武汉市黄孝河合流制溢流污染控制案例
小编说：黄孝河位于湖北省武汉市汉口中心片区，历史悠久，承载着武汉市的沧桑巨变，伴随城市的发展，水环境逐步恶化。黄孝河、机场河和巡司河是武汉市最难治的三条河，被形象地比喻为武汉“三大名流”，黄孝河在治理前的情况非常糟糕，目前已然成为影响城市形象的黑臭水体，是建设部跟环保部挂牌督办的重点工程。合流制排水系统污水在雨季发生的溢流（CSOs）是主要因素，工程通过对黄孝河CSOs污水截流、调蓄、处理等有效治理措施，将污染物削减后再行排放，年溢流频次控制在10次以内，可有效缓解CSOs污染。
1 项目背景
1.1 黄孝河的历史溯源
黄孝河至今已有500多年历史。明崇祯年间，为治理汉口每年累遭汉水和府河泛滥之危害，修建袁公堤，汉水主流改道，堤外形成“十八淌子”，淌子较窄且浅；清咸丰十一年，汉口开辟租界，为便利运输，将连接“十八淌子”的河港扩宽，成为一条河流，形成了一条横卧汉口北部长12.4 km、宽10 m的河道，以黄陂、孝感各取一字得名黄孝河。后因汉口数百个湖泊被填，地区面积扩大了两倍，黄孝河的通航功能丧失，逐渐沦为城市的排水通道，且由于其自然坡度小，排水能力不足，每遇大雨，便污水四溢，渍水成灾。1983年，武汉市政府决心彻底根治黄孝河，将京广铁路以南地区河道改为箱涵，铁路以北地区（向北流至府河）仍保留明渠形式，经过8年时间，最终形成了5.3 km城市地下箱涵与5.4 km黄孝河明渠，大大缓解了排渍问题，见图1。
1.2 黄孝河系统的排水现状
黄孝河为城市内河，承担着汉口东部48.5 km²城区的雨污水排放任务，服务人口110万，其中京广铁路以南地区为合流区，面积约为19 km²，雨水经黄孝河箱涵排入黄孝河明渠，合流制排水系统旱流污水通过在箱涵出口处设置截污闸拦截并通过污水泵站提升至三金潭污水处理厂。京广铁路以北地区为分流区，黄孝河明渠为其雨水受纳水体。
1.3 黄孝河水环境现状
黄孝河历经数次整治，但水环境仍然较差。按照《城市黑臭水体整治工作指南》给出的黑臭水体污染程度分级标准，黄孝河属于城市黑臭水体。造成黄孝河黑臭的原因复杂，包括污水截流不彻底、雨天合流制污水溢流量大、内源污染严重及缺乏生态补水等多个因素。治理也需遵循“适用性、综合性、经济性、长效性和安全性”原则，采用控源截污、内源控制、生态修复、活水循环等技术措施从根本上解决黄孝河的黑臭。本文主要着重阐述控制雨天合流制溢流（CSOs)污水对黄孝河明渠污染的问题。
2 黄孝河合流制溢流（CSOs）污染控制
2.1 CSOs污染特点
黄孝河排水系统合流片区位于中心城区，属于老城区，建设密度较高，合流制管网改为分流制实施难度极大，暂时保留其合流制排水管网相对合理，但与此同时也带来了合流制溢流污染问题。
在降雨（或融雪）期，由于大量雨水流入排水系统，合流制排水系统内的流量超过截污流量时，超过排水系统负荷的雨污混合污水便会直接排入受纳水体，这被称为合流制管道溢流（Combined Sewer Overflows，简称 CSOs）。合流制管道溢流不仅会严重影响水生生物的生长繁殖，造成水体富营养化，污染受纳水体，尤其是对自净能力弱、环境容量较小的城市内河，将对其水生态环境产生致命的破坏，直接将其变为黑臭水体，对城市居民的健康产生不利影响，制约城市的可持续发展。
旱季时，合流制管网中只有城市污水，排水管渠断面大，而污水量小、流速慢，管道中产生淤积，这些淤泥包含了大量的污染物及致病微生物；雨季时，雨水径流进入合流制管网，排水量变大，流速较高，将旱天沉积在管网的污染物冲刷下来，使合流污水中污染物的浓度比单纯的降雨径流大很多。因此，合流制管网中污水的水量和水质是变化的。雨水管道沉积物是影响CSOs的主要因素之一，有研究表明，合流制排水系统排入河道的污染物约有60%来自于管道沉积物。这主要是由于旱季沉积在管网内的污染物被雨天大量雨污水冲刷而混入合流污水中，导致污染物浓度的升高。
2.2 黄孝河CSOs污染治理思路
黄孝河污水系统内现有1座处理规模50万m³/d的三金潭污水处理厂，配套建设的污水泵站有铁路桥泵站、建设渠泵站、塔子湖泵站和石桥泵站等，其中铁路桥泵站位于合流制管道系统末端（暗涵末端，明渠起端），合流制污水若不能被该泵站抽排则会翻越明渠点水闸，溢流进入黄孝河明渠起端，污水处理厂和泵站的位置分布如图2所示。
2016年武汉市对汉口地区第三、四季度污水系统关键点进行水质、水量排查，黄孝河污水系统实测污水量详见表1。
从实测数据可以得出三金潭污水处理厂处于满负荷运行状态，在雨季，黄孝河明渠溢流更加严重，特别是铁路桥泵站，设计截流倍数较小，因城市发展居住人口增加带来的污水量增加，使得泵站常年满负荷运行，已没有余量对CSOs污水进行提升处理。
充分考虑现状、用地及可实施性，为最大程度的治理CSOs对黄孝河明渠段的污染，将污水处理厂消纳不了的CSOs污水接入CSOs在线处理设施，通过调蓄池来调节污水量与处理设施规模的不匹配，具体做法如图3所示。
3 黄孝河CSOs控制设施的具体设计
3.1 CSOs进口节制闸
进口节制闸既能保证合流制污水优先进入污水处理厂，又可将污水处理厂消纳不了CSOs污水接进截污箱涵（将明渠起端的水位控制在泵站正常吸水最低水位与明渠起端水闸不发生溢流水位之间，最大程度的减少溢流的发生）。
根据运行工况及现场安装条件，选用占地较小布置更灵活的液动下开式堰门，闸门尺寸B×H=4 000 mm×3 000 mm，安装在截污箱涵的进口处。由于合流制污水进入CSOs截污箱涵之前已经过一道粗格栅，因此本工程CSOs截污箱涵起端不再另设格栅。
3.2 CSOs截污箱涵
根据实际情况，参考欧美国家相关标准，合理确定污染控制目标，如溢流总量控制率、溢流次数、溢流污染总量等。根据降雨资料筛选出满足控制目标要求的临界降雨，根据降雨量及暴雨强度，初估调蓄池容积和截污箱涵过流能力，通过水力模型模拟试算修正，最后采用多年实际降雨资料进行模型验证。设计断面尺寸B×H=4 000 mm×3 000 mm；设计水力坡度为0.7‰；设计过流能力22 m³/s；全长5 km。
3.3 调蓄池
设调蓄池1座，设计有效容积V=25万m³，平面占地面积3.4万m²，有效水深7.3 m，分为5个蓄水室。将调蓄池分格的目的旨在适应多种雨情，提高调蓄池及其设备的有效利用率、降低能耗、方便调蓄池运维及管理。分格后，前2个蓄水室利用率较高且存储CSOs污水也较脏、污染物相对集中。
CSOs调蓄池内的设备相对较少。其中关键设备为冲洗系统设备，若不能进行有效的冲洗，池底出现淤积，清洗难度大，且淤积的污泥厌氧发酵也会释放有毒有害气体，其中厌氧发酵产生的甲烷为易燃易爆气体，为运营带来巨大风险。为了保证其正常工作，每次蓄水结束后对池体污染物的清洗至关重要；需要配备冲洗效果好、自动化程度高的冲洗工艺。
配合调蓄池的分格，在利用率较高，且储存水污染物含量较高，产生沉积比较多的蓄水室中，使用冲洗效果最有保证的智能喷射器作为冲洗设备；在后续利用率较低，且储存水污染物含量较低，产生沉积比较少的蓄水室中，使用较为安全可靠且应用最为普遍的门式冲洗。
3.4 强化处理设施
一般情况下调蓄池的排空时间为12～48 h，根据模型演算结果，本工程调蓄池排空时间12 h可满足系统污染控制要求。设强化处理设施1座，处理规模为6 m³/s。进水水质根据实测不同降雨时段的CSOs水质综合确定，由于调蓄池具有一定的水质调节功能，可不考虑极端峰值，但是在降雨量较少时，污水平均浓度却较高，因此本工程确定的进水水质指标为：SS=70～500 mg/L，TP=2～4 mg/L，排放标准依据排放府河污染物总量要求确定，为：SS=10 mg/L，TP=1 mg/L，由于COD、BOD等指标与上述两项指标具有一定相关性，因此其他指标不作要求。
强化一级处理可以在较少提高基建和运行成本的条件下，显著地提高污染物的去除。对于低浓度的污水，经过强化一级处理工艺可以实现直接达标排放。强化一级处理在基建投资、运行维护费用、占地面积、电耗及人力等方面均远低于传统的二级生化处理工艺，而且运行管理简单方便、处理稳定、见效快、环境效益好，它不仅能在短时间内，以较少投资和较低运行费用使污水得到有效治理，对于缓解当前我国亟待解决的水环境污染问题，实现经济和环境的可持续发展战略也有重要的现实意义。
本工程采用化学、结团联合絮凝强化作为CSOs污水处理主体处理工艺，见图4。
CSOs污水经过细格栅及曝气沉砂池后，进入集成的加介质高速混合絮凝沉淀池，通过向混合池中投加混凝剂，使污水中的悬浮和胶体态物质与混凝剂作用发生脱稳、聚集，同时污水中的磷与混凝剂反应通过化学沉淀、混凝沉淀和选择性吸附等过程将污水中的磷去除；在絮凝池投加有机高分子絮凝剂，通过吸附架桥和卷扫作用提高混凝去除效率；同时在絮凝池投加介质载体，进行结团增强絮凝，进一步提高去除效率。通过化学絮凝与结团絮凝的联合强化作用，形成的高密度的颗粒具有较好的沉降性能，通过斜管沉淀区后即可高效完成分离过程，沉淀池液面负荷为30 m/h。
4 结语
合流制污水在雨季溢流至黄孝河，是导致其成为黑臭水体的主要原因之一，本工程通过对CSOs污水进行调蓄处理，将其净化达标后再行排入水体，解决了合流制溢流造成的污染；而面源污染也是黄孝河黑臭的成因之一，欲从根本上解决黄孝河的黑臭还需对沿河雨水排口进行初雨弃流，实施海绵措施，解决面源污染。
此外，黄孝河黑臭水体的治理需要将CSO调蓄与处理系统与排水管网、城污水提升泵站、市污水处理厂、末端抽排泵站联合优化调度，综合把控，发挥每项设施的最大能量，来确保黄孝河水质长治久清，还自然之汩汩绿水。
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