截至2018年,我国黑臭水体认定总数为2 100个,共长7 938.8 km,面积为1 402.7 km²。已完成治理的为1 745个,完成率为83%;治理中的为264个,方案制定中的为91个。中南地区黑臭水体数量多,长度长且面积大,总体表现为分布广、基础量大、工作量最大、完成率最低;东北地区与其特征相似,完成率也较低;华东地区表现为数量多、长度长但面积小的特点,黑臭水体较为分散,完成率也较高;华北、西南与西北地区较为相似,黑臭水体长度较短,面积较小,完成率也较高(见表1)。

合流制管网雨季溢流、下游污水处理设施雨季超越溢流,混接雨水管旱季污水直排、雨季混合污水出流,是造成了大量污水未得到处理的重要因素。未经处理的污水流入城市水体中,对水体造成了严重的污染,是黑臭水体的主要原因。控源截污是黑臭水体治理的核心,但是我国目前控源截污设计过程以经验为主,难免造成控源截污力度不够或者工程过大造成资源浪费。因此,有必要对合流制管网与混接管网的截流系统设计进行分析对比,更科学地指导我国黑臭水体治理工作。

我国有10万多km的合流制管网,由于截流设施截流倍数低,雨天时大量的雨污混合水溢流到受纳水体,提高截流倍数又受到下游污水处理设施处理负荷的限制,一旦截流量超过了污水处理厂最大处理负荷,就会对污水处理设施造成极大的冲击,污水处理设施必须进行超越溢流^[1]1]。实际中,也存在污水处理设施雨天时为保证运行安全会进行限流,不接收截流污水,导致截流污水无处可去的状况,合流制雨天溢流已经成为制约城市水环境的主要因素。

我国截流设施与截流管道可分为两部分,2014年前以截流倍数0.5～2作为设计标准的小部分截流设施与截流管,2015年后以截流倍数2～5作为设计标准的大量截流设施与截流管。截流倍数为0.5～2的截流设施需要通过设施改造提升截流倍数n至少为2,截流倍数为2～5的截流设施在实际中偏向取小值,大部分为2～3,但是这部分截流设施依旧不能缓解合流制雨季溢流造成的污染,所以需要将截流倍数较低的截流井在2～5的范围将其提高,减少雨季溢流污染。同多数欧洲、日本、美国等发达国家合流制系统相比较小^[2]2](大部分地区为3～6 倍, 部分高要求地区8～10 倍),雨天时对受纳水体造成严重污染,对这部分存量设施进行改造,提升这部分存量设施的截流倍数十分必要。

根据截流井设计计算方法,通过改造截流设施,提升堰高、增加槽深、增大截流管管径可直接提高截流倍数^[3]3]。分离式截流方式(见图1a)改造宜首先采用提升堰高的方式,若对上游内涝造成较大影响可采用增大截流管管径的方式,在不受截流干管标高限制情况下也可采用增加槽深的改造方式,分离式截流方式改造仅对支管进行改造,施工较快,投资较小。一体式截流方式(见图1b)不宜采用增加槽深和增大截流管管径的改造方式,不仅施工量大、投资大,也会造成大量老管的资源浪费,宜采用增大堰高的方式,若对上游内涝造成较大影响时宜放弃改造方案,建设调蓄设施。增设调蓄设施可将部分混合污水收集入调蓄池中,不增加处理流量的同时减少了溢流量,待降雨过后将混合污水排入污水处理厂,间接提高了截流倍数。

下游污水处理设施处理负荷会对截流倍数产生限制,我国各城市污水处理设施负荷率也各不相同。2016年,我国有63个城市污水处理设施旱季已无余量,负荷率超过了100%,其中有20个城市污水处理设施负荷率已经超过了110%;污水处理设施负荷率在90%以下的城市有434个,其中污水负荷率在60%以下的有140个,是污水处理设施有较大的负荷余量的地区。所以,根据污水处理设施是否有余量,本文提出了不同的截流倍数提升方案进行了对比分析。

方案一:需改造截流设施,同时也需建设调蓄设施。n为计划提升后的截流倍数,利用污水处理设施处理负荷余量,通过污水处理厂处理负荷余量K与旱季流量Q_dr的反推截流倍数n₁,用于调整截流设施的堰高、槽深、管径,n-n₁作为调蓄池设计截流倍数(见图2)。

方案二:不改造截流设施,仅建设调蓄设施。保留系统原截流倍数n₀,以n-n₀为调蓄池设计截流倍数。

根据各地污水处理设施处理负荷余量、上游内涝的实际情况和区域内截流井的形式与数量确定截流井改造方案(见表2)。由于投资与截流井改造方案中截流井的形式与数量相关,所以应根据图3对方案一的投资进行试算,确定最终方案,若调蓄池投资F小于截流设施改造投资H,则采用方案二,若F>H,则采用方案一;同时,北方地区降雨少,同等条件下宜采用方案一,南方地区降雨多,同等条件下宜采用方案二。另外,我国合流制管网主要集中在老城区,调蓄池建设时的场地限制问题较为普遍,而将调蓄池建于地下会增大投资,也会加大管理难度,所以,在调蓄设施用地紧张地区,若F与H相差不大,宜采用方案一,减小运营管理费用。

上游内涝风险的问题在合流制系统中十分重要,雨天时合流制管道中存在旱季污水,一旦发生内涝,积水会严重污染环境,散发臭味,相比分流制系统内涝会造成更加严重的灾害。北京通过管网模拟增加了20多个截流井的堰高,通过后期的观察,基本无内涝问题,但西安、武汉等地区曾通过增加堰高提高截流倍数,但随后都因为内涝风险而重新降低了堰高。所以,在无条件进行模拟的地区若选择增加堰高的方式,宜通过后期观察逐步调整堰高。

北京地区目前采用方案一来提高截流倍数,2016年北京地区污水处理设施负荷为66.7%,有较大的在线负荷余量,所以北京地区改造了部分截流设施。同时,由于北京地区合流管网集中在二环内,地上基本无地可建调蓄设施,北京地区采用管道进行调蓄,二环内有较多的重要地区建筑与广场,雨水设计重现期在30年以上,管网有较大的容积余量可用于调蓄,利用管道余量与建设管道调蓄设施将剩余部分储存,待雨后排入污水处理厂。

方案一:仅建设调蓄设施。n为计划提升后的截流倍数,保留系统原截流倍数n₀,以n-n₀为调蓄池设计截流倍数。方案二:不建设调蓄设施,通过改造截流设施,同时提升污水处理设施雨天处理负荷,增加截流量。

从投资来看,方案一投资更少。用于合流制雨水调蓄池进水时间宜采用0.5～1 h,当合流制排水系统雨天溢流污水水质在单次降雨事件中无明显初期效应时,宜取上限;反之,可取下限^[3]3]。2010～2016年,全国范围平均每6.17亿元可提升1 m³/s的处理负荷,北京地区平均每4.74亿元可提升1 m³/s的处理负荷,《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》中北京地区蓄水池估价800～1 200 元/m³。按照进水时间1 h计算,提升1 m³/s处理负荷可多处理3 600 m³污水,需4.74亿元固定投资,而建设容积为3 600 m³的调蓄池只需要432万元固定投资,在相同的收益下,提升污水处理设施处理负荷的投资超过调蓄设施建设的100倍以上。

总体来看,调蓄池建设相对集中,耗时较短,在下游污水处理设施无余量地区,仅为减少合流制溢流污染的方案一最优,同时也减少了截流设施的改造投资与改造时间。如天津地区污水处理设施处理能力旱季时就已达到满负荷,雨季时无能力接收截流的混合污水,所以天津地区选择以调蓄为主的方式间接提高截流倍数,而由于受场地限制,调蓄池建于新开河之下,采用真空抽水的方式冲洗调蓄池。在部分场地限制因素影响较小的区域,如昆明、上海苏州河等地区,方案一可大大减少投资。

《城市黑臭水体整治工作指南》指出消除旱天污水直排,削减雨天溢流,原则上治理后溢流频次应降低50%以上。溢流次数控制是世界上用途最广的合流制溢流污染控制标准,这个指标一般指在典型降雨年,一个合流制溢流口溢流的次数,或者多年平均溢流次数^[4]4]。美国存有合流制系统的32个州共有9 348个溢流口,主要以溢流次数与溢流量控制率作为控制标准^[5]5];伦敦也以溢流次数作为主要控住标准;日本有192个城市存在合流制管道,管网覆盖面积为2 270 km²,占城市总面积的19.5%^[6]6],日本地区合流制溢流污染控制目标为合流制等同分流制,即合流制的雨污混合水排入水体的BOD负荷量等于该地区分流制时排放雨水的BOD负荷量(见表3) ^{[4,7,8,9]4,7～9]}。以溢流次数与溢流控制率作为控制指标,简单明确,利于后期的控制与管理。但是,目前国内没有溢流次数的设计标准与设计方法,虽然个别地区在实际中有溢流次数的指标,但没有溢流总控制率的相关指标,大部分地区都以经验设计为主,难免造成建设后控制溢流能力不足或建设过大造成资源浪费的情况。

截流设施的截流倍数、溢流频次和全年溢流控制率,是合流制排水系统的重要设计参数,需根据当地降雨特征、合流制系统旱流污水量及水质、合流制系统初期雨水效应及溢流水质等因素综合确定,采用人工方式计算工作量大、误差大,宜采用数学模型法计算确定。

本文提出了一种溢流频次与溢流控制率的分析计算流程,控制溢流频次同时可计算在此溢流频次下的年溢流控制率(见图4),当降雨重现期小于设计降雨重现期P₁时,雨水流量小于Q_s1,合流量小于设计截流量,此时不发生溢流。同时,由于旱季污水与雨水在截流位置已经充分混合,故可计算雨水全年溢流总量为M×(1-α),根据降雨资料计算全年大于P₁的降雨场次超过Q_s1部分的雨水总量M₁,两者相等,最终计算出在此溢流频次下的年溢流控制率α。也可在控制年溢流控制率的同时计算全年溢流次数(见图5),并确定设计截流流量。设计截流量可根据下游污水处理设施余量分配给污水处理设施和调蓄池,也可将设计截流量反推为总截流倍数,以上述提高截流倍数的方式进行选择。

目前,设计旱季流量Q_dr为日平均流量,高要求场合生活污水量可按最大时生活污水量,工业废水量可按最大生产班内的最大时工业废水量^[3]3]。因旱季污水量Q_污实际全天内会有变动,同时因降雨时间的不可预测性,以旱季平均流量作为设计流量会有发生溢流的风险存在(见表4),所以,设计截流量宜以日最高时流量进行设计。

为了提高区域控制精度,各排口应进行差异化设计,以区域整体溢流控制率作为标准确定全年雨水溢流总量,根据每个排口全年雨水总量占总体的比例分配全年雨水溢流总量,以此来确定不同排口的溢流次数与设计截流量。

混接错接现象主要集中在老旧小区、沿管线商户、城中村及文物文化保护区(见表5)。雨污混接问题大部分为污水管错接入雨水管网,造成雨水排口旱季出流,常州竹林截流泵站是为解决上游地区混接问题设立的末端截流泵站,设计规模为2 000 m³/d,日常流量在1 000～1 200 m³,由此可见,若是对混接不进行有效的治理,未经过处理的大量污水将持续直排受纳水体,对水环境造成污染。在地区内混接信息不明确地区还需较长时间进行排查,混接问题的工程性改造在实际中往往存在与居民社区的交涉问题,尤其是老旧小区的混接改造会影响居民日常生活,同时施工较为困难,所以混接问题的治理时间漫长,如上海、常州等地混接问题经过5年多只完成了部分地区的改造。改造期间,混接问题造成污染可通过区域排口末端截流或小区源头截流控制。

源头截流可将混接区域内(以小区或社区为单位)各部分小区域雨水管出口分别做截流,将旱季污水就近截流入市政污水管道,同时在雨天时也有截流初期雨水的功能;末端截流可在整个混接区域外对雨水管进行截流,并截流整个区域的初期雨水,两者各有优劣(见表6)。由于混接工作较难进行、工作周期长,在部分难改造甚至无法改造地区可以截流代替工程改造。即末端截流先控制整体污水污染,再进行源头截流,逐渐提升区域管理精度,以此可缓解混接带来的问题。地下水位较高的地区宜优先采用源头截流,避免雨水管污染地下水截流至污水处理厂。

合流制管网接入分流制区域的污水管中，旱季时基本无影响,但是在雨天时造成了分流制系统污水管中流量大、水质低,对污水处理设施造成水质水量的冲击。

在此情况下,可根据以下3点进行改善:①我国合流制管网一般集中在老城区,应该划分管网区域,不同体制的排水系统互不介入,单独管理,这对于整个管网系统的水量水质控制及其相应的处理方式都极为重要;②对合流制系统进行截流,源头截流与末端截流配合,先对整个大合流系统进行截流,确保不过多地影响分流制系统,再以小区或社区为单位将旱季污水与初期雨水截流(精细化截流)汇总后排入分流制污水管;③有条件地区可将合流制管网改造为分流制。

分流制污水管接入合流管,在旱季时并无问题,但在雨天时分流制系统中污水进入合流管被雨水稀释,导致整个区域的污水水质下降,对污水处理厂工艺造成冲击,在这种情况下对合流区域外进行截流,只是将整个系统当做合流制来处理,意义不大,同时由于分流制污水的排入使得合流管中混合污水水质提高,在同样的溢流量下造成的污染更大。为此,可根据以下3点进行改善:①新建分流制污水管线直接接入污水一级管网;②将合流制改为分流制,宜充分利用原合流制管网,减少资源浪费;③提升截流量,扩大截流管网与调蓄的规模。

(1)控源截污是当下黑臭水体治理的主要工程措施,为提高截流倍数、削减溢流,在下游污水处理设施有余量地区,宜根据处理负荷余量、上游内涝的实际情况、截流井形式综合分析,利用污水处理设施余量并确定调蓄池容积;下游污水处理设施无余量地区,增设调蓄设施为投资效益最优方案。

(2)应增加溢流频次与溢流控制率方面的标准,减少以经验为主的设计方法。通过合理的分析计算流程确定溢流频次与溢流控制率,同时,根据各排口实际情况针对性设计,提升区域管理精度,这对未来长期的合流制溢流污染运营管理具有重要意义。

(3)源头截流和末端截流各有优劣,分流制内部污水管混接入雨水管问题,有条件改造地区,应先截流控制污染,再逐渐工程改造,难改造和不可改造地区,应以截流方案代替改造方案;分流制与合流制系统混接问题,应以改造管道划分区域为主,截流为辅。