用類似德國的技術外，日本還重視對各分散溢流口的溢流凈化處理，削減CSOs 污染。如大阪市合流制系統約占97%，市政府除建設雨水儲存管、雨水隧道、蓄水池等控制設施外，還采取安置濾網等高速過濾系統來處理分離微粒和砂粒，雨季對混合水進行活性污泥處理，雨水溢流井及泵站室內增設消毒等措施，實現對CSOs的有效控制。
2 國內研究進展
2.1徑流污染控制研究進展
我國徑流污染控制方面的研究發展較晚，目前還未形成完善的理論和技術體系。許多專家學者借鑒國外較為成熟的雨洪管理理念，結合我國基本國情，開展具有中國特色的雨洪管理體系研究，以“雨洪控制利用”和“海綿城市”兩大理論為代表。其中，“雨洪控制利用”側重對城市雨水進行收集、處理和利用，主要目標是解決城市積水過多和水資源短缺的問題。“海綿城市”則更強調在城市規劃和建設的全局視角下，將水資源可持續利用、良性水循環、內澇防治、水污染治理作為綜合目標，目前已成為我國徑流污染控制的首要方針策略，還應用于水生態修復、舊城排水系統改造等領域。如楊貝貝等結合我國面源污染控制通常采用的“源頭-遷移-末端”逐級控制措施，提出在海綿城市理念下各級污染控制中的應用。孫喆結合我國梅口河排水(雨水)防澇體系構建項目，提出運用雨洪管理理念通過滲蓄系統、排水系統、防澇系統和管理系統四大系統構建新型生態排水系統，并設立建管結合管理機制，有效降低洪峰，削減徑流污染。
2.2CSOs污染控制研究進展
我國城市對CSOs 污染的研究起步相對較晚，多年來傳統老城區合流制系統改造思路主要為“合改分”或截流式合流制改造。對比國外，我國除老城區CSOs 污染外，新建城區由于公眾意識淡薄、建設監管不到位、配套設施不完善等原因，普遍存在分流制排水系統雨污管網混接、錯接現象，分流制管網已變成事實上的合流，下雨時大量的雨污混合水排入河道成為城市河道重要的污染來源。
國內對于CSOs 污染控制通常以末端截流-調蓄為主，通過提高截流倍數、增大截流量、建設調蓄池和深隧等措施減少溢流量。在理論研究方面，針對分流制管網混接造成的合流制污染，學者們研究了調研技術體系和旱天排放污染特征。陳春霄等提出從經濟成本、環境效益和可行性角度，對污染控制方案優化選擇。馬珍等則從管道溢流分析污染特性，提出水質管控技術與策略。在實踐應用方面，我國前期的CSOs 污染控制以灰色基礎設施為主，如上海、昆明等城市為改善水環境質量，開展了截污干管、CSOs 調蓄池等項目建設；廣州市建設我國首個深層隧道調蓄工程，以緩解溢流污染及內澇問題；多個城市制定并實施了雨污分流改造計劃；一些大城市也開展了調蓄隧道或調蓄池的可行性研究及相關規劃。
近年來隨著海綿城市等新理念、排水系統監測和模型模擬等新技術的發展，研究人員開始對“灰綠結合”模式進行探索和實踐。源頭實施綠色設施，可有效控制徑流峰值，延長徑流時長，降低徑流污染，是合流制溢流污染控制系統的重要組成部分。張穎等通過模型驗證增設LID 源頭分散設施能夠有效提高合流制溢流水量和溢流次數削減率；孫櫻珊以Mike Urban 模型為工具，從環境效益、工程造價等方面開展源頭、管網提標、末端調蓄等多種解決方案評價；趙國翰通過LID 的形式減少SSO風險比傳統建立雨污分流排水系統或建造溢流污水調蓄池等策略更加節能高效；何巍偉等通過分析廣州、上海和武漢等地深隧案例建設過程中的工程設計研究方法和重點內容，結合適應性、關鍵技術和運行調度管理等方面，提出深隧排水系統作為一種特殊的新型灰色設施，是有效解決城市排水問題的新途徑。
目前，昆明、武漢等地起草了《城鎮徑流及溢流污染控制技術規范》《合流制溢流調蓄及處理設施技術規程》等技術指導文件，但國家層面尚未形成針對CSOs 污染控制的專項法規政策。《海綿城市建設技術指南》、《室外排水設計標準》(GB 50014—2021)、《雨水集蓄利用工程技術規范》(GB 51174—2017)等部分標準中對相應要求有所提及，現有的CSOs 排放標準與截流倍數標準、污水處理廠雨季排放標準、就地處理設施的排放標準等其他CSOs 控制系統的標準銜接程度不足，系統性和指導性有待進一步完善。
3 結語
總體來看，目前我國排水系統出流污染控制研究還存在很多問題，如：對出流污染成因研究不足，沒有將CSOs 和分流制管網混流兩類污染加以正確區分，造成污染控制策略不明晰；污染控制技術體系的構建缺乏系統性，較少從排水系統的全局角度制定系統決策，合理分配各子系統控制指標及協調之間的相互關系；溢流頻次、體積與污染物控制標準不明晰，同時缺乏基礎數據和監測評估，相關灰綠設施規模設計直接照搬國外公式和參數，設計方法整體而言科學依據不足。此外，由于我國不同地區的降雨、地形等基礎條件及城市發展階段與基礎設施情況等特征的不同，決定了其在排水管網出流污染控制總體策略選擇、控制目標制定上的差異。
建議強化對排水系統出流污染成因研究，結合源頭減排、管網改造、末端截流調蓄等技術方法，結合我國實際情況，制定相關管理政策，從源頭削減、中途阻攔、末端控制的排水系統全過程管控及城市可持續發展角度制定出流污染控制策略。
遼公網安備 21021702000277號