水務(wù)熱點(diǎn)｜國內(nèi)外城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)出流污染的研究進(jìn)展
時(shí)間：2023-12-26 作者：admin
導(dǎo)語
我國城市排水系統(tǒng)因存在河水等水體倒灌、地下水等外水入滲、合流制管網(wǎng)溢流(combined sewer overflows, CSOs)、雨污管網(wǎng)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(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《城市黑臭水體整治——排水口、管道及檢查井治理技術(shù)指南》規(guī)定：管網(wǎng)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(wǎng)混錯(cuò)接導(dǎo)致的排水管網(wǎng)出流污染占據(jù)了城市水體污染負(fù)荷的主要來源，是制約我國河湖水質(zhì)長期未得到根本改善的主要原因之一。開展城市排水系統(tǒng)出流污染研究，重視與強(qiáng)化CSOs 污染、徑流污染的控制和管理，是我國當(dāng)前階段水環(huán)境整治急需解決的關(guān)鍵問題。
美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家于20 世紀(jì)就高度關(guān)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(tǒng)老城區(qū)合流制系統(tǒng)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(jìn)展，總結(jié)我國排水系統(tǒng)出流污染控制領(lǐng)域存在的不足，以期為后續(xù)工作提供參考。
1 國外研究進(jìn)展
國外對城市排水系統(tǒng)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(chǔ)設(shè)施和綠色基礎(chǔ)設(shè)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(tǒng)的基本資料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的管理控制體制，解決城市排水系統(tǒng)出流污染控制問題。
1.1徑流污染控制研究進(jìn)展
通過長期的理論研究和工程實(shí)踐，國外很多國家逐漸意識到僅通過灰色設(shè)施作用是很難高效且經(jīng)濟(jì)地削減排水系統(tǒng)對城市受納水體造成的污染。自20 世紀(jì)70 年代起，對城市徑流污染控制開展了大量的研究和實(shí)踐，從只重視雨水徑流排放轉(zhuǎn)變?yōu)樵搭^、中途和末端的系統(tǒng)控制，并涌現(xiàn)出了多類控制雨水徑流污染的新技術(shù)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(fā)(low impact development，LID)”、“綠色基礎(chǔ)設(shè)施(green infrastructure，GI)”，英國提出“可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(sustainable urban drainage system，SUDS)”，澳大利亞提出“水敏感性城市設(shè)計(jì)(water sensitive urban design，WSUD)”，新加坡提出“ABC 計(jì)劃(active,beautiful,clean waters programme，ABC)”等。這些雨洪管理體系策略基本都強(qiáng)調(diào)采用城市排水管網(wǎng)設(shè)施與場地內(nèi)植物、綠地、水體等自然景觀條件相結(jié)合的生態(tài)設(shè)計(jì)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(tài)措施，凈化初期雨水、削減徑流污染，同時(shí)提高城市排水能力、改善水體水質(zhì)。
1.2CSOs污染控制研究進(jìn)展
美國、德國、日本和新西蘭等國家較早系統(tǒng)性開展了合流制排水系統(tǒng)改造和溢流控制的相關(guān)研究工作，并通過長期實(shí)踐取得較為豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。
1.2.1 不同國家CSOs 污染控制策略
由于不同國家不同地區(qū)的降雨、場地等基礎(chǔ)條件各異，加上城市發(fā)展階段與管理水平不同，以及城市排水管網(wǎng)、污水廠等基礎(chǔ)設(shè)施情況特征不同，國外對合流制排水系統(tǒng)控制研究的技術(shù)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(shù)策略進(jìn)行總結(jié)，整體代表了不同區(qū)域典型發(fā)達(dá)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(fā)達(dá)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(fù)、分散式調(diào)蓄設(shè)施建設(shè)、過濾消毒處理、深層調(diào)蓄隧道建設(shè)、污水處理廠提標(biāo)升級、合流制溢流口改造、泵站能力提升和就地凈化處理設(shè)施建設(shè)9 項(xiàng)技術(shù)措施。其中，排水管網(wǎng)分流改造、污水處理廠提升改造和綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是目前國外應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)措施。
表1 不同國家的合流制排水系統(tǒng)總體特征及控制策略
1.2.2 CSOs 污染控制實(shí)踐應(yīng)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(shí)踐獲得了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并取得顯著成果。
（1）美國
美國在十余個(gè)地區(qū)的早期CSOs 污染控制措施均以雨污分流管網(wǎng)改造、新建截污干管、增設(shè)末端調(diào)蓄和污水廠升級改造灰色基礎(chǔ)設(shè)施為主。如合流制的社區(qū)數(shù)量由1972 年的1 300 多個(gè)降至2004 年的722 個(gè)，將近1/2 的社區(qū)采取完全雨污分流策略應(yīng)對早期的CSOs 問題。亞特蘭大市利用新建地下隧道和調(diào)蓄池存儲(chǔ)過多的雨污水，待降雨結(jié)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(diào)蓄池進(jìn)一步改造為人工濕地處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水和凈化功能。圣路易斯都會(huì)區(qū)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(jìn)行升級改造，并建設(shè)配套的截流管網(wǎng)，在溢流口設(shè)置自動(dòng)控制閘門、結(jié)合住宅改造進(jìn)行雨污分流改造等。
綠色基礎(chǔ)設(shè)施這一概念為CSOs 污染控制提供新的思路。采取灰綠結(jié)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(tǒng)高達(dá)2/3，為解決CSOs 污染問題，采用灰綠結(jié)合的改造策略，對422 個(gè)排放口設(shè)置調(diào)節(jié)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(shí)，通過推行雨水桶贈(zèng)送計(jì)劃、綠色街道建設(shè)計(jì)劃、藍(lán)色飄帶計(jì)劃，建設(shè)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(shè)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(fèi)城有60%的合流制系統(tǒng)，為解決CSOs 污染，2011 年推行“綠色城市，潔凈水體”計(jì)劃和“綠色英畝”概念，城市內(nèi)在不增加灰色設(shè)施的情況下優(yōu)先進(jìn)行綠色基礎(chǔ)設(shè)施的布局建設(shè)。波特蘭市在20 世紀(jì)90 年代通過建設(shè)雨水花園等綠色設(shè)施，從源頭減少進(jìn)入合流制管道的雨水量；此外，結(jié)合雨污分流和調(diào)蓄隧道等灰色設(shè)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(cái)政壓力，實(shí)現(xiàn)投資效益最大化，美國國家環(huán)保局于2012 年提出“綜合規(guī)劃”框架，倡導(dǎo)通過綜合性規(guī)劃實(shí)現(xiàn)對雨污水高效管理，推薦以可持續(xù)的控制措施，實(shí)現(xiàn)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(fèi)城從環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)3 個(gè)維度評估量化CSOs 污染控制措施的綜合效益；西雅圖則根據(jù)項(xiàng)目對水質(zhì)的影響成效選擇實(shí)施或推遲，對綜合效益較低的CSOs 污染長期控制項(xiàng)目采取推遲策略，實(shí)施對水質(zhì)影響顯著的雨水控制項(xiàng)目；圣路易斯都會(huì)區(qū)在長期規(guī)劃制定過程中，綜合分析了費(fèi)用、控制效果、財(cái)政支付能力、項(xiàng)目可實(shí)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。
?。?）德國
德國從20 世紀(jì)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(tài)措施來凈化源頭雨水徑流污染，通過修建分散調(diào)蓄設(shè)施等污染就地處理控制和雨水徑流污染控制的結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)CSOs 污染控制。如德國漢堡雨污合流制管網(wǎng)占排水系統(tǒng)總和的90%，在保留大量合流制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過源頭污染控制和終端污染控制相結(jié)合、排水系統(tǒng)升級改造等措施削減徑流量和污染總量，實(shí)現(xiàn)對CSOs 污染的有效控制。
?。?）英國
英國于1999 年提出“可持續(xù)排水系統(tǒng)(SUDS)”，強(qiáng)調(diào)通過綜合可持續(xù)性措施來改善和優(yōu)化城市水循環(huán)和水生態(tài)系統(tǒng)。在CSOs 污染控制上，同樣采取雨水源頭控制、排水管網(wǎng)截流和調(diào)蓄等措施相結(jié)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(shè)4 個(gè)方案，最后采取在原合流制排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上，建設(shè)一個(gè)深層排水隧道儲(chǔ)蓄溢流污水的解決方案。
?。?）日本
日本專門設(shè)立合流制管道系統(tǒng)顧問委員會(huì)來研究CSOs 污染的控制問題。除采用類似德國的技術(shù)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(tǒng)約占97%，市政府除建設(shè)雨水儲(chǔ)存管、雨水隧道、蓄水池等控制設(shè)施外，還采取安置濾網(wǎng)等高速過濾系統(tǒng)來處理分離微粒和砂粒，雨季對混合水進(jìn)行活性污泥處理，雨水溢流井及泵站室內(nèi)增設(shè)消毒等措施，實(shí)現(xiàn)對CSOs的有效控制。
2 國內(nèi)研究進(jìn)展
2.1徑流污染控制研究進(jìn)展
我國徑流污染控制方面的研究發(fā)展較晚，目前還未形成完善的理論和技術(shù)體系。許多專家學(xué)者借鑒國外較為成熟的雨洪管理理念，結(jié)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(cè)重對城市雨水進(jìn)行收集、處理和利用，主要目標(biāo)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(qiáng)調(diào)在城市規(guī)劃和建設(shè)的全局視角下，將水資源可持續(xù)利用、良性水循環(huán)、內(nèi)澇防治、水污染治理作為綜合目標(biāo)，目前已成為我國徑流污染控制的首要方針策略，還應(yīng)用于水生態(tài)修復(fù)、舊城排水系統(tǒng)改造等領(lǐng)域。如楊貝貝等結(jié)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(yīng)用。孫喆結(jié)合我國梅口河排水(雨水)防澇體系構(gòu)建項(xiàng)目，提出運(yùn)用雨洪管理理念通過滲蓄系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、防澇系統(tǒng)和管理系統(tǒng)四大系統(tǒng)構(gòu)建新型生態(tài)排水系統(tǒng)，并設(shè)立建管結(jié)合管理機(jī)制，有效降低洪峰，削減徑流污染。
2.2CSOs污染控制研究進(jìn)展
我國城市對CSOs 污染的研究起步相對較晚，多年來傳統(tǒng)老城區(qū)合流制系統(tǒng)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(qū)CSOs 污染外，新建城區(qū)由于公眾意識淡薄、建設(shè)監(jiān)管不到位、配套設(shè)施不完善等原因，普遍存在分流制排水系統(tǒng)雨污管網(wǎng)混接、錯(cuò)接現(xiàn)象，分流制管網(wǎng)已變成事實(shí)上的合流，下雨時(shí)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(nèi)對于CSOs 污染控制通常以末端截流-調(diào)蓄為主，通過提高截流倍數(shù)、增大截流量、建設(shè)調(diào)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(wǎng)混接造成的合流制污染，學(xué)者們研究了調(diào)研技術(shù)體系和旱天排放污染特征。陳春霄等提出從經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境效益和可行性角度，對污染控制方案優(yōu)化選擇。馬珍等則從管道溢流分析污染特性，提出水質(zhì)管控技術(shù)與策略。在實(shí)踐應(yīng)用方面，我國前期的CSOs 污染控制以灰色基礎(chǔ)設(shè)施為主，如上海、昆明等城市為改善水環(huán)境質(zhì)量，開展了截污干管、CSOs 調(diào)蓄池等項(xiàng)目建設(shè)；廣州市建設(shè)我國首個(gè)深層隧道調(diào)蓄工程，以緩解溢流污染及內(nèi)澇問題；多個(gè)城市制定并實(shí)施了雨污分流改造計(jì)劃；一些大城市也開展了調(diào)蓄隧道或調(diào)蓄池的可行性研究及相關(guān)規(guī)劃。
近年來隨著海綿城市等新理念、排水系統(tǒng)監(jiān)測和模型模擬等新技術(shù)的發(fā)展，研究人員開始對“灰綠結(jié)合”模式進(jìn)行探索和實(shí)踐。源頭實(shí)施綠色設(shè)施，可有效控制徑流峰值，延長徑流時(shí)長，降低徑流污染，是合流制溢流污染控制系統(tǒng)的重要組成部分。張穎等通過模型驗(yàn)證增設(shè)LID 源頭分散設(shè)施能夠有效提高合流制溢流水量和溢流次數(shù)削減率；孫櫻珊以Mike Urban 模型為工具，從環(huán)境效益、工程造價(jià)等方面開展源頭、管網(wǎng)提標(biāo)、末端調(diào)蓄等多種解決方案評價(jià)；趙國翰通過LID 的形式減少SSO風(fēng)險(xiǎn)比傳統(tǒng)建立雨污分流排水系統(tǒng)或建造溢流污水調(diào)蓄池等策略更加節(jié)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(shè)過程中的工程設(shè)計(jì)研究方法和重點(diǎn)內(nèi)容，結(jié)合適應(yīng)性、關(guān)鍵技術(shù)和運(yùn)行調(diào)度管理等方面，提出深隧排水系統(tǒng)作為一種特殊的新型灰色設(shè)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(zhèn)徑流及溢流污染控制技術(shù)規(guī)范》《合流制溢流調(diào)蓄及處理設(shè)施技術(shù)規(guī)程》等技術(shù)指導(dǎo)文件，但國家層面尚未形成針對CSOs 污染控制的專項(xiàng)法規(guī)政策?！逗＞d城市建設(shè)技術(shù)指南》、《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021)、《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51174—2017)等部分標(biāo)準(zhǔn)中對相應(yīng)要求有所提及，現(xiàn)有的CSOs 排放標(biāo)準(zhǔn)與截流倍數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、污水處理廠雨季排放標(biāo)準(zhǔn)、就地處理設(shè)施的排放標(biāo)準(zhǔn)等其他CSOs 控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)銜接程度不足，系統(tǒng)性和指導(dǎo)性有待進(jìn)一步完善。
3 結(jié)語
總體來看，目前我國排水系統(tǒng)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(wǎng)混流兩類污染加以正確區(qū)分，造成污染控制策略不明晰；污染控制技術(shù)體系的構(gòu)建缺乏系統(tǒng)性，較少從排水系統(tǒng)的全局角度制定系統(tǒng)決策，合理分配各子系統(tǒng)控制指標(biāo)及協(xié)調(diào)之間的相互關(guān)系；溢流頻次、體積與污染物控制標(biāo)準(zhǔn)不明晰，同時(shí)缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和監(jiān)測評估，相關(guān)灰綠設(shè)施規(guī)模設(shè)計(jì)直接照搬國外公式和參數(shù)，設(shè)計(jì)方法整體而言科學(xué)依據(jù)不足。此外，由于我國不同地區(qū)的降雨、地形等基礎(chǔ)條件及城市發(fā)展階段與基礎(chǔ)設(shè)施情況等特征的不同，決定了其在排水管網(wǎng)出流污染控制總體策略選擇、控制目標(biāo)制定上的差異。
建議強(qiáng)化對排水系統(tǒng)出流污染成因研究，結(jié)合源頭減排、管網(wǎng)改造、末端截流調(diào)蓄等技術(shù)方法，結(jié)合我國實(shí)際情況，制定相關(guān)管理政策，從源頭削減、中途阻攔、末端控制的排水系統(tǒng)全過程管控及城市可持續(xù)發(fā)展角度制定出流污染控制策略。
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