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国内外城镇排水系统出流污染的研究进展

发表时间: 2023-12-20 11:47:05

作者: 易水环保网

来源: 净水技术

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导语我国城市排水系统因存在河水等水体倒灌、地下水等外水入渗、合流制管网溢流(combined sewer overflows, CSOs)、雨污管网混接等诸多问

导语

我国城市排水系统因存在河水等水体倒灌、地下水等外水入渗、合流制管网溢流(combined sewer overflows, CSOs)、雨污管网混接等诸多问题,污染物外排城市水体的情况仍较普遍。住房和城乡建设部发布的《城市黑臭水体整治——排水口、管道及检查井治理技术指南》规定:管网末端排口分为9 类,其中7 类都涉及雨天向水体排污的情况。以CSOs、分流制管网混错接导致的排水管网出流污染占据了城市水体污染负荷的主要来源,是制约我国河湖水质长期未得到根本改善的主要原因之一。开展城市排水系统出流污染研究,重视与强化CSOs 污染、径流污染的控制和管理,是我国当前阶段水环境整治急需解决的关键问题。

美国、德国、日本等发达国家于20 世纪就高度关注城市CSOs 和雨水径流污染控制的研究,并形成一套完善的控制体系。我国对CSOs 污染的研究则相对较晚,对传统老城区合流制系统改造思路主要为“合改分”或截流式合流制改造。因此,本文梳理美国、德国、英国、日本等国家与我国在径流污染控制和CSOs 污染控制的研究进展,总结我国排水系统出流污染控制领域存在的不足,以期为后续工作提供参考。

1 国外研究进展

国外对城市排水系统出流污染控制研究主要集中在CSOs 污染控制和雨水径流污染控制两大方面。在工程性措施上,通过灰色基础设施和绿色基础设施解决CSOs 污染和雨水径流污染问题;在非工程性措施上,在大量合流制排水系统的基本资料数据基础上,通过系统化、标准化的管理控制体制,解决城市排水系统出流污染控制问题。

1.1

径流污染控制研究进展

通过长期的理论研究和工程实践,国外很多国家逐渐意识到仅通过灰色设施作用是很难高效且经济地削减排水系统对城市受纳水体造成的污染。自20 世纪70 年代起,对城市径流污染控制开展了大量的研究和实践,从只重视雨水径流排放转变为源头、中途和末端的系统控制,并涌现出了多类控制雨水径流污染的新技术和管理策略,如美国先后提出“最佳管理措施(best management practices,BMPs)”、“低 影 响 开 发(low impact development,LID)”、“绿色基础设施(green infrastructure,GI)”,英国提出“可持续城市排水系统(sustainable urban drainage system,SUDS)”,澳大利亚提出“水敏感性城市设计(water sensitive urban design,WSUD)”,新加坡提出“ABC 计划(active,beautiful,clean waters programme,ABC)”等。这些雨洪管理体系策略基本都强调采用城市排水管网设施与场地内植物、绿地、水体等自然景观条件相结合的生态设计方式,通过雨水花园、透水铺装、绿色屋顶、雨水湿地等分散式源头生态措施,净化初期雨水、削减径流污染,同时提高城市排水能力、改善水体水质。

1.2

CSOs污染控制研究进展

美国、德国、日本和新西兰等国家较早系统性开展了合流制排水系统改造和溢流控制的相关研究工作,并通过长期实践取得较为丰富的工程经验。

1.2.1 不同国家CSOs 污染控制策略

由于不同国家不同地区的降雨、场地等基础条件各异,加上城市发展阶段与管理水平不同,以及城市排水管网、污水厂等基础设施情况特征不同,国外对合流制排水系统控制研究的技术策略也不尽相同。选取最为代表性的美国、德国、日本和新西兰,对其合流制总体特征与技术策略进行总结,整体代表了不同区域典型发达国家对CSOs 污染问题的研究和控制水平,具体如表1 所示。目前,国外发达国家在CSOs 污染长期控制策略,主要包括雨污分流改造、排水管道修复、分散式调蓄设施建设、过滤消毒处理、深层调蓄隧道建设、污水处理厂提标升级、合流制溢流口改造、泵站能力提升和就地净化处理设施建设9 项技术措施。其中,排水管网分流改造、污水处理厂提升改造和绿色基础设施建设是目前国外应用最为广泛的技术措施。

表1 不同国家的合流制排水系统总体特征及控制策略


1.2.2 CSOs 污染控制实践应用

国外很多城市对CSOs 污染控制的研究较为成熟,通过长期实践获得了丰富的工程应用经验,并取得显著成果。

(1)美国

美国在十余个地区的早期CSOs 污染控制措施均以雨污分流管网改造、新建截污干管、增设末端调蓄和污水厂升级改造灰色基础设施为主。如合流制的社区数量由1972 年的1 300 多个降至2004 年的722 个,将近1/2 的社区采取完全雨污分流策略应对早期的CSOs 问题。亚特兰大市利用新建地下隧道和调蓄池存储过多的雨污水,待降雨结束再将此部分雨污水通过排水管道输送至污水处理厂,或通过添加砾石床等将调蓄池进一步改造为人工湿地处理系统,实现储水和净化功能。圣路易斯都会区对早期CSOs 污染控制同样以灰色策略为主,投入大量资金对2 座污水厂的二级处理工艺进行升级改造,并建设配套的截流管网,在溢流口设置自动控制闸门、结合住宅改造进行雨污分流改造等。

绿色基础设施这一概念为CSOs 污染控制提供新的思路。采取灰绿结合方式,可削减径流污染,降低CSOs 污染的溢流量和溢流频率。如美国纽约合流制系统高达2/3,为解决CSOs 污染问题,采用灰绿结合的改造策略,对422 个排放口设置调节器以拦截部分雨污水至下水道,升级改造污水厂来提高处理雨污合流污水能力;同时,通过推行雨水桶赠送计划、绿色街道建设计划、蓝色飘带计划,建设存蓄雨水桶、街边滞留洼地和植草沟、人工湿地和雨水滞留池等设施,处理城市的雨水径流污染及CSOs问题,从而提高老城的排水能力。费城有60%的合流制系统,为解决CSOs 污染,2011 年推行“绿色城市,洁净水体”计划和“绿色英亩”概念,城市内在不增加灰色设施的情况下优先进行绿色基础设施的布局建设。波特兰市在20 世纪90 年代通过建设雨水花园等绿色设施,从源头减少进入合流制管道的雨水量;此外,结合雨污分流和调蓄隧道等灰色设施控制合流制溢流污染问题。

为缓解各地因CSOs 污染控制带来的巨大财政压力,实现投资效益最大化,美国国家环保局于2012 年提出“综合规划”框架,倡导通过综合性规划实现对雨污水高效管理,推荐以可持续的控制措施,实现CSOs 污染控制、污水管道溢流(SSO)控制、雨洪管理、污水处理等的综合管理。如费城从环境、社会和经济3 个维度评估量化CSOs 污染控制措施的综合效益;西雅图则根据项目对水质的影响成效选择实施或推迟,对综合效益较低的CSOs 污染长期控制项目采取推迟策略,实施对水质影响显著的雨水控制项目;圣路易斯都会区在长期规划制定过程中,综合分析了费用、控制效果、财政支付能力、项目可实施性和公众接受程度等要素,最终确定综合效益最好的控制方案。

(2)德国

德国从20 世纪80 年代开始重视城市雨水径流和CSOs 污染控制,主要采取分散式源头生态措施来净化源头雨水径流污染,通过修建分散调蓄设施等污染就地处理控制和雨水径流污染控制的结合方式实现CSOs 污染控制。如德国汉堡雨污合流制管网占排水系统总和的90%,在保留大量合流制系统的基础上,通过源头污染控制和终端污染控制相结合、排水系统升级改造等措施削减径流量和污染总量,实现对CSOs 污染的有效控制。

(3)英国

英国于1999 年提出“可持续排水系统(SUDS)”,强调通过综合可持续性措施来改善和优化城市水循环和水生态系统。在CSOs 污染控制上,同样采取雨水源头控制、排水管网截流和调蓄等措施相结合方式控制CSOs 污染。以英国伦敦为例,为解决伦敦市CSOs 污染问题,通过研究比选雨污分流、源头改造、河道原位治理、大型深隧建设4 个方案,最后采取在原合流制排水系统基础上,建设一个深层排水隧道储蓄溢流污水的解决方案。

(4)日本

日本专门设立合流制管道系统顾问委员会来研究CSOs 污染的控制问题。除采用类似德国的技术外,日本还重视对各分散溢流口的溢流净化处理,削减CSOs 污染。如大阪市合流制系统约占97%,市政府除建设雨水储存管、雨水隧道、蓄水池等控制设施外,还采取安置滤网等高速过滤系统来处理分离微粒和砂粒,雨季对混合水进行活性污泥处理,雨水溢流井及泵站室内增设消毒等措施,实现对CSOs的有效控制。

2 国内研究进展

2.1

径流污染控制研究进展

我国径流污染控制方面的研究发展较晚,目前还未形成完善的理论和技术体系。许多专家学者借鉴国外较为成熟的雨洪管理理念,结合我国基本国情,开展具有中国特色的雨洪管理体系研究,以“雨洪控制利用”和“海绵城市”两大理论为代表。其中,“雨洪控制利用”侧重对城市雨水进行收集、处理和利用,主要目标是解决城市积水过多和水资源短缺的问题。“海绵城市”则更强调在城市规划和建设的全局视角下,将水资源可持续利用、良性水循环、内涝防治、水污染治理作为综合目标,目前已成为我国径流污染控制的首要方针策略,还应用于水生态修复、旧城排水系统改造等领域。如杨贝贝等结合我国面源污染控制通常采用的“源头-迁移-末端”逐级控制措施,提出在海绵城市理念下各级污染控制中的应用。孙喆结合我国梅口河排水(雨水)防涝体系构建项目,提出运用雨洪管理理念通过渗蓄系统、排水系统、防涝系统和管理系统四大系统构建新型生态排水系统,并设立建管结合管理机制,有效降低洪峰,削减径流污染。

2.2

CSOs污染控制研究进展

我国城市对CSOs 污染的研究起步相对较晚,多年来传统老城区合流制系统改造思路主要为“合改分”或截流式合流制改造。对比国外,我国除老城区CSOs 污染外,新建城区由于公众意识淡薄、建设监管不到位、配套设施不完善等原因,普遍存在分流制排水系统雨污管网混接、错接现象,分流制管网已变成事实上的合流,下雨时大量的雨污混合水排入河道成为城市河道重要的污染来源。

国内对于CSOs 污染控制通常以末端截流-调蓄为主,通过提高截流倍数、增大截流量、建设调蓄池和深隧等措施减少溢流量。在理论研究方面,针对分流制管网混接造成的合流制污染,学者们研究了调研技术体系和旱天排放污染特征。陈春霄等提出从经济成本、环境效益和可行性角度,对污染控制方案优化选择。马珍等则从管道溢流分析污染特性,提出水质管控技术与策略。在实践应用方面,我国前期的CSOs 污染控制以灰色基础设施为主,如上海、昆明等城市为改善水环境质量,开展了截污干管、CSOs 调蓄池等项目建设;广州市建设我国首个深层隧道调蓄工程,以缓解溢流污染及内涝问题;多个城市制定并实施了雨污分流改造计划;一些大城市也开展了调蓄隧道或调蓄池的可行性研究及相关规划。

近年来随着海绵城市等新理念、排水系统监测和模型模拟等新技术的发展,研究人员开始对“灰绿结合”模式进行探索和实践。源头实施绿色设施,可有效控制径流峰值,延长径流时长,降低径流污染,是合流制溢流污染控制系统的重要组成部分。张颖等通过模型验证增设LID 源头分散设施能够有效提高合流制溢流水量和溢流次数削减率;孙樱珊以Mike Urban 模型为工具,从环境效益、工程造价等方面开展源头、管网提标、末端调蓄等多种解决方案评价;赵国翰通过LID 的形式减少SSO风险比传统建立雨污分流排水系统或建造溢流污水调蓄池等策略更加节能高效;何巍伟等通过分析广州、上海和武汉等地深隧案例建设过程中的工程设计研究方法和重点内容,结合适应性、关键技术和运行调度管理等方面,提出深隧排水系统作为一种特殊的新型灰色设施,是有效解决城市排水问题的新途径。

目前,昆明、武汉等地起草了《城镇径流及溢流污染控制技术规范》《合流制溢流调蓄及处理设施技术规程》等技术指导文件,但国家层面尚未形成针对CSOs 污染控制的专项法规政策。《海绵城市建设技术指南》、《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)、《雨水集蓄利用工程技术规范》(GB 51174—2017)等部分标准中对相应要求有所提及,现有的CSOs 排放标准与截流倍数标准、污水处理厂雨季排放标准、就地处理设施的排放标准等其他CSOs 控制系统的标准衔接程度不足,系统性和指导性有待进一步完善。

3 结语

总体来看,目前我国排水系统出流污染控制研究还存在很多问题,如:对出流污染成因研究不足,没有将CSOs 和分流制管网混流两类污染加以正确区分,造成污染控制策略不明晰;污染控制技术体系的构建缺乏系统性,较少从排水系统的全局角度制定系统决策,合理分配各子系统控制指标及协调之间的相互关系;溢流频次、体积与污染物控制标准不明晰,同时缺乏基础数据和监测评估,相关灰绿设施规模设计直接照搬国外公式和参数,设计方法整体而言科学依据不足。此外,由于我国不同地区的降雨、地形等基础条件及城市发展阶段与基础设施情况等特征的不同,决定了其在排水管网出流污染控制总体策略选择、控制目标制定上的差异。

建议强化对排水系统出流污染成因研究,结合源头减排、管网改造、末端截流调蓄等技术方法,结合我国实际情况,制定相关管理政策,从源头削减、中途阻拦、末端控制的排水系统全过程管控及城市可持续发展角度制定出流污染控制策略。

国内外城镇排水系统出流污染的研究进展
导语我国城市排水系统因存在河水等水体倒灌、地下水等外水入渗、合流制管网溢流(combined sewer overflows, CSOs)、雨污管网混接等诸多问
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