CSO汙染快速淨化處理技術進展與思考
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導 读Abstract：合流制溢流汙染是城市水環境治理進程中需要長期應對的難題。以物理化學法爲核心的快速淨化處理可有效削減入河汙染物總量，降低水體雨後黑臭風險，符合我國政策要求和行業發展需要。闡述了一級強化、旋流分離和快速過濾技術用于合流制溢流汙染快速淨化處理的進展情況，介紹了國內外典型工程案例，並有針對性地提出了推進快速淨化措施實施的建議。
张维，孙永利，李家驹，等. 合流制溢流污染快速净化处理技术进展与思考［J］. 给水排水，2022，48（9）：157-164.
作为城市排水管网的设计建设模式之一，合流制排水系统在我国和其他国家普遍存在，合流制溢流（Combined Sewer Overflow，CSO）污染是国际公认的需要长期应对的重大工程和技术难题。相对于发达国家，我国污水收集管道长期低流速运行導致的管道沉积问题较为突出，挟带大量管道沉积物的CSO污染是很多城市水体雨后黑臭的重要根源。采取快速净化措施对合流制溢流污染进行处理后排放，是现阶段国家政策要求和行业发展需要。
與生活汙水和工業廢水不同，CSO汙水由于混合了簩Ь汙水、降雨徑流和從管道內沖刷出的沈積物，顆粒物、懸浮物含量更高，水質水量波動更大，具有間歇性、爆發性特征，對排水系統的短時沖擊影響更強，因此，對處理設施的啓動反應時間、顆粒汙染物去除效果、抗沖擊能力以及簩Ь期間的運維管理都提出較高要求。以物理化學法爲主的快速淨化處理具有啓動快、停留時間短、可間歇運行、維護簡便等優勢，可有效削減入河汙染物總量，是歐美等發達國家實施CSO汙染治理的主要方式。
我國針對CSO汙染控制的研究和實踐開展較晚，雖然“十一五”以來國家層面也設立了降雨徑流、溢流汙染控制相關的科研項目和課題，並開展了工程示範，但由于缺少國家層面的雨天溢流淨化處理排放標准作爲依據和支撐，導致技術成果轉化和産業化不足，工程應用難以推進。通過梳理CSO快速淨化處理常用技術及其進展情況，總結國內外典型工程案例，並有針對性提出推進CSO快速淨化處理的建議，以期爲各地快速淨化措施落地實施提供借鑒和參考，爲我國排水系統長效治理和城鎮高質量發展提供保障。
1、CSO快速淨化處理技術進展
1.1 一级强化
沉淀池作为传统污水处理工艺链条中重要的初级处理单元，对可沉淀颗粒污染物具有较好的去除效果，是最早用于合流制溢流污染控制的技术措施之一。1998年德国建成的40 000多个CSO处理系统中，约有17 000个建有沉淀池，可去除溢流污水中55%~75%的SS，对CSO污染总量削减发挥了重要作用。絮凝剂行业的发展有效促进了化学一级强化（Chemically Enhanced Primary Treatment，CEPT）工艺的应用，使SS、BOD、TP的去除效果从常规一沉池的50%~60%、25%~40%、10%提升至90%、50%~70%、80%~90%。在污水处理厂内建设CEPT设施为主要形式的CSO快速净化处理在美国多个地区得到应用，美国环境保护署EPA在2001年提交国会的研究報告指出，全美439个地区中有69个地区采用了CEPT控制CSO污染，占比16%。国内张善发、盛铭军等的中试结果表明，溢流污水经CEPT处理出水SS、COD、TP的平均去除率可达到84%~95%、68%~89%和78%~80%，沉淀池表面水力负荷分别为56 m³/（m²·h）、25 m³/（m²·h），均在普通沉淀池水力负荷的10倍以上。
近年來，投加微砂、磁粉或回流汙泥作爲絮凝核心，以實現更優的絮凝沈澱效果的加砂沈澱、磁混凝沈澱、高密度沈澱等高效沈澱工藝逐漸發展成熟並成功用于CSO處理。與傳統CEPT工藝相比，汙染物在絮凝劑作用下與絮凝核心聚合成更易于沈澱的大顆粒絮體，加快了汙染物的沈澱速度，同時采用上流式斜管或斜板作爲沈澱單元，可有效縮短水力停留時間，改善出水水質，減少設施占地和藥劑使用量，可作爲CSO快速淨化處理的首選技術。加砂沈澱池、磁混凝沈澱池和高密度沈澱池用于CSO快速淨化的主要設計參數可參考表1。
表1 加砂沉淀池、磁混凝沉淀池、高密度沉淀池用于CSO处理的主要设计参数
注：表中只提供了主要參數的典型範圍值，具體水力負荷、出水SS濃度等需要根據實際情況確定。
欧美地区已开展的中试和工程应用结果表明，投加微砂、污泥介质的高效沉淀对溢流污水TSS、COD、BOD5、TP和TKN的去除率分别为34%~92%、40%~82%、32%~75%、43%~86%和9%~34%，对进水的波动变化具有较好的适应性。目前，市场上的商业化产品主要有威立雅水务的Actiflo、得利满的Densadeg以及Parkson公司的Lemalla Plate，其中Actiflo微砂高效沉淀池已成功用于美国堪萨斯州、法国巴黎、比利时布鲁塞尔、法国里尔以及我国昆明等地区的CSO处理，运行效果稳定。相对来说，磁混凝沉淀的水力停留时间更短，对SS的去除率高达97%，但用于溢流污染的处理大多还处于探索阶段，国内中建环能科技股份有限公司的MagCS磁介质混凝沉淀、青岛洛克环保科技有限公司的SediMagTM技术已发展较为成熟，北京延庆县妫水河溢流污水处理工程采用超磁处理设备，实现了COD、SS、TP分别为53.8%、88.9%和82.7%的有效去除。
1.2 旋流分离
旋流分离是一种利用离心沉降原理从悬浮液中分离固体颗粒的技术工艺，根据动力来源不同可分为水力旋流分离和压力旋流分离。旋流分离器对大颗粒（>125 μm）污染物去除效果较好，易实现规模化和连续运行，具有占地面积小、建设费用低、操作简便等优点，通常作为溢流污水排放到水体之前的一种简易处理装置使用，是城市老旧城区和繁华地段等密集区域控制降雨污染的首选。已有研究结果表明，旋流分离的污染物去除效果往往受所处地区的气候和水文地质条件影响，包括降雨强度、两次降雨间的干旱天数、颗粒物粒径分布以及集水区的坡度和形状等，对SS、COD的去除范围分别为36%~90%、15%~80%。由于旋流分离器处理规模相对较小，通常仅适用于管径较小的管道。
自20世纪60年代初Bernard Smisson在英国布里斯托尔建造并测试了第一代水力旋流分离器以来，旋流分离技术在欧美地区得到快速发展。用于CSO和雨水处理的商业化产品主要有Storm King、Swirl Concentrator、FluidsepTM、Downstream Defender和VortechsTM旋流分离器，截至21世纪初已有1 500多套旋流分离产品用于雨水和污废水的处理，是旋流分离技术处理效果的有力证明。针对前期旋流分离器对卫生用品等中性浮力固体去除效果不理想的问题，目前用于CSO处理的旋流分离设施大多都增加了4 mm孔径的自清洁筛选系统，并在英国维甘污水处理厂CSO处理中验证了其可行性。此外，旋流分离器的流体力学特征使其还可用作化学消毒的混合接触设施，有利于进一步减小快速净化装置的容积和占地。
“十一五”以来，我国在旋流分离处理降雨污染方向也开展了很多试验研究，并在工程应用方面进行了有益探索。王云浩等开展的小试表明，旋流分离对降雨径流中140 μm的硅土颗粒的去除率可达70%，对80 μｍ颗粒的去除率也有40%。清华大学朱红生在实验室条件下研究了无压旋流分离对初期雨水的处理效果，SS去除率基本在20%~40%波动。李玲霞利用55m³/h的压力旋流分离中试装置处理合肥南淝河清Ⅰ/Ⅱ冲溢流污水，对COD、SS的平均去除率分别达35.2%和47.4%。储金宇等将水力旋流器安装于镇江市雨水管路中，实现了降雨径流污染中SS、COD和浊度的高效去除，SS去除效果随进水流速升高而提升，在流速较大时高达75％，但对TN、TP的去除作用不大。胡晓庆等结合北方某市护城河排河口改造项目研究了Downstream Defender旋流分离器对雨水径流的处理效果，结果表明，SS和COD的平均去除率分别为60%和31%，峰值去除率均超过90%。巢湖市小王庄中溢流污染末端控制中采用了旋流分离设施，实现雨季溢流COD负荷在已有基础上平均削减20%。
1.3 快速过滤
CSO的过滤处理通常是指利用格栅、筛网、固体颗粒、滤布等介质的过滤截留作用实现固液物理分离的技术手段，在沿河截流干管或溢流口设置过滤装置是溢流污染末端控制的常用方法。德国、英国等欧洲发达国家通过在溢流构筑物排水堰上安装水平过滤格筛，用于截留去除4~6 mm以上的悬浮物和漂浮物，但仅可保证在受纳水体沿岸看不到明显的垃圾杂质，COD最高截留率为25%。一般认为，适用于雨天溢流污染治理的快速过滤技术有滤布过滤、可压缩介质过滤和悬浮介质过滤，其中，滤布过滤、可压缩介质过滤可实现50%的COD去除和90%的TSS去除，而悬浮介质过滤对COD、TSS的去除率较低，分别为10%~50%和30%~70%。传统的颗粒介质过滤由于其较低的表面负荷和较大的占地面积，通常难以满足CSO快速净化处理的技术需求。
MARTIN、HUGHES等在美国辛辛那提、拉什维尔开展的滤布滤池处理降雨径流的试验结果表明，在265 L/min（15.86 m/h）、140~265 L/min（9~16 m/h）的负荷条件下，滤布过滤仍可实现COD和TSS的有效去除，适用于雨天溢流污染的快速处理。相对来说，可压缩介质过滤的处理能力更强，设计负荷可达到48.4~73.2 m/h，运行于Springfield污水处理厂内的中试装置出水SS可维持在30 mg/L以下，即使在低温环境（-13~-5℃）下也可正常运行，在堪萨斯州完成的中试对比测试表明，可压缩介质过滤器的出水水质优于传统CEPT和加砂沉淀，与滤布过滤的处理效果相当，似乎更适用于CSO的快速净化，但建设成本相对较高，市场上成熟的产品有WesTech WWETCO FlexFilterTM、Schreiber Fuzzy Filter。悬浮介质过滤在不添加化学药剂的情况下即可实现常规一级处理效果，虽然在美国仍被认为是一项新兴技术，但其作为日本“21世纪污水处理工程集成与创新技术项目”（SPIRIT 21）研发的技术之一，悬浮介质高速过滤系统已经陆续在日本东京、盛冈等地进行了工程应用，可去除70%的SS和50%的COD；在韩国首尔开展的高速过滤系统处理CSO的中试验证表明，滤速20 m/h且投加混凝剂的条件下，出水SS和BOD5均低于40 mg/L，为首尔2026年前完成建设总规模75万m³/d的CSO快速处理设施的规划目标奠定了基础。
然而，我國將過濾技術應用于CSO處理的大多還處于研究階段，一些高校和科技公司研發了以物理過濾作用爲主的CSO處理裝置，但鮮有實際工程案例的報道。調研發現，國內大部分研究和工程更傾向于采用對溶解性有機物和氮磷去除效果較好的生物濾池或組合濾池，而這可能與需要滿足較高的處理排放標准有關。
2、CSO快速淨化處理工程案例
2.1 Seine Aval 污水处理厂加砂沉淀
Seine Aval污水处理厂位于法国巴黎下游的塞纳河畔，是欧洲最大的污水处理厂，承接了巴黎将近80%的生活污水，设计规模170万m³/d。该污水处理厂设计了簩Ь、雨季2种运行模式，加砂沉淀单元由9座Actiflo池组成，在簩Ь处理生物池出水，在雨季处理合流制雨污水与生物池出水的混合污水（混合比例由降雨强度决定），最大处理能力30~35 m³/s，工艺流程如图1所示。
图1 Seine Aval污水处理厂簩Ь、雨季运行模式
雨天降雨数据及加砂沉淀单元运行参数如表2所示。其中，6月7日的降雨量较小，加砂沉淀单元40%进水来源于生物处理单元，其余60%为合流污水，而其他2次降雨事件的进水则全部来源于CSO污水。由表3的处理效果可知，加砂沉淀对颗粒污染物的去除效果较好，6月份2场降雨TSS去除率分别为86.7%和80.2%，COD去除75.2%和76.8%，TP去除86.4%和88.4%，而第3场降雨处理效果较差的原因可能是混凝剂和微砂投加量较低所致。同时，加砂沉淀可实现溢流污水中9%~35%的TKN去除，但对氨氮的去除作用不大，而絮凝剂的使用使出水溶解性TP和正磷酸盐维持在0.3 mg/L和0.1 mg/L的浓度水平。
表2 降雨数据及Seine Aval污水处理厂加砂沉淀单元运行参数
表3 Seine Aval污水处理厂加砂沉淀单元雨季处理效果
2.2 Springfield污水处理厂高速过滤系统
位于美国俄亥俄州的Springfield污水处理厂拥有目前世界上最大的高速过滤处理系统，在簩Ь用于市政污水的三级处理，在降雨期间用于CSO的快速处理，设计日处理规模1×104万加仑。该高速过滤系统采用WWETCO FlexFilterTM可压缩介质过滤设备，耗资3 350万美元于2014年建设完成，工程实景如图2所示。
图2 Springfield污水处理厂高速过滤系统
根据2015年至 2016年期间共41场降雨事件的跟踪监测数据，高速过滤系统进水TSS、CBOD5在40~400mg/L和20~200mg/L范围内波动变化，未使用化学药剂的情况下，系统出水TSS、CBOD5、NH3-N、TP的平均浓度分别为16 mg/L、20 mg/L、2.5 mg/L和0.6 mg/L，满足当地排放标准要求。蕦证明，可压缩介质过滤处理效果稳定，运行期间无人值守，TSS去除率高达90%，成功使Mad River免受降雨污染的冲击影响。
2.3 昆明第五水质净化厂CEPT单元
昆明第五水質淨化廠采用CEPT工藝處理雨天溢流汙染，是國內CSO快速淨化處理的典型工程。該水質淨化廠設計規模18.5萬m³/d，CEPT系統由2組平流混凝沈澱池組成，設計規模10.7萬m³/d。雨天溢流CEPT處理典型工藝流程如圖3所示。
图3 雨天溢流CEPT处理典型工艺流程
2014年9至 11月运行期间，当雨天污水处理厂进水量超过设计水量的1.3倍时，将启动CEPT系统进行分流处理，CEPT单元的处理水量、进出水污染物浓度见表4。由表4结果可知，CEPT对溢流污水COD、TP和SS的平均去除率分别为86.2%、80.3%和92.1%，对氨氮去除效果较差，仅为8.7%。对照现行《昆明市城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》（DB 5301/T 43-2020）中的E级限值，出水COD、TP浓度满足COD＜70mg/L和TP＜2mg/L的要求。
表4 昆明第五水质净化厂2014年9月~11月CEPT处理效果
3、推進CSO快速淨化處理的建議
3.1 出台雨天溢流净化处理排放标准，支撑快速净化工程落地
欧美等发达国家多数以污染物总量、溢流口溢流频次或最大日负荷总量（Total Maximum Daily Load，TMDL）控制作为CSO治理的主要依据，部分国家还出台了相关控制标准或设置了污染物排放限值。目前，我国国家政策标准体系中尚未明确雨天溢流污染净化处理的排放标准和考核方式，也就是说大部分城市在水环境治理工程设计和监管中无法支持CSO快速净化处理的模式。
全國政協“推進城鎮汙水處理提質增效”雙周協商座談會明確提出，“建議國家層面進一步明確政策，督促各地因地制宜盡快出台合流制溢流汙水快速淨化設施排放標准”，雨天溢流淨化排放標准的缺位已經成爲我國CSO治理的主要瓶頸。建議結合我國典型區域合流制溢流汙染特征和技術可行性分析，制定合理可行的雨天溢流淨化排放標准，同時從國家層面明確政策要求和考核評估辦法，支撐快速淨化措施落地實施。
3.2 强化降雨溢流污染监测与特征分析，科学规划设施建设
與發達國家不同，我國排水管道普通存在建設不完善、工程質量差、運行管理不到位等問題，簩Ь合流制管道高液位低流速運行的情況比比皆是，導致汙水汙染物不斷在管道內沈澱沈積，遇強降雨沖刷後再次懸浮，成爲溢流汙水中顆粒物和有機汙染物的主要來源。這也是目前大部分城市降雨汙染沒有表現出明顯“初期沖刷效應”的關鍵所在，是我國CSO汙染的獨有特征。
目前，很多城市的合流制溢流情況僅依靠典型降雨事件或模型來估算，而實際的年溢流頻次、溢流發生的邊界條件及溢流水質水量等底數情況並不清楚，對降雨汙染的科學治理形成了一定阻礙。建議進一步加強降雨期間典型地塊、泵站、雨水口、溢流口、合流制汙水處理廠/站的水質水量監測和特征分析，並納入統一管理，爲CSO快速淨化設施的規劃建設以及源-網-廠-河/湖一體化系統治理提供科技支撐。
3.3 研发CSO快速净化关键技术与装备，探索建设运行新模式
由于没有排放标准作为考核依据，国内大部分降雨污染治理工程被要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A甚至更高标准，很多设施不得不选用以活性污泥或生物膜技术为核心的生物处理工艺，而一级强化、旋流分离等快速净化技术由于难以达到较高的排放标准往往不被认可和采纳。
由于降雨具有短時爆發性和季節性特征，生物處理不僅需要解決雨季的負荷沖擊影響和簩Ь的微生物活性維持問題，通常還存在投資高、占地面積大、簩Ь“曬太陽”的困擾。在已有科研成果基礎上，突破啓動反應時間、汙染物去除效能、設施占地等技術瓶頸，研發符合我國實際溢流汙染特征的快速淨化處理關鍵技術和成套化裝備，積極探索可推廣可複制的建設運行模式，是科學推進降雨汙染控制的有效途徑之一。
3.4 简化快速净化设施征地审批手续，优化建设审批流程
現階段我國大部分城鎮汙水處理廠已經處于飽和或超負荷狀態，汙水處理廠內通常不具備擴建或新建一級強化等快速處理設施的條件，即使解決了汙水處理廠內占地問題，很多城市可能還涉及辦理汙水處理廠新增入河排汙口的審批和許可，或對原有入河排汙口進行調整變更等程序。
如擬在城市水體沿線增設快速淨化設施，不僅需要辦理設施占地、排汙許可申請，還需要考慮鄰避效益的影響。爲解決上述問題，建議各地合理劃定城市水體藍線，並將快速淨化設施的征地和排汙許可審批手續納入地方行政服務聯審聯辦制度，進一步優化設施建設審批流程，減少審批時間，從管理層面給予更多引導和支持。
4、结 语
隨著水汙染防治工作由全面治汙轉向精准治汙、科學治汙，CSO汙染控制已經成爲現階段我國城市水環境治理的工作重點和難點。發達國家實踐證明，以一級強化、旋流分離或快速過濾爲主的單一或組合技術可有效削減入河SS、COD和TP的汙染負荷，具有水力負荷高、占地面積小、啓動快、抗沖擊能力強等優點，是符合我國實際國情的CSO汙染控制方式。
我國要想進一步推進CSO快速淨化處理，亟待研究出台雨天溢流淨化排放標准和考核辦法，同時強化溢流汙染基礎數據監測和科研投入，探索切實可行的建設運行模式，建議地方主管部門進一步優化工程建設審批程序，支持快速淨化處理設施落地。
