CSOs污染特點(diǎn)及核心處理工藝的選擇
CSOs污水是以城市污水為本底，混有因降水而產(chǎn)生的徑流污染，并因沖刷作用而攜帶管道底泥，具有非連續(xù)性、爆發(fā)性、隨機(jī)性的污染特點(diǎn)；對(duì)水環(huán)境危害較大，將其進(jìn)行截流并削減污染后再行排放已成為行業(yè)共識(shí)。CSOs 污水水質(zhì)及核心處理工藝的選擇是確保CSOs污染削減效果的關(guān)鍵。一級(jí)強(qiáng)化處理工藝因具備抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、可間歇運(yùn)行、啟動(dòng)迅速、表面水力負(fù)荷高、去除效率高、出水效果穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，成為CSOs污水的主流處理工藝，對(duì)比分析了以投加微砂、磁粉和回流污泥作為絮凝核心對(duì)絮凝過程進(jìn)行強(qiáng)化的一級(jí)強(qiáng)化處理工藝，在出水水質(zhì)相同的情況下，加砂高速沉淀池水力負(fù)荷最高；普通高密度沉淀池的產(chǎn)水率及排泥濃度最高。
1 合流制溢流（CSOs）及其危害
在降雨（或融雪）期，由于大量雨水流入排水系統(tǒng)，合流制排水系統(tǒng)內(nèi)的污水流量超過截污流量時(shí)，超過排水系統(tǒng)負(fù)荷的雨污混合污水便會(huì)直接排入受納水體，這被稱為合流制管道溢流（Combined Sewer Overflows，簡(jiǎn)稱 CSOs）。
CSOs污水中含有大量的污染性物質(zhì)：如有機(jī)物、N、P 等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；重金屬、氯代有機(jī)物、EDCs（環(huán)境內(nèi)分泌干擾物質(zhì)）、PPCPs（藥物及個(gè)人護(hù)理品）等有毒有害物質(zhì)；大量致病微生物。CSOs污水作為這些污染物質(zhì)遷移的載體，若未經(jīng)處理而直排水體，存在較大危害。CSOs中的污染物會(huì)引發(fā)水體缺氧、富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)而導(dǎo)致水生態(tài)環(huán)境失衡；微生物中各種致病菌的繁殖、隨水體而傳播將嚴(yán)重威脅城市居民的身體健康；污水中攜帶的顆粒污染物進(jìn)入水體后會(huì)使水體渾濁，影響水體的城市功能和感觀，破壞人與自然的和諧；因接納CSOs污染還會(huì)導(dǎo)致受納水體緩解城市熱島效應(yīng)的作用被削弱，制約城市的可持續(xù)發(fā)展。
2 CSOs污水的污染特點(diǎn)
CSOs 污水主要由城市污水和降水組成；此外，CSOs 污水因沖刷作用還攜有相當(dāng)部分的污水管道底泥，底泥中含有大量污染物及致病微生物。其中：①城市污水主要包含生活污水、工業(yè)廢水，其流量及水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定；②降水包含降雨、融雪，水量受天氣影響，情況多變，存在很大的不確定性，水質(zhì)由兩部分組成，自身天然水質(zhì)及徑流攜帶的污染水質(zhì)，自身天然水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定（與空氣質(zhì)量負(fù)相關(guān)），徑流污染水質(zhì)隨降雨情況變化而變化；③管道底泥對(duì)CSOs污水的影響主要是增加污染物濃度，底泥的污染物濃度以及淤積量與降水頻次及強(qiáng)度有很大關(guān)系。綜上，CSOs 污水是以城市污水為本底，混有因降水而產(chǎn)生的徑流污染，并因沖刷作用而攜帶管道底泥。因此，CSOs 污水的特點(diǎn)很大程度上取決于降水情況，故其污染具有非連續(xù)性、暴發(fā)性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，具體如下。
2.1 隨降雨特性不同而變化
根據(jù)趙慶豪的研究可知，雨天合流制管道流量峰值與雨強(qiáng)峰值并非同時(shí)出現(xiàn)，管道流量峰值一般滯后于雨強(qiáng)峰值的主要原因是降雨經(jīng)匯流進(jìn)入管網(wǎng)以及管道內(nèi)的輸送都需要時(shí)間；雨天合流制污水污染物濃度峰值與管道流量峰值出現(xiàn)時(shí)間相差較小，幾乎是同時(shí)出現(xiàn)；當(dāng)降雨為小到中雨或大雨時(shí)，污染物濃度平均值隨降雨總量的增加而增加，而當(dāng)降雨為暴雨或大暴雨時(shí)，后期降水對(duì)污染物起稀釋作用明顯，導(dǎo)致后期污染物濃度較低，污染物平均濃度隨降雨總量的增大而減小。
因此，短時(shí)集中降雨特別是前峰雨，CSOs污染最為嚴(yán)重，而連續(xù)的中、低強(qiáng)度降雨特別是后峰雨，可充分發(fā)揮截流設(shè)施的截流效能，CSOs污染則較輕，見圖1。
2.2 徑流污染與底泥污染
降雨期間，CSOs污水形成初期，污水流量不斷變大，初期雨水沖刷攜帶地表大量污染物，同時(shí)管道中沉淀的底泥被帶走，易產(chǎn)生污染物濃度高峰。隨后由于徑流量不斷增大，溢流污水稀釋作用大于污染效果，溢流污水的污染物濃度恢復(fù)至初始水平，這種現(xiàn)象被稱作初期沖刷（first flush）；降雨初期污染物濃度很高,通常是旱流污水的幾倍之多,有時(shí)甚至可以達(dá)到旱流污水的幾十倍。降雨徑流污染中，56%±26%的懸浮物來自城市地表與雨水口的沉積物，44%±26%的懸浮物源于生活污水的沉積物。表1是北京城區(qū)雨水徑流污染情況，其中區(qū)分了降雨初期徑流污染水質(zhì)與平均徑流污染水質(zhì)。
根據(jù)美國(guó)EPA的研究，不同城市和地域間雨水徑流水質(zhì)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果無明顯區(qū)別。因此北京城區(qū)雨水徑流污染水質(zhì)具有一定的代表性，可以作為我國(guó)其他城市分析雨水徑流污染時(shí)的參考。
2.3 時(shí)間特性
因?yàn)镃SOs污染由降雨而觸發(fā)，因而具有非連續(xù)性、間歇性的特點(diǎn)。
3 CSOs污水的水質(zhì)參考
CSOs水質(zhì)隨城市降雨特性、居民生活習(xí)慣、城市氣候、空氣污染程度以及道路清洗頻率等屬地性因素不同而不同。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)其研究較少，未形成結(jié)論性成果。本文參考已有研究成果，列出了武漢、巢湖、上海三個(gè)城市的CSOs水質(zhì)情況，作為選擇CSOs污水處理工藝的參考。
表3為武漢市喻家湖片區(qū)旱季污水及雨季時(shí)CSOs污水水質(zhì)情況。
表4為巢湖市中心城區(qū)某檢測(cè)點(diǎn)處CSOs污水水質(zhì)隨降雨特征不同的水質(zhì)變化情況。表5為其旱季污水及雨季時(shí)CSOs污水水質(zhì)情況對(duì)比。
表6為上海中心城區(qū)雨季時(shí)CSOs污水（旱流污水需污水泵站轉(zhuǎn)輸）的水質(zhì)情況。一次降雨徑流污染過程中水質(zhì)、水量變化范圍較大,采用污染物的流量加權(quán)平均濃度（Event Mean Concentration,EMC）能夠更好地表征降雨事件的污染特點(diǎn)。
4 CSOs污水處理工藝的選擇
CSOs污水對(duì)水環(huán)境危害較大，對(duì)其進(jìn)行處理，削減污染物以降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響是全世界的共識(shí)。在發(fā)達(dá)國(guó)家，針對(duì)CSOs的治理，已經(jīng)開發(fā)出很多成熟的技術(shù)及工藝。在德國(guó)，4 萬個(gè) CSO 處理系統(tǒng)中，42%均設(shè)置了沉淀池，SS 經(jīng)過沉淀處理，去除率可達(dá)到55%~75%。
4.1 工藝要求
因CSOs的污水水量、水質(zhì)變化范圍較大，存在非連續(xù)性的特點(diǎn)，故需處理工藝具備抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、間歇運(yùn)行、啟動(dòng)迅速、表面水力負(fù)荷高、占地面積小、去除效率高、出水效果穩(wěn)定、易于操作、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。針對(duì)上述要求，化學(xué)一級(jí)強(qiáng)化處理無疑是CSOs污水高效處理工藝的首選方案，其適應(yīng)性強(qiáng)、投入產(chǎn)出比高，可以用相對(duì)較少的投入獲得較大的處理效果。近年來，以投加微砂、磁粉和回流污泥作為絮凝核心對(duì)絮凝過程進(jìn)行強(qiáng)化的一級(jí)強(qiáng)化處理工藝取得了良好的使用效果，它們都是通過改善絮凝階段的絮凝體形成與分離特性，形成大而密實(shí)的絮凝體，進(jìn)而獲得較好的沉降效果。隨著這些工藝的不斷推廣、應(yīng)用，一級(jí)強(qiáng)化處理工藝已成為CSOs污水處理的核心工藝。本文僅對(duì)已成熟、穩(wěn)定運(yùn)行、應(yīng)用廣泛、商業(yè)化成功的處理工藝進(jìn)行論證分析。
4.2 高密度沉淀池（泥渣循環(huán)）
高密度沉淀池以得利滿（Degremont，蘇伊士水務(wù)工程前身）開發(fā)的Densadeg工藝為典型代表。是一種帶有污泥外部循環(huán)的改進(jìn)型絮凝澄清池，是斜管澄清和污泥濃縮兩種原理的結(jié)合，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于封閉、對(duì)環(huán)境影響小、靈活、高效的優(yōu)點(diǎn)。
4.2.1 工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介及運(yùn)行原理
Densadeg高密度沉淀池由以下結(jié)構(gòu)組成：
①快速混合區(qū)；
②機(jī)械絮凝區(qū)；
③水力絮凝區(qū)；
④沉淀池（90%的絮體被沉淀和濃縮而不會(huì)上浮至斜管區(qū)）；
⑤斜管和上方的集水槽；
⑥污泥回流管（將濃縮污泥循環(huán)至絮凝區(qū)入口），見圖2。
注：圖片來源于蘇伊士水務(wù)工程公司。
優(yōu)化的絮凝機(jī)制，高密度沉淀池有兩個(gè)連續(xù)的絮凝反應(yīng)池（一個(gè)機(jī)械循環(huán)攪拌，一個(gè)水力低速推流），從而使絮凝時(shí)間及速度梯度分配更加合理。在這個(gè)系統(tǒng)中，高分子聚合物助凝劑分別在絮凝池和污泥循環(huán)進(jìn)行兩次投加，可以使絮體更加緊密而形成了一種更加適合高水力負(fù)荷的“自載體絮凝”，并且可以獲得更高的濃縮污泥濃度，其污泥濃度超過了靜態(tài)濃縮池的2倍。
帶有斜管的澄清濃縮池，此部分具有三個(gè)功能：
①使得大部分污泥產(chǎn)生受阻沉降：通過優(yōu)化的絮凝機(jī)制而獲得較大的絮體直徑及較高的絮體密度，故可產(chǎn)生高的沉降速度使受阻沉降成為可能；
②斜管組件的深度處理功能：采用下游配水系統(tǒng)使斜管區(qū)的上升水流均衡穩(wěn)定，避免了水流擾動(dòng)帶出殘留絮體，可保持污泥層的整體性，均勻的過流速度還可以避免污泥局部上升，進(jìn)而保證整個(gè)澄清集水區(qū)擁有相同的澄清水質(zhì)；
③采用底部刮泥機(jī)和柵耙刮板進(jìn)行污泥濃縮。
污泥循環(huán)澄清，礬花在澄清池下部匯集成污泥并濃縮。濃縮區(qū)分為兩層:上層位于排泥斗上部，為再循環(huán)污泥；下層位于排泥斗下部，為外排的剩余污泥。
濃縮后的再循環(huán)污泥通過螺桿泵以較低的流速進(jìn)行循環(huán)，以避免絮體破碎?；亓魑勰鄷?huì)增加表面接觸面積加速絮體的形成和凝聚。當(dāng)絮體體積約為機(jī)械絮凝區(qū)體積的10%時(shí)，Densadeg高密度沉淀池的絮凝效果最好。剩余污泥的排放由池底的泥位控制，所以其排放通常是間歇性的。
4.2.2 工藝特點(diǎn)
（1）產(chǎn)水量高，因池體內(nèi)設(shè)有帶濃縮功能的刮泥機(jī)，外排污泥的濃度較高，因而減少水量損失。
（2）污泥濃縮同步完成，外排污泥濃度高（20～40g/L），可直接進(jìn)行脫水，無需再進(jìn)行濃縮，節(jié)省了污泥后續(xù)處理的投資及運(yùn)行費(fèi)用。
（3）節(jié)約用地，Densadeg高性能沉淀池集絮凝、沉淀、濃縮于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，水力負(fù)荷高。
（4）抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，因?yàn)樾跄齾^(qū)污泥濃度主要依靠濃縮污泥的回流，而不是依賴于進(jìn)水絮凝后的懸浮絮體，因此對(duì)原水的水質(zhì)和水量的波動(dòng)并不敏感。
（5）削減污染效果顯著，對(duì)TP、SS、COD、BOD5都有不錯(cuò)的去除效果。
（6）污泥的回流促進(jìn)了反應(yīng)池中的混凝和絮凝反應(yīng)，且回流污泥中會(huì)含有一些藥劑成分，回流至絮凝區(qū)后，延長(zhǎng)了泥渣和水的絮凝接觸時(shí)間，使其可以再次得到利用，進(jìn)一步減少藥劑的投加，可比常規(guī)混凝沉淀工藝節(jié)省藥劑10%～20%。
4.2.3 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)
取值高密度沉淀池根據(jù)其不同的處理目標(biāo)有不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，本文總結(jié)了各種工程案例，給出用于CSO污水處理的主要設(shè)計(jì)參數(shù)（參數(shù)的選擇相對(duì)保守），見表7。
由于原水水質(zhì)的不同，高密度沉淀池設(shè)計(jì)采用的水力負(fù)荷（上升流速）差異很大。對(duì)于污水深度處理、污水初級(jí)處理及雨水處理上升流速與SS去除率的關(guān)系如圖3所示。由于初期雨水各類污染物的可沉比例較高、有機(jī)物含量相對(duì)較低，同樣處理污水的高密度沉淀池如用于處理雨水或合流污水，其設(shè)計(jì)上升流速可高些。
4.3 加砂高速沉淀池（微砂循環(huán)）
在普通高密度沉淀池的基礎(chǔ)上，將泥渣循環(huán)改為微砂循環(huán)，形成了一種新型工藝—加砂高速沉淀池，以威立雅公司開發(fā)的Actiflor工藝為典型代表。該工藝通過投加微砂（粒徑為100～150μm），使污染物在高分子絮凝劑的作用下與微砂聚合成大顆粒的易于沉淀的絮體，從而加快了污染物在沉淀池中的沉淀速度，又結(jié)合斜板沉淀的原理，大大減少了沉淀池的面積及沉淀時(shí)間，并能得到良好的出水效果。
4.3.1 工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介及運(yùn)行原理
Actiflo高效沉淀工藝由混凝池、投加池、熟化池、斜管(板)沉淀池以及微砂循環(huán)和污泥排放系統(tǒng)組成。具體結(jié)構(gòu)見圖4。
注：圖片來源于威立雅水務(wù)工程公司。
①混凝池：混凝劑投加在原水中，在快速攪拌器的作用下同污水快速混合，形成小的絮體然后進(jìn)入絮凝池。
②投加池：微砂和混凝形成的小絮體在快速攪拌器的作用快速混合，并以微砂為核心形成密度更大、更重的絮體，以利于在沉淀池中的快速沉淀。
③熟化池（絮凝池）：絮凝劑促使進(jìn)入的小絮體通過吸附、電性中和和相互間的架橋作用形成更大的絮體，慢速攪拌器的作用既使藥劑和絮體能夠充分混合又不會(huì)破壞已形成的大絮體。
④斜板沉淀池：含砂絮體在斜管(板)沉淀池實(shí)現(xiàn)了高速沉淀，沉淀池上部水被集水槽收集,含有微砂的污泥沉淀于池底，由刮泥機(jī)收集至沉淀池底部中央的區(qū)域。
⑤微砂循環(huán)及污泥排放：沉淀池底部的污泥被微砂循環(huán)泵抽出，至水力旋流器進(jìn)行泥砂分離。由于微砂與污泥的密度存在差異，因此在水力旋流器離心力的作用下，污泥與微砂分離。分離的微砂直接回用于投加池，實(shí)現(xiàn)微砂的重復(fù)利用。
4.3.2 工藝特點(diǎn)
（1）加砂高速沉淀池是將混合、絮凝、沉淀高度集成一體，占地面積少。由于其可以采用更高的水力負(fù)荷高，占地面積相較于其它高效沉淀池更有優(yōu)勢(shì)。
（2）水力負(fù)荷高，由于以微砂為核心形成的絮體沉降速度快，在相同出水水質(zhì)前提下，可以允許較高的水力負(fù)荷。
（3）抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，微砂循環(huán)能夠保證池內(nèi)具有較高的懸浮物濃度，接受進(jìn)水懸浮物濃度的沖擊能力強(qiáng)。
（4）絮體沉降分離效果好，出水水質(zhì)好，對(duì)TP、SS、COD、BOD5都有不錯(cuò)的去除效果。絮體沉降速度快，在進(jìn)入斜板區(qū)時(shí)，大量絮體已沉降，斜板不需要經(jīng)常沖洗。
（5)重新啟動(dòng)時(shí)間短，短時(shí)間可滿足穩(wěn)定的出水水質(zhì)。
4.3.3 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)取值
加砂高速度沉淀池根據(jù)其不同的處理目標(biāo)有不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，本文總結(jié)了各種工程案例，給出用于CSO污水處理的主要設(shè)計(jì)參數(shù)（參數(shù)的選擇相對(duì)保守），見表8。
具體的一些設(shè)計(jì)參數(shù)選擇如下：
(1)微砂回流比：回流比= 3%+(TSS/1 000)×7%（TSS為進(jìn)水水質(zhì)）。
(2)攪拌功率：混凝池的攪拌器功率最大應(yīng)達(dá)到150 W/m3，注射池70 W/m3，熟化池40 W/m3，且需變頻控制。
(3)微砂是Actiflo高效沉淀工藝的核心，通常要求微砂為圓形石英砂，其硅含量>95%，均勻系數(shù)（d60/d10）<1.7。
4.4 磁混凝高效沉淀池
在普通高密度沉淀池的基礎(chǔ)上，同步加入磁介質(zhì)（磁粉相對(duì)密度為5.2，粒徑較小），通過絮凝、吸附、架橋的作用將水中的微小懸浮物或不溶性污染物與粒徑極小的磁性顆粒進(jìn)行極有效率的結(jié)合，來增加絮體的體積和密度。從而加快絮體的沉降速度，有效降低了澄清池的水力停留時(shí)間并增大了其表面負(fù)荷。
4.4.1 工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介及運(yùn)行原理
磁混凝高效沉淀池是在傳統(tǒng)絮凝沉淀工藝的基礎(chǔ)上增加了磁粉加載反應(yīng)池、高剪切器以及磁分離器等設(shè)備。具體工藝流程如下（見圖5和圖6）：
污水進(jìn)入快速混合區(qū)并投加混凝劑，快混區(qū)內(nèi)設(shè)有快速混合攪拌機(jī)，污水與混凝劑快速混合后進(jìn)入磁介質(zhì)混合區(qū)。在磁介質(zhì)混合區(qū)內(nèi)設(shè)置攪拌器，污水與補(bǔ)充磁介質(zhì)及回收利用的磁介質(zhì)充分混合后經(jīng)底部進(jìn)入絮凝反應(yīng)區(qū)。絮凝反應(yīng)區(qū)內(nèi)投加絮凝劑，由絮凝攪拌機(jī)進(jìn)行充分的絮凝反應(yīng)后溢流到沉淀區(qū)。沉淀區(qū)上部設(shè)有斜管。
充分絮凝的磁團(tuán)混合體進(jìn)入沉淀區(qū)，快速沉降在沉淀池底部，由刮泥機(jī)刮集至中心的污泥斗并分為二路，一路由回流泵提升至磁介質(zhì)混合區(qū)，另一路由剩余污泥泵抽出并送至磁介質(zhì)回收系統(tǒng)進(jìn)行磁團(tuán)剝離和磁介質(zhì)回收，回收的磁介質(zhì)再次進(jìn)入磁介質(zhì)混合區(qū)繼續(xù)參與反應(yīng)。剩余污泥則進(jìn)入后續(xù)污泥處理系統(tǒng)。
4.4.2 工藝特點(diǎn)
（1）采用磁種作為載體構(gòu)造磁絮團(tuán)，技術(shù)穩(wěn)定成熟。
（2）對(duì)SS、TP去除效果好，同時(shí)還能去除大腸桿菌、非溶解性COD和藻類等。
（3）污泥回流，使藥劑能循環(huán)利用，有效降低運(yùn)行成本。
（4）耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，對(duì)水質(zhì)的沖擊有獨(dú)特的耐沖擊能力。
（5）磁絮凝設(shè)備的磁場(chǎng)強(qiáng)度難以提高，選擇性差，往往存在不同的漏磁現(xiàn)象，造價(jià)及運(yùn)行能耗相對(duì)較高，混凝劑一般要具有順磁性，水溫不能過低。
4.4.3 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)取值
磁混凝高效沉淀池根據(jù)其不同的處理目標(biāo)有不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，本文總結(jié)了各種工程案例，給出用于CSO污水處理的主要設(shè)計(jì)參數(shù)（參數(shù)的選擇相對(duì)保守），見表9。
5 小結(jié)
CSOs作為城市污水、管道底泥、地表污染物遷移的載體，具有非連續(xù)性、爆發(fā)性、隨機(jī)性的污染特點(diǎn)，若未經(jīng)處理而直排水體，存在較大危害；對(duì)其進(jìn)行處理，削減污染物后再行排放已成為行業(yè)共識(shí)，核心處理工藝的選擇便是重中之重。綜上分析，在出水水質(zhì)相同的情況下，加砂高速沉淀池水力負(fù)荷最高；普通高密度沉淀池的產(chǎn)水率及排泥濃度最高。每種處理工藝都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)進(jìn)、出水要求、用地面積、投資、運(yùn)行成本、后期維護(hù)以及場(chǎng)地周圍的環(huán)境需求等多種限制性條件進(jìn)行綜合比選，確定最為適宜的工藝方案。
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