給水排水 |CSO污染快速凈化處理技術(shù)進(jìn)展與思考
張維，孫永利，李家駒，等. 合流制溢流污染快速凈化處理技術(shù)進(jìn)展與思考［J］. 給水排水，2022，48（9）：157-164.
作為城市排水管網(wǎng)的設(shè)計建設(shè)模式之一，合流制排水系統(tǒng)在我國和其他國家普遍存在，合流制溢流（Combined Sewer Overflow，CSO）污染是國際公認(rèn)的需要長期應(yīng)對的重大工程和技術(shù)難題。相對于發(fā)達(dá)國家，我國污水收集管道長期低流速運行導(dǎo)致的管道沉積問題較為突出，挾帶大量管道沉積物的CSO污染是很多城市水體雨后黑臭的重要根源。采取快速凈化措施對合流制溢流污染進(jìn)行處理后排放，是現(xiàn)階段國家政策要求和行業(yè)發(fā)展需要。
與生活污水和工業(yè)廢水不同，CSO污水由于混合了旱季污水、降雨徑流和從管道內(nèi)沖刷出的沉積物，顆粒物、懸浮物含量更高，水質(zhì)水量波動更大，具有間歇性、爆發(fā)性特征，對排水系統(tǒng)的短時沖擊影響更強(qiáng)，因此，對處理設(shè)施的啟動反應(yīng)時間、顆粒污染物去除效果、抗沖擊能力以及旱季期間的運維管理都提出較高要求。以物理化學(xué)法為主的快速凈化處理具有啟動快、停留時間短、可間歇運行、維護(hù)簡便等優(yōu)勢，可有效削減入河污染物總量，是歐美等發(fā)達(dá)國家實施CSO污染治理的主要方式。
我國針對CSO污染控制的研究和實踐開展較晚，雖然“十一五”以來國家層面也設(shè)立了降雨徑流、溢流污染控制相關(guān)的科研項目和課題，并開展了工程示范，但由于缺少國家層面的雨天溢流凈化處理排放標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)和支撐，導(dǎo)致技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化不足，工程應(yīng)用難以推進(jìn)。通過梳理CSO快速凈化處理常用技術(shù)及其進(jìn)展情況，總結(jié)國內(nèi)外典型工程案例，并有針對性提出推進(jìn)CSO快速凈化處理的建議，以期為各地快速凈化措施落地實施提供借鑒和參考，為我國排水系統(tǒng)長效治理和城鎮(zhèn)高質(zhì)量發(fā)展提供保障。
1 CSO快速凈化處理技術(shù)進(jìn)展
1.1 一級強(qiáng)化
沉淀池作為傳統(tǒng)污水處理工藝鏈條中重要的初級處理單元，對可沉淀顆粒污染物具有較好的去除效果，是最早用于合流制溢流污染控制的技術(shù)措施之一。1998年德國建成的40 000多個CSO處理系統(tǒng)中，約有17 000個建有沉淀池，可去除溢流污水中55%~75%的SS，對CSO污染總量削減發(fā)揮了重要作用。絮凝劑行業(yè)的發(fā)展有效促進(jìn)了化學(xué)一級強(qiáng)化（Chemically Enhanced Primary Treatment，CEPT）工藝的應(yīng)用，使SS、BOD、TP的去除效果從常規(guī)一沉池的50%~60%、25%~40%、10%提升至90%、50%~70%、80%~90%。在污水處理廠內(nèi)建設(shè)CEPT設(shè)施為主要形式的CSO快速凈化處理在美國多個地區(qū)得到應(yīng)用，美國環(huán)境保護(hù)署EPA在2001年提交國會的研究報告指出，全美439個地區(qū)中有69個地區(qū)采用了CEPT控制CSO污染，占比16%。國內(nèi)張善發(fā)、盛銘軍等的中試結(jié)果表明，溢流污水經(jīng)CEPT處理出水SS、COD、TP的平均去除率可達(dá)到84%~95%、68%~89%和78%~80%，沉淀池表面水力負(fù)荷分別為56 m³/（m²·h）、25 m³/（m²·h），均在普通沉淀池水力負(fù)荷的10倍以上。
近年來，投加微砂、磁粉或回流污泥作為絮凝核心，以實現(xiàn)更優(yōu)的絮凝沉淀效果的加砂沉淀、磁混凝沉淀、高密度沉淀等高效沉淀工藝逐漸發(fā)展成熟并成功用于CSO處理。與傳統(tǒng)CEPT工藝相比，污染物在絮凝劑作用下與絮凝核心聚合成更易于沉淀的大顆粒絮體，加快了污染物的沉淀速度，同時采用上流式斜管或斜板作為沉淀單元，可有效縮短水力停留時間，改善出水水質(zhì)，減少設(shè)施占地和藥劑使用量，可作為CSO快速凈化處理的首選技術(shù)。加砂沉淀池、磁混凝沉淀池和高密度沉淀池用于CSO快速凈化的主要設(shè)計參數(shù)可參考表1。
表1 加砂沉淀池、磁混凝沉淀池、高密度沉淀池用于CSO處理的主要設(shè)計參數(shù)
注：表中只提供了主要參數(shù)的典型范圍值，具體水力負(fù)荷、出水SS濃度等需要根據(jù)實際情況確定。
歐美地區(qū)已開展的中試和工程應(yīng)用結(jié)果表明，投加微砂、污泥介質(zhì)的高效沉淀對溢流污水TSS、COD、BOD5、TP和TKN的去除率分別為34%~92%、40%~82%、32%~75%、43%~86%和9%~34%，對進(jìn)水的波動變化具有較好的適應(yīng)性。目前，市場上的商業(yè)化產(chǎn)品主要有威立雅水務(wù)的Actiflo、得利滿的Densadeg以及Parkson公司的Lemalla Plate，其中Actiflo微砂高效沉淀池已成功用于美國堪薩斯州、法國巴黎、比利時布魯塞爾、法國里爾以及我國昆明等地區(qū)的CSO處理，運行效果穩(wěn)定。相對來說，磁混凝沉淀的水力停留時間更短，對SS的去除率高達(dá)97%，但用于溢流污染的處理大多還處于探索階段，國內(nèi)中建環(huán)能科技股份有限公司的MagCS磁介質(zhì)混凝沉淀、青島洛克環(huán)�？萍加邢薰镜腟ediMagTM技術(shù)已發(fā)展較為成熟，北京延慶縣媯水河溢流污水處理工程采用超磁處理設(shè)備，實現(xiàn)了COD、SS、TP分別為53.8%、88.9%和82.7%的有效去除。
1.2 旋流分離
旋流分離是一種利用離心沉降原理從懸浮液中分離固體顆粒的技術(shù)工藝，根據(jù)動力來源不同可分為水力旋流分離和壓力旋流分離。旋流分離器對大顆粒（>125 μm）污染物去除效果較好，易實現(xiàn)規(guī)模化和連續(xù)運行，具有占地面積小、建設(shè)費用低、操作簡便等優(yōu)點，通常作為溢流污水排放到水體之前的一種簡易處理裝置使用，是城市老舊城區(qū)和繁華地段等密集區(qū)域控制降雨污染的首選。已有研究結(jié)果表明，旋流分離的污染物去除效果往往受所處地區(qū)的氣候和水文地質(zhì)條件影響，包括降雨強(qiáng)度、兩次降雨間的干旱天數(shù)、顆粒物粒徑分布以及集水區(qū)的坡度和形狀等，對SS、COD的去除范圍分別為36%~90%、15%~80%。由于旋流分離器處理規(guī)模相對較小，通常僅適用于管徑較小的管道。
自20世紀(jì)60年代初Bernard Smisson在英國布里斯托爾建造并測試了第一代水力旋流分離器以來，旋流分離技術(shù)在歐美地區(qū)得到快速發(fā)展。用于CSO和雨水處理的商業(yè)化產(chǎn)品主要有Storm King、Swirl Concentrator、FluidsepTM、Downstream Defender和VortechsTM旋流分離器，截至21世紀(jì)初已有1 500多套旋流分離產(chǎn)品用于雨水和污廢水的處理，是旋流分離技術(shù)處理效果的有力證明。針對前期旋流分離器對衛(wèi)生用品等中性浮力固體去除效果不理想的問題，目前用于CSO處理的旋流分離設(shè)施大多都增加了4 mm孔徑的自清潔篩選系統(tǒng)，并在英國維甘污水處理廠CSO處理中驗證了其可行性。此外，旋流分離器的流體力學(xué)特征使其還可用作化學(xué)消毒的混合接觸設(shè)施，有利于進(jìn)一步減小快速凈化裝置的容積和占地。
“十一五”以來，我國在旋流分離處理降雨污染方向也開展了很多試驗研究，并在工程應(yīng)用方面進(jìn)行了有益探索。王云浩等開展的小試表明，旋流分離對降雨徑流中140 μm的硅土顆粒的去除率可達(dá)70%，對80 μｍ顆粒的去除率也有40%。清華大學(xué)朱紅生在實驗室條件下研究了無壓旋流分離對初期雨水的處理效果，SS去除率基本在20%~40%波動。李玲霞利用55m³/h的壓力旋流分離中試裝置處理合肥南淝河清Ⅰ/Ⅱ沖溢流污水，對COD、SS的平均去除率分別達(dá)35.2%和47.4%。儲金宇等將水力旋流器安裝于鎮(zhèn)江市雨水管路中，實現(xiàn)了降雨徑流污染中SS、COD和濁度的高效去除，SS去除效果隨進(jìn)水流速升高而提升，在流速較大時高達(dá)75％，但對TN、TP的去除作用不大。胡曉慶等結(jié)合北方某市護(hù)城河排河口改造項目研究了Downstream Defender旋流分離器對雨水徑流的處理效果，結(jié)果表明，SS和COD的平均去除率分別為60%和31%，峰值去除率均超過90%。巢湖市小王莊中溢流污染末端控制中采用了旋流分離設(shè)施，實現(xiàn)雨季溢流COD負(fù)荷在已有基礎(chǔ)上平均削減20%。
1.3 快速過濾
CSO的過濾處理通常是指利用格柵、篩網(wǎng)、固體顆粒、濾布等介質(zhì)的過濾截留作用實現(xiàn)固液物理分離的技術(shù)手段，在沿河截流干管或溢流口設(shè)置過濾裝置是溢流污染末端控制的常用方法。德國、英國等歐洲發(fā)達(dá)國家通過在溢流構(gòu)筑物排水堰上安裝水平過濾格篩，用于截留去除4~6 mm以上的懸浮物和漂浮物，但僅可保證在受納水體沿岸看不到明顯的垃圾雜質(zhì)，COD最 高截留率為25%。一般認(rèn)為，適用于雨天溢流污染治理的快速過濾技術(shù)有濾布過濾、可壓縮介質(zhì)過濾和懸浮介質(zhì)過濾，其中，濾布過濾、可壓縮介質(zhì)過濾可實現(xiàn)50%的COD去除和90%的TSS去除，而懸浮介質(zhì)過濾對COD、TSS的去除率較低，分別為10%~50%和30%~70%。傳統(tǒng)的顆粒介質(zhì)過濾由于其較低的表面負(fù)荷和較大的占地面積，通常難以滿足CSO快速凈化處理的技術(shù)需求。
MARTIN、HUGHES等在美國辛辛那提、拉什維爾開展的濾布濾池處理降雨徑流的試驗結(jié)果表明，在265 L/min（15.86 m/h）、140~265 L/min（9~16 m/h）的負(fù)荷條件下，濾布過濾仍可實現(xiàn)COD和TSS的有效去除，適用于雨天溢流污染的快速處理。相對來說，可壓縮介質(zhì)過濾的處理能力更強(qiáng)，設(shè)計負(fù)荷可達(dá)到48.4~73.2 m/h，運行于Springfield污水處理廠內(nèi)的中試裝置出水SS可維持在30 mg/L以下，即使在低溫環(huán)境（-13~-5℃）下也可正常運行，在堪薩斯州完成的中試對比測試表明，可壓縮介質(zhì)過濾器的出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)CEPT和加砂沉淀，與濾布過濾的處理效果相當(dāng)，似乎更適用于CSO的快速凈化，但建設(shè)成本相對較高，市場上成熟的產(chǎn)品有WesTech WWETCO FlexFilterTM、Schreiber Fuzzy Filter。懸浮介質(zhì)過濾在不添加化學(xué)藥劑的情況下即可實現(xiàn)常規(guī)一級處理效果，雖然在美國仍被認(rèn)為是一項新興技術(shù)，但其作為日本“21世紀(jì)污水處理工程集成與創(chuàng)新技術(shù)項目”（SPIRIT 21）研發(fā)的技術(shù)之一，懸浮介質(zhì)高速過濾系統(tǒng)已經(jīng)陸續(xù)在日本東京、盛岡等地進(jìn)行了工程應(yīng)用，可去除70%的SS和50%的COD；在韓國首爾開展的高速過濾系統(tǒng)處理CSO的中試驗證表明，濾速20 m/h且投加混凝劑的條件下，出水SS和BOD5均低于40 mg/L，為首爾2026年前完成建設(shè)總規(guī)模75萬m³/d的CSO快速處理設(shè)施的規(guī)劃目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。
然而，我國將過濾技術(shù)應(yīng)用于CSO處理的大多還處于研究階段，一些高校和科技公司研發(fā)了以物理過濾作用為主的CSO處理裝置，但鮮有實際工程案例的報道。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)大部分研究和工程更傾向于采用對溶解性有機(jī)物和氮磷去除效果較好的生物濾池或組合濾池，而這可能與需要滿足較高的處理排放標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。
2 CSO快速凈化處理工程案例
2.1 Seine Aval 污水處理廠加砂沉淀
Seine Aval污水處理廠位于法國巴黎下游的塞納河畔，是歐洲最 大的的污水處理廠，承接了巴黎將近80%的生活污水，設(shè)計規(guī)模170萬m³/d。該污水處理廠設(shè)計了旱季、雨季2種運行模式，加砂沉淀單元由9座Actiflo池組成，在旱季處理生物池出水，在雨季處理合流制雨污水與生物池出水的混合污水（混合比例由降雨強(qiáng)度決定），最 大的處理能力30~35 m³/s，工藝流程如圖1所示。
雨天降雨數(shù)據(jù)及加砂沉淀單元運行參數(shù)如表2所示。其中，6月7日的降雨量較小，加砂沉淀單元40%進(jìn)水來源于生物處理單元，其余60%為合流污水，而其他2次降雨事件的進(jìn)水則全部來源于CSO污水。由表3的處理效果可知，加砂沉淀對顆粒污染物的去除效果較好，6月份2場降雨TSS去除率分別為86.7%和80.2%，COD去除75.2%和76.8%，TP去除86.4%和88.4%，而第3場降雨處理效果較差的原因可能是混凝劑和微砂投加量較低所致。同時，加砂沉淀可實現(xiàn)溢流污水中9%~35%的TKN去除，但對氨氮的去除作用不大，而絮凝劑的使用使出水溶解性TP和正磷酸鹽維持在0.3 mg/L和0.1 mg/L的濃度水平。
表2 降雨數(shù)據(jù)及Seine Aval污水處理廠加砂沉淀單元運行參數(shù)
表3 Seine Aval污水處理廠加砂沉淀單元雨季處理效果
2.2 Springfield污水處理廠高速過濾系統(tǒng)
位于美國俄亥俄州的Springfield污水處理廠擁有目前世界上最 大的的高速過濾處理系統(tǒng)，在旱季用于市政污水的三級處理，在降雨期間用于CSO的快速處理，設(shè)計日處理規(guī)模1×104萬加侖。該高速過濾系統(tǒng)采用WWETCO FlexFilterTM可壓縮介質(zhì)過濾設(shè)備，耗資3 350萬美元于2014年建設(shè)完成，工程實景如圖2所示。
2.3 昆明第五水質(zhì)凈化廠CEPT單元
昆明第五水質(zhì)凈化廠采用CEPT工藝處理雨天溢流污染，是國內(nèi)CSO快速凈化處理的典型工程。該水質(zhì)凈化廠設(shè)計規(guī)模18.5萬m³/d，CEPT系統(tǒng)由2組平流混凝沉淀池組成，設(shè)計規(guī)模10.7萬m³/d。雨天溢流CEPT處理典型工藝流程如圖3所示。
2014年9至 11月運行期間，當(dāng)雨天污水處理廠進(jìn)水量超過設(shè)計水量的1.3倍時，將啟動CEPT系統(tǒng)進(jìn)行分流處理，CEPT單元的處理水量、進(jìn)出水污染物濃度見表4。由表4結(jié)果可知，CEPT對溢流污水COD、TP和SS的平均去除率分別為86.2%、80.3%和92.1%，對氨氮去除效果較差，僅為8.7%。對照現(xiàn)行《昆明市城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放限值》（DB 5301/T 43-2020）中的E級限值，出水COD、TP濃度滿足COD＜70mg/L和TP＜2mg/L的要求。
3 推進(jìn)CSO快速凈化處理的建議
3.1 出臺雨天溢流凈化處理排放標(biāo)準(zhǔn)，支撐快速凈化工程落地
歐美等發(fā)達(dá)國家多數(shù)以污染物總量、溢流口溢流頻次或最 大的日負(fù)荷總量（Total Maximum Daily Load，T M DL）控制作為CSO治理的主要依據(jù)，部分國家還出臺了相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)置了污染物排放限值。目前，我國國家政策標(biāo)準(zhǔn)體系中尚未明確雨天溢流污染凈化處理的排放標(biāo)準(zhǔn)和考核方式，也就是說大部分城市在水環(huán)境治理工程設(shè)計和監(jiān)管中無法支持CSO快速凈化處理的模式。
全國政協(xié)“推進(jìn)城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效”雙周協(xié)商座談會明確提出，“建議國家層面進(jìn)一步明確政策，督促各地因地制宜盡快出臺合流制溢流污水快速凈化設(shè)施排放標(biāo)準(zhǔn)”，雨天溢流凈化排放標(biāo)準(zhǔn)的缺位已經(jīng)成為我國CSO治理的主要瓶頸。建議結(jié)合我國典型區(qū)域合流制溢流污染特征和技術(shù)可行性分析，制定合理可行的雨天溢流凈化排放標(biāo)準(zhǔn)，同時從國家層面明確政策要求和考核評估辦法，支撐快速凈化措施落地實施。
3.2 強(qiáng)化降雨溢流污染監(jiān)測與特征分析，科學(xué)規(guī)劃設(shè)施建設(shè)
與發(fā)達(dá)國家不同，我國排水管道普通存在建設(shè)不完善、工程質(zhì)量差、運行管理不到位等問題，旱季合流制管道高液位低流速運行的情況比比皆是，導(dǎo)致污水污染物不斷在管道內(nèi)沉淀沉積，遇強(qiáng)降雨沖刷后再次懸浮，成為溢流污水中顆粒物和有機(jī)污染物的主要來源。這也是目前大部分城市降雨污染沒有表現(xiàn)出明顯“初期沖刷效應(yīng)”的關(guān)鍵所在，是我國CSO污染的獨有特征。
目前，很多城市的合流制溢流情況僅依靠典型降雨事件或模型來估算，而實際的年溢流頻次、溢流發(fā)生的邊界條件及溢流水質(zhì)水量等底數(shù)情況并不清楚，對降雨污染的科學(xué)治理形成了一定阻礙。建議進(jìn)一步加強(qiáng)降雨期間典型地塊、泵站、雨水口、溢流口、合流制污水處理廠/站的水質(zhì)水量監(jiān)測和特征分析，并納入統(tǒng)一管理，為CSO快速凈化設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)以及源-網(wǎng)-廠-河/湖一體化系統(tǒng)治理提供科技支撐。
3.3 研發(fā)CSO快速凈化關(guān)鍵技術(shù)與裝備，探索建設(shè)運行新模式
由于沒有排放標(biāo)準(zhǔn)作為考核依據(jù)，國內(nèi)大部分降雨污染治理工程被要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A甚至更高標(biāo)準(zhǔn)，很多設(shè)施不得不選用以活性污泥或生物膜技術(shù)為核心的生物處理工藝，而一級強(qiáng)化、旋流分離等快速凈化技術(shù)由于難以達(dá)到較高的排放標(biāo)準(zhǔn)往往不被認(rèn)可和采納。
由于降雨具有短時爆發(fā)性和季節(jié)性特征，生物處理不僅需要解決雨季的負(fù)荷沖擊影響和旱季的微生物活性維持問題，通常還存在投資高、占地面積大、旱季“曬太陽”的困擾。在已有科研成果基礎(chǔ)上，突破啟動反應(yīng)時間、污染物去除效能、設(shè)施占地等技術(shù)瓶頸，研發(fā)符合我國實際溢流污染特征的快速凈化處理關(guān)鍵技術(shù)和成套化裝備，積極探索可推廣可復(fù)制的建設(shè)運行模式，是科學(xué)推進(jìn)降雨污染控制的有效途徑之一。
3.4 簡化快速凈化設(shè)施征地審批手續(xù)，優(yōu)化建設(shè)審批流程
現(xiàn)階段我國大部分城鎮(zhèn)污水處理廠已經(jīng)處于飽和或超負(fù)荷狀態(tài)，污水處理廠內(nèi)通常不具備擴(kuò)建或新建一級強(qiáng)化等快速處理設(shè)施的條件，即使解決了污水處理廠內(nèi)占地問題，很多城市可能還涉及辦理污水處理廠新增入河排污口的審批和許可，或?qū)υ腥牒优盼劭谶M(jìn)行調(diào)整變更等程序。
如擬在城市水體沿線增設(shè)快速凈化設(shè)施，不僅需要辦理設(shè)施占地、排污許可申請，還需要考慮鄰避效益的影響。為解決上述問題，建議各地合理劃定城市水體藍(lán)線，并將快速凈化設(shè)施的征地和排污許可審批手續(xù)納入地方行政服務(wù)聯(lián)審聯(lián)辦制度，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)施建設(shè)審批流程，減少審批時間，從管理層面給予更多引導(dǎo)和支持。
4 結(jié) 語
隨著水污染防治工作由全面治污轉(zhuǎn)向精 準(zhǔn)治污、科學(xué)治污，CSO污染控制已經(jīng)成為現(xiàn)階段我國城市水環(huán)境治理的工作重點和難點。發(fā)達(dá)國家實踐證明，以一級強(qiáng)化、旋流分離或快速過濾為主的單一或組合技術(shù)可有效削減入河SS、COD和TP的污染負(fù)荷，具有水力負(fù)荷高、占地面積小、啟動快、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點，是符合我國實際國情的CSO污染控制方式。
我國要想進(jìn)一步推進(jìn)CSO快速凈化處理，亟待研究出臺雨天溢流凈化排放標(biāo)準(zhǔn)和考核辦法，同時強(qiáng)化溢流污染基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測和科研投入，探索切實可行的建設(shè)運行模式，建議地方主管部門進(jìn)一步優(yōu)化工程建設(shè)審批程序，支持快速凈化處理設(shè)施落地。
