给水排水 |CSO污染快速净化处理技术进展与思考
张维，孙永利，李家驹，等. 合流制溢流污染快速净化处理技术进展与思考［J］. 给水排水，2022，48（9）：157-164.
作为城市排水管网的设计建设模式之一，合流制排水系统在我国和其他国家普遍存在，合流制溢流（Combined Sewer Overflow，CSO）污染是国际公认的需要长期应对的重大工程和技术难题。相对于发达国家，我国污水收集管道长期低流速运行导致的管道沉积问题较为突出，挟带大量管道沉积物的CSO污染是很多城市水体雨后黑臭的重要根源。采取快速净化措施对合流制溢流污染进行处理后排放，是现阶段国家政策要求和行业发展需要。
与生活污水和工业废水不同，CSO污水由于混合了旱季污水、降雨径流和从管道内冲刷出的沉积物，颗粒物、悬浮物含量更高，水质水量波动更大，具有间歇性、爆发性特征，对排水系统的短时冲击影响更强，因此，对处理设施的启动反应时间、颗粒污染物去除效果、抗冲击能力以及旱季期间的运维管理都提出较高要求。以物理化学法为主的快速净化处理具有启动快、停留时间短、可间歇运行、维护简便等优势，可有效削减入河污染物总量，是欧美等发达国家实施CSO污染治理的主要方式。
我国针对CSO污染控制的研究和实践开展较晚，虽然“十一五”以来国家层面也设立了降雨径流、溢流污染控制相关的科研项目和课题，并开展了工程示范，但由于缺少国家层面的雨天溢流净化处理排放标准作为依据和支撑，导致技术成果转化和产业化不足，工程应用难以推进。通过梳理CSO快速净化处理常用技术及其进展情况，总结国内外典型工程案例，并有针对性提出推进CSO快速净化处理的建议，以期为各地快速净化措施落地实施提供借鉴和参考，为我国排水系统长效治理和城镇高质量发展提供保障。
1 CSO快速净化处理技术进展
1.1 一级强化
沉淀池作为传统污水处理工艺链条中重要的初级处理单元，对可沉淀颗粒污染物具有较好的去除效果，是最早用于合流制溢流污染控制的技术措施之一。1998年德国建成的40 000多个CSO处理系统中，约有17 000个建有沉淀池，可去除溢流污水中55%~75%的SS，对CSO污染总量削减发挥了重要作用。絮凝剂行业的发展有效促进了化学一级强化（Chemically Enhanced Primary Treatment，CEPT）工艺的应用，使SS、BOD、TP的去除效果从常规一沉池的50%~60%、25%~40%、10%提升至90%、50%~70%、80%~90%。在污水处理厂内建设CEPT设施为主要形式的CSO快速净化处理在美国多个地区得到应用，美国环境保护署EPA在2001年提交国会的研究报告指出，全美439个地区中有69个地区采用了CEPT控制CSO污染，占比16%。国内张善发、盛铭军等的中试结果表明，溢流污水经CEPT处理出水SS、COD、TP的平均去除率可达到84%~95%、68%~89%和78%~80%，沉淀池表面水力负荷分别为56 m³/（m²·h）、25 m³/（m²·h），均在普通沉淀池水力负荷的10倍以上。
近年来，投加微砂、磁粉或回流污泥作为絮凝核心，以实现更优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艺逐渐发展成熟并成功用于CSO处理。与传统CEPT工艺相比，污染物在絮凝剂作用下与絮凝核心聚合成更易于沉淀的大颗粒絮体，加快了污染物的沉淀速度，同时采用上流式斜管或斜板作为沉淀单元，可有效缩短水力停留时间，改善出水水质，减少设施占地和药剂使用量，可作为CSO快速净化处理的首选技术。加砂沉淀池、磁混凝沉淀池和高密度沉淀池用于CSO快速净化的主要设计参数可参考表1。
表1 加砂沉淀池、磁混凝沉淀池、高密度沉淀池用于CSO处理的主要设计参数
注：表中只提供了主要参数的典型范围值，具体水力负荷、出水SS浓度等需要根据实际情况确定。
欧美地区已开展的中试和工程应用结果表明，投加微砂、污泥介质的高效沉淀对溢流污水TSS、COD、BOD5、TP和TKN的去除率分别为34%~92%、40%~82%、32%~75%、43%~86%和9%~34%，对进水的波动变化具有较好的适应性。目前，市场上的商业化产品主要有威立雅水务的Actiflo、得利满的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国堪萨斯州、法国巴黎、比利时布鲁塞尔、法国里尔以及我国昆明等地区的CSO处理，运行效果稳定。相对来说，磁混凝沉淀的水力停留时间更短，对SS的去除率高达97%，但用于溢流污染的处理大多还处于探索阶段，国内中建环能科技股份有限公司的MagCS磁介质混凝沉淀、青岛洛克环保科技有限公司的SediMagTM技术已发展较为成熟，北京延庆县妫水河溢流污水处理工程采用超磁处理设备，实现了COD、SS、TP分别为53.8%、88.9%和82.7%的有效去除。
1.2 旋流分离
旋流分离是一种利用离心沉降原理从悬浮液中分离固体颗粒的技术工艺，根据动力来源不同可分为水力旋流分离和压力旋流分离。旋流分离器对大颗粒（>125 μm）污染物去除效果较好，易实现规模化和连续运行，具有占地面积小、建设费用低、操作简便等优点，通常作为溢流污水排放到水体之前的一种简易处理装置使用，是城市老旧城区和繁华地段等密集区域控制降雨污染的首选。已有研究结果表明，旋流分离的污染物去除效果往往受所处地区的气候和水文地质条件影响，包括降雨强度、两次降雨间的干旱天数、颗粒物粒径分布以及集水区的坡度和形状等，对SS、COD的去除范围分别为36%~90%、15%~80%。由于旋流分离器处理规模相对较小，通常仅适用于管径较小的管道。
自20世纪60年代初Bernard Smisson在英国布里斯托尔建造并测试了第一代水力旋流分离器以来，旋流分离技术在欧美地区得到快速发展。用于CSO和雨水处理的商业化产品主要有Storm King、Swirl Concentrator、FluidsepTM、Downstream Defender和VortechsTM旋流分离器，截至21世纪初已有1 500多套旋流分离产品用于雨水和污废水的处理，是旋流分离技术处理效果的有力证明。针对前期旋流分离器对卫生用品等中性浮力固体去除效果不理想的问题，目前用于CSO处理的旋流分离设施大多都增加了4 mm孔径的自清洁筛选系统，并在英国维甘污水处理厂CSO处理中验证了其可行性。此外，旋流分离器的流体力学特征使其还可用作化学消毒的混合接触设施，有利于进一步减小快速净化装置的容积和占地。
“十一五”以来，我国在旋流分离处理降雨污染方向也开展了很多试验研究，并在工程应用方面进行了有益探索。王云浩等开展的小试表明，旋流分离对降雨径流中140 μm的硅土颗粒的去除率可达70%，对80 μｍ颗粒的去除率也有40%。清华大学朱红生在实验室条件下研究了无压旋流分离对初期雨水的处理效果，SS去除率基本在20%~40%波动。李玲霞利用55m³/h的压力旋流分离中试装置处理合肥南淝河清Ⅰ/Ⅱ冲溢流污水，对COD、SS的平均去除率分别达35.2%和47.4%。储金宇等将水力旋流器安装于镇江市雨水管路中，实现了降雨径流污染中SS、COD和浊度的高效去除，SS去除效果随进水流速升高而提升，在流速较大时高达75％，但对TN、TP的去除作用不大。胡晓庆等结合北方某市护城河排河口改造项目研究了Downstream Defender旋流分离器对雨水径流的处理效果，结果表明，SS和COD的平均去除率分别为60%和31%，峰值去除率均超过90%。巢湖市小王庄中溢流污染末端控制中采用了旋流分离设施，实现雨季溢流COD负荷在已有基础上平均削减20%。
1.3 快速过滤
CSO的过滤处理通常是指利用格栅、筛网、固体颗粒、滤布等介质的过滤截留作用实现固液物理分离的技术手段，在沿河截流干管或溢流口设置过滤装置是溢流污染末端控制的常用方法。德国、英国等欧洲发达国家通过在溢流构筑物排水堰上安装水平过滤格筛，用于截留去除4~6 mm以上的悬浮物和漂浮物，但仅可保证在受纳水体沿岸看不到明显的垃圾杂质，COD最 高截留率为25%。一般认为，适用于雨天溢流污染治理的快速过滤技术有滤布过滤、可压缩介质过滤和悬浮介质过滤，其中，滤布过滤、可压缩介质过滤可实现50%的COD去除和90%的TSS去除，而悬浮介质过滤对COD、TSS的去除率较低，分别为10%~50%和30%~70%。传统的颗粒介质过滤由于其较低的表面负荷和较大的占地面积，通常难以满足CSO快速净化处理的技术需求。
MARTIN、HUGHES等在美国辛辛那提、拉什维尔开展的滤布滤池处理降雨径流的试验结果表明，在265 L/min（15.86 m/h）、140~265 L/min（9~16 m/h）的负荷条件下，滤布过滤仍可实现COD和TSS的有效去除，适用于雨天溢流污染的快速处理。相对来说，可压缩介质过滤的处理能力更强，设计负荷可达到48.4~73.2 m/h，运行于Springfield污水处理厂内的中试装置出水SS可维持在30 mg/L以下，即使在低温环境（-13~-5℃）下也可正常运行，在堪萨斯州完成的中试对比测试表明，可压缩介质过滤器的出水水质优于传统CEPT和加砂沉淀，与滤布过滤的处理效果相当，似乎更适用于CSO的快速净化，但建设成本相对较高，市场上成熟的产品有WesTech WWETCO FlexFilterTM、Schreiber Fuzzy Filter。悬浮介质过滤在不添加化学药剂的情况下即可实现常规一级处理效果，虽然在美国仍被认为是一项新兴技术，但其作为日本“21世纪污水处理工程集成与创新技术项目”（SPIRIT 21）研发的技术之一，悬浮介质高速过滤系统已经陆续在日本东京、盛冈等地进行了工程应用，可去除70%的SS和50%的COD；在韩国首尔开展的高速过滤系统处理CSO的中试验证表明，滤速20 m/h且投加混凝剂的条件下，出水SS和BOD5均低于40 mg/L，为首尔2026年前完成建设总规模75万m³/d的CSO快速处理设施的规划目标奠定了基础。
然而，我国将过滤技术应用于CSO处理的大多还处于研究阶段，一些高校和科技公司研发了以物理过滤作用为主的CSO处理装置，但鲜有实际工程案例的报道。调研发现，国内大部分研究和工程更倾向于采用对溶解性有机物和氮磷去除效果较好的生物滤池或组合滤池，而这可能与需要满足较高的处理排放标准有关。
2 CSO快速净化处理工程案例
2.1 Seine Aval 污水处理厂加砂沉淀
Seine Aval污水处理厂位于法国巴黎下游的塞纳河畔，是欧洲最 大的的污水处理厂，承接了巴黎将近80%的生活污水，设计规模170万m³/d。该污水处理厂设计了旱季、雨季2种运行模式，加砂沉淀单元由9座Actiflo池组成，在旱季处理生物池出水，在雨季处理合流制雨污水与生物池出水的混合污水（混合比例由降雨强度决定），最 大的处理能力30~35 m³/s，工艺流程如图1所示。
雨天降雨数据及加砂沉淀单元运行参数如表2所示。其中，6月7日的降雨量较小，加砂沉淀单元40%进水来源于生物处理单元，其余60%为合流污水，而其他2次降雨事件的进水则全部来源于CSO污水。由表3的处理效果可知，加砂沉淀对颗粒污染物的去除效果较好，6月份2场降雨TSS去除率分别为86.7%和80.2%，COD去除75.2%和76.8%，TP去除86.4%和88.4%，而第3场降雨处理效果较差的原因可能是混凝剂和微砂投加量较低所致。同时，加砂沉淀可实现溢流污水中9%~35%的TKN去除，但对氨氮的去除作用不大，而絮凝剂的使用使出水溶解性TP和正磷酸盐维持在0.3 mg/L和0.1 mg/L的浓度水平。
表2 降雨数据及Seine Aval污水处理厂加砂沉淀单元运行参数
表3 Seine Aval污水处理厂加砂沉淀单元雨季处理效果
2.2 Springfield污水处理厂高速过滤系统
位于美国俄亥俄州的Springfield污水处理厂拥有目前世界上最 大的的高速过滤处理系统，在旱季用于市政污水的三级处理，在降雨期间用于CSO的快速处理，设计日处理规模1×104万加仑。该高速过滤系统采用WWETCO FlexFilterTM可压缩介质过滤设备，耗资3 350万美元于2014年建设完成，工程实景如图2所示。
2.3 昆明第五水质净化厂CEPT单元
昆明第五水质净化厂采用CEPT工艺处理雨天溢流污染，是国内CSO快速净化处理的典型工程。该水质净化厂设计规模18.5万m³/d，CEPT系统由2组平流混凝沉淀池组成，设计规模10.7万m³/d。雨天溢流CEPT处理典型工艺流程如图3所示。
2014年9至 11月运行期间，当雨天污水处理厂进水量超过设计水量的1.3倍时，将启动CEPT系统进行分流处理，CEPT单元的处理水量、进出水污染物浓度见表4。由表4结果可知，CEPT对溢流污水COD、TP和SS的平均去除率分别为86.2%、80.3%和92.1%，对氨氮去除效果较差，仅为8.7%。对照现行《昆明市城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》（DB 5301/T 43-2020）中的E级限值，出水COD、TP浓度满足COD＜70mg/L和TP＜2mg/L的要求。
3 推进CSO快速净化处理的建议
3.1 出台雨天溢流净化处理排放标准，支撑快速净化工程落地
欧美等发达国家多数以污染物总量、溢流口溢流频次或最 大的日负荷总量（Total Maximum Daily Load，T M DL）控制作为CSO治理的主要依据，部分国家还出台了相关控制标准或设置了污染物排放限值。目前，我国国家政策标准体系中尚未明确雨天溢流污染净化处理的排放标准和考核方式，也就是说大部分城市在水环境治理工程设计和监管中无法支持CSO快速净化处理的模式。
全国政协“推进城镇污水处理提质增效”双周协商座谈会明确提出，“建议国家层面进一步明确政策，督促各地因地制宜尽快出台合流制溢流污水快速净化设施排放标准”，雨天溢流净化排放标准的缺位已经成为我国CSO治理的主要瓶颈。建议结合我国典型区域合流制溢流污染特征和技术可行性分析，制定合理可行的雨天溢流净化排放标准，同时从国家层面明确政策要求和考核评估办法，支撑快速净化措施落地实施。
3.2 强化降雨溢流污染监测与特征分析，科学规划设施建设
与发达国家不同，我国排水管道普通存在建设不完善、工程质量差、运行管理不到位等问题，旱季合流制管道高液位低流速运行的情况比比皆是，导致污水污染物不断在管道内沉淀沉积，遇强降雨冲刷后再次悬浮，成为溢流污水中颗粒物和有机污染物的主要来源。这也是目前大部分城市降雨污染没有表现出明显“初期冲刷效应”的关键所在，是我国CSO污染的独有特征。
目前，很多城市的合流制溢流情况仅依靠典型降雨事件或模型来估算，而实际的年溢流频次、溢流发生的边界条件及溢流水质水量等底数情况并不清楚，对降雨污染的科学治理形成了一定阻碍。建议进一步加强降雨期间典型地块、泵站、雨水口、溢流口、合流制污水处理厂/站的水质水量监测和特征分析，并纳入统一管理，为CSO快速净化设施的规划建设以及源-网-厂-河/湖一体化系统治理提供科技支撑。
3.3 研发CSO快速净化关键技术与装备，探索建设运行新模式
由于没有排放标准作为考核依据，国内大部分降雨污染治理工程被要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A甚至更高标准，很多设施不得不选用以活性污泥或生物膜技术为核心的生物处理工艺，而一级强化、旋流分离等快速净化技术由于难以达到较高的排放标准往往不被认可和采纳。
由于降雨具有短时爆发性和季节性特征，生物处理不仅需要解决雨季的负荷冲击影响和旱季的微生物活性维持问题，通常还存在投资高、占地面积大、旱季“晒太阳”的困扰。在已有科研成果基础上，突破启动反应时间、污染物去除效能、设施占地等技术瓶颈，研发符合我国实际溢流污染特征的快速净化处理关键技术和成套化装备，积极探索可推广可复制的建设运行模式，是科学推进降雨污染控制的有效途径之一。
3.4 简化快速净化设施征地审批手续，优化建设审批流程
现阶段我国大部分城镇污水处理厂已经处于饱和或超负荷状态，污水处理厂内通常不具备扩建或新建一级强化等快速处理设施的条件，即使解决了污水处理厂内占地问题，很多城市可能还涉及办理污水处理厂新增入河排污口的审批和许可，或对原有入河排污口进行调整变更等程序。
如拟在城市水体沿线增设快速净化设施，不仅需要办理设施占地、排污许可申请，还需要考虑邻避效益的影响。为解决上述问题，建议各地合理划定城市水体蓝线，并将快速净化设施的征地和排污许可审批手续纳入地方行政服务联审联办制度，进一步优化设施建设审批流程，减少审批时间，从管理层面给予更多引导和支持。
4 结 语
随着水污染防治工作由全面治污转向精 准治污、科学治污，CSO污染控制已经成为现阶段我国城市水环境治理的工作重点和难点。发达国家实践证明，以一级强化、旋流分离或快速过滤为主的单一或组合技术可有效削减入河SS、COD和TP的污染负荷，具有水力负荷高、占地面积小、启动快、抗冲击能力强等优点，是符合我国实际国情的CSO污染控制方式。
我国要想进一步推进CSO快速净化处理，亟待研究出台雨天溢流净化排放标准和考核办法，同时强化溢流污染基础数据监测和科研投入，探索切实可行的建设运行模式，建议地方主管部门进一步优化工程建设审批程序，支持快速净化处理设施落地。
