合流制管道溢流污染的特征與控制研究進展

佃 柳，鄭 祥，郁達偉，魏源送,4

(1.中國人民大學環境學院，北京 100872； 2.中國科學院生態環境研究中心水污染控制實驗室，北京 100085；3.中國科學院生態環境研究中心環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京 100085；4.中國科學院大學資源與環境學院，北京 100049)

合流制排水系統(combined sewer system, CSS)是城市排水系統的重要組成部分，包括雨、污合流制管道收集系統和末端控制系統[1-2]，用同一套管道收集和傳輸雨水和污水，最終退水到受納水體中[3]。早期城市污水管道系統不完善，形成了目前城市核心區合流制管道占比較高的現狀，囿于改造難度和成本，這些存量合流制管道仍將長期存在。例如，2015年英國城鎮排水管道的總長為32.3萬km，雨污合流管道占比70%[4-5]；2010年德國城鎮的排水管道長達54萬 km，其中雨污合流管道、污水管道和雨水管道分別占46%、33%和21%[6]；法國、日本的雨污合流管道占排水管道長度的70%左右[5]，其中東京的占比為83%，而大阪市的占比高達97%[7]；美國采用合流制排水管道的州有32個，大多數分布在美國的東北部和五大湖地區[8]。

我國城鎮排水系統自20世紀80年代中后期開始在新建地區逐步采用分流制，GB 50014—2006《室外排水設計規范》規定新建地區宜采用分流制；2011年修訂為新建地區應采用分流制(干旱地區除外)。《中國城市建設統計年鑒：2016》[9]數據表明，我國雨污合流管道占比在東部、中部、西部和東北地區分別為14.05%、25.88%、19.04%和38.93%，而北京為10.03%，雨污合流管道占比東部低、西部高，占比明顯低于發達國家城鎮。

在降水徑流形成時，CSS存在流量超過管道截留能力的情況，導致雨污合流制管道部分廢水直接溢流到地表水體形成瞬時污染源，稱為合流制管道溢流(combined sewer overflows,CSOs)污染[10]。由于CSOs污染主要存在于城鎮核心區和建成區，對城鎮水環境和親水空間的影響較大，已成為我國城鎮日益突出的瞬時污染源。同時，CSOs也是降水徑流進入和補充地表水體的重要途徑，成為城鎮地表水重要的季節性非常規水源。

CSOs是重要的季節性河道水源，更是突出的瞬時污染源，其污染控制是海綿城市建設、城市黑臭水體治理等的關鍵環節[11]。CSOs的污染特征較為復雜，涉及降水徑流、管網沖淤和污染釋放等過程，而CSOs的水量特征仍有待進一步研究，影響了CSOs污染控制措施的實施。本文綜述了CSOs污染的來源、成因和影響及CSOs污染常用控制措施的研究進展，指出管道沉積物監測和管網系統優化是控制CSOs污染的關鍵。

1 CSOs污染的來源與特性

1.1 CSOs污染的來源

合流制管道水量主要來自降水徑流和生活污水，有時也包括工業廢水、農田和綠化退水等，因此CSOs污染通常認為有降水徑流、生活污水和管道沉積物3個主要來源[12]，現有研究認為合流制管道沉積物是CSOs污染的重要來源，其多種污染物的貢獻率一般在47%～80%[13-14]。CSOs所攜帶的污染物中，管道沉積物貢獻了SS、VSS、TSS、COD、BOD5、TOC、TN、TP的50%以上，而徑流雨水、生活污水分別貢獻了25%左右，只有氨氮、凱氏氮主要來源于徑流雨水和生活污水[12-16]。此外，CSOs還可能攜帶重金屬，研究表明重金屬主要來源于降水徑流[17]。Gromaire-Mertz等[12]總結了巴黎31次降水事件，發現CSOs中鉛和鋅主要來源于金屬屋頂腐蝕，并通過降水徑流匯入合流制管道；而銅主要來源于排水管中沉積物的侵蝕、沉積和釋放過程(約貢獻28%～68%)，降水徑流和生活污水對銅的貢獻率始終低于30%[13]。上述研究表明，控制管道沉積物對控制CSOs的多數污染物具有重要意義。

管道沉積物、降水徑流和生活污水均深受人類活動的影響，日益加速的流域系統城市化更直接強化了人類活動的影響。傳統城市化進程降低了下墊面滲透能力，加速了產匯流過程，最終增加了降水徑流強度和徑流量。天氣晴朗時，人類活動產生的污染物積累儲存在城市下墊面(特別是屋頂、道路、停車場等)，在降水過程中，污染物隨城市徑流匯入合流制管道，并因為溢流而部分直接排入受納水體，惡化水體水質[18]。因而，CSOs污染的控制既要控制管道沉積物，又要從海綿城市、綠色基礎設施等源頭出發，進行合理規劃和低影響開發，從而降低降水徑流的峰值流量，減少CSOs事件次數，實現CSOs的水質水量協同控制。

1.2 CSOs污染的特性

CSOs污染的特性包括典型污染物、污染負荷及其影響因素等。由于管道沉積物的存在，導致CSOs的多種污染物可能在沉積物中形成潛在的協同效應，強化了溢流事件對水環境的沖擊。通常入河污染負荷是水量乘以水質(污染物濃度)的概念，但CSOs過程中水量波動較大，并且溢流污染物濃度極大地受溢流沖刷強度影響，CSOs水質水量之間具有較強的關聯性，難以簡單采用常規的平均流量乘以平均濃度來計算CSOs污染負荷，有必要分別總結CSOs水質、水量及其相互關系。

1.2.1CSOs水質特性

CSOs中重金屬和病原微生物的污染也受到關注，西班牙CSOs中鋅的濃度較大，而巴黎CSOs的重金屬也較為突出。關于微生物量，Al Aukidy等[27]發現在意大利東北部的海域，相對于污水處理廠排入海域的水量，CSOs只占8%，但其排入水體中的病原微生物量卻占90%以上；不僅如此，CSOs中還存在賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲[28]和諾如病毒[29]等，但是國內在這方面的調查做得比較少，有待進一步研究。

近年來，CSOs污染中的微污染物也受到關注，Ellis等[30-31]研究表明，除了污水處理廠排放的污水外，城市地表水體中微污染物的主要來源是雨水徑流和CSOs。Launay等[32]在7次降水事件中，評估了69種有機微污染物的排放量，其中60種微污染物存在于CSOs中，包括PPCPs、城市殺蟲劑、工業化學品、阻燃劑、增塑劑和PAHs。國內的情況尚不清楚。

隨著國外基礎數據的增加，越來越多的研究者利用所獲取的歷史數據并結合模型等方法進行CSOs水質的模擬，環境流體動力學模型(EFDC)[33]、水質分析模擬程序(WASP)[33]、條件回歸樹測試[34]、流體動力學模型[35]等方法的應用使得CSOs水質進一步得以明確，有助于制定改善水質的方案，國內研究應結合實際情況合理借鑒。

1.2.2CSOs水量特性

一般用累積水量表示CSOs水量和污染貢獻，但CSOs具有瞬時性和間歇性，瞬時流量變化幅度很大，很難通過瞬時觀測就直接計算出CSOs水量，通常需要在整個降水過程中連續不斷地監測。2014年6—9月，Al Aukidy等[27]連續監測了意大利一個海濱城市的CSOs水量情況，發現CSOs水量占該區域排放總量的8%。由于 CSOs水量的連續監測耗時耗力，且影響因素很多，現有研究更偏重降水量、降水徑流量和截留倍數等參數的關系研究[20-22]。CSOs水量特性較為復雜，需要進行連續監測或使用模型[36]等手段來進一步研究，從而明確CSOs的水量特征。

1.2.3CSOs水質與水量間的關系

CSOs存在初始沖刷效應(first flush)，在CSOs的初始階段，污染物的負荷相對較高[37-38]。Barco等[37]在面積為12.7 hm2的城市集水區探究了CSOs水質與水量的關系，驗證了各種污染物的初始沖刷效應，結果表明所研究的23次降水事件中，幾乎所有的降水事件以及所有的污染物均存在初始沖刷現象，平均前20%的徑流量中包含了40%的污染物負荷，但降水強度較小時(累積降水量小于7 mm，持續降水時間小于50 min)，初始沖刷效應比較微弱。

1.3 CSOs污染的影響

CSOs污染的來源既包括地表雨水徑流和生活污水，也包括管道沉積物，其水質既綜合了徑流雨水和生活污水的特征，也受到合流制管道狀況、降水性質等多種因素的影響，因而CSOs的水質情況非常復雜，水量也很不穩定。Gromaire-Mertz等[12]研究發現，SS是CSOs污染的重要載體，有機物(VSS、COD、BOD5等)對受納水域具有沖擊效應，重金屬(Cd、Cu、Pb、Zn等)對受納水體具有嚴重的累積效應。因此CSOs污染主要是通過污染受納水體而引發一系列環境問題，破壞公共環境及生態環境[39]。CSOs具有以下危害[40]：①導致水體富營養化；②破壞水體生態結構；③影響受納水體的觀賞價值；④危害公共健康；⑤制約整個城市的可持續發展。

定量評估CSOs對環境風險的方法有動態溢流風險評估(DORA)[41]、貝葉斯網絡(BN)模型[39]等。動態溢流風險評估是通過考察徑流量、排水管道中存儲的水的體積以及影響徑流預測的不確定因素等指標，來量化評估CSOs風險，進而提出控制措施來有效降低CSOs污染風險；而貝葉斯網絡模型用于評估因降水引發的CSOs污染中微生物污染對公眾及生態環境造成的風險。

2 CSOs污染的影響因素

2.1 降水徑流

降水的基本特征包括降水量、降水歷時、降水間隔、降水強度、前期晴天數和雨型等，不同參數條件下，CSOs的特性也不同。降水徑流具有污染稀釋和管道沉積物沖刷兩種作用，張智等[42-43]研究表明，小到中雨(5～16.9 mm/d)時稀釋效應明顯；中到大雨(17～37.9 mm/d)時，管道沖刷效應逐步突出，CSOs污染物濃度上升；暴雨(50～99.9 mm/d)時以稀釋作用為主。Bersinger等[44]將在線監測與條件回歸樹測試相結合，識別出影響CSOs污水中COD濃度的3個主要影響因子為前期晴天數、平均降雨強度和降雨前管網中的流量。當前期晴天數低于2.375 d且平均降水強度也低(<0.867 mm/h)時，CSOs污水中COD濃度較低，具體得出的參數會根據預測模型和各地歷史數據的不同而有所差異，例如Bersinger等[45]在2015年采用條件回歸樹測試得到的使CSOs污水中COD濃度達到最大值的前期晴天數臨界值為5 d。

降水區域的下墊面會影響CSOs的特性。下墊面是大氣與其下界的固態地面或液態水面的分界面，城市下墊面主要有屋面、路面和綠地3種形式[46]，不同的下墊面由于其材質、污染積累過程等不同，降水時所形成的徑流污染性質也不相同，從而最終CSOs的污染特性也不同。Gromaire-Mertz等[12，47]監測研究了巴黎某集水區的徑流雨水水質，發現徑流雨水中重金屬污染主要來自屋面，SS和COD主要來自庭院和街道。趙磊等[15]的研究表明，城市下墊面降水徑流污染物輸出濃度大小順序為道路、庭院和屋頂，道路是城市面源污染的關鍵源區，占總降水徑流量約1/4的道路產出了40%～80%的污染物負荷，而占總降水徑流量近一半的屋頂僅產生了4%～30%的污染物負荷。

2.2 生活污水

生活污水是CSOs污染負荷的主要來源之一，而城市生活污水的水質水量變化復雜，受人口數量及素質、城市功能區類型、季節、時間等各方面因素的影響，因而CSOs的水質水量也受到這些因素的綜合影響。

另外，生活污水之所以成為CSOs污染負荷的來源之一，是因為降水量較大時，管道中的生活污水與降水徑流的總量超過管道負荷，造成溢流，因而兩者之間的混合比直接影響了CSOs污水的水質。Hvitved-Jacobsen[48]提出了混合比的具體計算方式，根據其計算公式，既可計算一次降水的溢流污染負荷，也可計算出CSOs每年產生的污染物平均負荷，評估其對受納水體的影響。

2.3 合流制管道

a. 管道截流倍數。CSS在降水時被截留的降水徑流量與平均旱流污水量的比值稱為截流倍數n0，一定程度上反映了合流制管道的截污能力。GB50014—2006《室外排水設計規范》中規定，n0應根據旱流污水的水質、水量、排放水體的環境容量、水文、氣候、經濟和排水區域大小等因素經計算確定，宜采用2～5。通常截留倍數越大越好，但當超過一定值后，其截留效果增加的就不再明顯；同時過高的截留倍數會導致管道造價和沉積物迅速增加，反而不利于CSOs污染控制，因而應選定適宜的截留倍數[49]。國內外合流制管道截流倍數選取情況[19-50]各不相同，英國、德國、比利時、西班牙等歐洲國家分別將其定為5、3、2～5、2～3；日本定為2；中國、美國國土面積大，各地氣候條件差距大，截留倍數范圍較大，定為2～5，其中，北京為1～2，天津為3～5，沈陽和上海均為2，而武漢和桂林則均定為1。

b． 管道沉積物污染。現有研究表明，管道沉積物是CSOs污染的重要來源，其原因是在非雨季時，合流制管道內只有生活污水，水量少、流速低，管道充滿度低，污水里的污染物很容易沉積到管道底部。降水時，由于沖刷作用，部分沉積物會重新進入流動的污水中，使合流制污水的污染負荷變高[51]。楊云安等[52]研究表明，中國老城區不同功能區的管道沉積物粒度分布范圍是d10=1.89～6.57 μm、d50=12.38～33.00 μm、d90=39.06～129.67 μm，功能區之間的粒度分布略有差異，但無顯著規律。石山[53]進一步分析了污水管道中沉積物的組分，發現管道中的沉積物以無機物顆粒為主，而有機物組分占比不足20%，這與Michelbach[54]的研究結果類似。究其原因，進入管道中的無機物的粒徑和密度大于有機物，不易被流水沖走，更容易在管道中沉積。

CSOs污染特性主要受生活污水對管道沉積物的影響，以及降水徑流特性和管道特征對沉積物沖刷的影響，總體來說，人類活動強度大、降水少而集中的城市區域CSOs污染更為嚴重。合流制管道的水量水質影響因素多、地域區別大，從而使得CSOs污染問題較為復雜，需要進行深入的現場調研，明確污染特征和成因，為針對性的CSOs污染控制措施提供可靠的基礎數據，從而提出地域性的CSOs污染高效控制策略。

3 CSOs污染控制方法

很多國家如美國、日本、德國等早在20世紀60年代就意識到了CSOs污染問題，并開展了控制研究，從而制定了一系列的控制規范。CSOs污染控制措施可根據CSOs的產、流、匯過程將其歸納為源頭控制、過程控制和末端控制三大類，其中，過程控制包括管道控制、存儲調蓄兩個環節，每個環節都發揮著重要作用。

3.1 源頭控制

現有研究表明，快速匯集的降水徑流初始沖刷是CSOs污染的重要成因，因而CSOs污染的源頭控制主要是控制雨水徑流，減少其進入CSS的峰值徑流量是改善CSOs的水質和降低CSOs水量的主要途徑。源頭控制包括管理和技術兩種手段，其中管理手段主要是由歐美等發達國家率先提出的，包括最佳管理措施(BMPs)[55]、多層次全過程控制政策[56]等；而目前較為先進的技術是低影響開發(low impact development，LID)，國內又叫“海綿城市”[57-59]，常用于雨洪控制的LID包括屋頂綠化、植被淺溝、滲透鋪裝、雨水花園等[60]。生物濾池是一種典型的LID，這些年被廣泛應用于控制城市雨水徑流污染。Wu等[61]提出了一種含有飽和帶的多層生物濾池，主要用于探究生物濾池對污染的去除效率以及飽和時間(浸泡時間)的影響。蔡慶擬等[62]基于SWMM模型的LID模塊，模擬分析采用滲透鋪裝、下凹式綠地、雨水花園以及不同LID組合的方案對城市雨洪的控制作用，發現采用滲透鋪裝、下凹式綠地和雨水花園等LID措施，洪峰流量和徑流系數均明顯降低，可有效緩解市政管道的排水壓力，各種LID措施的雨洪控制效果在低重現期降水時更為顯著。

3.2 過程控制

CSOs污染的過程控制主要從管道控制和存儲調蓄兩個方面考慮。

a. 管道控制。主要是從管道設計的角度來控制CSOs的污染狀況，例如選取合適的合流制管道截流倍數，一般是在環境標準許可的前提下，盡量選取較小的截流倍數，這樣可經濟有效地截留污染物。除截留倍數的選擇外，管道的銜接也至關重要，但目前國內的市政排水與水利排澇兩個標準的銜接仍無規范的統一方法，黃國如等[63]針對該問題，通過模型研究提出了城市排水管道的規劃建設應至少保證排水口底高程高于河道底高程0.5 m以上的建議。此外還有控制管道的滲漏和滲入、原位修復管線以及對管道進行定期沖洗等措施，其中控制管道的滲漏和滲入以及原位修復管線是針對現存管道的破損、缺陷等問題，對其進行修復；而管道沖洗則是在旱季時，對管道內的沉積污染物進行定期沖刷，并直接送入污水處理廠進行處理后再排放，避免在雨天造成沉積污染物釋放并溢流的現象[48，64]。沖洗方式主要分為人工沖洗和機械沖洗，而沖洗的頻率與強度則與管道內污染物的沉積、沖刷、釋放規律有關，需加強監測并進一步研究。

b. 存儲調蓄。指在產流過程中設置調蓄設施，將雨水、雨污混合廢水暫時存儲起來，待流量減小時再進行處理。該方式能夠有效削減洪峰流量，降低下游合流制干管以及截流泵站的實際容量，從而達到減輕CSOs污染的目的[7]。該方式是發達國家最初進行CSOs污染控制時采用的方法，其中德國早期對CSOs污染控制的典型方法就是修建大量的雨水池用以截流處理合流制管道中的污染雨水[65]；日本的雨水資源非常豐富，為了緩解CSOs污染，同時也為了將雨水資源再利用，在20世紀70年代開始研究雨水調蓄池[66]。隨著對CSOs研究的深入，存儲調蓄已初步形成了一套相對完善的設計計算方法和運行管理體系，發達國家也逐漸將存儲調蓄過渡為源頭控制[67]。我國由于仍處于CSOs污染控制探索階段，加之合流制管道大部分位于開發密度較高的老城區，受場地條件限制，很難采用源頭控制技術，因而存儲調蓄比較適合現階段國內的CSOs污染控制。調蓄池形式多樣，最主要的是溢流截流池和分流裝置兩種[68]。中間調蓄設施的設計和CSOs水質水量密切相關，需對水質水量進行實地調研。

3.3 末端控制

末端控制主要是管道系統末端的污染物凈化，以減少排入受納水體的污染物負荷量，去除的物質包括營養物質(氮磷等)、有機污染物質、微生物等。末端控制方法主要有旋流分離器分離、薄板分離、砂濾分離、格柵分離等機械方法和吸附、混凝、絮凝、消毒等物理化學方法。通常情況下，由于長期多因素的污染，受納水體的水質惡劣，CSOs污染的治理只是整個水域治理修復的一小部分，因而有研究者[5]也認為末端控制也包括在最大化去除CSOs污染物質后，對整個受納水體進行的生態修復，生態修復措施包括人工濕地、植被過濾帶、入滲溝等。本文所述的CSOs污染削減技術不考慮受納水體的生態修復。

不論是源頭控制、過程控制還是末端處理，都是CSOs污染控制的有效途徑，但是源頭控制和過程控制并不能徹底解決CSOs污染問題，當降水量較大時，依然會發生溢流，因而末端處理是CSOs污染的最有效、最徹底同時也是最快的解決方法。

a. 機械方法。用于CSOs污染控制的機械方法包括旋流分離器分離、薄板分離、砂濾分離、格柵分離等，其中最典型且運用最廣泛的機械方法是旋流分離器分離。旋流分離器是一種分離分級設備，利用離心沉降原理，在一定的壓力下，將兩相或多相混合液分離開。沉積下來的重相聚集在旋流分離器的底部并被排出，而分離出的上清液由溢流口排出，該部分水質與原水相比，水質明顯改善，沉積物去除率達到80%以上，SS能降低36%～90%，COD能降低15%～80%[69-70]。目前，storm kingTM旋流分離器、EPA旋流分離器和fluidsepTM旋流分離器是3種最常用于CSOs污染治理的旋流分離器[71]。Luyckx等[72]發現在實際降水情況下，當處理效率高于70%時，storm kingTM旋流分離器比溢流堰更經濟。在意大利，Sullivan等[73]對EPA旋流分離器進行了為期2年的降水監測，發現EPA旋流分離器對顆粒物的分離效果主要取決于進水的污染物濃度，其中SS占主導作用。PISANO等[74]通過研究5場不同的降水事件，發現fluidsepTM旋流分離器能去除32%～91%的TSS。因占地面積小、建設費用低，旋流分離器分離技術是歐美等發達國家最常用的CSOs污染控制技術[75]，但旋流分離器在國內的CSOs污染控制中應用還比較少，需要加強研究。

b. 物理化學方法。物理化學方法是CSOs污染末端控制常用的方法。沉淀技術是最早被用于CSOs污染控制的技術之一，早期的沉淀池主要是指傳統城市污水處理工藝中的一級處理單元，置于沉砂池之后，例如，1998年德國建有近2萬個沉淀池用于處理CSOs污染，約占整個國家CSOs污染處理系統的一半，該處理設施對CSOs污染中的SS去除率為55%～75%[76]。為了減少沉淀池的占地面積，一級化學強化技術——混凝沉淀被提出，通過投加價格低廉的混凝劑，提高了沉淀池對CSOs污染的去除效果，對COD和TP的去除率達到50%～80%，SS的去除率增加到70%～90%[77]，目前，混凝沉淀技術正被廣泛應用于CSOs污染處理中。但是混凝沉淀工藝中藥劑投加量不易控制，暴雨時易造成二次污染[78]。為進一步減少藥劑的投加量，并提高污染去除效率，磁混凝技術被提出并應用于處理CSOs污染，在最佳投加量下，磁混凝技術的TP和COD去除率分別能達到96.79%和96.31%[79]。為了控制CSOs中攜帶的病原微生物，往往需要在CSOs污染控制的最后過程中進行消毒，目前運用最多的消毒技術有氯消毒、臭氧消毒和紫外消毒3種。一般而言，消毒方法的選擇是根據當地的CSOs水量來確定的[80]。

4 研究展望

CSOs污染主要來源于管道沉積物。其污染物以懸浮態為主，與暴雨徑流存在明顯的初始沖刷效應，導致CSOs污染成為重要的季節性水源污染源、突出的瞬時污染源。我國合流制管道、沿河截污管道如何有效控制溢流仍需進一步研究，建議從以下兩方面開展溢流污染控制研究：

a. CSOs污染特性。監測降水徑流、管網流量、溢流水質相互關系及其變化規律，調查合流制管道沉積物沉積、沖刷、污染組成和釋放規律，為后續溢流污染治理提供污染源參數。

b. CSOs污染防控關鍵技術。明確管道結構、沖洗方式和設施工藝對管道沉積物沉積、沖刷和釋放規律的影響，優化合流制管道、截流井和排口凈化技術，提出工藝組合，形成溢流污染控制的技術解決方案。