【国际案例】麻省合流制溢流整治工程
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摘要
波士顿是美国最老的城市之一，也是美国革命的起源地。波士顿采用的是雨污合流的排水系统，在强降雨的条件下，会产生溢流（CSOs），直接排入水体严重威胁了公共安全。马萨诸塞州水资源管理局成立以来，就一直致力于解决CSO问题。其于1994年制定了一项合流制溢流污水控制计划，通过雨污分流，新建CSO处理设施，改善水动力等工程措施，每年减少超过28亿加仑（约106亿升）的CSO。近20年来，全部工程已经竣工，93％的CSO经污水处理厂处理后才排放至自然水体，极大改善了水环境。
项目背景
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合流制溢流污水概述
[1]:合流制排水系统结构 vs 分流制排水系统结构
不同的排水系统（雨污）系统具有不同的结构，虽然现代排水系统已经在一些地方用独立的管道分离了雨水、生活污水和工业废水，但像美国波士顿的一些旧排水系统仍然是合流制，排水管同时收集雨水及污水。在晴天的条件下，排水管里的污水全部被输送至污水处理厂；在强降雨的条件下，污水与雨水在排水管里混合，流量有时会翻倍甚至三倍，此时旧的合流制排水系统就会过载，管内的溢流污水（称为合流制溢流污水或“CSOs”）需通过溢流口（检查井）排放到就近水体中。这虽然有效地阻止了污水倒流至房屋和街道上，但是排放到水体中的污水严重地影响了河流水质。
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合流制溢流污水整治项目的必要性
马萨诸塞州是新英格兰地区人口最多的州。马塞诸塞州的波士顿是新英格兰地区的中心。新英格兰地区位于美国东北部，包括缅因州，佛蒙特州，新罕布什尔州，马萨诸塞州，康涅狄格州和罗德岛州。它以殖民地的历史、大西洋的海岸线、秋天的落叶以及森林茂密的山脉而闻名。这里也是美国革命的起源地。波士顿有一条“自由之路”，串联起了很多在美国成立时起到关键作用的地方。
[2]:美国新英格兰地区各州分布图
尽管波士顿和其他城市已花费数十年的时间、投入大量的资金建设排水系统，但马萨诸塞州产生的“合流制溢流污水”仍然是新英格兰地区最多的。2011年，全州大约有28亿加仑（约10.6亿升）的污水通过181个管道溢出。NECIR开展了首次合流制溢流污水调查工作，统计数据显示，新英格兰地区全年有超过70亿加仑（约26.5亿升）的污水被直接排入水体。这样的水体包括波士顿港、查尔斯河，Mystic河道以及Alewife 溪。1995年，美国环保署发起了一项轰轰烈烈的工作，致力于净化查尔斯河，使之成为适合钓鱼和游泳的水体。
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合流制溢流污水对公共卫生和环境的影响
合流制溢流污水的排放对新英格兰地区产生了广泛影响，例如导致海滩关闭，限制贝类捕捞，限制捕鱼和其他娱乐活动。在某些情况下，合流制溢流污水会将未经处理的混合污水直接排入饮用水水源地，污水中的病毒、细菌、病原体和其他相关污染物或有毒物质严重威胁了公共安全。经常暴露于合流制溢流污水污染物的人员，例如游泳和皮划艇运动员，会更容易得胃肠炎、呼吸道感染、眼睛或耳朵感染、皮疹、肝炎或受到其他疾病的侵害。此外，儿童、老年人和免疫系统脆弱的人们更容易受到伤害。野生生物和水生生物栖息地也会受到合流制溢流污水污染物的不利影响，导致水温升高、浊度增加、毒素增加、水体溶解氧含量降低等。
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合流制溢流污水分布区域
[3]:合流制溢流污水排水区域图
波士顿，剑桥，切尔西和萨默维尔已经将合流制排水系统联入马萨诸塞州水资源管理局系统。1987年，合流制溢流污水直接排放到波士顿港、查尔斯河及Mystic Neponset河道的排放口共有84个。截至2015年12月，有34个排污口被彻底关闭，有5个被很大程度上消减了。
项目概况及现状
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项目简介
自1985年马萨诸塞州水资源管理局成立以来，解决合流制溢流污水相关问题一直是当务之急。马萨诸塞州水资源管理局于1994年制定了一项合流制溢流污水控制计划。该计划已经通过环境审查，并获得了联邦和州政府的批准，作为波士顿港建设项目的重要部分，该项目按照联邦法院规定的设计和施工计划不断推进。期间为降低成本并充分利用改良技术，合流制溢流污水控制计划经历了多次修订。
总费用：
- 规划，设计和建设：7.84亿美元
- 每年运营和维护：130 万美元
效益：
- 84个合流制溢流污水排水口中，34个排水口已关闭，46个排放口的年均排水量降到历史最低水平；
- 消除或减少合流制溢流污水排放总量，达到符合水质标准的控制水平；
- 能够处理更频繁的排水；
- 所有排水口的漂浮物都得到有效控制。
[4]合流制溢流污水控制计划效益图
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项目现状
从1987年到2015年，所有合流制溢流污水整治工程的建设项目都已完成。合流制溢流污水每年减少量超过28亿加仑（约106亿升）。原有的84个溢流直排口中有34个已经被关闭，5个直排口的设计标准提高至防范25年一遇的暴雨。93％的合流制溢流污水经污水处理厂处理后才排放至自然水体。
马萨诸塞州水资源管理局还对进一步的系统改进工程开展了规划评估，内容包括：
- 在众多溢流调节器上使用实时控制器；
- 改善现有的管道连接系统，以更好地平衡主要污水管的流量；
- 评估在查尔斯河附近的两个主要排水管截流设施之间新的连接工程；
- 能够避免设计方和建筑方之间的责任缺口。
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合流制溢流污水整治设施运作模式
马萨诸塞州水资源管理局通过新建设备对废水（污水和雨水）进行过滤和氯化处理，然后再排放或进一步处理。位于波士顿联邦公园、Cottage Farm和剑桥Prison Point的设施可以存储和抽取合流制溢流污水。经过过滤和氯化处理后的废水可以储存并泵送回系统，以便在鹿岛污水处理厂进一步处理。当处理后的废水超过设施储存容量时，通过合流制溢流口排放至收纳水体。在萨默维尔边缘设施中，合流制溢流污水利用重力流入和流出设施，无需泵抽。废水在设备中进行过滤，氯化和脱氯处理。消毒后的废水一旦达到储存容量就会迅速溢出到受纳水体中。
竣工项目工程
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雨污分流
[5]:Constitution 海滩雨污分流系统
该项目新建了长约14,000英尺（约4.3km）的雨水管道以便实现雨污分流。雨水从污水管道中分离出来，不仅消除了污水溢流现象，而且无需建设污水处理设施。该项目由马萨诸塞州水资源管理局财政拨款，由波士顿供水和排水委员会进行设计和施工。
□ 费用： 3,768,888 美元
□ 水质效益：消除污水溢流现象，达到B类水质标准
□ 合流制溢流污水减少量体积分数：
100％
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已有的合流制溢流污水处理设施升级改造
升级氯消毒系统，增加了脱氯系统，过程控制和安全改进。
□ 费用： 22,261,200美元
□ 水质效益：升级处理设施以满足B类水质标准
□ 合流制溢流污水减少量体积分数：本项目改善了治理效果，但不改变排水频率或排水量
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合流制溢流污水合并/存储管道
[6]合流制溢流污水存储管道
在Chelsea St.和Charlestown的Mystic Tobin桥之间新建了两座10'×17'储水池，可临时容纳670,000加仑的离线污水。新建一座地上排水泵站。
□ 费用： 14,287,800 美元
□水质效益：最大限度地减少在BOS019的合流污水排放，以满足B（CSO）类水质标准（B类标准达标率大于95%）
□合流制溢流污水减少量体积分数：100％
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新建合流制溢流污水处理设施
[7]:增建合流制溢流污水处理设施
在原有的波士顿给排水委员会（BWSC）联邦公园泵站基础上增加了合流制溢流污水处理设施，包括精细过滤装置，氯消毒装置，脱氯装置，容量达200万加仑（约757万升）的蓄水池。
□费用：49,583,406美元
□水质效益：对联邦公园泵站排放至FortPoint通道BOS 070的污水进行处理，以满足B类水质标准，包括残余氯标准，使用原位滞留池降低排水频率和排水量。
□合流制溢流污水减少量体积分数：46％
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改造排水管道
用30英寸（76.2公分）直径管道替换18英寸（45.72公分）直径的城市干线排水管道，扩建48英寸（121.92公分）到66英寸（167.64公分）直径的管道，减轻马萨诸塞州水资源管理局的切尔西分支和里维尔扩展区的排水管道负荷，修复了排水口CHE008，并在所有排水口安装了用于控制漂浮物的下溢挡板。
□ 费用：29,779,319 美元
□ 水质效益：最大限度地减少合流制溢流污水排放，达到B级水质标准（达标率大于95%）
□ 合流制溢流污水减少量体积分数：93％
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局部改造水动力
CAM005位置：在剑桥CAM005调蓄池和MWRA北查尔斯大都会污水管之间长40英尺（约12.2米）、直径24英寸（约61公分）的露天管道，扩建一根54英寸（约137.2公分）直径的连接管。
BOS017：在查尔斯城沙利文广场新建了长190英尺（约58米）直径36英寸（约91公分）的管道，将当地两根合流管道的污水分流至剑桥分支管道。此外，在比邻沙利文广场的位置，拆除了查尔斯城和剑桥分支之间的长约10英尺的阻水装置。
□费用：2,294,549 美元
□水质效益：最大限度地减少合流制溢流污水排放量， CAM005，BOS017排水口位置达到B类水质标准（达标率大于95%）
□合流制溢流污水减少量体积分数：
CAM005（78%）, BOS017（99%）
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排水口修复
扩建直径为48英寸（123公分）至66英寸（167.6公分）的排水管道，修复排水口CHE008，并在所有排水口安装了下溢挡板，以控制漂浮物。
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区域范围的漂浮物控制
马萨诸塞州水资源管理局用自动控制堰替换了原来的静态溢流堰；用直径为48英寸（121.9公分）的虹吸管替换了Rindge 街直径为30英寸（76.2公分）的溢流虹吸管；安装了一个用于漂浮物控制的下溢挡板。
项目成效及展望
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查尔斯河
1988年以来，这些项目已使查尔斯河流域的年均合流制溢流污水排放量减少了98％。查尔斯河已经变得更加清洁，可以表现在以下方面：
- 现在查尔斯河可以安全地进行划船游玩。
- 查尔斯河的河鲱鱼种群数量健康，为海洋渔业部门提供了鱼类资源，也为马萨诸塞州其他河流提供了充足的储备。
改造后的其他污水处理系统能有效地向鹿岛处理厂输送更多的污水，大大减少了合流制溢流污水排放进入查尔斯河。
此外，马萨诸塞州水资源管理局也对位于查尔斯河大桥的溢流口设施进行了升级改造，以优化处理系统性能，并将排水对水生生物的潜在危害降至最低。
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合流制溢流污水长期控制和绩效评估
截至2015年12月，马萨诸塞州水资源管理局批准的35个长期控制项目已全部完工并投入运营。四个合流制的区域（BWSC、剑桥、切尔西和萨默维尔）继续推进雨污分流工作和雨水源控制工作（例如绿色基础设施），从而减少雨水流入下水道系统。
[8]:查尔斯河流域合流制溢流污水控制效益图
在波士顿港案例中，马萨诸塞州水资源管理局完全遵照了联邦法院制定的合流制溢流污水控制工程进度表的两个时间截点，于2017年11月发出公告，提案签订为期3年的建设后监测项目和性能评估项目的专业服务合同，以确保现状排水符合批准的LTVP和法院命令中的控制水平。工作范围包括合流制溢流污水巡查，溢流计量，水力建模，系统性能评估和水质达标评估。
研究员：马琦
环境工程硕士，现于迈阿密从事水资源设计相关工作
研究员：陈诗艺
芝加哥某咨询公司从事场地以及其雨水系统设计
翻译员：王思莹
毕业于新泽西理工学院
Junior Water Engineer
就职于Jacobs Engineering 纽约和新泽西办公室
翻译员：鲍子薇
现于南京工作，团队致力于流域水环境综合治理项目的咨询服务工作
审核员：杨少杰
武汉大学环境科学硕士毕业，现居深圳，从事水环境治理工作
图片来源
[1]:https://www.researchgate.net/figure/Combined-sewer-overflow-source-EPA_fig1_303665373
[2]:https://www.williams-syndrome.org/sites/williams-syndrome.org/files/NewEnglandFINAL.jpg
[3]:http://www.mwra.com/cso/mainimages/2014csomap.jpg
[4]http://www.mwra.com/cso/csoplan2005.pdf
[5]:http://www.mwra.com/03sewer/html/sewcso.htm
[6]:http://www.mwra.com/03sewer/html/sewcso.htm
[7]:http://www.mwra.com/03sewer/html/sewcso.htm
[8]:http://www.mwra.com/03sewer/html/sewcso.htm
参考文献
·http://www.mwra.com/03sewer/html/sewcso.htm
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