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[1]劉智曉,劉龍志,王浩正,等.流域治理視角下合流制雨季超量混合污水治理策略[J].中國給水排水,2020,36(8):20-29.

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流域治理視角下合流制雨季超量混合污水治理策略

中國給水排水[ISSN:1000-4062/CN:12-1073/TU] 卷: 第36卷 期數(shù): 2020年第8期 頁碼: 20-29 欄目: 出版日期: 2020-04-17

Title:

Watershed Management and Control Strategies for Urban Combined Sewer Overflows during Peak Wet Weather Flow Conditions

作者:

劉智曉¹，劉龍志²，王浩正²，王海玲³，劉文欣⁴

關鍵詞:

合流制溢流污染控制; 雨季超量污水處理; 化學強化一級處理; 調蓄池

Keywords:

CSO pollution control; peak wet weather flow treatment; CEPT; storage tank

摘要:

傳統(tǒng)集中式城鎮(zhèn)衛(wèi)生系統(tǒng)在改善水環(huán)境的同時，也凸顯了集中管網(wǎng)系統(tǒng)在雨季對匯水區(qū)域雨水快速收集、快速下泄導致的污水廠進水短期水量大幅提高的水力負荷沖擊問題，而我國目前活性污泥系統(tǒng)工藝設計及運行模式無法應對雨季峰值流量，導致管網(wǎng)沿程溢流或廠前溢流或者超越，嚴重污染了城市河道、受納水體。在分析集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)應對峰值流量系統(tǒng)性欠缺的基礎上，結合雨季峰值流量特性，總結了歐美發(fā)達國家在雨季超量混合流量處理方面主要的技術路線、解決方案和運行控制模式，并就我國流域治理大背景下實施雨季峰值流量處理在立法及排放標準方面提出了建議。

Abstract:

While the traditional urban sanitary sewers system collects wastewater and improves the water environment, it also reveals the hydraulic capacity shortage of the WWTPs and their insufficiency in handling peak wet weather flow problems caused by rapid increase of inflow due to high intensity stormwater collected from the catchment area and the rapid transfer of stormwater to the WWTPs in the centralized urban drainage system. However, the current wastewater treatment design and operation in our country, for example activated sludge design, does not address peak wet weather flow condition. This causes sanitary sewer collection system overflow and bypass before wastewater reaches wastewater treatment plants and internal bypass of wastewater design processes within the WWTP. The overflow and bypass have significantly polluted our rivers, receiving streams, and surface waters. Evaluating the systematic capacity shortage of the centralized urban collection systems in dealing with peak wet weather flow and analyzing the characteristics of the peak wet weather flow pattern in our country, this paper studied the main technical framework, solutions and operational control model of dealing with peak wet weather flows in the developed countries in Europe and North America. This paper has thus provided recommendations to policy making and legislation as well as development of effluent discharge standards for peak wet weather flow treatment, serving as a next phase in watershed management in China.

更新日期/Last Update: 2020-04-17

導語：傳統(tǒng)集中式城鎮(zhèn)衛(wèi)生系統(tǒng)在改善水環(huán)境的同時，也凸顯了集中管網(wǎng)系統(tǒng)在雨季對匯水區(qū)域雨水快速收集、快速下泄導致的污水廠進水短期水量大幅提高的水力負荷沖擊問題，而我國目前活性污泥系統(tǒng)工藝設計及運行模式無法應對雨季峰值流量，導致管網(wǎng)沿程溢流或廠前溢流或者超越，嚴重污染了城市河道、受納水體。在分析集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)應對峰值流量系統(tǒng)性欠缺基礎上，結合雨季峰值流量特性，總結了歐美發(fā)達國家在雨季超量混合流量處理方面主要的技術路線、解決方案和運行控制模式，并就我國流域治理大背景下下一步實施雨季峰值流量處理在立法及排放標準方面提出了建議。

作者簡介：劉智曉（1972-），男，山東莒縣人，工學博士，教授級高級工程師，主要從事市政給、排水系統(tǒng)，水廠、污水廠及水環(huán)境治理領域技術方案、優(yōu)化與審核等相關工作。

流域水環(huán)境質量惡化、湖庫水體富營養(yǎng)化，城鎮(zhèn)黑臭水體是當今世界范圍內水環(huán)境質量改善面臨的共同挑戰(zhàn)，造成水質惡化的外源驅動性重要因素就是人類活動加劇了污染物尤其是氮、磷等物質由固相向液相的轉移、釋放過程。因此，改善水環(huán)境質量的技術本質及措施就是要設法采用工程技術和運行控制措施減緩、削減或阻斷N、P營養(yǎng)物向水體的轉移與釋放過程。集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)由于其對雨季流量的大收集、大輸送、快轉輸?shù)忍匦�，下游污水廠往往不具備超量混合污水處理能力，造成沿程溢流污染、廠前溢流或者廠內超越，給城市水系及受納水體造成了短時沖擊性污染，這是國內城市水體黑臭的直接原因，這也是我國當今進行海綿城市建設和流域治理需迫切解決的系統(tǒng)性難題。

0 1

現(xiàn)代集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的系統(tǒng)性欠缺

現(xiàn)代城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)主要是集中式排水系統(tǒng)，包括合流制與分流制，但是我國很多城市現(xiàn)實管網(wǎng)情況復雜，多種管網(wǎng)建設模式并存，如截流式合流制等。傳統(tǒng)集中式城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)在解決人類集聚區(qū)環(huán)境質量衛(wèi)生、減緩水體污染等方面起到了重要作用。但是這種大收集、集中處理的工業(yè)化操作理念，隨著城市規(guī)模的不斷擴大及人口密度的過度集中，注定了集中式排水系統(tǒng)成為水社會循環(huán)和水自然循環(huán)鏈條中最脆弱的環(huán)節(jié)。

集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)結構及風險點見圖1。從圖1可以看出，現(xiàn)代集中式排水系統(tǒng)從源頭收集、過程輸送至末端處理及受納水體排放，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)設施損壞或突發(fā)性失效，都將可能會成為水環(huán)境的最大污染源，如轉輸過程的泄漏、處理過程的失效等都會造成污染物的外溢或急速釋放。此外，轉輸過程的外水的入滲入流（Inflow & Infiltration ，簡稱I/I）會稀釋污染物導致濃度的降低和處理設施進水流量的大幅增加，提高了過程輸送及污水廠處理成本。

圖1集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)結構及風險點示意

從排水系統(tǒng)整體結構性、系統(tǒng)性角度來看，以普遍的截流式合流制系統(tǒng)為例，一方面我國合流制管網(wǎng)應對雨季流量設計標準（如截流倍數(shù)）偏低，很多城市實際截流倍數(shù)不足1.0，大量合流混合污水不能得到有效收集截流；另一方面，國內污水廠按旱季流量進行設計，不具備雨季超量混合污水的處理能力，即便提高了截流倍數(shù)，污水廠也會在雨季成為限制排水系統(tǒng)發(fā)揮整體效能的 “卡脖”環(huán)節(jié)，勢必會導致雨季管網(wǎng)系統(tǒng)沿途出現(xiàn)CSO溢流或在廠前溢流，因此，從城市水循環(huán)角度看，沒有末端污水廠處理能力進行匹配的這種截污行為實際上是加速了污染物向水體的轉移釋放過程， CSO已被證明是新型微量有機污染物向受納水體轉移的主要途徑之一。簡而言之，上述問題可歸結為集中式排水系統(tǒng)“源頭-中途-末端”工程技術措施缺乏系統(tǒng)性考慮， “小-中-大”排水系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)規(guī)劃與能力銜接，這種典型的系統(tǒng)性、結構性問題也必然導致傳統(tǒng)集中式排水系統(tǒng)在面對極端性氣候條件時系統(tǒng)“彈性”不足，導致城市排水系統(tǒng)安全問題和水環(huán)境問題頻發(fā)。

從現(xiàn)實情況看，管網(wǎng)系統(tǒng)建設和運維環(huán)節(jié)中存在諸多問題又進一步加劇了集中式排水系統(tǒng)存在的系統(tǒng)性、結構性問題。仍以截流式合流制系統(tǒng)為例，很多城市排水管網(wǎng)由于施工質量差、后期維護管理不到位，導致雨污管網(wǎng)、河網(wǎng)混接錯接嚴重；河水倒灌，地下水入侵、雨水進入污水系統(tǒng)等導致各類外水嚴重擠占污水管道空間，有些城市外水的入流入滲比例達到16%～55%，截污干管多數(shù)情況下是滿管運行，這種情況下截流倍數(shù)就已經(jīng)失去了本來應有的工程意義，“滿管”運行也削弱了管網(wǎng)對污水的輸送能力，也嚴重稀釋了污染物濃度。有研究顯示，COD、N、P平均約有55%、33%、30%的污染物未經(jīng)任何有效處理而在中途泄漏或在管道內被去除。在滿管流條件下，管內污水流速偏低，導致污水中顆粒性有機物發(fā)生沉積；進一步，滿管運行導致管網(wǎng)在雨季失去在線存儲能力，而國外案例研究表明，管網(wǎng)I/I率較高直接與CSO量呈正相關，即入滲入流量升高還會直接影響CSO。對于地下水位低的城市，存在管內污水的外泄，對德國萊比錫市的合流制排水系統(tǒng)監(jiān)測研究顯示，研究區(qū)域約9.9% ～13%的旱季流量直接外泄到地下水，對地下水造成污染。綜上，應該以系統(tǒng)性思維評估管網(wǎng)自身問題給整個排水系統(tǒng)帶來的全局性影響。

0 2

傳統(tǒng)集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)改進思路

基于上述分析，從流域治理視角看，現(xiàn)代集中式城鎮(zhèn)衛(wèi)生系統(tǒng)整個鏈條中存在諸多風險環(huán)節(jié)，加之這種“收集-轉輸-處理-排放（或回用）”水的社會循環(huán)過程都是以高昂的投資和運營成本作為支撐，從環(huán)境風險及經(jīng)濟性角度而言，如不解決上述問題，只是承擔流域范圍內徑流量的快速轉移，傳統(tǒng)集中式排水系統(tǒng)是不可持續(xù)的，為此，需要更新思維，亟需構建以可靠性、彈性和可持續(xù)性為基本特征面向未來的現(xiàn)代城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)，傳統(tǒng)快速收集、快速釋放的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)在流域治理理念下各要素面臨結構性、系統(tǒng)性重構。

具體來說，解決未來水環(huán)境問題，需要系統(tǒng)性思維，以流域為尺度，在流域“點-線-面-體”不同尺度上，從“量”“質”兩個維度系統(tǒng)思維，以可持續(xù)性為基準原則，進行頂層規(guī)劃、系統(tǒng)設計，從水社會循環(huán)鏈條各個環(huán)節(jié)入手，定量化水質-污染源-排水系統(tǒng)之間的關系，從而科學構建面向未來實現(xiàn)可靠性、彈性與可持續(xù)性相統(tǒng)一的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)。具體工程技術措施方面，著眼污染物在集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)中產(chǎn)生、輸送與轉化軌跡，需要對“管網(wǎng)-泵站-過程調蓄（處理）設施-污水廠”沿程各要素匹配性進行系統(tǒng)性評估，需要從“用戶控制-源頭分離-收集管網(wǎng)完善-污水廠處理及資源回收-排放過程控制“各個環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)性規(guī)劃。通過工程技術措施或管理手段盡最大可能減少或降低污染物在輸送過程中的滲漏或降解，有效規(guī)劃與實施排水管網(wǎng)的入滲入流、施工排水控制，削減污染物在排水管網(wǎng)系統(tǒng)輸送過程中的滲漏及通過各種排口向水體的轉移 ，使污水廠成為污染物最終的受納、處理或資源回收場所。

基于上述過程及原理分析，除了采用LID等綠色基礎設施源頭對雨水進行削峰和削減污染物濃度外，中途分散式調蓄設施構建，管網(wǎng)輸送環(huán)節(jié)通過工程技術措施修復漏損管道、混接錯接進一步削減入滲入流量以外，應該盡最大可能充分利用管網(wǎng)系統(tǒng)的在線調蓄，并在末端提高污水廠雨季處理能力。

0 3

雨季污水處理廠流量特性

污水廠進水流量通常包括污水基礎流量(Base Wastewater Flow，簡稱BWF)和入滲流量及雨水入流量。美國EPA相關報告中將I/I區(qū)具體分為入流入滲量（ Rainfall-derived infiltration and inflow，RDII）和地下水滲透量（Groundwater Infiltration，GWI），也就是說雨天污水廠進流分成三部分，即BWF 、GWI和RDII，其中BWF主要指來自住宅區(qū)、商業(yè)、工業(yè)和政府機構的生活污水和生產(chǎn)廢水，BWF與GWI共同組成了旱季流量（Dry Weather Flow， DWF）。而研究顯示，GWI與年降水量也有顯著的線性關系。以美國溫斯頓塞勒姆市Elledge 污水廠2010年9月30日降雨其上游管線流量變化曲線為例（見圖2，圖中1gpm= 0.23m 3/h，1in=2.54cm），說明雨季合流制系統(tǒng)進水流量的組成及降雨影響。從圖2可以看出，降雨情形下，合流制管網(wǎng)雨季進水峰值流量受降雨影響較為明顯，存在顯著的雨水效應，也就是RDII周期，這期間污水廠承受短期的沖擊性流量，流量峰值系數(shù)達到2.66。通常，歐美污水廠雨季設計流量一般是旱季的3～8倍。

圖2美國Elledge WWTP上游管線在2010年9月30日降雨時的流量曲線

0 4

雨季超量混合污水治理策略

4.1源頭減量

近些年海綿城市建設尤其是源頭LID、藍-綠基礎設施（BGI）實踐表明， LID、BGI等措施可以就地削減區(qū)塊峰值流量20%～90%，展現(xiàn)了源頭設施在雨季通過源頭控制和滯留對排水系統(tǒng)削峰、錯峰方面的作用。除此以外，BGI等措施與灰色設施的結合還能削減污水處理過程溫室氣體的排放并降低污水廠的運行能耗。除此，前已述及，集中式排水系統(tǒng)尤其是合流制排水系統(tǒng)，提升對污染物的收集與去除效率，重要的措施是逐步控制管網(wǎng)的I/I、清污分流，降低外水的比例，降低管道運行液位，進一步提升管網(wǎng)的流速和污染物的濃度，提高脫氮除磷效率，降低碳源、除磷等藥劑的使用。

4.2中途過程控制及徑流分擔

對于雨季峰值流量的管控，中途徑流分擔機制非常關鍵，中途徑流分擔措施之一主要是讓下水道系統(tǒng)騰出空間，發(fā)揮管線的在線存儲能力，或通過綜合經(jīng)濟技術比較構建經(jīng)濟合理、規(guī)模適度的集中式或分散式調蓄設施。

中途調蓄可以建設在線或離線調蓄設施（調蓄池、深隧等），也可利用管網(wǎng)在線調蓄。調蓄池或者具有處理功能的高效調蓄處理池（Retention Treatment Basin，簡稱RTB）在北美、歐洲等發(fā)達國家得到比較廣泛的應用，不僅可以在雨季峰值流量期間進行調蓄，減少CSO頻次或溢流總量，而且將處理功能與調蓄功能相結合，可以有效削減污染物。加拿大Stantec公司研究發(fā)現(xiàn)，RTB在上升流速達到11m/h時，通過投加聚合物經(jīng)過物化處理對SS的去除率可達到80%。我國近些年也對調蓄池進行了功能拓展和技術革新，如將調蓄功能與生物處理功能相結合，不但削減了SS、TP，還進一步削減了BOD 5和氨氮，可以原位實現(xiàn)CSO或者初雨的處理就地排放，而無需雨后泵送到污水廠進行處理，實際上這也是我國很多城鎮(zhèn)污水廠在當前尚不具備雨季峰值流量處理能力時的一種中途截流就地處理模式的創(chuàng)新。管網(wǎng)在線調蓄通過歐美多年的實踐應用已被證明是最經(jīng)濟的方式之一，可以有效降低CSO和污水廠前溢流。但國內很多地區(qū)下游管線滿管運行，導致管內流速降低的同時，也失去了雨季峰值流量的在線存儲空間，因此通過削減入滲入流量、降低外水進入，控制城市外河道運行水位等綜合措施的實施進一步降低污水管網(wǎng)運行液位控制，可以為雨季峰值流量騰出在線存貯空間，以“空間”換“時間”，這是發(fā)揮管線調蓄能力的基礎。此外，對于徑流的過程控制，重要控制點是通過對不同匯水區(qū)域的管網(wǎng)系統(tǒng)采用分布式流量控制，控制上游管線的流量向下游主干管網(wǎng)的輸送速度，從而對污水廠流量起到削峰作用。該方式在歐美發(fā)達國家被證明是經(jīng)濟有效的辦法，例如美國南本德市基于大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對管網(wǎng)關鍵位置的閥門進行動態(tài)控制，當水廠達到最大處理能力或管網(wǎng)達到最大輸送能力時才允許溢流，從而實現(xiàn)了對管網(wǎng)在線存貯空間的充分利用，減少了灰色設施的投資。

4.3 末端采用污水廠雨季峰值流量處理

源頭與中途措施的結合，基本目標是最大程度上削減外水進入市政排水系統(tǒng)，在大部分城市，現(xiàn)有的排水系統(tǒng)實際上面臨系統(tǒng)重構，提高源頭削減、過程調蓄與錯峰削峰的流量控制能力。但是，對于超標雨水，上述新型排水系統(tǒng)布局只是從有限的空間和時間上減緩了峰值流量到達污水廠的時間，最終雨季峰值流量依然是污水廠面臨的技術和運行難題，因此，如何構建污水廠的峰值處理能力，是我國多數(shù)城市未來改善水環(huán)境質量的“邁不過去的坎”，筆者結合國外成功案例及自身實踐，總結并提出如下建議和對策。

4.3.1關于污水廠處理能力的確定

在英美發(fā)達國家，不論是排水體制采用合流制還是分流制，污水廠處理能力表征和確定與我國標準規(guī)范完全不同，如美國明尼蘇達州根據(jù)不同情況確定了不同的污水廠設計流量指標：旱季月均流量（ADW）， 雨季月平均流量（AWW），雨季小時峰值流量（PHWW）和雨季瞬間峰值流量（PIWW）等，且如果PHWW/ADW > 3 ，需要考慮進水流量調蓄或處理工序的均衡措施。污水廠除了處理旱季流量，還同時預留雨季流量處理的能力，以美國北卡羅來納州Muddy, Elledge, South Fork Basins三座污水廠實測值為例，年、月、日、時各自對應的峰值系數(shù)匯總見表1�？梢钥闯�，美國污水廠處理能力具有很大的彈性和空間。相反，我國污水廠處理規(guī)模的確定，并沒有考慮雨季峰值流量的處理，而僅僅是按照分流制水量估算原則考慮了綜合生活污水量變化系數(shù) K，跟發(fā)達國家相比，《室外排水設計規(guī)范》（GB50014—2006，2016年版）給定的 K值偏低；其次，污水廠構筑物設計流量并沒有考慮雨季峰值流量的處理，導致雨季超出污水廠設計規(guī)模的混合污水在廠前或者中途管線形成CSO溢流，這是我國黑臭水體的直接原因。與此同時，國內近些年治理水體黑臭及海綿城市建設中很多城市實施了沿河截污，并提高了截流倍數(shù)，但是污水廠的處理能力卻沒有與之匹配，目前污水廠對峰值流量處理的缺失，已經(jīng)成為新形勢下改善水環(huán)境質量的瓶頸。

表1美國Muddy, Elledge, South Fork Basins 三座污水廠年、月、日、時峰值系數(shù)

物理-化學處理工藝在歐美污水廠處理雨季合流制峰值流量中得到廣泛應用并有多年成熟經(jīng)驗，近些年我國個別城市如上海、昆明也開始了采用化學強化一級處理工藝處理合流制混合污水的實踐，生產(chǎn)性試驗表明，在優(yōu)化藥劑選型配比及工藝高效運行情況下，化學一級強化處理效率可達到“COD為50% ～86%、 BOD 5為50%～70%、 SS為 60%～90%、 TP 為70%～90%”，但對TN、NH 3-N去除極其有限。通常做法是旱季流量全部經(jīng)過生化二級處理工藝， 雨季峰值流量則通過與二級生物處理段并行的輔助處理設施進行處理（見圖3）以去除污水中的SS和一部分BOD 5，主要的處理工藝有傳統(tǒng)化學一級強化處理（CEPT）、高效澄清池等，近些年一些專有工藝如高效沉淀池HRC（威立雅Actiflo ®、蘇伊士DensaDeg®）、Aqua-Aerobic Systems公 司高速濾池（AquaPrime™）、磁混凝沉淀（CoMag®）以及壓縮球過濾（CMF Media）。一些常用峰值流量處理工藝設計參數(shù)見圖4，上述工藝可以有效去除部分SS、BOD 5和TP等，加載絮凝工藝甚至對CSO中疏水性有機污染物可獲得50%～80%的去除率 ，未來“物理-化學處理”工藝將繼續(xù)向集約化、高效、與生化工藝相結合的方向發(fā)展。

圖3 可用于雨季峰值流量處理的處理單元

圖4 用于峰值流量處理的高效澄清工藝設計參數(shù)選擇圖譜

需要進一步說明的是，單獨建設化學一級強化或者峰值流量過濾單元，導致投資過大和旱季設備閑置問題，因此，設計中可以考慮這些設施實現(xiàn)旱季雨季“雙重應用模式”，旱季用于三級深度處理，雨季用于峰值流量處理，分別可以用于改善出水水質或改進能耗，運行靈活，設計和運行模式見圖5。美國Aqua-Aerobic Systems 公司從2012年就開始將Pile cloth濾池兩用于CSO和污水廠三級深度處理，Tomahawk Creek WWTP 將其用于初級過濾，也取得了很好的效果，這為提高這些設施運行靈活性和提升運行效率提供了重要的范例。

圖5 高效沉淀或高效過濾工藝旱季-雨季“雙重應用”

②分點進水（Step-feed）工藝

Step-feed工藝獨特的多點進水特性使其擁有了天然的應對峰值流量的優(yōu)勢，實踐證明，在雨季采用分點進水工藝可以大幅度提高生化工藝的處理能力，分點進水工藝不但可以通過生物池沿程多點配水方式實現(xiàn)雨季峰值流量的提升，而且避免了傳統(tǒng)工藝生物池首端單點進水導致峰值流量期間因二沉池固體負荷陡升可能引發(fā)大量活性污泥的可能溢出。美國在這方面有非常多案例和成功經(jīng)驗，如俄亥俄州Akron市再生水廠通過采用Step-feed工藝，并通過對二沉池進行水力學性能改進，雨季峰值流量期間二沉池水力負荷達到了3m/h，處理能力由41.6×104m3/d提升到97.4×104m3/d，同時出水BOD5、SS、氨氮、TP等指標達到了當?shù)氐沫h(huán)保排放標準。由于分點進水效應，使得生化池前端可以儲存高濃度的MLSS，雨季模式，在生化系統(tǒng)對MLSS總保有量不變甚至提高的情況下，可以降低二沉池進水MLSS濃度和固體負荷率，進而可有效提升二沉池水力負荷。紐約Wards Island 污水廠濕兩季不同運行模式下MLSS在反應池各區(qū)段的分配及污泥總量見表2，并以該廠采用分點進水工藝處理雨季峰值流量示范項目為例，說明采用分點進水工藝如何在干季、雨季切換兩種不同的運行模式，具體見圖6。

表2Wards Island 污水廠干濕兩季生物池各段MLSS及污泥量分布

圖6 紐約Wards Island污水廠干濕兩季生物池運行模式切換示意 （PE:初沉池出水；RAS：回流污泥）

分點進水工藝用于雨季峰值流量的處理在發(fā)達國家得到重視研究和應用。例如，日本的“3W”法本質上也是分點進水工藝，“3W”在日本用于污水廠雨季流量的處理，雨季處理能力為3 Q（Q為旱季日均流量），其中1 Q 通過生物池完整處理過程，其余2 Q則從生物池后端接入。此外，雨季Step-feed工藝選擇在末端進水就實現(xiàn)了接觸-穩(wěn)定 工藝的運行模式，也是歐美污水廠處理雨季峰值流量的常用的運行方式。分點進水工藝主要的技術要點是基于不同季節(jié)水溫和水量變化，如何進行進水點的選擇和水量的分配，在獲取構筑物最大去除能力和高效去除污染物之間找到平衡。

③側流活性污泥工藝

側流活性污泥工藝在丹麥和瑞典等北歐國家具有比較多的應用案例，側流活性污泥工藝集合了吸附-再生工藝、Step-feed及活性污泥發(fā)酵工藝的各自技術優(yōu)勢，不但可以實現(xiàn)雨季峰值流量處理模式，而且側流活性污泥池在雨季存儲了大量MLSS，還能進一步通過硝化、反硝化和厭氧發(fā)酵，實現(xiàn)低C/N比污水的強化脫氮除磷，更加適合我國國情。側流活性污泥工藝運行方式靈活，旱季模式雨季模式切換方便，旱季可以強化脫氮除磷，雨季可以作為活性污泥存儲，實現(xiàn)峰值流量期間高濃度活性污泥在側流池ARP池的“離線”存儲（見圖7），雨季峰值流量期間可以有效降低二沉池固體負荷提升處理能力同時，還能通過“主流-側流”這種“主-輔”反應器聯(lián)合模式強化除磷脫氮，根據(jù)實際項目經(jīng)驗，側流活性污泥工藝利用存量設施并保持原排放標準情況下在雨季可以進一步提升30%～60%的處理能力（個別項目處理能力提升達100%），而無需新增曝氣池池容，只需要對已有生物池池容進行功能劃分和管道的重構。美國勞倫斯市Wakarusa再生水廠創(chuàng)新性將3段式氧化溝池型與側流活性污泥發(fā)酵（S2EBPR）相結合，實現(xiàn)了雨季峰值流量3 Q（Q為旱季平均流量）的處理能力，無需濾池和化學除磷，實現(xiàn)出水穩(wěn)定TP<0.2mg/L，NO -3-N< 8mg/L，側流活性污泥工藝與傳統(tǒng)活性污泥工藝的結合彰顯未來應對雨季超量混合污水的彈性與穩(wěn)定性。

圖7 側流活性污泥應對峰值流量運行模式

④活性污泥快速生物吸附-高效澄清工藝

活性污泥生物吸附-分離實際上是高負荷活性污泥法與高效固液分離技術的融合，目前商業(yè)化的工藝包 如威立雅的BioActiflo ®、BioMag TM等。威立雅的Actiflo ®物理-化學處理技術優(yōu)勢是快速實現(xiàn)對SS的高效去除，對BOD 5也有一定去除效果，如在此基礎上將一部分活性污泥引入峰值流量處理設施，可以利用活性污泥快速吸附與生物降解功能，進一步提升對SS、BOD 5的去除效率，是生化過程與高效物化分離技術的組合，其技術優(yōu)勢就是雨季峰值流量可以實現(xiàn)短HRT下較好的活性污泥生物處理效果（BOD 5去除率≥85%、SS去除率為90%～98%）�；钚晕勰辔�附-高效分離工藝在美國已經(jīng)有多個項目在建設和運行，具體工藝設計有不同的實現(xiàn)方式，不會導致旱季主體處理構筑物的能力過度閑置。以美國CH2M HILL公司完成的Creek WWTP污水廠雨季能力提升項目為例， Actiflo ®實現(xiàn)了“一池兩用”（見圖8），雨季峰值流量一部分以Setp-feed模式進入生物接觸池（停留時間為28min，MLSS為700～1500mg/L），然后泥水混合液至BioActiflo ®進行泥水分離，雨季模式下二沉池出水直接進入濾池；旱季切換運行模式，生物吸附池作為生物池一部分，出流至二沉池- Actiflo ®，此時Actiflo ®是用于三級深度處理的物理-化學過程，沒有活性污泥分離作用。該項目2018年進入調試，三個月的運行數(shù)據(jù)表明該工藝對BOD 5的平均去除率達到90.5%。

圖8 高負荷生物吸附-分離工藝在旱季和雨季的運行模式切換

4.4 廠-網(wǎng)聯(lián)調聯(lián)控技術（RTC）應對峰值流量

應對城市雨季峰值流量，僅靠灰色基礎設施（調蓄池等）不僅投資大，運行成本也不經(jīng)濟，同時要發(fā)揮硬件設施之間的協(xié)同聯(lián)動性。如何發(fā)揮排水管網(wǎng)、排水設施與末端污水廠之間的聯(lián)動，20世紀90年代開始，美國、德國、丹麥等國家在該領域進行了大量研究和實踐，基于“管網(wǎng)-處理廠”系統(tǒng)集成化管控角度，采用實時控制（Real Time Control, 簡稱RTC）技術進行“廠-網(wǎng)”聯(lián)調聯(lián)控，充分通過“硬件-軟件”組合提高或發(fā)揮“廠-池-站-網(wǎng)”的匹配性，可以有效提高系統(tǒng)空間容量和處理能力的使用率，在同等條件下減少合流制溢流污染和內澇風險、提高污水處理率，實踐證明了RTC技術對提高城市排水系統(tǒng)彈性的優(yōu)勢，在不增加現(xiàn)有主要設施的基礎上，可實現(xiàn)對CSO溢流量減少23%～100%的目標。為更好地規(guī)范和指導RTC項目的實施，德國水協(xié)會 于2005年發(fā)布的《排水管網(wǎng)實時控制規(guī)劃框架》中包括了排水管網(wǎng)實時控制項目規(guī)劃的步驟、可行性評估的要求和關鍵環(huán)節(jié)的具體要求等內容。美國環(huán)保署于2006年發(fā)布了《城市排水管網(wǎng)的實時控制》，提出要依據(jù)采集的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)調整設施設備的開關狀態(tài)和運行參數(shù)，以達到晴天（提高污水處理率）和雨天（減少CSO和內澇）的運行目標。不同城市水系統(tǒng)廠-網(wǎng)實時控制案例見表3。

表3部分城市水系統(tǒng)廠-網(wǎng)實時控制溢流效果及頻次

實施RTC策略主要是解決“廠-池-站-網(wǎng)”的匹配性問題，使得排水系統(tǒng)中各組成要素如管網(wǎng)、泵站、調蓄池和污水廠等在系統(tǒng)目標約束條件（溢流頻次和溢流總量等）下實現(xiàn)雨污水收集、轉輸、調蓄和處理能力的相互匹配，實際上這也是我國近些年大規(guī)模沿河截污后面臨的共性問題，“源頭-中途-末端”沒有實現(xiàn)能力的有效協(xié)同，快速化的工程實施又進一步加劇了各要素之間的不匹配性。目前，我國很多城市“廠-池-站-網(wǎng)”的匹配性存在很大問題，嚴重制約了水環(huán)境質量改善，具體主要體現(xiàn)在：①存量設施在線存儲能力雨季沒有充分釋放和發(fā)揮；②降雨期間上游徑流量無有效管控下對下游形成沖擊負荷，缺乏中途徑流分擔機制；③上游排水系統(tǒng)收集能力與污水廠處理能力不匹配；④多種原因導致的調蓄池、泵站作為“承上啟下”節(jié)點，面臨上游管網(wǎng)收集和下游管網(wǎng)輸送能力不匹配的瓶頸制約。因此，成功實施RTC策略，重要的前期基礎性工作就是進行排水系統(tǒng)要素匹配性分析，發(fā)現(xiàn)、識別系統(tǒng)的瓶頸并定量評估，制定改造方案以提高系統(tǒng)的匹配性，在對瓶頸的識別分析基礎上提出改造方案，統(tǒng)籌制定、調整RTC調度規(guī)則。

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雨季混合流量處理面臨的法規(guī)、標準制約分析及建議

目前我國尚未在法律、法規(guī)方面出臺對雨季峰值流量進行處理的要求和規(guī)定，美國在聯(lián)邦法規(guī)、EPA歷年出臺的CSO控制策略中對污水廠雨季峰值流量的處理均有明確定義和約定原則，且隨著水環(huán)境質量提升和管理實踐的不斷豐富，美國EPA也在與利益相關方協(xié)調試圖不斷更新上述規(guī)則，為了鼓勵污水廠雨季多處理峰值流量，美國1989年就出臺了CSO控制策略，USEPA 1994出臺的CSO控制政策中明確提出了“Nine minimum control”，即“九項基本控制措施”，提出要發(fā)揮污水廠存量設施的最大化處理能力，對雨季超量混合污水或峰值流量進行處理，要求對合流制管網(wǎng)雨季收集到的85%的流量進行處理，這樣相當于控制CSO溢流頻次4～6次/a；對超量混合污水廠可采用“附加處理”措施。需要說明的是，一些用于雨季超量雨污混合流量處理的高效物-化處理工藝如EHRT，投資更省，作為集約型“非生物處理 的二級處理”工藝，其出水可以獲得同樣的“二級處理”效果，出水在與生化處理出水進行“ 摻混”最終經(jīng)過消毒后排放 ，這是有利于合流制系統(tǒng)減少CSO對環(huán)境的污染。值得進一步指出的是，在分流制污水系統(tǒng)（SSO），這種“摻混” 的做法在美國持續(xù)多年存在爭議，美國EPA對CSO同意“摻混”解決雨季峰值流量問題， 但對SSO并沒有明確法律政策。2013年美國聯(lián)邦第八巡回上訴法院裁定，SSO使用非生物處理工藝處理峰值流量與經(jīng)過生物處理的流量進行摻混并且達到排放標準是合法的，但該裁決只適用于第八巡回法院管轄范圍內的7個州。 美國在污水廠峰值流量處理政策方面已經(jīng)有了數(shù)十年的積淀，雖然各州政策和做法不盡相同，但是都是鼓勵對雨季峰值流量進行必要處理。因此，我國亟需出臺這方面的法律法規(guī)，真正確立支撐“網(wǎng)-廠-河”模式的法律法規(guī)基礎，從立法角度提倡和鼓勵市政污水廠在雨季發(fā)揮設施最大能力對超額流量進行處理，最大程度削減CSO和向環(huán)境排放的污染物。

其次，在排放標準層面，目前我國的排放標準、取樣約定及考核方式不利于雨季峰值流量的處理。歐美發(fā)達國家一般是基于流域TMDL理念下的排放許可證制度，采用周均值、月均值進行考核，而我國采用日均值考核，實際執(zhí)法時往往采取瞬時值或實時在線儀表監(jiān)測值。由于進水條件等多種原因導致的對生物處理工藝的干擾并引起出水波動性，為了穩(wěn)定達標運行單位不得不采取更加保守的運行模式對污水廠進水流量和工藝參數(shù)進行嚴格調控，日均值考核模式實際上大大提高了污水廠建設投資及運行成本，這種考核方式在技術層面和運營層面都制約了污水廠雨季進行峰值流量處理。尤其是雨季峰值流量處理設施往往是物理-化學強化一級處理，即便采用部分活性污泥工藝處理峰值流量出水也會存在短時不穩(wěn)定現(xiàn)象，按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002 ）一級A考核或者近些年出臺地標考核，會存在達標風險。因此，為激勵污水廠對峰值流量進行處理，除了政策法規(guī)支撐外，執(zhí)行層面建議可以借鑒歐美國家，在排放標準上要調整目前的日均值考核方式，可采用周均值和月均值水質達標考核方式；或者各地因地制宜單獨制定針對峰值流量的排放標準和指導性處理技術路線，如昆明《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放限值》征求意見稿中，明確雨天污水廠處理量超過設計處理規(guī)模1.1倍時，超量溢流污水經(jīng)一級強化處理，設置單獨排放口，但超量污水處理并不對NH 3-N、TN進行要求，出水執(zhí)行E級排放標準，BOD5為30mg/L,COD為70mg/L, TP為2mg/L。針對合流制雨季超量混合污水制定單獨排放標準和審批單獨排放口，這樣有利于鼓勵污水廠多處理峰值流量，降低溢流排放量，促進水環(huán)境質量的持續(xù)改善，真正實現(xiàn)流域治理理念下的“網(wǎng)-廠-河-湖”綜合治理體系。

本文將刊登于《中國給水排水》2020年第8期，題目：流域治理視角下合流制雨季超量混合污水治理策略；作者：北京首創(chuàng)股份有限公司劉智曉，中國市政工程華北設計研究總院有限公司劉龍志、王浩正，昆明滇池投資有限責任公司王海玲，美國愛荷華自然資源部環(huán)境保護局劉文欣

編輯：丁彩娟

審核：李德強