華盛頓哥倫比亞特區合流制管網溢流污染治理及長效管控策略的工程經驗分析

張 衛，趙樹旗,*，盧興超，尹文超，劉永旺，董紫君，姜成春

(1.北京工業大學建筑與工程學院，北京 100124；2.中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044；3.深圳職業技術學院城市水良性循環工程研發中心，廣東深圳 518055)

合流制管網溢流(combined sewer overflows，CSOs)污染是許多國家水環境污染治理面臨的重點與難點[1]，其中，美國是世界上最早著手于系統性解決CSOs污染的國家之一。美國環保署(EPA)早在1989年就發布了多項關于CSOs控制的基本措施，20世紀90年代后美國各大城市則根據國家發布的CSOs控制要求及相關策略，開展CSOs控制工作，其許多州政府頒布的污染控制技術策略對發展中國家是一個很好的參考[2-3]。華盛頓哥倫比亞特區作為人口密集程度較高的城市，在CSOs管控方面實行了嚴格的管理措施與控制策略，其中，長效管控策略作為一種針對中長期CSOs污染控制的有效手段，值得借鑒與學習。

華盛頓哥倫比亞特區是一個老舊交替的城區，城市排水系統由合流制和分流制組成，在20世紀初由于工業化進程的加快、硬化路面比例增大、地表徑流污染加重，導致其原有的合流制區域溢流污染逐漸突顯，對周邊水環境造成嚴重的影響。21世紀初，哥倫比亞供排水局(WASA)組織編制了《供排水局的推薦性合流制排水系統長效管理計劃》(Long Term Control Plan，LTCP)[4]。通過采用政策、技術、宣傳、經濟分析等手段，將華盛頓哥倫比亞特區CSOs污染進行有效控制。本文對該管理計劃的系統思想、整體策略、技術手段和控制效果進行分析討論，旨在為國內CSOs相關控制工程提供參考經驗。據2016年《中國城市建設統計年鑒》統計，全國城市仍有合流制管網(1.09×105km)，占城市排水管道總長度的18.8%，而小型城市及西部地區合流制管網比例較高達到了25%以上[5]，因此，研究內容對國內CSOs污染以及其導致的黑臭水體復發治理具有一定啟示。

1 區域概況

1.1 現狀分析

哥倫比亞特區比鄰馬里蘭州(Maryland)，其中，合流制排水區位于阿納科斯蒂亞河(Anacostia River)、波多馬克河(Potomac River)、羅克溪(Rock Creek)三大流域交叉口處，特區總面積約為177 km2。特區中大約有1/3的地區采用合流制排水系統，在整個特區內有位于波多馬克河東岸的藍水平原高級污水處理廠，旱天時收集周邊的家庭和企業的污廢水，經處理后直接排放到波多馬克河，雨天時部分混合污水輸送至藍水平原高級污水處理廠進行處理。當超過合流式排水系統的容量時，混合污水將排入三大河流以及其支流水域，此時發生溢流現象，華盛頓哥倫比亞特區合流制區域分布如圖1所示[4]，通過排查該區域共有60個CSOs排放口。

圖1 合流制區域Fig.1 Combined System Area

1.2 問題識別

根據華盛頓哥倫比亞特區地表水體的污染程度、污染物成分、CSOs對水體污染的影響程度，將區域劃分為三大流域，分別為阿納科斯蒂亞河流域、羅克溪流域和波多馬克河流域。

(1)阿納科斯蒂亞河流域

阿納科斯蒂亞河是一個流動性相對較差的水體，受潮汐影響顯著。在每年6月—8月，經過雨天CSOs、地表徑流排放、上游邊界污染物的下移，導致水中自然飽和容積氧含量降低、河道的流動性差，容易形成低溶解氧環境。據統計，平均每年夏天會持續1～2 d，在溶解氧含量<2 mg/L下，會造成魚類生物死亡，而細菌濃度(糞大腸菌群)則相應升高，此時平均年份的大多數月份中細菌濃度超過EPA所建議的A類月度細菌標準[4]。

(2)羅克溪流域

羅克溪是一條流動性較好的河流，在其大部分河段上不受潮汐影響。由于河床底部不規則性因素，水流容易形成湍流，從而不易產生低溶解氧環境，但高濃度細菌仍是該河道的主要問題。水質檢測統計，平均年內羅克溪的細菌(糞大腸菌群)濃度每月均高于A類月度細菌標準，經分析大部分負荷來自雨水和上游水源。

(3)波多馬克河流域

波多馬克河的水質比阿納科斯蒂亞河和羅克溪好很多，河道中低污染負荷的匯入，以及河道本身對污染物的消納能力比較高，導致從紀念橋到喬治敦的上游河段預計每年只會有一個月超過A類月度細菌標準。從紀念橋下游開始預計每月不會出現超標情況，同時波多馬克河也不易形成低溶解氧環境。

2 長效控制策略

2.1 控制策略技術思路

CSOs污染長效控制策略從20～40年長期有效角度出發，通過源頭減排、過程控制、末端治理三大主要控制路徑，將污染從“源頭”到“末端”加以控制并逐步去除，將溢流體積和頻次控制在較高水平，輔以公民參與和經濟分析手段每年對控制策略進行管理評估和完善(圖2)。表1為華盛頓特區CSOs問題控制策略。

圖2 控制策略流程圖Fig.2 Flow Chart of Control Plan

(1)源頭削減。源頭削減的意義在于面源污染的源頭控制進入排水管道的污染物體積和濃度，內容主要包括建造“灰綠結合”的截流凈化雨水類設施與政策、教育、法規結合一體式強化管理兩方面。對新建和改造區域采用低影響開發(LID)措施，如屋頂綠化、雨水儲存、雨水斷接、雨水凈化等分散式管理措施，削減雨水徑流總量和徑流污染負荷，從而減少排入管道的污染物濃度與體積，并且減少道路徑流外排污染城市水體。在政策上對道路、廣場進行定期清掃，對雨水口、集水池進行清淤，削減沉積污染負荷[6]。在教育上重視公共基礎知識教育的普及，并且開展廣泛的公眾參與計劃，旨在教育受影響的公眾，獲取他們在“LTCP”控制措施方面的投入咨詢意見。公眾參與過程包括公開會議、建立利益相關者咨詢小組等。在法規方面需要進一步完善與污染排放相關的法律法規，如更有效的垃圾處理禁令等。

(2)過程控制。過程控制的任務為截流在運輸途中的污染物，從而降低排放口風險。一般在排水系統中設置合流制截排調蓄設施進行CSOs截流控制，截排調蓄設施分為集中式和分布式。設置柵格、沉淀池、分流池、溢流調蓄池、旋流沉砂池等分布式設施，能夠實現固液部分或完全分離，截流大塊固體污染物并凈化水質。通過增設地下深隧或地上隧道(涵洞)等集中式設施，降低溢流排放量和頻次，構建實施控制系統，實現聯動控制、溢流調控等自動控制技術[7]。

(3)末端治理。在受納水體增設曝氣裝置，局部調整河道的高程和寬度，增大河道的流動性，減少低溶解氧環境的產生概率，從而保證水生動物的生存繁殖，形成良好的河流生態環境。對下游藍水平原污水處理廠溢流處理機組以及泵站等抽水設備進行全面升級，增強應對暴雨天氣的污水處理能力和水量收納能力。

2.2 阿納科斯蒂亞河段流域管控策略

經過為期3年(1988年—1990年)的監測分析，阿納科斯蒂亞河段的干旱和降雨年份年溢流頻次分別為每年1次和每年3次。通過對該區域現有工程設施的最大限度利用，以控制溢流污染造成的影響。改造措施主要包括“O”街和東側抽水泵站的改造、阿納科斯蒂亞河東側從楊樹點到東北邊界的CSOs存儲隧道修建、從斯坦頓堡到楊樹點的管道修建。阿納科斯蒂亞河東側隧道的修建為CSOs提供額外儲蓄空間，也能夠緩解東北邊界地區的街道和地下室的洪澇。而現有楊樹點抽水泵站將由位于隧道末端的新型抽排水設施取代，該設施既能對隧道進行排水，又取代了現有抽水泵站的功能,同時對碼頭附近河流西側的3個CSOs有效截流，以消除其對該河流區域的影響。

表1 華盛頓哥倫比亞特區CSOs控制策略Tab.1 Control Strategy of CSOs in Washington D.C.

圖3 深隧結構示意圖Fig.3 Diagram of Deep Tunnel Structure

2.3 羅克溪河段流域管控策略

經過為期3年(1988年—1990年)的監測分析，羅克溪段的干旱和降雨年溢流頻次分別為每年1次和每年6次，主要控制措施包括在派尼支流(Piney Branch)修建一個深隧道，用于有效截流派尼支流以南的4個CSOs。預計羅克溪的控制措施將派尼支流的溢流量限制為每年1次。

由圖3（b）可知，隨著KOH甲醇溶液質量濃度的增加，稻谷中葉黃素的提取量先增加后減少，這是由于葉黃素與溶劑的接觸面濃度差增加，滲透壓增大，葉黃素更容易浸出[26]。當質量濃度過高時，溶液中堿性增加，破壞了葉黃素在溶液中的穩定性；質量濃度為0.15g/mL時，提取量達到最大，為（1.58±0.06）μg/g，最終選定KOH甲醇溶液質量濃度為0.15g/mL。

2.4 波多馬克河段流域管控策略

圖4 水力旋流沉淀池結構Fig.4 Structure of Hydraulic Rotational Flowing Pool

經過為期3年(1988年—1990年)的監測分析，波多馬克河段的干旱和降雨年溢流頻次分別為每年0次和每年5次,主要控制措施包括提高波多馬克抽水泵站工作能力、從大橋西側沿波多馬克河岸(與喬治敦平行)修建一條CSOs存儲隧道。其中，修建的隧道將截流喬治敦和羅克溪下游的CSOs，同時增加波多馬克抽水泵站機組數量，從而加強隧道排水能力。輔以設置分散式CSOs控制設施以逐漸控制消除鍵橋(Key Bridge)和羅克溪之間的所有CSOs，最終消除這些CSOs對喬治敦濱水地區的影響，其中，CSOs存儲隧道結構如圖3所示，水力旋流沉淀池結構如圖4所示。預計將波多馬克河的年溢流次數限制在4次以內。由圖3可知，引水系統起到截流、沉砂等作用；進水豎井負責進水、調蓄、消能、排氣；隧道主體用以調蓄和過水；排水系統負責轉輸、調蓄、調節壓力與波動；通風系統負責通風和除臭。

如圖4所示，沉淀池中進水管從沉淀區底部穿過外池壁進入池內，其管徑逐漸變小并彎曲地呈環狀進入池中間。進水從其出口以大流速和與池壁呈切線方向流入池中，隨后以水力旋流方式在池中由下而上地流動，由此形成無數的細小渦流，促進混合污水中的懸浮顆粒相互碰撞、接觸而聚合成較大的固體顆粒，進而加速沉淀。流到最上面時，沉淀澄清水便流入溢流槽排出，污泥由坑底的排泥管排出。

三大流域CSOs管控策略與設施布置如圖5所示。

圖5 推薦性控制策略[4]Fig.5 Recommended Control Strategy[4]

3 “LTCP”結果與討論

3.1 溢流程度有效控制

WASA為了評價CSOs控制前后對受納水體水質的影響，建立了合流制排水系統、分流制排水系統、流域系統相結合的計算機水力模型。模型根據歷史數據以及在受納水體、合流式下水道系統、CSOs、獨立暴雨系統下收集的9～12個月監測數據進行校準和分析。

根據EPA的指導方針，CSOs的規劃是基于平均年份的條件。根據羅納德里根國家機場50年降雨量數據，研究選擇1988年—1990年的降雨量作為平均條件的代表年，代表性的3年已經包括了豐水年、枯水年和平水年。利用該水力模型，分析了平均年份現有條件下的CSOs量和頻率。對采取一期控制措施前后的CSOs模擬分析如下,具體評估及分析結果如表2～表3所示。

表2 年均CSOs評估[4]Tab.2 Annual Average CSOs Assessment[4]

表3 推薦CSOs年均減少量[4]Tab.3 Recommendation of CSOs Reduction[4]

與1991年的情況相比(無一期控制)，哥倫比亞特區的CSOs體積減至0.55×106m3/a，同比下降接近96%。預計阿納科斯蒂亞河溢流次數從平均每年的82次減少到每年2次，波多馬克河和羅克溪河的溢流次數預計將分別從每年74次和30次減少到4次和1次。除了能夠證明從目前的水平上減少了溢流，EPA的CSOs政策還要求計算在合流制系統中截流率。無一期控制條件下，CSOs截流率已經高達76%，主要是由于末端藍水平原污水處理廠在雨天處理污水能力的提高。隨著“LTCP”的實施，預計整個系統的CSOs控制率達到平均99%，與EPA的85%截流率的建議截流率相比，已經大大超出。

3.2 河道水質得到明顯改善

細菌和溶解氧是評估該區域水質的2個常用指標，也是通過CSOs控制能夠改善的目標。通過“LTCP”的實施，阿納科斯蒂亞河中大腸桿菌含量超過2 CFU/mL的天數(圖6)，由無一期控制的239 d降到182 d，其中，在這182 d中，若河流內無其他細菌來源的情況下僅由CSOs使大腸桿菌濃度超標的天數為7 d。同樣波多馬克河和羅克溪也有類似的情況。通過分析，相關CSOs控制策略對河道中細菌濃度水平的降低有一定作用，從無控制策略的239 d超標降低到182 d。進一步分析，進行“LTCP”控制后182 d細菌濃度超標的天數中僅有7 d。CSOs導致細菌超標，那么在此基礎上繼續投入大量成本進行CSOs治理是效益偏低且經濟不合理的，應針對其他污染來源進行分析治理從而進一步提高水質。

圖6 三大流域河段大腸桿菌數變化[4]Fig.6 Changes of Escherichia Coli Numbers in Three River Basins[4]

圖7 阿納科斯蒂亞河-國會南大街段的溶解氧變化[4]Fig.7 Changes of Dissolved Oxygen in Anacostia River-South Capitol Street Section[4]

水中溶解氧含量<4 mg/L時，某些魚類開始生存承受壓力，而含量<2 mg/L的溶解氧水平會導致魚類死亡的風險。由圖7所示，通過“LTCP”的實施，將使阿納科斯蒂亞河中溶解氧含量少于5 mg/L的天數從大約93 d減少到66 d，其中在這66 d中，若河流內無其他污染負荷的情況下，僅由CSOs使溶解氧不達標的天數為0，同樣溶解氧含量為4、2 mg/L的閾值也有類似的降低趨勢。通過“LTCP”治理，各流域含氧量已經達到正常水平，CSOs導致的溶解氧水平低于標準值的情況不復存在，應轉而繼續對其他污染源進行控制治理。

3.3 哥倫比亞特區CSOs污染與流域水質現狀

在流域管控方面，得益于“灰綠結合”的技術思路與藍水平原污水處理廠的不斷改造，三大流域水質均在平均年內絕大多數月份滿足EPA水質標準。而藍水平原污水處理廠在21世紀后的不斷擴建后引入砂濾池和氯化殺菌等設施，進一步提高出水質量，從而使得處理后的水基本上已經達到飲用水的標準。目前，藍水平原污水處理廠擁有極限脫氮除磷技術(TP含量≤0.18 mg/L、TN含量≤4 mg/L)和北美最大污泥熱水解系統，較好地保護了波多馬克河的水質。

4 對國內相關工程啟示

4.1 國內CSOs治理工程

國內許多城市合流管網歷史欠賬多、系統性差，大量雨污混合水未能得到有效收集而直接排入河道，造成水環境污染嚴重。以深圳市合流制系統存在的一些問題為例進行分析，并結合華盛頓哥倫比亞特區CSOs治理經驗提出相關長效管控經驗。

(1)CSOs污染未按流域系統治理，導致系統整體性差。污水收集處理設施眾多，但規劃、建設和管理的各環節未按流域統籌，使得工程效益未充分發揮。管網建設未成片推進，原特區外大部分區域僅建成主干管，片區污水無法全面有效收集。多頭治水，部門之間，市、區、街道、社區之間協作聯動不足。應按照流域系統進行綜合治理，制定詳細的源頭控制—過程處理—末端控制策略。

(2)城市開發建設與排水設施建設的銜接不足，重地上、輕地下，灰綠設施建設不協調。部分片區排水設施建設落后于開發項目建設，開發項目建成后污水無出路，直接產生溢流污染。部分開發項目未取得排水許可即開工建設并投入使用，片區污水無序排放。軌道交通等市政建設項目排水管理不到位，原有排水系統被破壞，新增了大量溢流點。因而，在老城區改造與新城區建設過程中要按功能作用協調好地上、地下截污調蓄設施的建設，以灰色硬性設施為主，LID技術為輔，以此減少CSOs污染。

4.2 國內黑臭水體治理工程

國內黑臭水體引發的一部分原因是CSOs污染，根據“水十條”要求，2030年全國城市建成區域黑臭水體總體得到消除。截至2018年，以深圳為代表的經濟發達的一線城市黑臭水體現象最為突出[8]。為了達到2030年全國消除黑臭水體目標，需要對相應地區推進長效管控計劃。

(1)結合城市發展情況制定20年以上的長效管控策略，實現長期治標治本的效果。重視源頭控制是減少黑臭水體反復頻發的重點，加強垃圾分類法律法規的實施與工廠排放許可監管，對排放口標準提高進行詳細規劃。條件允許的情況下可以沿河岸地下設置調蓄深隧，集中控制河岸CSOs點的排放情況，同時結合適宜的末端曝氣裝置對黑臭水體進行針對性控制，例如控制黑臭水體效果良好的空氣微氣泡曝氣設施等[9]。同時，在河岸岸坡設置LID設施與徑流截排裝置，以防止路面徑流外排污染水體。

(2)針對流域整體管控治理，應當實現流域內各分區精準化截污，根據區域特定情況與實際需求選擇功能適配的合流制截排調蓄設施，包括分散式、集中式雨污混合處理設施，“地上與地下”的聯合布置。在對調蓄設施容積計算時需要考慮到流域內未來10年或20年長效管理條件下的人口增量、污廢水排放增量等情況，并適當留有冗余空間對調蓄設施擴建或新布置，實現長期情況下的精準截污，以控制黑臭水體發生頻率。

5 結論

(1)根據“LTCP”控制實施效果可見，通過CSOs控制，華盛頓哥倫比亞特區內各流域顯著降低河道細菌濃度并控制河道含氧水平，CSOs體積和頻次均得到有效控制。但雨水和上游水源的污染同樣導致河道細菌濃度超標，需要對其他水源進行控制，并合理考慮成本。

(2)“LTCP”計劃從源頭減排、過程控制和末端治理綜合進行CSOs有效治理，技術手段按“灰色與綠色”、“分布和集中”等方案進行控制設施選擇，流域性治理方式效果良好。

(3)對于國內相關工程而言，類似“LTCP”的長效控制管理方案值得借鑒參考，可以針對國內CSOs治理不到位與黑臭水體反復頻發問題進行長效管控。根據各地區不同需求、不同條件和不同任務來針對CSOs治理制定“長期穩定有效、短期快速治理”有機結合的綜合方案。