美国城市雨污合流溢流污染控制措施和方法

1、rh同翻茹冶b件舛美国城市雨污合流溢流污染控制措施和方法黄卫东1*，吴春笃21中国科学技术大学地球与空间科学系，合肥（230026）2江苏大学环境学院，江苏镇江（212013）E-mail: huangwd摘 要：城市雨污合流溢流含有未经处理的城市污水，是我国水体的主要污染来源之一，削 减雨污合流溢流污染是很多湖泊富营养化治理的必要措施。本文简要介绍美国环保局制定 的必须进行的九项雨污合流溢流治理措施，以及17个美国城市的主要治理措施和治理效果。美国合流污水直接治理经验表明，治理合流溢流污染的主要措施是加大下水道管径， 提高下水道储水能力，增设储存池，增加合流污水一级处理能力和溢流污水漩流沉淀

2、处理 能力，减少排放到天然水体污染物量。加强监测和控制，建立径流污染预测和控制系统， 指导和调控径流收集和污染控制系统改造和管理。这些方法对我国的合流下水道改造和溢 流污水污染治理，有很好的借鉴作用。关键词：雨污合流溢流，沉淀，储存，模型1. 引言合流制排水系统是通过一套管道收集输送各类污水和雨水的排水系统。在美国采用合流制约1100个社区，服务人口 4300万，主要在美国东北和五大湖地区1。旱季，合流排水系统主要传输污水。下雨和融雪时，还同时传输雨水和雪水，当流量超过了污水处理设施的处理能力，就会有部分溢流废水排放到天然水体，如湖，河流，海湾等。这些溢 流，通常称为雨污合流溢流，由于合流溢流

3、含有未经处理的生活污水，商业污水和工业污水及雨水径流，各种污染物，如病原体，耗氧污染物，悬浮固体，营养盐，有毒物质和漂 浮物质的浓度较大；而且合流溢流量很大，是受纳水体主要污染源之一。它们对受纳水体 能够产生了很大的副作用，对水生植物、饮用水安全产生严重损害。是美国娱乐海滩关 闭，贝类和鱼类产量降低的主要原因之一。从历史上看，美国合流溢流控制非常复杂。因为合流溢流在流量、频度及污染特性等方面存在地域不确定性，对水体影响也难以分析，治理费用方面也是一个重要考虑因素。为了解决合流溢流问题，美国环保局水司在1989年8月10日发布合流溢流污染控制对策2（ 54联邦登记号37370）。该对策将合流溢流

4、当作点源污染，列入国家污染排放许 可和清洁水法控制之列。要求所有合流溢流必须按照上述法律法规进行治理，达到以下三 个目标：确保合流溢流是雨季降雨产生；所有合流溢流排放必须符合清洁水法在技术和水质方面的要求； 减小合流溢流对水质、水生生物和人类健康的影响。1991年，美国环保局要求合流排水区应立即执行九项必要治理措施3，监测合流溢流污染及其对水体影响，要求在1997年1月1日前必须完成相关要求。同时，社区应优先治理环境敏感地区；使用以下两种方法之一制定控制合流溢流污染的长期规划1 : 1）论证法：论证治理计划能够满足国家清洁水法要求的水质。2）预定法：要求合流排水区采用一级沉淀处理至少 85 %

5、合流下水道溢流废水，假定此时能够达到国家清洁水法的要求。此外，为控制城市合流溢流污染，美国环保局发表了相关工作指南，包括：合流污水溢流长远控制规划指南1；合流污水溢流监测和建模指南 4;合流污水溢流治理资金筹措指南 5;合流污水溢流治理投资估算和建设计划指南6;合流污水溢流治理九项必要治理措施实施指南3；合流污水溢流控制技术选择指南 7。本文根据美国环保局制定的合流溢流九项必要控制措施指南，简要介绍该九项雨污 合流溢流治理措施，再简要列举美国对城市合流污染的主要治理措施。2. 美国环保局九项雨污合流溢流必要治理措施2.1下水道及合流溢流设施的维护和运行主要目的是确保现有合流下水道系统和处理设施

6、功能，使系统能够尽可能多地处理 合流污水，达到国家污染排放控制要求。通过此项措施，可以减少雨污合流溢流排放的水 量，频度和时间。此外，在维护和运行现有系统同时，考虑现有收集处理系统的改进，进 而提出和建设新的改进设施。2.2将收集系统的储存能力最大化通常降雨很不均匀，造成雨水径流流量变化非常大。将雨水储存起来，再进行处 理，是减小雨水径流和雨污合流溢流处理设施投资的有效办法。充分利用雨污合流下水 道，是一项成本较低的措施，主要包括：系统检查，了解需要维护维修的缺陷；检查和修 复出水口潮门，防止排放水体水倒灌；调节溢流堰高度，增加下水道储水能力；使用阻流 设施，降低下水道过流流速，增大停留时间；

7、滞留上游排水；调整和增大截流泵站能力， 输送更多合流进入污水处理厂；除去管道障碍物，包括沉积物等。2.3预处理污水，减小溢流污染主要目的是减少工业和商业污水带来的水污染，从而减少雨污合流溢流污染物量。 主要控制方法包括：1）识别所有污染源；2）评价所有污染物给雨污合流溢流污染影响; 3）寻找和评价不同处理方案。2.4加大合流污水进入污水处理厂本项措施主要目的是减小溢流量，从而减少进入天然水体的溢流污染。在污水处理 厂，根据美国环保局相关法规，必须进行二级处理，相比其他方法，其处理效果最好，性 价比也最高。由于入流水量增大，处理效果可能下降，必要时应更新现有处理设施。2.5消除旱季污水溢流包括任

8、何能够避免合流下水道在旱季产生溢流的方法。由于法律要求合流下水道禁 止排放旱季溢流，这是所有合流下水道的强制性要求。首先，应制定检测方案，确保任何 可能发生的溢流事件能够被发现和记录。排水口阀门是重点监测点。通常在排水口容易接 近的地方进行检查就足够了。但是，由于堵塞或损坏可能导致设备故障，需要仔细检查， 通常要求在污水排放高峰时进行检查。下水道运行维护计划中应包括定期对旱季溢流进行 检查。虽然这种检查在不同地方可能变化很大，美国环保局推荐每两周检查一次，同时， 每次降雨后应检查一次。2.6除去溢流污水中固体和漂浮物使用简单方法消除水中可见的漂浮物和悬浮固体。使用的方法包括挡板装置和除沫 器除

9、去表明漂浮物，加强街道清扫，减少进入下水道的漂浮物和悬浮固体。其他溢流控制 措施如提高排水系统储存能力，增加合流污水处理量等，同样减少了漂浮污染和悬浮固体 污染物。法律要求在制定长远治理规划时，需要考虑各种不同治理手段，如漩流沉淀池， 机械格栅等，对漂浮物和悬浮固体的除去效果。除去固体污染物的方法还包括：1）挡板：在排水收集系统溢流口上安装挡板，可以收集飘浮物。2）粗格栅：用于除去较大固体物质和漂浮物。3）细格栅：用于除去固体物质和较小的漂浮物。4）捕获池：捕获池通常安装在城市街道下水道上，入口是雨水口，通常安装水平栅条，防止街道上大的固体进入下水 道，出口设在水下，防止漂浮物进入下水道。5）

10、溢流口上安装筛网，用于除去固体污染物。6）纽约市监测结果表明，95%固体污染物来源于街道垃圾。此外，粪便是导致娱乐海滩关闭的主要污染物，因此，通过公众教育，减少街道垃圾和个人卫生管理，将减少溢流 污染。2.7减少进入合流下水道污染美国国会1990年签署的污染控制法要求按照如下次序控制污染：1）尽可能控制污染源；2）尽可能以环境安全方式回用污染物；3）尽可能以环境安全方式处理污染物；4）处置污染物应以对环境安全方式的最终手段。本项措施的目的是最大限度减少污染物进入 下水道，主要方法是改变人们的行为。1）加强街道清扫：街道清扫可以减少旱季街道污染物量，在某些关键区域，每天清扫街道，可以明显减少街道

11、污染物。2）固体污染物收集回用。3）产品禁用或取代：某些材料，如聚苯乙烯，在环境中不分解，应采用可生物分解的 材料替代。某些海滨地区禁止用它作包装材料。4）控制某些产品使用，如在公园使用肥料和杀虫剂，使用盐融雪等。5）禁止非法倾倒各种垃圾，如废旧轮胎，汽油等进入下水道和地面。6）大宗材料回用：设计市政处理设施用于家庭大型废旧材料处理，建立商业设施处 理废旧材料，如汽油，废旧轮胎，电池等。7）危险废弃物处理：应设置专门设施处理处置危险废弃物。8）商业和工业污水处理：要求建立处理设施，减小污染物进入下水道。2.8公共宣传主要让公众了解雨污合流溢流口位置，溢流排放情况，对健康影响，对娱乐和商业 场所

12、，如游泳，钓鱼等影响。可在受影响区域，公共活动场所，如海滩等，溢流口附近张 贴告示，提醒民众。可通过报纸，电台和电视台通知有关情况，如关闭海滩等。书面或电 话通知受影响个人。2.9监测溢流污染影响和控制措施成效：通过监测了解合流溢流污染影响，发生频率等基本数据，从而启动污染控制措施， 通过监测了解控制手段作用，以确定进一步行动，最终达到满足国家污染控制要求。3. 美国城市雨水合流溢流污染治理的主要措施3.1 Atlanta, Ga原有10个溢流口，后减少为 7个，合流制排水系统服务面积19平方英里，排水系统服务总面积260平方英里，二级污水处理能力 194mgd，主要措施：建设 7个溢流处理设

13、施；15%合流系统改为分流制系统；计划建2个储存和处理系统，目前已经达到 60%溢流污水和75%固体污染得到处理。计划将每年溢流事件从60次减少到4次8。3.2 Bremert on, WA原有19个溢流口，后减少为 16个，合流制排水系统服务面积5.2平方英里，一级污水处理能力为 32.5mgd,二级污水处理能力 7.6mgd，主要措施：建离线储存池，减少合 流系统排水溢流，到 2000年，削减69%溢流，溢流事件减少56%, 2008要求达到每个排放口不超过一次溢流事件。1999年建立水文水力学模型，指导治理规划 9-11。3.3 Burli ngto n, IA原有20个溢流口，后减少为

14、 11个，合流制排水系统服务面积2.9平方英里，二级污水处理能力18mgd，主要措施：1970s大部分改为分流制，今后继续改建，到2017年完成所有改造12-14。3.4 Chicago, IL原有408个溢流口，合流制排水系统服务面积375平方英里，二级污水处理能力2434mgd。由于改建为分流制排水系统费用太高，治理规划中采用的主要措施包括：建109英里9- 33英尺下水道。250个处理井和600个流量调节装置，能够处理所有初期雨水和 小雨，削减84%污染。已建93.4英里。此外，拟建三个水库储存雨水，总容量为157亿加仑15。3.5 Columbus , GA原有16个溢流口，合流制排水

15、系统服务面积4.6平方英里，二级污水处理能力42mgd，主要措施：正在评估以漩流沉淀为核心的溢流处理方案。3.6 Louisville , KY原有115个溢流口，合流制排水系统服务面积375平方英里，一级污水处理能力250mgd，二级污水处理能力 140mgd,主要措施：建立径流污染预测模型，建立在线储存 设施，提高一级污水处理能力到350mgd。1993 1999年间主要措施：采用分流制等消除5个排放口，通过增加储存能力，溢流体积从5.153亿加仑减少到4.472亿加仑，溢流事件从5361次减少到3898次。Bod负荷从320万磅减少到290万磅，悬浮物从 720万磅减少到 650 万磅1

16、6。3.7 Boston, MA原有84个溢流口，后减少为 63个，合流制排水系统服务面积14平方英里，排水系统服务总面积 407平方英里，一级污水处理能力1270mgd,二级污水处理能力 540mgd ,主要措施：5个处理溢流设施，服务一倍的溢流口。设置监测装置，建立径流污染预测模 型。优化现有系统，增加储存能力，增加污水处理能力。溢流排水量从1988年33亿加仑减少到8.5亿加仑17, 18。3.8 Muncie , IN原有30个溢流口，后减少为 24个，合流制排水系统服务面积 10.2平方英里，三级 污水处理能力27mgd，主要措施：改分流制，增加储存能力0.75亿加仑，最终目标处理所

17、有初期雨水，除去固体和飘浮物 8, 19。3.9 North Berge n, NJ有10个溢流口，合流制排水系统服务面积1.8平方英里污水处理能力 10mgd，主要措施：所有溢流口安装设施处理固体和悬浮物，每年可除去108吨固体和漂浮物。减少3个溢流口。正在评估和计划安装消毒设备 20。3.10 Ra ndolph, VT原有6个溢流口，后减少为 3个，二级污水处理能力 0.4mgd，主要措施：改52个 合流区中44个为分流制，升级污水处理厂，减少80%溢流21。3.11 Richmond , VA有32个溢流口，合流制排水系统服务面积19平方英里，二级污水处理能力75mgd ,主要措施：建

18、 0.5亿加仑储存设施，雨后经沉淀处理。减少溢流直接排放体积40%（ 1.2亿加仑）。建立计算机模型，评价和优化主要处理措施22。3.12 Rouge River Watershed, MI有168个溢流口，合流制排水系统服务面积93平方英里，一级污水处理能力1700mgd，二级污水处理能力 930mgd，主要措施：改建分流制，增加储存能力，提高一级 处理能力。未处理溢流事件从每年50次减少到1-7次。所有溢流均经沉淀和浮渣处理。72%合流废水进污水处理厂23。3.13 Saginaw, MI有16个溢流口，合流制排水系统服务面积16平方英里，二级污水处理能力32mgd ,主要措施：消除 20

19、个溢流口，建7个溢流沉淀消毒处理设施，未经处理的溢流量 从每年30亿减少到7.6亿加仑8。3.14 San Fran cisco, CA原有43个溢流口，后减少为 36个，合流制排水系统服务面积 49平方英里，一级 污水处理能力272mgd，二级污水处理能力 194mgd ,主要措施：一级处理主要用于溢流处 理。增加溢流储存和输运设施，减少75%溢流事件，81%溢流体积8。3.15 South Portla nd, ME原有35个溢流口，后减少为 25个，合流制排水系统服务面积 12平方英里，二级 污水处理能力22.9mgd,主要措施：改分流制，消除10个溢流口，增加源头处理，每年减少径流7亿

20、加仑，扩大溢流处理能力，提高下水道储存能力等，削减80%溢流量，实现溢流口在线监测，一级污水处理能力从12mgd提高到56mgd24。3.16 Washi ngton DC有60个溢流口，合流制排水系统服务面积20.2平方英里，一级污水处理能力1076mgd，二级污水处理能力 740mgd，深度处理370mgd，主要措施：第一阶段建橡胶坝 用于提高储存能力，建漩流沉淀，同时提高污水厂一级处理能力。今后增加管道储存和沉 淀能力，使每年溢流量从 32.54亿加仑减少到2.64亿加仑25。3.17 Wheeli ng, VV原有259个溢流口，后减少为168个，合流制排水系统服务面积11平方英里，一

21、级污水处理能力 25mgd，二级污水处理能力 10mgd，主要措施：改造为分流制，除去溢流 中固体和悬浮物26。4. 总结合流制排水通常含有较高浓度的污染物包括营养盐浓度。将合流制改建为分流制，是 减少污水直接进入天然水体的最佳办法，是美国很多城市的首选措施。但是，在人口密集 的城市，将合流排水系统改建为分流制系统，往往工程浩大，在美国芝加哥也难以选用。 我国的老城区治理，存在同样问题。直接治理合流排水系统溢流污染成为很多城市唯一的 选择。由于雨水在空间和时间上的不均匀性，首先需要建储水设施，使处理系统能够均匀 处理。在人口密集土地紧张的美国城市，主要措施是加大下水道管径，提高下水道储水能 力

22、，增设储存池。雨水径流污染物主要通过增加合流污水一级处理能力和溢流污水漩流沉 淀处理能力，减少排放到天然水体污染物量。由于大量信息和可供选择的治理方案的多种多样，在计算机发展以前，采用人工方法 优化城市雨水径流治理方案面临着非常大的困难。美国在上个世界六十年代，开始应用大 型计算机开发计算机仿真优化技术，开发推理型的规划方法。1971年开发出流域规划模型，后来，陆续又发展了更加复杂的模型，如非线性模型，三维模型等。这些模型促进了 水环境管理和规划的进步。近年来，发展的新方法则将重点放在实测数据上，努力利用实 测数据校准模型参数，使模型预测结果与实测数据一致。通常将其称为决策支持系统，主 要包括

23、仿真模型和优化算法，数据库，地理信息系统，主要设施的实时控制系统等。目 前，美国环保局等机构发展起来的雨水径流预测和管理模型SWMM12, 27，美国工程兵开发的STORM28已成为美国城市雨水径流污染控制规划和管理的常用工具，对城市雨水 管理系统的优化和管理调度起着非常重要的核心作用。美国环保局在合流污染控制对策中 要求治理规划应经过计算机模型分析4。加强监测和控制，建立我国城市径流污染预测和控制系统，指导和调控城市雨水包 括合流系统的改造和管理，同时增加径流污染储存和处理设施，减少雨污合流溢流对天然 水体的直接污染，是今后我国城市污染治理的发展方向，也是我国湖泊富营养化治理的必 要措施。附

24、单位换算：1平方英里=2.59平方公里；1加仑=3.7853升；1mgd = 3785立方/天, 1磅 =0.454 公斤。参考文献1 USEPA, Combined Sewer Overflows Guidance For Long-Term Control Plan EPA 832-B-95-002. 1995, USEPA: Washington D.C.2 EPA, National Combined Sewer Overflow Control Strategy , can be downloaded from /npdes/pubs/owm0356

25、.pdf 1989.3 USEPA, combined sewer overflows guidance for nine minimum controls EPA 832-B-95-003. 1995: Washington D.C.4 USEPA, Combined Sewer Overflows Guidance For Monitoring and Modeling, /npdes/pubs/sewer.pdf (1995).5 USEPA, Combined Sewer Overflows Guidance For Funding Options ,

26、 /npdes/pubs/owm0249.pdf . 1995.6 USEPA, Combined Sewer Overflows Guidance for Financial Capability Assessment and Schedule Development (Final) , /npdes/pubs/csofc.pdf . 1997.7 USEPA, Combined Sewer Overflows Screening and Ranking Guidance , /npdes/

27、pubs/owm595.pdf . 1995.8 USEPA, Report to Congress Implementation and Enforcement of the Combined Sewer Overflow Control Policy. 2003: Washington,D.C.9 City of Bremerton's CSO Reduction Program and Drinking Water Quality & Conservation, in Berthiaume, Chance, and City of Bremerton. 2000. 200

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33、 to Virginia Department of Environmental Quality. 2001: Richmond,V A.23 Rouge River Project Web Site (/rougeriver/).24 Combined Sewer Overflows: Documentation for Nine Minimum Controls. Report submitted to Maine Department of Environmental Protection. 1997: South Portland,ME.25 Engineering Program Management Consultant (EPMC) III, Draft Report: Combined Sewer System Long Term Control Plan. Prepared for WASA. 2001: Washington, DC.s Manual,26 GGJ Consulting Engineers, Inc., Capital Needs Improvement Project Review. Report prepared for the C