以海陵城北區為例淺析城鎮排水體制的選擇

李秋紅，劉廣兵，岳 強，王 凱，劉 淼

(江蘇省環境科學研究院，南京 210036)

引 言

城市排水系統是指一個區域內收集輸送生活污水、生產廢水及雨水的系統組合，可分為合流制與分流制兩種排水體制。合流制排水系統是指在同一套管道內收集和輸送地表徑流、生活污水和工業廢水，并將其混合污水同時排出[1]。分流制排水系統是將生產廢水、生活污水和雨水分別建立獨立排水管道，生產廢水與生活污水通過污水管網收集后，經提升泵站提升至污水處理廠站進行集中生化處理。近年來，關于城市排水體制的報道與研究不斷深入。王淑梅等在排水管網的建設及截留倍數的選取方面進行了研究，認為排水管網應與污水廠建設作為一個整體[2]；柳林等對合流排水體制中溢流污染進行了研究，通過在溢流口進行生態化改造緩解了溢流污染問題[3]。以上報道均立足于解決不同排水體制中的部分弊端，對于城鎮排水體制的適用性選擇研究較少。本文以泰州市海陵城北為研究區域，對比了該區域實施雨污分流建設工程前后污水廠進水COD的濃度及地表水環境質量的變化，分析了分流排水體制工程實施對廠站收水濃度及水環境質量的改善效果，為城鎮排水體制的選擇提供了借鑒。

1 國內外不同排水體制應用現狀及經驗

1.1 合流制排水體制應用現狀及經驗

當今國內外習慣采用截流式合流式排水體制，截流的關鍵在于河濱岸帶建設的截污井，詳見圖1。當雨污水來水總量達到設計上限時，多余的雨污水將由截污井溢流至河道，未經處理直接排放的混合污水即為合流制排水系統溢流污水(Combined Sewer Overflows，CSOs)[4]。初期CSOs污染物濃度高，直接下河對水環境質量影響極大，后期污染較小，呈現出瞬時性，入河污染物通量波動較大的特點。當溢流污染總量一定，受納水體流量較大時，該水體的納污和自凈能力較強，可減輕CSOs對受納水體的影響；對于流量較小的支浜而言，水體納污及自凈能力不足，CSOs往往會造成受納水體水環境質量的下降。

圖1 截留合流制排水系統示意與工程圖Fig.1 Combined sewerage system with entrapment

日本有192個城市采用合流制排水系統[5]，合流管網匯水面積達2270km2，服務人口約占日本總人口的30%。為應對合流制溢流污染的影響，東京采用了源頭雨水抑制、調蓄池建設、高速過濾系統處理和溢流口規范化改造等技術措施，在抑制溢流污染方面取得了較為明顯的成效。英國倫敦城市排水系統始建于19世紀60年代，排水體制為合流制排水系統[6]。隨著人口的快速增長，倫敦原有的合流制排水系統時常發生溢流污染的現象，管網污水溢流頻次高達每周一次。通過增建一個深層排水隧道儲蓄溢流污水，倫敦市每年合流制溢流污染由50次/a左右降低為4～6次/a，年平均溢流污水量由3950m3削減至235m3。

1.2 分流制排水體制應用現狀及經驗

分流制排水體制有效避免了生活污水的外溢入河的風險，減少對污水處理廠的沖擊負荷，保證污水處理場站的有效運行，但卻忽視了初期雨水的污染。同時存在建設工程費用投資高、改造工程量大、施工工期長、對居民生活影響嚴重等諸多問題。以南京實施雨污分流治水工程為例[7]，2010～2014年間該市累計投資180億元用于水環境整治工程，雨污分流改造總面積達226.85km2。雖然取得了一定的成效，但城市內河污染的問題仍未切實得到解決。由圖2來看，南京的雨污分流僅為排水系統，遇大雨無“留水”功能，雨水井及雨水管道積存高污染濃度的污泥雜物，初期雨水直排下河污染現象仍較為突出。

國外許多城市安裝倒錐形的管道防止污水的顆粒物在管道內沉積，很好地解決了雨水管道存積污染的問題。由此可見，雨污分流工程需綜合考慮實施難度、社會影響及投資成本等因素，結合海綿城市、低影響開發、源頭截污、水體生態修復技術等方式，同時制定雨水管網的管養措施，解決初期雨水造成內河污染問題，進一步改善河道生態環境。

圖2 分流制排水體制城市內河水質觀感不佳Fig.2 Poor river water quality with diversion of storm sewage

2 研究區域與方法

海陵區是泰州市主城區，位于東經119°54'42”，北緯32°29'54”，地處江蘇省腹部，鹵汀河、南官河、泰東河、引江河、新通揚運河、老通揚運河六條航道的交會點，西鄰揚州市江都區，北、東與姜堰區接壤，南連高港區。區內現有城北污水廠和第一城南污水廠，處理規模分別為6萬m3/d和8萬m3/d。本文以城北污水處理廠的收水范圍為研究對象，城北污水處理廠收水范圍四至邊界為西起引江河，東至海陵區規劃邊界，北起規劃邊界，南至揚州路、北城河、海姜大道，收水范圍服務面積91.8km2，如圖3所示，收水區域內地表水省考斷面為朱莊大橋與迎江橋斷面。

圖3 海陵城北區域收水范圍Fig.3 Range of water drainage system in north Hailin

結合研究區域2019～2021年雨污分流改造工程的實施，分析了雨污分流改造對城北污水處理廠進水水量水質變化、匯水范圍內區域水環境質量變化情況影響。海陵區城區污水處理提質增效“333”工程已完成了對陽臺污水的改造工程，本案例僅考慮生活污水與雨水的排水體制變化對水環境質量的影響。通過計算不同時間海陵區2019年至2021年區域雨污分流管網占比，尋找研究區域污水廠進水水量、進水COD濃度與區域水環境的總體變化趨勢展開研究。

3 分析與討論

3.1 海陵城北分區的雨污分流工程實施效果

城北分區現狀市政管道排水體制以雨污分流制為主，2018年末海陵城市建成區有241個小區與集中居住區，其中55個小區和6個集中居住區尚未實施雨污分流改造，雨污分流占比74.7%，雨污合流占比25.3%。2019～2021年全區逐步開展雨污分流改造，海陵城北分區雨污分流占排水系統比例由74.69%提升至96.27%，廠區進水COD濃度由165mg/L提升至191mg/L，城北片區朱莊大橋與迎江橋控制斷面地表水例行監測高錳酸鹽指數濃度值由4.2mg/L降至2.8mg/L，逐月變化詳見表1與圖4。

分析表明，城北片區雨污分流改造工程的推進對于區域地表水環境質量改善有一定的效果，除雨污分流改造的貢獻外，海陵區開展了控源截污等大量工程舉措；雨污分流改造降低了生活污水跑冒滴漏的現象，阻斷了雨水徑流混入生活污水管網的途徑，對于污水處理廠收水COD濃度的提升有一定促進作用。

表1 海陵城北分區雨污分流改造、污水廠水質水量及地表水環境質量的變化過程Tab.1 The change process of rain and sewage diversion reform，water quality and quantity in wastewater treatment plant and surface water quality in Hailin

圖4 城北片區水環境及雨污分流改造變化趨勢Fig.4 Change of Water Environment and Transformation of Rainwater and Sewage Diversion in North Area

3.2 排水系統的差異性及適用性

(1)合流制排水系統建設投資低，空間需求小。合流制排水運維管理簡單、不會產生雨污水混接、錯接等現象。在中小降雨的氣候條件下，雨水徑流還可沖刷管網中淤積污泥進入污水處理廠，有助于排污管道的清潔。系統設計得當，初期降雨將被收集至污水處理廠，不存在初期雨水直排下河污染城市水環境的問題。然而，在遭遇特大暴雨等極端天氣時，合流制排水系統存在溢流污染現象。有研究表明當管網中水流速度達到0.2m/s時[8]，雨水可將沉積在管渠中的污泥沖起，增加初期雨污水的污染物濃度，此時溢流污染程度最大。

(2)分流制排水系統解決雨天溢流污染問題。分流制切斷了污水直排入河的途徑，而其最大的弊端就是初期雨水直排下河。有研究發現從降雨形成地面徑流開始，前15min降雨徑流攜帶有大量污染物，某些重金屬濃度甚至超過城市污水廠的進水水質，初期雨水中SS和COD經常會超過一般污水處理廠的進水濃度[9]。如放任初期雨水直排下河，高污染通量的初期雨水將威脅城市河流水環境質量。相較于合流制排水體制，分流制系統工程投資費用高，地下空間需求大，運維管理更為復雜，易產生雨污水管道錯搭混接等問題。

(3)不同排水系統的適用性。不同排水體制有其各自的適用范圍及特點，詳見表2。新建城區排水系統的建設，應科學論證、系統規劃、因地制宜、分步實施。豐水地區應嚴格推行雨污分流，同時要考慮初期雨水污染的削減去除，結合海綿城市的工程理念，在雨水收集管網末端建設生態凈化型蓄水池，降低初雨直排的污染程度[10]。

干旱地區、老城區不可盲目“一刀切”推廣雨污分流。如新疆、甘肅、內蒙古等地相關城市等，年降雨量較低，宜采用合流制排水體制。以2020年蘭州降雨為例[11]，全年最大單日降雨量為37mm，年均降雨量僅為327mm，采用合流制不會產生合流制溢流污染問題。實施雨污分流改造工程是對地方財力及人力資源的浪費，可以考慮利用道路兩旁綠地建設生物滯留池，滲渠、以及下沉式綠地等多樣化形式收集消納部分初期雨水，加強對雨水資源的生態化利用。

表2 不同排水系統的適用條件Tab.2 Application condition of different drainage systems

4 結論與建議

江蘇省處于東南沿海地區，水系發達、雨量充沛，建設規模及居住密度較為集中，合流制管網占比較高，溢流污染問題突出，蘇北地區建議保留合流制排水系統，蘇南地區有必要開展雨污分流改造，對于排水系統改造工程提出如下建議。

4.1 工程賦能，阻斷溢流污染問題

基于我省合流制排水系統占比較重的現狀，排水體制改造工作需加強與城市規劃建設的聯系，充分利用建構筑物、鋪裝路面、自然綠地、水流河道等系統對自然降雨的存蓄與吸納功效。結合海綿城市、低影響開發等工程設計思路，實現雨水的自然積蓄、滲透及污染降解凈化，輔以管網截留，排放口改造及末端污水處理廠設施改造等工程，控制雨水徑流峰值與合流制溢流污染。

對于分流制排水系統而言，初期雨水的污染濃度較大，可在雨水管道與污水處理廠連接端設置雨水調蓄池，池體安裝電動閥門、提升泵、濁度及COD傳感器，通過水體濁度與COD雙因子的實時在線監測大致判斷水體受污染程度。對于前期污染程度較高的初期雨水，提升至污水處理廠進行處理；隨著降雨歷程的發展，后期雨水水質較好可打開閥門直接排入河流。

4.2 一城一策，科學優選排水體制

城市排水體制的改造沒有一個放之四海而皆準的標準答案，排水系統改造工作需結合降雨量、城市基礎建設條件、水系發達程度、人口聚集度、區位地理地勢條件等多方面因素。年降雨量大于400mm的地區，合流制排水體制易出現污水溢流污染，可逐步實施雨污分流改造工程，同步輔以雨水的截留凈化措施；對于年降雨量較小地區，不易造成污水溢流污染，雨水混入污水管網，對污水處理廠的影響也有限，可考慮保留合流排水體制對于蘇南經濟發達的老城區，街道非常密集，地下管網復雜，對于居住密度較大，改造工作嚴重影響居民生活的區塊，可輔以雨水滯留池建設，強化溢流污染控制，有改造條件的地區要超前規劃、科學論證，穩妥進行雨污分流改造工作；蘇北地區老城區宜以保留現狀合流制排水體制為主，加強溢流井的規范化建設。在新建城區宜采用雨污分流體制，重點國省考斷面匯水范圍內適當進行雨污分流改造同時控制初期雨水直排污染，雨水管末端建設雨水生物緩沖池，消納降解初期雨水的污染。

4.3 結合生態修復，鞏固提升初雨水環境質量

城市河道承載著城市的生態景觀，是休閑娛樂與文化展示的重要平臺，是城市特質與城市形象的集中反映。因早期規劃缺乏科學論證，城市河道分布著許多雨水排口，初期雨水不能得到凈化處理給河流水體帶來了較大的污染負荷，優選排水體制工作的同時，兼顧在初雨受納水體增設生態凈化措施，如生物截留池、生態緩沖帶等，利用植物根系與天然微生物群落耦合，形成固土-凈水的功效，進一步提升初雨受納水體的水環境、水生態質量，實現城市初期雨水由污水到生態補水的轉變，保障城市河流生態用水的水資源量。