易瑩， 葛樂樂， 周艷偉， 林野， 楊昌達(dá)， 王知兵， 韓家駿

（1.中國電器科學(xué)研究院股份有限公司， 廣州 510300； 2.日立造船株式會(huì)社， 東京 1400013）

隨著我國城市化程度提高， 城市規(guī)模不斷擴(kuò)大， 不透水下墊層面積迅速增長， 降雨排水對城市排水系統(tǒng)的依賴度越來越高。 我國設(shè)市城市合流制排水管網(wǎng)約11 萬km， 按照管網(wǎng)長度計(jì)算， 我國658 個(gè)城市中約有1／3 為合流制排水系統(tǒng)［1］。 大部分城鎮(zhèn)老城區(qū)保留了大面積雨污合流制排水系統(tǒng)或存在分流制混接、 錯(cuò)接污水， 依賴管網(wǎng)進(jìn)行排水的單一做法導(dǎo)致了雨季常出現(xiàn)溢流現(xiàn)象［2］。 初期溢流雨污水污染遠(yuǎn)高于正常排放的污水， 未經(jīng)處理排入受納水體， 會(huì)嚴(yán)重影響城市水環(huán)境， 導(dǎo)致水體黑臭， 危害公共衛(wèi)生安全［3-7］。

美國、 日本、 德國等發(fā)達(dá)國家保有大量的合流制排水系統(tǒng)， 較早就開始了合流制溢流控制和溢流污染防治研究等相關(guān)工作， 并取得了一定成效。 日本與我國相鄰， 人口密度高， 土地開發(fā)強(qiáng)度大， 對于我國規(guī)?？焖僭鲩L的城市， 其合流制溢流治理具有很好的參考意義［8］。

1 日本合流制溢流治理的管理措施發(fā)展歷程

1956 年， 日本以防滲和推行下水道普及為主要目標(biāo)， 積極建設(shè)能夠同時(shí)收集雨水和污水的合流制排水系統(tǒng)。 1971 年， 日本《下水道法》目標(biāo)增加了 “有助于公共用水區(qū)域的水質(zhì)保護(hù)”， 開始重點(diǎn)推行分流制排水系統(tǒng)， 特別是重點(diǎn)保護(hù)水域地區(qū)嘗試“合改分”。 截至1999 年， 實(shí)施合流制排水系統(tǒng)的城市有192 個(gè)， 合流制排水系統(tǒng)約占全部排水系統(tǒng)的20%。 日本許多城市的排水系統(tǒng)具有中心城區(qū)為合流制， 其他區(qū)域多為分流制， “合-分”同時(shí)存在的特點(diǎn)［9］， 如東京合流制區(qū)域占比均超過80%。 這與我國許多大城市排水系統(tǒng)具有相似性。

合流制排水系統(tǒng)的溢流污染問題愈發(fā)凸顯。 因此， 日本國土交通省在1982 年發(fā)布了《合流制排水系統(tǒng)溢流對策暫定指南》； 1998 年7 月和2001 年6月分別成立了“合流制下水道溢流對策調(diào)查專門委員會(huì)”和“合流制下水道溢流對策審查委員會(huì)”， 進(jìn)行全國范圍調(diào)研， 制定了溢流改善對策指南； 2002年， 設(shè)立了“合流制下水道緊急改善項(xiàng)目”， 在結(jié)合水域保護(hù)和考慮成本的基礎(chǔ)上， 以降低溢流產(chǎn)生的污染負(fù)荷量、 保證公共衛(wèi)生安全以及削減夾雜物為目標(biāo)， 改善內(nèi)澇和合流制溢流污染問題； 2003 年，將合流制排水系統(tǒng)問題納入《下水道法》， 要求各城市制定改善計(jì)劃， 對合流制排水系統(tǒng)進(jìn)行改善。

由于前期改善計(jì)劃實(shí)施未達(dá)到預(yù)期效果， 日本國土交通省于2007 年重新制定改善方案指南， 明確合流制溢流改善技術(shù)路線為“不排入合流管網(wǎng)”、“雨季送至污水處理廠處理”、 “貯存”。 各地制定符合城市規(guī)模、 氣候等情況的長期治理規(guī)劃， 設(shè)定年度階段目標(biāo)； 重點(diǎn)提出采用新型技術(shù)來降低處理成本和提高處理效率［10］。 同時(shí)下水道實(shí)施新的排水標(biāo)準(zhǔn)， 要求合流制排水系統(tǒng)最終排水的BOD5年平均質(zhì)量濃度不超過40 mg／L。 通過多年的溢流治理工作， 根據(jù)2017 年日本國土交通省的評估數(shù)據(jù)， 總體改善率達(dá)到78.9%［11］。

2 溢流防治技術(shù)路線和措施

日本的溢流防治主要包括溢流產(chǎn)生控制和污染治理等方面， 技術(shù)路線示例［12］如圖1 所示。

圖1 日本合流制溢流防治措施Fig. 1 Prevention measures for combined sewer overflow in Japan

2.1 管網(wǎng)系統(tǒng)改造

（1） 通過對管路清掃、 修補(bǔ)， 清除管道內(nèi)的沉積污泥和雜物， 確保管路排水通暢， 有效利用既有管路。 截至2020 年， 日本東京都已完成核心4 區(qū)10 059 hm2管路系統(tǒng)的修補(bǔ)［13］。

（2） 廢止和合并雨水排口， 建造大口徑合流截污管道、 分流管道， 提高排水管路的截污能力。 位于日本北海道的札幌市， 其排水系統(tǒng)管路從1970年的910 km 增加至2016 年的8 265 km， 收集能力提升了9 倍以上［14］。

（3） 將合流管道與雨水排口分離， 設(shè)置專用的截污收集管， 解決下游側(cè)的溢流從溢流堰流出， 而上游的溢流直接從排口排放的問題。

（4） 設(shè)置排水管網(wǎng)水位實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)， 通過監(jiān)測降雨量和管道內(nèi)水位情況， 控制水泵和格柵等設(shè)備的運(yùn)行， 最大限度地發(fā)揮管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力及調(diào)蓄池的錯(cuò)峰作用、 貯存能力， 盡量降低溢流頻率和實(shí)現(xiàn)溢流負(fù)荷最小化。

2.2 建設(shè)雨水貯存、 滲透設(shè)施

貯存措施包括現(xiàn)場（on site）貯存和離線（off site）貯存。 在公園、 廣場、 停車場、 住宅區(qū)等場所建造雨水溝等排水、 滲透設(shè)施， 減少內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。 離線貯存是指將含有較高濃度污染物的初期雨水、 雨水排放池及泵站的溢流水貯存在調(diào)蓄池或貯留管（深隧）， 在降雨結(jié)束后進(jìn)行處理排放。

截至2020 年底， 東京都建造累計(jì)容量140 萬m3雨水調(diào)蓄池。 例如： 森崎水再生中心建造了容量為3 萬m3的調(diào)蓄池， 以收集降雨初期污染物濃度特別高的雨污水， 削減排放到海老取運(yùn)河的污染負(fù)荷； 東京品川區(qū)2018 年完工的第二立會(huì)川干線（深隧）， 設(shè)計(jì)規(guī)模為每小時(shí)最大雨量153 mm， 存儲(chǔ)容量約為3.45 萬m3； 大阪市規(guī)劃建設(shè)深隧56條， 總長為156 km， 干管直徑多為2 ～3 m， 埋深為10 ～20 m； 橫濱市的金井川深隧， 管道內(nèi)徑為10.8 m， 長度為2 km， 設(shè)計(jì)容量達(dá)17.4 萬m3。

2.3 溢流污染治理技術(shù)

由于初期雨水中含有大量污染物， 為了避免溢流對水體的污染， 在完成溢流收集和貯存后， 在排口、 泵站、 污水處理廠等場所進(jìn)行溢流水處理， 主要手段包括： ①夾雜物去除， 在雨水排口的溢流堰處設(shè)置過濾篩網(wǎng)、 溢流格柵、 轉(zhuǎn)鼓格柵等； ②物理固液分離， 通過重力沉淀、 水力離心等作用將雨水中的固體物質(zhì)去除， 如雨水沉淀池、 斜板沉淀池、渦流式固液分離裝置； ③高效簡易處理， 如高速過濾法、 高效沉淀池； ④污水處理廠處理， 將溢流直接送至污水處理廠進(jìn)行處理， 如雨天時(shí)活性污泥法等； ⑤消毒， 溢流中可能攜帶病原性微生物， 在排放前需要進(jìn)行消毒處理。

2.4 其他措施

在降雨結(jié)束后， 將泵站的泵井和雨水池殘留污水通過污水管送至處理設(shè)施進(jìn)行處理， 避免下次降雨時(shí)與溢流一起排出造成黑臭問題。 同時(shí)， 還通過設(shè)置浮動(dòng)篩網(wǎng)來減少較小粒徑的雜質(zhì)排放至水體。其他污染治理措施還包括對城市非點(diǎn)源污染處理、融雪時(shí)溢流處理等［15］。

3 溢流污染治理案例介紹

為了加快實(shí)現(xiàn)溢流污染削減的目標(biāo)， 日本通過廣泛的、 以實(shí)用化為目的的產(chǎn)學(xué)研合作， 開發(fā)了一系列的新技術(shù)， 并且在日本多個(gè)城市大力推廣。 這些技術(shù)一般具有雨來即處理的特點(diǎn)， 不需要較長的啟動(dòng)時(shí)間， 可以應(yīng)對突發(fā)、 非連續(xù)性降雨的情況，且具有良好的處理效果。 下面對一些日本溢流污染治理典型技術(shù)和案例進(jìn)行介紹。

3.1 高速過濾技術(shù)

高速過濾技術(shù)是采用新型輕質(zhì)材料作為過濾材料， 可有效截留雨污水中的SS 和SS 攜帶的有機(jī)污染物等。 由于水頭損失小， 濾速較快， 最高可達(dá)1 000 m／d， 極大地提高了污水處理效率。 東京都6 個(gè)污水處理廠全部應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)， 且過濾設(shè)施均為污水處理廠原有沉淀池改造。 東京下水道局調(diào)研結(jié)果顯示， 高速過濾設(shè)施的污染物去除效果為傳統(tǒng)沉淀池的2 倍以上， 而且所占空間較小， 可以利用原有沉淀池進(jìn)行改造， 縮短工期［13］。

東京都北多摩二號水再生中心采用高速過濾技術(shù)處理合流制排水， 該污水處理廠原有4 個(gè)初沉池， 將4＃ 初沉池的二分之一改造為高速過濾池。合流制溢流雨污水處理流程如圖2 所示。 通過運(yùn)行采樣分析， 高速過濾池對合流制溢流BOD5去除率可達(dá)50%～70%， SS 去除率可達(dá)65% ～75%。 由于不需要投加藥劑， 運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于高效沉淀池。

圖2 合流制溢流雨污水處理流程Fig. 2 Process flow of combined storm sewage overflow treatment

3.2 混凝沉淀和高速過濾組合技術(shù)

東京都芝浦水再生中心的雨污水高效簡易處理工藝采用混凝沉淀和高速過濾組合工藝， 雨季時(shí)，雨污水首先進(jìn)入混凝沉淀池， 投加混凝藥劑反應(yīng)后， 再進(jìn)入高速過濾池。 通過實(shí)際運(yùn)行采樣分析，可實(shí)現(xiàn)合流制溢流BOD5去除率達(dá)50% ～70% 和SS 去除率達(dá)70%的目標(biāo)［16］。

3.3 雨天時(shí)活性污泥法（3W 法）

雨天時(shí)活性污泥法是在雨季時(shí)， 3 Qsh（Qsh為污水處理廠設(shè)計(jì)處理量）的雨污水在通過初沉池后，將2 Qsh的雨污水直接送至活性污泥法第四反應(yīng)階段， 1 Qsh的雨污水仍然按活性污泥法處理， 最終3 Qsh雨污水經(jīng)二沉池處理后排放。 該法可通過旁通管路的改造有效利用現(xiàn)有設(shè)施， 無需新增設(shè)施。不過污泥的產(chǎn)生量增加， 對污泥處理設(shè)施的負(fù)擔(dān)增大， 因此應(yīng)提升污泥處理設(shè)施的處理能力［17］。

大阪平野污水處理廠采用3 W 法來處理合流制溢流， 晴天時(shí)污水處理廠處理能力為11 196 m3／h， 雨天時(shí)處理能力為40 320 m3／h， 處理后BOD5的去除率可達(dá)89%， SS 去除率可達(dá)86%， 具有良好的處理效果。

4 討論和建議

我國從20 世紀(jì)90 年代開始合流制溢流污染控制技術(shù)研究。 隨著近年對黑臭水體整治等措施的推進(jìn)， 我國的合流制溢流治理也取得了較大的進(jìn)展。2019 年發(fā)布實(shí)施的《海綿城市建設(shè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》也提出了從 “源頭治理、 過程控制、 系統(tǒng)治理”方面著手削減年溢流總量和控制溢流污染， 跟日本合流制溢流治理路線有很多相似之處， 如雨水滲透設(shè)施、雨水處理設(shè)施等灰綠措施。 同時(shí)， 日本合流制溢流治理經(jīng)驗(yàn)還有很多方面值得借鑒。

4.1 管理措施

（1） 合理選擇“合改分”。 對于人口密度大且已有排水系統(tǒng)的城市， 管道維護(hù)、 改造和鋪設(shè)所需資金投入高， 如日本札幌市老舊管道維修改造和管道敷設(shè)的費(fèi)用已遠(yuǎn)超建設(shè)溢流處理設(shè)施和污水處理工藝改造的支出。 國內(nèi)南京市從2010 年開始雨污分流改造， 工程耗資約183 億［18］。 對于管網(wǎng)密集、 人口密度大等改造難度大的地區(qū)可保留合流制排水系統(tǒng)， 通過設(shè)置調(diào)蓄設(shè)施和合流制溢流處理設(shè)施等解決溢流問題。

（2） 合流制溢流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查。 調(diào)查城市的排水系統(tǒng)等情況， 摸清溢流污染情況， 才能設(shè)立和制定科學(xué)、 合理的合流制溢流改善目標(biāo)和政策， 如不同排水系統(tǒng)區(qū)域分布以及對應(yīng)人口情況； 排口、 排水泵站的數(shù)量， 排水是否排入地表水體； 降雨情況； 年溢流情況； 區(qū)分治理優(yōu)先等級， 優(yōu)先處理溢流、 優(yōu)先改善內(nèi)澇、 無需改善區(qū)域及其他等； 受影響水體的水質(zhì)監(jiān)測； 管道內(nèi)污染物沉積情況等。

（3） 制定溢流治理指南或排水規(guī)范。 日本通過計(jì)算某個(gè)降雨量相當(dāng)?shù)目傆晁慨a(chǎn)生的BOD5負(fù)荷， 進(jìn)行換算和驗(yàn)證， 得到日本合流制系統(tǒng)BOD5年平均最終排放濃度（包括排口、 污水處理廠等年排放負(fù)荷除以年排放水量）， 確保合流制系統(tǒng)（包括排口排放、 污水處理廠處理排放等）經(jīng)過整改后能夠達(dá)到分流制的排水效果。 在雨季／非雨季， 合流制的污水處理廠可實(shí)施不同的排放標(biāo)準(zhǔn)。 雨季超過污水處理廠設(shè)計(jì)處理能力的水量， 處理后達(dá)到合流制系統(tǒng)排水規(guī)范即可排放， 緩解合流制污水處理廠雨季處理壓力。

4.2 工程和技術(shù)措施

（1） 管網(wǎng)系統(tǒng)的改造和維護(hù)。 管道沉積物對溢流水質(zhì)影響較大， 需定期對排水管道清掃， 減少管道污染物沉積； 管道探傷或者流量異常監(jiān)控， 對管道“查漏補(bǔ)缺”； 廢棄對地表水水質(zhì)影響較大或敏感水域的溢流排口， 但是要注意避免管道壓力增加而導(dǎo)致內(nèi)澇的問題； 排口設(shè)置水量測控設(shè)備， 以及聯(lián)動(dòng)的移動(dòng)式溢流堰， 提高溢流截留效率。

（2） 提高截污能力和調(diào)蓄容量。 我國現(xiàn)有排水管網(wǎng)截流倍數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低， 一般在1 ～3［19］， 而日本以前的管網(wǎng)截流倍數(shù)就達(dá)到了3 ～4。 現(xiàn)在一般要求輸送到污水處理廠的管路能夠滿足污水處理廠雨季3 Q（Q 為旱季污水處理廠的處理能力）。 合理增加調(diào)蓄容量， 如日本模擬截留雨水量1 mm／h+ 調(diào)蓄量3 ～5 mm／h 時(shí)， 污染負(fù)荷和溢流次數(shù)綜合削減效果最佳。

（3） 開發(fā)合流制管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控（RTC）系統(tǒng)。 開發(fā)利用降雨雷達(dá)等氣象預(yù)報(bào)設(shè)備的RTC 系統(tǒng)， 快速預(yù)測降雨的趨勢和降雨量， 設(shè)定針對內(nèi)澇產(chǎn)生的觸發(fā)基準(zhǔn)， 實(shí)現(xiàn)對排水管網(wǎng)的智能化控制， 最大限度地發(fā)揮主要管網(wǎng)及調(diào)蓄池的錯(cuò)峰作用、 貯存能力， 減少內(nèi)澇的產(chǎn)生。

（4） 開發(fā)溢流污染治理技術(shù)。 相較于滲透設(shè)施、 綠地、 管道建設(shè)等涉及到市政、 園林等多個(gè)領(lǐng)域， 溢流污染處理設(shè)施的建設(shè)難度較小。 利用污水處理廠原有處理系統(tǒng)， 開發(fā)類似3 W 的污水處理工藝； 增加一級強(qiáng)化處理工藝， 考慮到設(shè)備用地限制， 開發(fā)占地面積小或利用現(xiàn)有設(shè)施是更有效的解決方案。 高速過濾技術(shù)具有占地面積小、 處理速度快、 處理效果好等特點(diǎn)， 已在日本多個(gè)污水處理廠實(shí)踐應(yīng)用， 在污水處理廠、 排口和泵站等空間受限的場所均可應(yīng)用。 因此， 在進(jìn)行合流制溢流污染處理時(shí)可開展該技術(shù)的應(yīng)用研究工作， 驗(yàn)證該技術(shù)的本地可行性。