美國金縣合流制溢流控制案例之技術與標準
摘要：美國金縣的合流制溢流控制經過40多年的研究和實踐，已形成了較為完整的技術標準體系和監督管理體系，取得了良好的成效，很多方面在美國處于較領先水平。金縣將污水處理廠、合流制溢流調蓄與處理廠、合流制管網溢流排放口統一納入1個排放許可進行管理，“廠-網”排放標準與工藝工況設計以受納水體環境質量為目標，與雨季、旱季運行條件相匹配，污染物減排“費用-效果”較優。著重介紹了金縣西點污水處理廠流域合流制溢流控制工程的實施與運行情況、排放標準與達標情況，以期為我國城市合流制溢流控制工程實踐提供借鑒。
01 基礎設施與受納水體基本情況
在西點污水處理廠流域范圍內，由金縣管轄且納入國家污染物排放削減（NPDES）許可管理的排水設施包括38個CSO排放口、4座CSO處理廠及西點污水處理廠。需指出的是，由于最近一個許可期（2015年—2020年）內的監測數據尚未匯總發布，故所引數據均來自2009年—2014年許可期。
1.1 排水管網
金縣污水收集系統分為東、西兩個分區，西點污水處理廠收集處理西區污水，覆蓋華盛頓湖以北、以西區域及西雅圖市區。其中，華盛頓湖以北區域為分流制，西雅圖市區約75%的區域（約169.97km2）為合流制，合流污水通過泵站、截流干管最終由兩條隧道匯入西點污水處理廠。
金縣采用監控與數據收集系統（SCADA）自動監測并控制西區污水系統中的污水流量，可最大限度地利用管網的調蓄能力減少CSO，以及最大限度地降低管網流量激增，使盡量多的污水得到處理。
1.1.1 CSO排放口
金縣管轄的CSO排放口共38個，均分布在西雅圖市區內，1983年的分析表明，這些排放口平均每年發生431次溢流，未經處理直接排放的合流污水達量871×104m3/a。自1988年起，西雅圖市政局和金縣實施了一批項目，CSO頻次和水量得到一定控制，根據2006年—2012年的數據，金縣平均每年未經處理直接排放的合流污水已減至307×104m3。
1995年—2005年，金縣建設了Elliott West CSO 處理廠和Henderson/MLK CSO處理廠，并建設了CSO監控網站，公眾可通過網站對CSO進行實時監督評價。2008年發布《CSO削減計劃（2008年更新版）》，提出優先在沿海區域實施部分CSO控制項目，并于2013年底開工建設4 個CSO控制項目，包括3個調蓄池建設項目和1個社區綠色基礎設施建設項目。2012年，金縣通過了《CSO長期控制規劃（2012年修訂版）》，并于2013年與州環保局、國家環保局（EPA）及聯邦司法部達成協議，提出實施9項CSO控制要求，將每個CSO排放口的排放事件數控制在年均不超過1次，并在2030年前完成。2013年協議和長期控制規劃中指出，38個CSO排放口已有16個達到“年均不超過1次”標準，并詳細給出了22個未達標CSO排放口的編號、名稱、排放受納水體、目前控制狀態、工程實施規劃與狀態等信息。
1.1.2 入流/入滲控制
金縣于1999年提出“地區入流/入滲（Inflow/Infiltration，I/I）控制項目”，旨在“費用-效果”可行時，降低管網雨季峰值流量，控制分流制污水管網溢流，減少外水的輸送和處理費用。為落實該項目，金縣與地方相關部門投入4 100萬美元，歷時6年，實施了I/I研究項目。該研究項目始于2000年，主要開展了以下工作：①采用大量流量監測和模型分析，確定地方管網系統I/I對地區管網系統的貢獻量；②在12個地方管網系統內選擇實施10個試點項目，開展I/I控制效果評價，進行I/I控制技術測試并積累投資成本信息；③2004年提出I/I系列控制草案，包括模型標準、操作流程、政策、指南等；④2005年11月完成I/I控制“費用-效果”分析；⑤提出地區I/I長期控制規劃，并于2006年5月通過金縣批復；⑥2007年—2009年由金縣與各地方當局一同開展I/I控制可行性分析，并選擇3個區域開展I/I控制先行先試；⑦實施“Skyway and sewer district”流域I/I控制項目，對350條支管進行修復，目標為管網I/I峰值流量削減不小于60%，約0.38×104m3/d。受流域范圍估計不足及地下水位不穩定等因素影響，該項目實際實施效果并不理想，經監測和模型初步評估，I/I峰值流量削減值為19%。
1.2 CSO處理廠
1.2.1 處理能力與工藝工況
金縣4座CSO處理廠的設計能力見表1。
① Alki CSO處理廠
Alki CSO 處理廠建于1958年，具備污水一級處理能力，1998年被改造為一座接近全自動化的CSO處理廠，并于1999年納入NPDES許可管理，工藝工況見圖1。旱天運行時，污水送往西點污水處理廠進行二級處理。雨天運行時，當管網流量超過下游調流構筑物過流能力或下游調蓄隧道蓄滿時，Alki CSO處理廠通過格柵、沉淀及消毒處理合流制污水。此時，若進水量較小，進水在CSO處理廠自身調蓄空間內消納，無出水排放；若進水流量低于設計處理能力且水量超過處理廠調蓄能力，CSO處理廠出水經排放口排放入海；若進水流量超過設計處理能力，污水通過泵站經CSO排放口直接溢流入海。雨后或降雨過程中，下游泵站能力有富余時，廠內污水、泥砂均回流至管網送往西點污水處理廠處理。
② Carkeek CSO處理廠
Carkeek CSO處理廠建于1962年，1994年11月金縣新建泵站并將其改造為CSO處理廠，隨后納入NPDES許可管理，工藝工況如圖2所示。
旱天運行時，Carkeek CSO處理廠僅作為泵站運行，污水送往西點污水處理廠。雨天運行時，設施開啟至關閉的全過程始終有人員值守，并提供預防性的運行檢查與維護，工藝工況與Alki CSO處理廠類似。
③ Elliott West CSO處理廠
Elliott West CSO處理廠建于2005年5月，當年納入NPDES許可管理，新建設的格柵、消毒設施、出水切換與脫氯設施及排放口等是對原有CSO控制設施的有效補充，工藝工況如圖3所示。
當雨天流量超過分流/調流構筑物能力時，合流污水溢流進入調蓄隧道，超過隧道調蓄能力且下游截流構筑物截流能力無富余時，CSO處理廠運行，出水通過處理廠排放口排放入海；當流量>94.6×104m3/d時，污水通過CSO 排放口排放入海。雨后或降雨過程中，只要下游截流構筑物有富余能力，隧道內污水、沉積物均送往西點污水處理廠處理。
④ Henderson/MLK CSO處理廠
2005年，通過更新原有泵站并建設具備調蓄和處理能力的隧道，Henderson/MLK CSO處理廠建成并納入NPDES許可管理。工藝工況如圖4所示。
雨天運行時，超過調流閘門能力的污水溢流進入隧道進行沉淀和消毒處理，隧道蓄滿時，污水溢流至出水口并經格柵處理后由處理廠排放口排放入河。雨后或降雨過程中，當下游干管水位降至一定高度時，隧道中存儲的污水、沉積物均經干管送往西點污水處理廠或南部污水處理廠處理。
1.2.2 進水與出水水質
根據金縣2009年7月—2013年10月監測數據，4座CSO處理廠進、出水情況如表2所示，為與進水水質進行對比，出水僅列出BOD5和TSS兩個參數。
1.3 西點污水處理廠
1.3.1 處理能力與工藝工況
西點污水處理廠建于1965年，1995年被認定為具備二級處理水平，來水包括家庭和商業污水以及西雅圖市工業廢水（約3.6×104m3/d），1999年被納入NPDES許可管理。西點污水處理廠設計處理能力見表3，工藝工況見圖5。當雨天進水流量>114×104m3/d時，合流制溢流污水超越生物處理單元，經消毒處理后與二級處理出水混合再排放。
1.3.2 進水與出水水質
根據金縣2009年7月—2013年10月監測數據，西點污水處理廠進、出水水質如表4所示，為與進水水質進行對比，出水僅列出CBOD5、TSS兩個參數。
此外，金縣分別于2012年1月、4月、7月、10月對西點污水處理廠排放水的急性毒性和慢性毒性進行了測試。結果表明，出水水質達到了急性毒性排放標準，即測試水量100%為排放污水時，相應濃度下暴露后水生生物的存活率中值不小于80%，且各獨立測試的存活率均不小于65%；同時，水質也符合慢性毒性標準要求，即空白對照水樣與測試樣的毒性無顯著統計差異，其中，測試樣中3.1%為排放污水，其余為未受排放污水污染的受納水體水，空白對照水樣中100%為未受排放污水污染的受納水體水。
1.4 受納水體法定功能與水質基準
1.4.1 水生生物保護功能
西點污水處理廠、Alki CSO處理廠、Carkeek CSO處理廠出水排放至Puget Sound海灣非凡等級的水域，Elliott West CSO處理廠出水排放至Puget Sound海灣杰出等級的水域，出水水質需要滿足如表5所示的具有水生生物保護功能的水質基準。Henderson/MLK CSO處理廠出水排放至Duwamish河杰出等級的水域，由于河道受潮汐影響，所具有的水生生物保護功能的水質基準按照杰出等級海水水域基準執行。
1.4.2 貝類捕撈功能與娛樂功能
西點污水處理廠、Alki CSO處理廠、Carkeek CSO處理廠、Elliott West CSO處理廠排放口周邊水域需具備貝類捕撈功能與海水直接接觸類娛樂功能，糞大腸桿菌菌群幾何平均值≤14個/100mL，且糞大腸桿菌菌群幾何平均值>43個/100mL的水質樣品數量占比≤10%，或水質樣品數量<10個時占比為0。
1.4.3 養殖功能與娛樂功能
Henderson/MLK CSO處理廠出水排放口周邊水域需具備水生生物養殖與遷移功能及淡水非直接接觸類娛樂功能，糞大腸桿菌菌群幾何平均值≤200個/100mL，且糞大腸桿菌菌群幾何平均值>400個/100mL的水質樣品數量占比≤10%，水質樣品數量<10個時占比為0。
1.4.4 其他功能
受納水體還應具備野生生物棲息、捕撈、貿易與航運、帆船運動及美學功能。
02 排放標準
2.1 基于技術的排放限值與達標情況
2.1.1 CSO排放口
作為基于技術的排放限值，聯邦CSO控制政策要求必須實施CSO“九項基本控制措施”?！熬彭椈究刂拼胧毕嚓P文章介紹較多，不再贅述。
2.1.2 CSO處理廠
CSO處理廠基于技術的排放限值如表6所示，所有水質參數均以排放事件為單位進行監測和評價。值得注意的是，TSS去除率包含CSO處理廠內的去除量和回流至西點污水處理廠處理獲得的去除量；對于SS，考慮間歇進水、流量變化劇烈的特點，州環保局采用年均值進行評價。
根據金縣2009年7月—2013年9月的監測數據，4座CSO處理廠達標情況如下：
① Alki CSO處理廠：糞大腸桿菌、總余氯、pH排放限值不達標事件共有9次。2009年—2012年逐年計算，共有27次進水事件和19次排放事件，各年TSS和SS排放限值均達標，共減少25.4×104m3合流污水直接排放入海；按4年平均計算，出水排放量和排放事件次數限值分別為40.9×104m3和29次，實際分別為19.7×104m3和5次。
② Carkeek CSO處理廠：糞大腸桿菌、總余氯、pH排放限值不達標事件共有5次。2009年—2012年逐年計算，共有50次進水事件和23次排放事件，各年TSS和SS排放限值均達標，共減少6.4×104m3合流污水直接排放入海；按4年平均計算，出水排放量和排放事件次數限值分別為17.4×104m3和10次，實際分別為7.2×104m3和6次。
③ Elliott West CSO處理廠：2009年—2012年逐年計算，共有158次進水事件和45次排放事件，共減少337×104m3合流污水直接排放入河。由于人為和設備故障，糞大腸桿菌、總余氯、pH排放限值、TSS、SS不達標事件共有36次。
④ Henderson/MLK CSO處理廠：2009年—2012年逐年計算，共有12次進水事件和4次排放事件，各年TSS和SS排放限值均達標，共減少9.1×104m3合流污水直接排放入河。
2.1.3 西點污水處理廠
西點污水處理廠基于技術的排放限值見表7。
按照聯邦政府CSO“九項基本控制措施”要求，金縣應最大限度地將合流污水送往西點污水處理廠處理，以削減CSO。超時、超量徑流雨水進入污水處理廠會影響CBOD5與TSS濃度削減效果，州環保局根據近4年月平均進水濃度分析，提出旱季與雨季濃度削減率分別為85%和80%。2009年7月—2013年9月監測數據表明，西點污水處理廠達到了許可規定的排放限值要求。
2.2 基于水質的排放限值與達標情況
2.2.1 CSO排放口
華盛頓州要求所有合流制溢流點位均不能影響受納水體水質標準達標與法定功能，溢流形成的顆粒物沉積還應滿足沉積物標準，且不能對生物有不利影響。為此，州環保局對CSO制定的標準為“未經處理的CSO排放事件年均不超過1次”，金縣在每年的NPDES許可執行情況總結及在CSO長期控制規劃修訂時，需逐年計算包括該年與前19年在內的共20年CSO次數的平均值，以評價各年、各CSO排放口是否達標。如上所述，38個CSO排放口已有16個達到“年均不超過1次”的標準。
2.2.2 混合區標準
按照EPA的有關政策，在水體具有稀釋能力、點源排放口排放標準允許超出受納水體水質標準時，要求排放污水和受納水體實現快速和完全的混合，在一個體積有限的混合區內達到水體水質標準，即在混合區范圍內，可以不達到受納水體水質標準，只滿足水體的法定功能即可，但在混合區的外邊界處及其外圍均應達標。對于排水綜合毒性（Whole Effluent Toxicity，WET）指標，混合區可分為急性（毒性）混合區和慢性（毒性）混合區。
華盛頓州環保局要求采用模型方法分析排放污水與受納水體在一定水力臨界條件下的混合區邊界處的稀釋因子、水質標準達標情況及混合區范圍。稀釋因子表示污水量與受納水體水量的混合量，如稀釋因子為430，表示邊界處排放污水體積占1/430，受納水體體積占429/430。混合區范圍應盡量小，金縣要求混合區寬度不得超過河道總寬度的25%，具備條件時可通過在排放口增設擴散器等方式，使混合更迅速和更充分，進而使混合區尺寸更小。
混合區的水質標準包括水生生物標準和人體健康標準，前者可應用在急性和慢性混合區邊界上，后者則僅用于慢性混合區邊界上。急性、慢性混合區的水質標準根據毒性水質基準與毒性閾值確定。對于急性毒性閾值，可根據受試生物經過48 h或96 h短期暴露后的存活率確定；對于慢性毒性閾值，可根據受試生物經過7 d較長時間暴露后的存活率與繁殖發育情況確定。根據毒性閾值，可進一步計算得到急性毒性單位TUa和慢性毒性單位TUc，TU值越大，表示毒性越強。EPA建議將0.3TUa和1.0TUc分別作為受納水體的急性和慢性毒性水質基準，個別地區直接采用該值作為受納水體的毒性水質標準。例如，阿拉斯加州要求慢性混合區邊界處和污水排放口處（若不存在混合區）的毒性水質標準為1.0TUc；明尼蘇達州某部落要求若存在混合區，急性和慢性混合區邊界處的毒性水質標準分別為0.3TUa和1.0TUc，若無混合區，污水排放口處的急性和慢性毒性標準值分別為1.0TUa和1.0TUc。
綜上，確定受納水體的混合區稀釋因子、水質標準及混合區大小后，便可按照受納水體水質基準制定相應的污水排放限值，即基于水質的排放限值。NPDES許可（2015年—2020年）中給出了西點污水廠和4個CSO處理廠的混合區范圍和稀釋因子，具體如表8所示。根據這些數據及所述受納水體水質基準值，州環保局對各處理廠排放限值進行了校核，表明受納水體溶解氧、pH、糞大腸桿菌、濁度、有毒物質（氨、氯化物、金屬及其他優先控制污染物）及溫度等水質基準達標。
2.2.3 定量、定性基準及反惡化要求
為保護受納水體水生生物與娛樂功能，華盛頓州確定了定量的化學、物理水質基準，根據聯邦政府的相關政策，確定了水體中總的可回收重金屬水質基準。為保護人體健康，華盛頓州采用了EPA發布的91個定量的水質基準，以避免通過食用魚類、貝類或飲用受污染的地表水而使人體暴露于與癌癥等疾病有關的污染物質中。此外，還有關于放射類物質的基準和標準。
華盛頓州的限制還包含有毒或放射性污染物的污水排放行為，并通過定性的基準防止排放行為對受納水體造成如下潛在危害：①對水體法定功能有不利影響；②對生物有急性或慢性毒性作用；③破壞美學價值；④對人體健康有不利影響。
華盛頓州還制定反惡化政策使水體不再因人為污染而進一步惡化，具體包括如下規定：①對于所有地表水體，要維持和保護它們現有的法定功能以及為保護這些功能所必須達到的水質水平；②即使水體的現有水質有利于水生生物繁殖并優于人類在水中、水上娛樂所必需的水平，也要維持和保護現有水質，不可使之惡化，對水質的負面影響也只有在絕對必需的情況下且滿足一定的條件才允許發生；③國家和州一級的公園和野生動物棲息地被認為是重要的國家資源，要維持和保護這里的高水平水質水體以及其他有重要休閑和生態意義的水體，不得使之惡化。
03 啟示與建議
3.1 啟示
① “污水處理廠-管網調蓄-CSO處理廠”是CSO控制的三道關卡。污水處理廠是CSO控制的首道關卡，道理非常簡單，二級處理對合流污水的凈化效果最好，但前提是污水處理廠具備雨天處理合流污水的能力。如前所述，根據西點污水處理廠廠內合流制溢流污水設計超越流量（114×104m3/d）和旱天平均流量（50.3×104m3/d）計算，其截流倍數僅為1.3，比國內規范要求的截流倍數（2～5）還小，但真正做到截流倍數范圍內合流污水的二級處理更為重要。此外，西點污水處理廠還具備處理合流制溢流污水的較大空間（設計超越流量114×104m3/d至瞬時峰值流量167×104m3/d）。
從CSO處理廠的運行工況可以看出，在雨后和降雨過程中，只要下游管網能力出現富余，CSO處理廠或調蓄隧道內的合流制溢流污水均會優先回流至管網送往污水處理廠處理，實現污水處理廠二級處理能力的充分利用。而在Alki和Carkeek CSO處理廠的排放限值中，給出了出水排放體積和次數的要求，也表明應首先利用CSO處理廠具有的調蓄空間，迫不得已才會排放。
從CSO處理廠的運行工況還可以看出，管網中泵站、分流/調流/截流構筑物等關鍵瓶頸點的能力決定了調蓄隧道的啟動與否，而隧道調蓄能力決定了CSO處理廠是否啟動。這首先說明了管網中的這些過流能力的“瓶頸點”至關重要，其次說明了充分利用“廠-網”調蓄能力的重要性，CSO處理廠的一級處理能力僅是CSO控制的最后一關。
② CSO污水處理技術與控制標準應與CSO 特征相匹配。強降雨引發的合流制溢流最突出的特征就是流量和水質變化的劇烈性，這與污水處理廠旱天污水進水流量、水質的相對穩定性明顯不同，再加上雨水的稀釋作用，這些足以影響污水處理廠的二級處理效果，也決定了污水處理廠超越處理合流制溢流污水及CSO處理廠出水水質的不穩定性。基于此，西點污水處理廠根據實際運行經驗，分別給出了雨季和旱季有區別性的排放標準，從水質指標的考核方式上，也采用月均值、周均值這種具有彈性的方式。
對于CSO處理廠，進水流量、水質不僅發生劇烈變化，而且還是間歇性的，1年進水次數多的百余次，少的幾次，因此，處理工藝應能適應劇烈變化的水力負荷，4座CSO處理廠均采用了適應性較強的“一級沉淀+消毒”工藝，水質考核同樣采用月均值、年均值，并且以“排放事件”為單位進行分析計算。此外，水質指標的選擇也與處理工藝相匹配，以TSS、SS、糞大腸桿菌為主。
③ 受納水體環境質量是CSO控制效果的最終判別標準。美國污水排放標準分為基于技術的排放限值和基于水質的排放限值，后者是按受納水體環境質量標準倒推確定的，往往嚴于基于技術的排放限值，即水質控制指標的選擇和限值的確定應根據受納水體法定功能及相應的水質基準確定，并非越多越好、越嚴越好，從西點污水處理廠和4座CSO處理廠的排放限值及其制定方法便可以看出這一特點。此外，從“混合區”政策還可以看出，當受納水體稀釋能力較大時，還可以在一定空間范圍內給污水排放適當的“豁免權”，也值得我國借鑒。
3.2 建議
綜上可知，結合我國排水管網與城市水體建設和管理的現狀，借鑒美國金縣西點污水處理廠流域的CSO控制經驗，提出如下建議：
① 摸清“廠-網”本底條件，治理外水入侵等管網病害，評估管網過流能力和調蓄能力，識別關鍵“瓶頸點”；恢復管網“截流倍數”，調整污水處理廠的運行策略，確保污水廠的雨天處理能力。
② 對CSO水量、頻次、污染特征進行充分評估，總結CSO控制項目建設管理方面的經驗教訓，評估“費用-效果”關系，盡快出臺控制標準、技術工藝、運行工況等方面的政策法規和技術標準。
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