厦门浯溪黑臭水体治理中的合流制溢流污染控制技术
01.CSO污染控制的必要性
住房和城乡建设部于2015年8月牵头编制了《城市黑臭水体整治工作指南》，提到合流制污水系统沿岸排放口应采取永久性工程治理，应在沿河岸或湖岸布置溢流控制装置。黑臭水体治理过程中，CSO污染控制是必须开展的工作任务。
1.1 黑臭水体治理的重点和难点
由于建设年代较早的城市，合流制排水体制偏多，排水设施不完善导致水环境污染严重，合流制溢流造成黑臭水体问题凸显。
CSO污染对城市水体造成了严重威胁, 已成为许多城市水体的主要污染源之一。城市合流制管道溢流污水中含有多种病原微生物、氮磷营养物及有毒有害物质，若未经有效处理便直接排入水体，则会严重地破坏水环境功能并危及人类健康。鉴于此，国内一些城市就CSO污染问题采取了相关治理措施。
然而，国内大多城市对CSO污染情况不够重视，对其污染规律及控制措施研究薄弱，相关基础资料和数据严重缺乏，缺少工程经验的积累；加上，合流制排水体制多位于老旧城区，在这些区域开展合流制改造及溢流污染控制工程面临施工难度大、影响范围广、耗资巨大等诸多问题，CSO污染控制遭遇难题和困惑。
另一方面，合流制溢流控制不像污水直排口处理那么简单，直接采用末端截污纳管的方式很难取得良好的效果。可见，CSO污染控制不能一蹴而就，必然是一项复杂的长期系统工程。
1.2 消除黑臭的必然要求
2015年以来，国家、部委层面下达任务要求，限定时间消除建成区黑臭水体。本文中的厦门市翔安区浯溪是住房和城乡建设部、生态环境部联合挂名督办的重度黑臭水体。消除浯溪黑臭迫在眉睫，况且合流制溢流是造成河道水质恶劣的重要原因，进行CSO污染控制是必然要求。以水质提升为目标，倒逼排水设施建设、补齐污水处理短板，也是绿色发展、可持续发展迫切需要的。
对于合流制溢流问题，很多地方采取的方式是开展大范围合改分，认为只有进行合流制改分流制才能解决污染问题。其实，合流制排水系统并不是导致我国水体黑臭的根本原因，合流制排水系统产生的溢流才是关注点。重点应该在控制溢流频次和溢流污水量。通过雨污分流、源头减排、加大截流倍数和设置调蓄处理设施，能达到控制CSO污染的目的。
02.国内外CSO污染控制策略
世界上很多城市都是合流制排水体制，水环境并没有很糟糕，治理成效很好。自20世纪60年代开始，国外一些城市就开始关注合流制排水系统溢流污染问题，也开展了卓有成效的CSO污染控制研究工作。
在出台一系列关于CSO污染控制法规的基础上，美国各地采取不同的工程措施。通过合流管道改造、污水厂扩容、调蓄设施建设和溢流量削减等方式，完成CSO污染控制。美国费城在溢流口采用充气式橡胶堰，充分利用现有系统的贮存容积，减少一场降雨中70%的溢流量。亚特兰大兴建了地下隧道、贮存池并与管道相连，雨天时隧道和贮存池用于贮存过多的雨污水，降雨过后则将这部分雨污水输送至污水厂。
德国从20世纪80年代开始重视城市雨水径流和CSO污染的控制，他们不是依赖“雨污分流”的办法，而是更加重视源头污染控制、CSO污染控制和雨水径流污染控制的结合。
由于日本大多数城市为合流制排水系统，CSO污染问题也非常突出，还专门成立了合流制管道系统顾问委员会来研究CSO污染的控制问题。大阪市约97%的地区为合流制，为了控制CSO污染，市政府建造雨水储存管、雨水隧道、蓄水池等控制措施。还提出了“雨季废水处理方法”，可使雨季管道处理能力达到最优化以实现对CSO污染的控制。
我国不少城市合流制区域溢流问题愈发严重，陆续开展了CSO污染控制的治理工作。早在30年前，上海就开展了CSO污染对苏州河的相关工程，加强合流污水调蓄池的建设，对初期雨水进行调蓄处理并配套相应的管理措施，加强污染源头的治理与控制，通过工程措施和管理措施，减少雨天溢流的次数和溢流污染负荷。
昆明针对老城区合流制排水系统，为减少雨污混合水溢流河道，削减高浓度初期雨水造成的面源污染，共建设16座合流污水调蓄池，总规模达到21.3×104m3。将降雨过程中产生的超负荷合流污水暂时储存后，待污水处理厂有空余能力时进行处理，或经简易沉淀处理后排放。
尽管已有不少治理案例，但是对CSO污染的重视程度不够，没有合理有效的控制策略和工程措施，溢流污染对水环境的影响并未有所减弱。笔者以浯溪黑臭水体治理为例，重新审视治理措施，针对合流制区域产生的雨天溢流污染问题进行深刻剖析，制定相关工程方案。
03.浯溪现状和问题分析
3.1 流域概况
浯溪起点为郑坂箱涵出口，终点为蔡浦鱼鳞闸，向西排入东坑湾入海。总长度3.63km，流域总面积为7.73km2。2015年7月对浯溪及其支流12个断面进行旱天监测，显示2个河段为重度黑臭水体，1个河段为轻度黑臭，其余8个断面为劣V类水质。浯溪沿岸共20个排水口，最大的是郑坂箱涵合流制排水口，两孔箱涵单孔尺寸为4.5m×3.0m。
利用QV和CCTV等手段对流域内排水管网进行混错接深度排查，火炬工业园区和体育场周边区域分别存在26处和5处市政混接点，最终排至浯溪。
图1 浯溪流域雨污混接位置及现场排查
3.2 问题分析郑坂箱涵排水口上游区域内旱季污水量预测仅为4427m3/d，但实测箱涵内污水量为（1.1～1.3）万m3/d。由于现有临时泵站提升截流能力有限，郑坂箱涵在小雨时就会发生溢流，中大雨时问题尤为明显。以2018年6月30日为例，当日降雨量为20mm，合流污水超过临时提升泵站截流量，黑臭水从箱涵出口溢流排放进入河道，污染程度极大。
图2 合流溢流造成浯溪水质恶劣
对浯溪流域水环境污染情况进行定量化核算，分别从旱天和雨天不同场景分析污染物占比情况。旱天污染物主要来自农村点源排放，占总排放量的67.70%。雨天污染物主要来自城市面源和合流制溢流污染，分别占比58.44%和32.98%。雨天水环境容量1.57t/d，污染物排放10.66t/d，排放量约为环境容量的6.81倍，直接导致水质变差并影响雨后水环境质量。
图3 浯溪流域旱天雨天污染源占比分布
基于翔安区28年的降雨数据分析，确定2005年为典型年，全年降雨场次122场，超过2mm的降雨64场。选择MIKE URBAN CS对郑坂箱涵现状进行模拟，溢流频次达100%。郑坂箱涵雨季总溢流量约为330万吨/年，COD排放量为429吨/年。
图4 郑坂箱涵典型年溢流水量与降雨量对比
图5 郑坂箱涵典型年溢流COD排放量与降雨量对比
可以看到，郑坂箱涵合流溢流形势严峻，到了非控不可的地步。削减合流溢流进入河道水量和溢流频次，事关浯溪黑臭水体治理成败。制定切实可行的治理目标和工程措施，能有效改善浯溪水环境，达到消除黑臭的目标。04浯溪CSO污染控制方案
通过一系列水环境改善项目，实现浯溪流域健康水循环，重构人水和谐关系，塑造水清岸绿、河畅景美、生态和谐的城市水系。在方案中，重点讨论郑坂箱涵合流制溢流控制的技术策略。
4.1 目标和技术路线
4.1.1 浯溪黑臭水体治理目标和思路
近期目标全面消除黑臭，旱天污水不入河；雨天控制合流污水，降低合流污水溢流次数和溢流量，保证雨天水体不黑不臭。远期目标稳定维持水体不黑臭，建设良好景观环境达到生态和谐。雨天时，重要任务是控制郑坂箱涵合流溢流，同时削减面源污染入河。
图6 浯溪流域消除黑臭的近远期治理思路
4.1.2 浯溪黑臭水体治理技术路线技术路线从“控源截污、内源治理、生态修复、活水保质”四个方面落实水环境整治建设要求的工程指标和内容，从“源头减排、过程控制、系统治理”系统制定水环境改善的工程方案。控制污染入河，治“疾病”，善控源截污体系；提升自净能力，强“体魄”，提升水环境质量。
图7 浯溪流域黑臭治理技术路线
明确以CSO污染控制、点源治理为核心，面源污染控制和内源削减等为辅助，环境容量提升为保障的原则，合理分配各工程措施目标，优化与调整工程规模，兼顾工程经济性的同时有效达到水环境改善。
图8 浯溪流域水环境改善措施指标分解示意
4.1.3 浯溪CSO污染控制技术路线旱天污水全截流至翔安污水厂；雨天先将旱天污水截流至翔安污水厂，一体化泵站提升后的合流污水经箱涵容积调蓄后通过在线物化设备处理后排至湿地。为了控制典型年溢流频次，需要新建CSO调蓄池，超过溢流频次的合流污水经湿地后排河。
图9 郑坂箱涵合流制溢流控制技术流程
4.2 CSO综合整治方案在浯溪黑臭水体治理中，从污染物削减和环境容量提升两大方面制定若干工程措施。本文不再赘述其他工程，更多的介绍郑坂箱涵CSO污染控制方案。
4.2.1 旱天污染物削减方案
基于旱天有大量污水排出，在箱涵出口建设一体化提升泵站，规模为2.0万m3/d，旱季污水全部截流进入污水处理厂。
在开展CSO调蓄和在线处理之前，应当充分完成上游火炬工业园区混接改造。火炬工业园区共排查到26处（44个点）混接点，其中14处需工程整改，12处由工程排污执法处理。下图为浯溪流域混接点改造工程布置图，列出23#和27#改造详图。
图10 浯溪流域混接点改造工程布置
4.2.2 雨天CSO污染控制思路合流制溢流工程分期分阶段实施方法：郑坂箱涵出水首先由一体化泵站提升至污水厂，通过出口位置的节制闸利用箱涵调蓄一部分合流污水，近期通过在线物化设备处理后经湿地排河，起到控制溢流频次和削减入河污染物的作用；远期根据混接改造后的效果，评估CSO调蓄池容积和在线物化处理设备的规模。
图11 郑坂箱涵合流溢流控制雨天工程措施
4.2.3 多目标工程措施比选利用MIKE URBAN CS搭建郑坂箱涵上游区域模型，依据排水系统相对独立的汇水区域，对水文模型的集水区进行划分，并采用泰森多边形法进行连接，设置集水区水文模型参数，设置降雨水位边界条件后，即建立该区域管网的水文、水动力模型。
图12 郑坂箱涵上游区域汇水分区模型
通过模型多方案比选，针对不同溢流控制目标，制定相对应最合理工程措施设置方案。在此过程中，不断调整各溢流频次目标下的在线物化设备、CSO调蓄池等规模。对不同溢流次数控制目标进行对比，选取5、8、10、15、20、25、30和35次/年进行工程措施的制定。在一体化泵站提升富余能力8000m3/d和箱涵出口设置节制闸后箱涵的10680m3调蓄容积同等基础下，各目标下合理的在线物化设备规模、CSO调蓄池容积、总投资和运营费用数据表如下。 表1 多目标控制下的工程措施和投资数据
为实现2018年底消除黑臭，遵循“以工程换时间，以工程换效果”的近期实施思路，开展以下工程：箱涵出口盖板暗渠化处理，长度160m；旱天污水量提升至翔安污水厂；雨天利用泵站8000m³/d富裕能力截流合流污水至污水厂；箱涵出口设置节制闸，调蓄容积1.1万m³；在线物化设备规模1.5万m³/d，占地300m2，L×B=30m×10m。近期工程实施后，年溢流次数控制目标为36次/a，对应日降雨量为10mm。
图13 郑坂箱涵合流溢流控制近远期工程布置
通过模拟，得到降雨过程线和箱涵出口流量过程线，设置节制闸和1.5万m³/d在线物化设备后，全年溢流量为137.6万m³，相较于原来溢流总量330万m³，削减了58.3%。
图14 典型年降雨过程线与近期措施溢流量对比
远期追踪箱涵上游混接改造情况，评估新建调蓄池的容积和在线物化设备规模。若混接改造效果良好，则缩减或取消新建CSO调蓄池规模。若混接改造效果不好，则按照15次/a溢流次数控制目标。实现在线物化设备处理能力调整到6万m³/d，占地1200m2，尺寸为L×B=50m×25m。新建CSO调蓄池的容积为2.0万m³/d，占地4000m2，L×B=100m×40m。远期年溢流次数控制目标为15次，对应日降雨量26.8mm。远期工程措施实施后，郑坂箱涵出口全年溢流量为51.8万m³，削减84.3%。
图15 典型年降雨过程线与远期措施溢流量对比
4.2.5 CSO调蓄工程对箱涵行洪的影响郑坂箱涵本身为雨水排涝的通道，肩负着上游3.9km2区域范围内的行洪。进行郑坂箱涵改造和出口设置2.7m节制闸后，降雨期间箱涵内雍水是否会造成火炬工业园区内涝积水也是需要关心的问题。
追踪郑坂箱出口主干渠道，对区域内的水位情况进行模拟。选取典型年2005年8月13日强降雨数据（215.1mm）输入模型，得到上游区域箱涵管道水位线。结果显示，郑坂箱涵上游管道中水位运行，红色为最大水位线，未超过地面检查井标高，区域内没有出现内涝积水，说明出口设置节制闸和CSO调蓄设施之后，上游区域无内涝积水，不会对郑坂箱涵行洪产生影响。
图16 郑坂箱涵节制闸后溢流液位
图17 设置节制闸后强降雨条件下管道水位线
05.结论①合流制排水系统区域应尽量避免“合改分”一刀切，需要详细梳理分析现状问题和成因，制定因地适宜的合流制改造方案。在能够进行合流改分流和混错接改造的基础上，做好合流制溢流控制工作。
②CSO污染控制重点在于雨天工程措施的制定，应结合截流、调蓄、污水处理和生态设施进行多目标多方案比选，在溢流频次目标、技术可行性、工程实施难度和投资造价等方面，优化最佳方案实现控制溢流频次和削减溢流量。
③在确定工程方案之后，需及时跟踪“合改分”和混错接改造成果，动态评估CSO污染情况，制定近远期不同阶段工程措施。同时，分析合流管渠出口末端设置截流调蓄设施之后对上游区域行洪影响，避免造成合流溢流得以控制，降雨期间排水不畅形成内涝积水。
本文的完整版刊登在《中国给水排水》2021年第6期，作者：常胜昆、周丹、马洪涛、程慧芹、郭迎新、肖朝红、郝婧，单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司北京分公司。
