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        廈門浯溪黑臭水體治理中的合流制溢流污染控制技術

          導讀:在消除黑臭水體的過程中,合流制溢流(CSO)污染不容忽視。如何實現溢流頻次大幅度減少和削減入河污染量,是污染控制的關鍵。本文詳盡分析了現狀問題和成因,制定了合理的CSO控制目標和技術路線,比選多目標多階段下的工程措施,給出了切實可行的治理方案。以廈門市翔安區重度黑臭水體浯溪流域整治項目為例,梳理國內外CSO污染控制有效做法,根據浯溪特點和問題成因,以治理目標和技術思路為指引,統籌末端出口截流、調蓄池建設、污水處理和生態設施等工程,經模型優化比選得出最佳實施方案。結合合流改造工程開展動態評估,制定近遠期工程措施,實現浯溪CSO污染得以有效控制和消除黑臭長制久清。
          01.CSO污染控制的必要性
          住房和城鄉建設部于2015年8月牽頭編制了《城市黑臭水體整治工作指南》,提到合流制污水系統沿岸排放口應采取永久性工程治理,應在沿河岸或湖岸布置溢流控制裝置。黑臭水體治理過程中,CSO污染控制是必須開展的工作任務。 
          1.1 黑臭水體治理的重點和難點
          由于建設年代較早的城市,合流制排水體制偏多,排水設施不完善導致水環境污染嚴重,合流制溢流造成黑臭水體問題凸顯。 
          CSO污染對城市水體造成了嚴重威脅, 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、氮磷營養物及有毒有害物質,若未經有效處理便直接排入水體,則會嚴重地破壞水環境功能并危及人類健康。鑒于此,國內一些城市就CSO污染問題采取了相關治理措施。
          然而,國內大多城市對CSO污染情況不夠重視,對其污染規律及控制措施研究薄弱,相關基礎資料和數據嚴重缺乏,缺少工程經驗的積累;加上,合流制排水體制多位于老舊城區,在這些區域開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單,直接采用末端截污納管的方式很難取得良好的效果??梢?,CSO污染控制不能一蹴而就,必然是一項復雜的長期系統工程。
          1.2 消除黑臭的必然要求
          2015年以來,國家、部委層面下達任務要求,限定時間消除建成區黑臭水體。本文中的廈門市翔安區浯溪是住房和城鄉建設部、生態環境部聯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惡劣的重要原因,進行CSO污染控制是必然要求。以水質提升為目標,倒逼排水設施建設、補齊污水處理短板,也是綠色發展、可持續發展迫切需要的。 
          對于合流制溢流問題,很多地方采取的方式是開展大范圍合改分,認為只有進行合流制改分流制才能解決污染問題。其實,合流制排水系統并不是導致我國水體黑臭的根本原因,合流制排水系統產生的溢流才是關注點。重點應該在控制溢流頻次和溢流污水量。通過雨污分流、源頭減排、加大截流倍數和設置調蓄處理設施,能達到控制CSO污染的目的。
          02.國內外CSO污染控制策略
          世界上很多城市都是合流制排水體制,水環境并沒有很糟糕,治理成效很好。自20世紀60年代開始,國外一些城市就開始關注合流制排水系統溢流污染問題,也開展了卓有成效的CSO污染控制研究工作。 
          在出臺一系列關于CSO污染控制法規的基礎上,美國各地采取不同的工程措施。通過合流管道改造、污水廠擴容、調蓄設施建設和溢流量削減等方式,完成CSO污染控制。美國費城在溢流口采用充氣式橡膠堰,充分利用現有系統的貯存容積,減少一場降雨中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,雨天時隧道和貯存池用于貯存過多的雨污水,降雨過后則將這部分雨污水輸送至污水廠。 
          德國從20世紀80年代開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合。
          由于日本大多數城市為合流制排水系統,CSO污染問題也非常突出,還專門成立了合流制管道系統顧問委員會來研究CSO污染的控制問題。大阪市約97%的地區為合流制,為了控制CSO污染,市政府建造雨水儲存管、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到最優化以實現對CSO污染的控制。 
          我國不少城市合流制區域溢流問題愈發嚴重,陸續開展了CSO污染控制的治理工作。早在30年前,上海就開展了CSO污染對蘇州河的相關工程,加強合流污水調蓄池的建設,對初期雨水進行調蓄處理并配套相應的管理措施,加強污染源頭的治理與控制,通過工程措施和管理措施,減少雨天溢流的次數和溢流污染負荷。
          昆明針對老城區合流制排水系統,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16座合流污水調蓄池,總規模達到21.3×104m3。將降雨過程中產生的超負荷合流污水暫時儲存后,待污水處理廠有空余能力時進行處理,或經簡易沉淀處理后排放。 
          盡管已有不少治理案例,但是對CSO污染的重視程度不夠,沒有合理有效的控制策略和工程措施,溢流污染對水環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,針對合流制區域產生的雨天溢流污染問題進行深刻剖析,制定相關工程方案。
          03.浯溪現狀和問題分析
          3.1 流域概況
          浯溪起點為鄭坂箱涵出口,終點為蔡浦魚鱗閘,向西排入東坑灣入海??傞L度3.63km,流域總面積為7.73km2。2015年7月對浯溪及其支流12個斷面進行旱天監測,顯示2個河段為重度黑臭水體,1個河段為輕度黑臭,其余8個斷面為劣V類水質。浯溪沿岸共20個排水口,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等手段對流域內排水管網進行混錯接深度排查,火炬工業園區和體育場周邊區域分別存在26處和5處市政混接點,最終排至浯溪。
          
          圖1 浯溪流域雨污混接位置及現場排查
          3.2 問題分析
          鄭坂箱涵排水口上游區域內旱季污水量預測僅為4427m3/d,但實測箱涵內污水量為(1.1~1.3)萬m3/d。由于現有臨時泵站提升截流能力有限,鄭坂箱涵在小雨時就會發生溢流,中大雨時問題尤為明顯。以2018年6月30日為例,當日降雨量為20mm,合流污水超過臨時提升泵站截流量,黑臭水從箱涵出口溢流排放進入河道,污染程度極大。
          
          圖2 合流溢流造成浯溪水質惡劣
          對浯溪流域水環境污染情況進行定量化核算,分別從旱天和雨天不同場景分析污染物占比情況。旱天污染物主要來自農村點源排放,占總排放量的67.70%。雨天污染物主要來自城市面源和合流制溢流污染,分別占比58.44%和32.98%。雨天水環境容量1.57t/d,污染物排放10.66t/d,排放量約為環境容量的6.81倍,直接導致水質變差并影響雨后水環境質量。
          
          圖3 浯溪流域旱天雨天污染源占比分布
          基于翔安區28年的降雨數據分析,確定2005年為典型年,全年降雨場次122場,超過2mm的降雨64場。選擇MIKE URBAN CS對鄭坂箱涵現狀進行模擬,溢流頻次達100%。鄭坂箱涵雨季總溢流量約為330萬噸/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比
          
          圖5 鄭坂箱涵典型年溢流COD排放量與降雨量對比
          可以看到,鄭坂箱涵合流溢流形勢嚴峻,到了非控不可的地步。削減合流溢流進入河道水量和溢流頻次,事關浯溪黑臭水體治理成敗。制定切實可行的治理目標和工程措施,能有效改善浯溪水環境,達到消除黑臭的目標。
          04浯溪CSO污染控制方案
          通過一系列水環境改善項目,實現浯溪流域健康水循環,重構人水和諧關系,塑造水清岸綠、河暢景美、生態和諧的城市水系。在方案中,重點討論鄭坂箱涵合流制溢流控制的技術策略。
          4.1 目標和技術路線
          4.1.1 浯溪黑臭水體治理目標和思路
          近期目標全面消除黑臭,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和溢流量,保證雨天水體不黑不臭。遠期目標穩定維持水體不黑臭,建設良好景觀環境達到生態和諧。雨天時,重要任務是控制鄭坂箱涵合流溢流,同時削減面源污染入河。
          
          圖6 浯溪流域消除黑臭的近遠期治理思路
          4.1.2 浯溪黑臭水體治理技術路線
          技術路線從“控源截污、內源治理、生態修復、活水保質”四個方面落實水環境整治建設要求的工程指標和內容,從“源頭減排、過程控制、系統治理”系統制定水環境改善的工程方案??刂莆廴救牒?,治“疾病”,善控源截污體系;提升自凈能力,強“體魄”,提升水環境質量。
          
          圖7 浯溪流域黑臭治理技術路線
          明確以CSO污染控制、點源治理為核心,面源污染控制和內源削減等為輔助,環境容量提升為保障的原則,合理分配各工程措施目標,優化與調整工程規模,兼顧工程經濟性的同時有效達到水環境改善。
          
          圖8 浯溪流域水環境改善措施指標分解示意
          4.1.3 浯溪CSO污染控制技術路線
          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箱涵容積調蓄后通過在線物化設備處理后排至濕地。為了控制典型年溢流頻次,需要新建CSO調蓄池,超過溢流頻次的合流污水經濕地后排河。
          
          圖9 鄭坂箱涵合流制溢流控制技術流程
          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,在箱涵出口建設一體化提升泵站,規模為2.0萬m3/d,旱季污水全部截流進入污水處理廠。 
          在開展CSO調蓄和在線處理之前,應當充分完成上游火炬工業園區混接改造?;鹁婀I園區共排查到26處(44個點)混接點,其中14處需工程整改,12處由工程排污執法處理。下圖為浯溪流域混接點改造工程布置圖,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,通過出口位置的節制閘利用箱涵調蓄一部分合流污水,近期通過在線物化設備處理后經濕地排河,起到控制溢流頻次和削減入河污染物的作用;遠期根據混接改造后的效果,評估CSO調蓄池容積和在線物化處理設備的規模。
          
          圖11 鄭坂箱涵合流溢流控制雨天工程措施
          4.2.3 多目標工程措施比選
          利用MIKE URBAN CS搭建鄭坂箱涵上游區域模型,依據排水系統相對獨立的匯水區域,對水文模型的集水區進行劃分,并采用泰森多邊形法進行連接,設置集水區水文模型參數,設置降雨水位邊界條件后,即建立該區域管網的水文、水動力模型。
          
          圖12 鄭坂箱涵上游區域匯水分區模型
          通過模型多方案比選,針對不同溢流控制目標,制定相對應最合理工程措施設置方案。在此過程中,不斷調整各溢流頻次目標下的在線物化設備、CSO調蓄池等規模。對不同溢流次數控制目標進行對比,選取5、8、10、15、20、25、30和35次/年進行工程措施的制定。在一體化泵站提升富余能力8000m3/d和箱涵出口設置節制閘后箱涵的10680m3調蓄容積同等基礎下,各目標下合理的在線物化設備規模、CSO調蓄池容積、總投資和運營費用數據表如下。
          表1 多目標控制下的工程措施和投資數據
          
          4.2.4 近遠期工程措施
          為實現2018年底消除黑臭,遵循“以工程換時間,以工程換效果”的近期實施思路,開展以下工程:箱涵出口蓋板暗渠化處理,長度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;箱涵出口設置節制閘,調蓄容積1.1萬m3;在線物化設備規模1.5萬m3/d,占地300m2,L×B=30m×10m。近期工程實施后,年溢流次數控制目標為36次/a,對應日降雨量為10mm。
          
          圖13 鄭坂箱涵合流溢流控制近遠期工程布置
          通過模擬,得到降雨過程線和箱涵出口流量過程線,設置節制閘和1.5萬m3/d在線物化設備后,全年溢流量為137.6萬m3,相較于原來溢流總量330萬m3,削減了58.3%。
          
          圖14 典型年降雨過程線與近期措施溢流量對比
          遠期追蹤箱涵上游混接改造情況,評估新建調蓄池的容積和在線物化設備規模。若混接改造效果良好,則縮減或取消新建CSO調蓄池規模。若混接改造效果不好,則按照15次/a溢流次數控制目標。實現在線物化設備處理能力調整到6萬m3/d,占地1200m2,尺寸為L×B=50m×25m。新建CSO調蓄池的容積為2.0萬m3/d,占地4000m2,L×B=100m×40m。遠期年溢流次數控制目標為15次,對應日降雨量26.8mm。遠期工程措施實施后,鄭坂箱涵出口全年溢流量為51.8萬m3,削減84.3%。
          
          圖15 典型年降雨過程線與遠期措施溢流量對比
          4.2.5 CSO調蓄工程對箱涵行洪的影響
          鄭坂箱涵本身為雨水排澇的通道,肩負著上游3.9km2區域范圍內的行洪。進行鄭坂箱涵改造和出口設置2.7m節制閘后,降雨期間箱涵內雍水是否會造成火炬工業園區內澇積水也是需要關心的問題。 
          追蹤鄭坂箱出口主干渠道,對區域內的水位情況進行模擬。選取典型年2005年8月13日強降雨數據(215.1mm)輸入模型,得到上游區域箱涵管道水位線。結果顯示,鄭坂箱涵上游管道中水位運行,紅色為最大水位線,未超過地面檢查井標高,區域內沒有出現內澇積水,說明出口設置節制閘和CSO調蓄設施之后,上游區域無內澇積水,不會對鄭坂箱涵行洪產生影響。
          
          圖16 鄭坂箱涵節制閘后溢流液位
          
          圖17 設置節制閘后強降雨條件下管道水位線
          05.結論
         ?、俸狭髦婆潘到y區域應盡量避免“合改分”一刀切,需要詳細梳理分析現狀問題和成因,制定因地適宜的合流制改造方案。在能夠進行合流改分流和混錯接改造的基礎上,做好合流制溢流控制工作。 
         ?、贑SO污染控制重點在于雨天工程措施的制定,應結合截流、調蓄、污水處理和生態設施進行多目標多方案比選,在溢流頻次目標、技術可行性、工程實施難度和投資造價等方面,優化最佳方案實現控制溢流頻次和削減溢流量。
         ?、墼诖_定工程方案之后,需及時跟蹤“合改分”和混錯接改造成果,動態評估CSO污染情況,制定近遠期不同階段工程措施。同時,分析合流管渠出口末端設置截流調蓄設施之后對上游區域行洪影響,避免造成合流溢流得以控制,降雨期間排水不暢形成內澇積水。
          本文的完整版刊登在《中國給水排水》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:中國市政工程華北設計研究總院有限公司北京分公司。
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