表1 加砂沉淀池、磁混凝沉淀池、高密度沉淀池用于CSO處理的主要設(shè)計參數(shù)
注:表中只提供了主要參數(shù)的典型范圍值,具體水力負(fù)荷、出水SS濃度等需要根據(jù)實(shí)際情況確定。
歐美地區(qū)已開展的中試和工程應(yīng)用結(jié)果表明,投加微砂、污泥介質(zhì)的高效沉淀對溢流污水TSS、COD、BOD5、TP和TKN的去除率分別為34%~92%、40%~82%、32%~75%、43%~86%和9%~34%,對進(jìn)水的波動變化具有較好的適應(yīng)性。目前,市場上的商業(yè)化產(chǎn)品主要有威立雅水務(wù)的Actiflo、得利滿的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國堪薩斯州、法國巴黎、比利時布魯塞爾、法國里爾以及我國昆明等地區(qū)的CSO處理,運(yùn)行效果穩(wěn)定。相對來說,磁混凝沉淀的水力停留時間更短,對SS的去除率高達(dá)97%,但用于溢流污染的處理大多還處于探索階段,國內(nèi)中建環(huán)能科技股份有限公司的MagCS磁介質(zhì)混凝沉淀、青島洛克環(huán)??萍加邢薰镜腟ediMagTM技術(shù)已發(fā)展較為成熟,北京延慶縣媯水河溢流污水處理工程采用超磁處理設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了COD、SS、TP分別為53.8%、88.9%和82.7%的有效去除。
1.2 旋流分離
旋流分離是一種利用離心沉降原理從懸浮液中分離固體顆粒的技術(shù)工藝,根據(jù)動力來源不同可分為水力旋流分離和壓力旋流分離。旋流分離器對大顆粒(>125 μm)污染物去除效果較好,易實(shí)現(xiàn)規(guī)?;瓦B續(xù)運(yùn)行,具有占地面積小、建設(shè)費(fèi)用低、操作簡便等優(yōu)點(diǎn),通常作為溢流污水排放到水體之前的一種簡易處理裝置使用,是城市老舊城區(qū)和繁華地段等密集區(qū)域控制降雨污染的首選。已有研究結(jié)果表明,旋流分離的污染物去除效果往往受所處地區(qū)的氣候和水文地質(zhì)條件影響,包括降雨強(qiáng)度、兩次降雨間的干旱天數(shù)、顆粒物粒徑分布以及集水區(qū)的坡度和形狀等,對SS、COD的去除范圍分別為36%~90%、15%~80%。由于旋流分離器處理規(guī)模相對較小,通常僅適用于管徑較小的管道。
自20世紀(jì)60年代初Bernard Smisson在英國布里斯托爾建造并測試了第一代水力旋流分離器以來,旋流分離技術(shù)在歐美地區(qū)得到快速發(fā)展。用于CSO和雨水處理的商業(yè)化產(chǎn)品主要有Storm King、Swirl Concentrator、FluidsepTM、Downstream Defender和VortechsTM旋流分離器,截至21世紀(jì)初已有1 500多套旋流分離產(chǎn)品用于雨水和污廢水的處理,是旋流分離技術(shù)處理效果的有力證明。針對前期旋流分離器對衛(wèi)生用品等中性浮力固體去除效果不理想的問題,目前用于CSO處理的旋流分離設(shè)施大多都增加了4 mm孔徑的自清潔篩選系統(tǒng),并在英國維甘污水處理廠CSO處理中驗證了其可行性。此外,旋流分離器的流體力學(xué)特征使其還可用作化學(xué)消毒的混合接觸設(shè)施,有利于進(jìn)一步減小快速凈化裝置的容積和占地。
“十一五”以來,我國在旋流分離處理降雨污染方向也開展了很多試驗研究,并在工程應(yīng)用方面進(jìn)行了有益探索。王云浩等開展的小試表明,旋流分離對降雨徑流中140 μm的硅土顆粒的去除率可達(dá)70%,對80 μm顆粒的去除率也有40%。清華大學(xué)朱紅生在實(shí)驗室條件下研究了無壓旋流分離對初期雨水的處理效果,SS去除率基本在20%~40%波動。李玲霞利用55m3/h的壓力旋流分離中試裝置處理合肥南淝河清Ⅰ/Ⅱ沖溢流污水,對COD、SS的平均去除率分別達(dá)35.2%和47.4%。儲金宇等將水力旋流器安裝于鎮(zhèn)江市雨水管路中,實(shí)現(xiàn)了降雨徑流污染中SS、COD和濁度的高效去除,SS去除效果隨進(jìn)水流速升高而提升,在流速較大時高達(dá)75%,但對TN、TP的去除作用不大。胡曉慶等結(jié)合北方某市護(hù)城河排河口改造項目研究了Downstream Defender旋流分離器對雨水徑流的處理效果,結(jié)果表明,SS和COD的平均去除率分別為60%和31%,峰值去除率均超過90%。巢湖市小王莊中溢流污染末端控制中采用了旋流分離設(shè)施,實(shí)現(xiàn)雨季溢流COD負(fù)荷在已有基礎(chǔ)上平均削減20%。
1.3 快速過濾
CSO的過濾處理通常是指利用格柵、篩網(wǎng)、固體顆粒、濾布等介質(zhì)的過濾截留作用實(shí)現(xiàn)固液物理分離的技術(shù)手段,在沿河截流干管或溢流口設(shè)置過濾裝置是溢流污染末端控制的常用方法。德國、英國等歐洲發(fā)達(dá)國家通過在溢流構(gòu)筑物排水堰上安裝水平過濾格篩,用于截留去除4~6 mm以上的懸浮物和漂浮物,但僅可保證在受納水體沿岸看不到明顯的垃圾雜質(zhì),COD最 高截留率為25%。一般認(rèn)為,適用于雨天溢流污染治理的快速過濾技術(shù)有濾布過濾、可壓縮介質(zhì)過濾和懸浮介質(zhì)過濾,其中,濾布過濾、可壓縮介質(zhì)過濾可實(shí)現(xiàn)50%的COD去除和90%的TSS去除,而懸浮介質(zhì)過濾對COD、TSS的去除率較低,分別為10%~50%和30%~70%。傳統(tǒng)的顆粒介質(zhì)過濾由于其較低的表面負(fù)荷和較大的占地面積,通常難以滿足CSO快速凈化處理的技術(shù)需求。
MARTIN、HUGHES等在美國辛辛那提、拉什維爾開展的濾布濾池處理降雨徑流的試驗結(jié)果表明,在265 L/min(15.86 m/h)、140~265 L/min(9~16 m/h)的負(fù)荷條件下,濾布過濾仍可實(shí)現(xiàn)COD和TSS的有效去除,適用于雨天溢流污染的快速處理。相對來說,可壓縮介質(zhì)過濾的處理能力更強(qiáng),設(shè)計負(fù)荷可達(dá)到48.4~73.2 m/h,運(yùn)行于Springfield污水處理廠內(nèi)的中試裝置出水SS可維持在30 mg/L以下,即使在低溫環(huán)境(-13~-5℃)下也可正常運(yùn)行,在堪薩斯州完成的中試對比測試表明,可壓縮介質(zhì)過濾器的出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)CEPT和加砂沉淀,與濾布過濾的處理效果相當(dāng),似乎更適用于CSO的快速凈化,但建設(shè)成本相對較高,市場上成熟的產(chǎn)品有WesTech WWETCO FlexFilterTM、Schreiber Fuzzy Filter。懸浮介質(zhì)過濾在不添加化學(xué)藥劑的情況下即可實(shí)現(xiàn)常規(guī)一級處理效果,雖然在美國仍被認(rèn)為是一項新興技術(shù),但其作為日本“21世紀(jì)污水處理工程集成與創(chuàng)新技術(shù)項目”(SPIRIT 21)研發(fā)的技術(shù)之一,懸浮介質(zhì)高速過濾系統(tǒng)已經(jīng)陸續(xù)在日本東京、盛岡等地進(jìn)行了工程應(yīng)用,可去除70%的SS和50%的COD;在韓國首爾開展的高速過濾系統(tǒng)處理CSO的中試驗證表明,濾速20 m/h且投加混凝劑的條件下,出水SS和BOD5均低于40 mg/L,為首爾2026年前完成建設(shè)總規(guī)模75萬m3/d的CSO快速處理設(shè)施的規(guī)劃目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。
然而,我國將過濾技術(shù)應(yīng)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(fā)了以物理過濾作用為主的CSO處理裝置,但鮮有實(shí)際工程案例的報道。調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)大部分研究和工程更傾向于采用對溶解性有機(jī)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(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。
2 CSO快速凈化處理工程案例
2.1 Seine Aval 污水處理廠加砂沉淀
Seine Aval污水處理廠位于法國巴黎下游的塞納河畔,是歐洲最 大的的污水處理廠,承接了巴黎將近80%的生活污水,設(shè)計規(guī)模170萬m3/d。該污水處理廠設(shè)計了旱季、雨季2種運(yùn)行模式,加砂沉淀單元由9座Actiflo池組成,在旱季處理生物池出水,在雨季處理合流制雨污水與生物池出水的混合污水(混合比例由降雨強(qiáng)度決定),最 大的處理能力30~35 m3/s,工藝流程如圖1所示。
表2 降雨數(shù)據(jù)及Seine Aval污水處理廠加砂沉淀單元運(yùn)行參數(shù)
表3 Seine Aval污水處理廠加砂沉淀單元雨季處理效果
2.2 Springfield污水處理廠高速過濾系統(tǒng)
位于美國俄亥俄州的Springfield污水處理廠擁有目前世界上最 大的的高速過濾處理系統(tǒng),在旱季用于市政污水的三級處理,在降雨期間用于CSO的快速處理,設(shè)計日處理規(guī)模1×104萬加侖。該高速過濾系統(tǒng)采用WWETCO FlexFilterTM可壓縮介質(zhì)過濾設(shè)備,耗資3 350萬美元于2014年建設(shè)完成,工程實(shí)景如圖2所示。
3 推進(jìn)CSO快速凈化處理的建議
3.1 出臺雨天溢流凈化處理排放標(biāo)準(zhǔn),支撐快速凈化工程落地
歐美等發(fā)達(dá)國家多數(shù)以污染物總量、溢流口溢流頻次或最 大的日負(fù)荷總量(Total Maximum Daily Load,T M DL)控制作為CSO治理的主要依據(jù),部分國家還出臺了相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)置了污染物排放限值。目前,我國國家政策標(biāo)準(zhǔn)體系中尚未明確雨天溢流污染凈化處理的排放標(biāo)準(zhǔn)和考核方式,也就是說大部分城市在水環(huán)境治理工程設(shè)計和監(jiān)管中無法支持CSO快速凈化處理的模式。
全國政協(xié)“推進(jìn)城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效”雙周協(xié)商座談會明確提出,“建議國家層面進(jìn)一步明確政策,督促各地因地制宜盡快出臺合流制溢流污水快速凈化設(shè)施排放標(biāo)準(zhǔn)”,雨天溢流凈化排放標(biāo)準(zhǔn)的缺位已經(jīng)成為我國CSO治理的主要瓶頸。建議結(jié)合我國典型區(qū)域合流制溢流污染特征和技術(shù)可行性分析,制定合理可行的雨天溢流凈化排放標(biāo)準(zhǔn),同時從國家層面明確政策要求和考核評估辦法,支撐快速凈化措施落地實(shí)施。
3.2 強(qiáng)化降雨溢流污染監(jiān)測與特征分析,科學(xué)規(guī)劃設(shè)施建設(shè)
與發(fā)達(dá)國家不同,我國排水管道普通存在建設(shè)不完善、工程質(zhì)量差、運(yùn)行管理不到位等問題,旱季合流制管道高液位低流速運(yùn)行的情況比比皆是,導(dǎo)致污水污染物不斷在管道內(nèi)沉淀沉積,遇強(qiáng)降雨沖刷后再次懸浮,成為溢流污水中顆粒物和有機(jī)污染物的主要來源。這也是目前大部分城市降雨污染沒有表現(xiàn)出明顯“初期沖刷效應(yīng)”的關(guān)鍵所在,是我國CSO污染的獨(dú)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(shí)際的年溢流頻次、溢流發(fā)生的邊界條件及溢流水質(zhì)水量等底數(shù)情況并不清楚,對降雨污染的科學(xué)治理形成了一定阻礙。建議進(jìn)一步加強(qiáng)降雨期間典型地塊、泵站、雨水口、溢流口、合流制污水處理廠/站的水質(zhì)水量監(jiān)測和特征分析,并納入統(tǒng)一管理,為CSO快速凈化設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)以及源-網(wǎng)-廠-河/湖一體化系統(tǒng)治理提供科技支撐。
3.3 研發(fā)CSO快速凈化關(guān)鍵技術(shù)與裝備,探索建設(shè)運(yùn)行新模式
由于沒有排放標(biāo)準(zhǔn)作為考核依據(jù),國內(nèi)大部分降雨污染治理工程被要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級A甚至更高標(biāo)準(zhǔn),很多設(shè)施不得不選用以活性污泥或生物膜技術(shù)為核心的生物處理工藝,而一級強(qiáng)化、旋流分離等快速凈化技術(shù)由于難以達(dá)到較高的排放標(biāo)準(zhǔn)往往不被認(rèn)可和采納。
由于降雨具有短時爆發(fā)性和季節(jié)性特征,生物處理不僅需要解決雨季的負(fù)荷沖擊影響和旱季的微生物活性維持問題,通常還存在投資高、占地面積大、旱季“曬太陽”的困擾。在已有科研成果基礎(chǔ)上,突破啟動反應(yīng)時間、污染物去除效能、設(shè)施占地等技術(shù)瓶頸,研發(fā)符合我國實(shí)際溢流污染特征的快速凈化處理關(guān)鍵技術(shù)和成套化裝備,積極探索可推廣可復(fù)制的建設(shè)運(yùn)行模式,是科學(xué)推進(jìn)降雨污染控制的有效途徑之一。
3.4 簡化快速凈化設(shè)施征地審批手續(xù),優(yōu)化建設(shè)審批流程
現(xiàn)階段我國大部分城鎮(zhèn)污水處理廠已經(jīng)處于飽和或超負(fù)荷狀態(tài),污水處理廠內(nèi)通常不具備擴(kuò)建或新建一級強(qiáng)化等快速處理設(shè)施的條件,即使解決了污水處理廠內(nèi)占地問題,很多城市可能還涉及辦理污水處理廠新增入河排污口的審批和許可,或?qū)υ腥牒优盼劭谶M(jìn)行調(diào)整變更等程序。
如擬在城市水體沿線增設(shè)快速凈化設(shè)施,不僅需要辦理設(shè)施占地、排污許可申請,還需要考慮鄰避效益的影響。為解決上述問題,建議各地合理劃定城市水體藍(lán)線,并將快速凈化設(shè)施的征地和排污許可審批手續(xù)納入地方行政服務(wù)聯(lián)審聯(lián)辦制度,進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)施建設(shè)審批流程,減少審批時間,從管理層面給予更多引導(dǎo)和支持。
4 結(jié) 語
隨著水污染防治工作由全面治污轉(zhuǎn)向精 準(zhǔn)治污、科學(xué)治污,CSO污染控制已經(jīng)成為現(xiàn)階段我國城市水環(huán)境治理的工作重點(diǎn)和難點(diǎn)。發(fā)達(dá)國家實(shí)踐證明,以一級強(qiáng)化、旋流分離或快速過濾為主的單一或組合技術(shù)可有效削減入河SS、COD和TP的污染負(fù)荷,具有水力負(fù)荷高、占地面積小、啟動快、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是符合我國實(shí)際國情的CSO污染控制方式。
我國要想進(jìn)一步推進(jìn)CSO快速凈化處理,亟待研究出臺雨天溢流凈化排放標(biāo)準(zhǔn)和考核辦法,同時強(qiáng)化溢流污染基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測和科研投入,探索切實(shí)可行的建設(shè)運(yùn)行模式,建議地方主管部門進(jìn)一步優(yōu)化工程建設(shè)審批程序,支持快速凈化處理設(shè)施落地。
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