城市排水系统体制探讨

图6 不完全分流制排水系统
Fig.6 Incomplete separate system

　　分流制的优点是它可以分期建设和实施，一般在城市建设初期建造城市污水下水道，在城市建设达到一定规模后再建造雨水道，收集、处理和排放降水尤其是暴雨径流水。
　　在一个城市中，有时采用的是复合制排水系统，即既有分流制也有合流制的排水系统。复合制排水系统一般是在由合流制的城市需要扩建排水系统时出现的。在大城市中，因各区域的自然条件以及修建情况可能相差较大，因地制宜的在各区域采用不同的排水体制也是合理的。如美国的纽约以及我国的上海等城市便是这种形势的复合制排水系统。

　　在发达国家,随着点源污染基本得到有效控制,雨水径流带来的非点源污染已成为水体污染的主要因素。如美国约有60%的河流和50%的湖泊污染与非点源污染有关;已实现污水二级处理的城市,水体BOD年负荷约40%～80%来自雨水径流^[4,5]。我国雨水径流引起的污染问题也很严重。在太湖、滇池等重要湖泊,非点源污染尤其是氮、磷等营养物的污染已成为水质恶化的主要原因之一。雨水径流携带大量污染物排入城市水系也造成严重污染^[6,7]。初步的保守估算,城区雨水径流污染占水体污染负荷的比例,目前在北京和上海约占10 %左右。到2010 年的规划实施后,城市雨水径流污染负荷的比例北京将上升到12%以上,上海将上升至20%左右^[8]；南水北调东线工程南四湖流域的非点源污染，其COD和BOD5复合占总负荷的15%，而其氮、磷负荷则占总负荷49%^[9]。

　　河湖水系的污染，在很大程度上是排水体制的不合理造成的。事实上,考虑径流污染物输送的非连续性和爆发性,其污染负荷所占比例在雨季的短时段内会成倍升高,超过点源污染,对城市水体造成冲击性影响,严重制约城市水环境质量的彻底改善,许多城市暴雨后发生的水污染事件都是很好的例证。近二三十年间,城市雨水污染在发达国家受到广泛关注,许多国家对城市径流污染及控制进行了深入的研究,制定了系统的法规、管理和技术体系。
　　60年代，美国就已经开始了对城市雨水径流和合流制溢流(CSO)污染控制的研究，其对600多个城市的排水系统调查的结果表明，把直排式合流制改造为截流式合流制与将合流制改造为分流制的投资比为1：3。1972年通过《清洁水法》后，美国环保局、各州和地方水污染控制机构己经采取措施减少排水管道污水的溢流量，同时对雨污混合污水在溢流前进行调节、处理及处置, 使之溢流后对水体的水质影响在控制的目标之内。例如，美国一些州, 要求在溢流之前就地对混合污水作一级处理, 并限制每个溢流口因超载而未加处理的混合污水溢流次数;如果没有联邦政府授权或州政府的允许，排水管道的污水不允许溢出。同时，对污染严重地区雨水径流的排放作了更严格的要求, 如工业区、高速公路、机场等处的暴雨雨水要经过沉淀、撇油等处理后才可以排放。到1983年，针对雨水径流污染研究开发出各种技术和非技术措施，如城市雨水污染的评价与监测；科学管理城市雨水资源和控制雨水径流污染的BMP模式(Best management practice)；水土流失的控制；雨水渗透和入流控制；CSO及雨水处理技术等。并于1986年修订了《水质法》(Water Quality Act)来控制非点源污染，使美国环保局(EPA)开始有效地依法参与城市雨水径流的管理^[10]。
　　美国环保局最近调查显示，在美国31个州和哥伦比亚地区，市政处理设施每年收集、处理并排放的废水有50万亿m³，而772个合流制排水管道系统每年排放的未经处理的雨污水大约为38.64亿m^3[11]。这些合流制排水管道污水溢出会导致海滩遭受破坏，饮用水源及供水系统受到污染，包括野生动物排泄物造成的病源寄生虫污染，如隐孢子虫（cryptosporidium）、贾第虫（Giardium）等，环境和公众健康受到影响，甚至威胁人的生命^[12,13]。针对合流制溢流、分流制雨水的污染状况，采取了相应措施，例如改造合流管道，改进雨水管道中截污装置的材料来提高装置的截污效率。同时，增大原有管道的尺寸、污水厂的处理容积，尽量减少溢流量。亚特兰大还兴建了地下隧道、贮存池与管道相连，雨天时，隧道和贮存池用于贮存过多的雨污水，降雨过后，再将这部分雨污水输送至污水厂。甚至将贮存池进一步改造成带有砾石床的湿地处理系统，储存的同时进行净化，但这种系统的维护管理费用较高^[14]。费城在溢流口采用充气式橡胶堰，可充分利用现有系统的贮存容积，减少溢流量。据统计，通过采用这项技术，费城一场降雨的溢流量可减少70% ^[15]。
　　以德国为代表的欧洲国家从八十年代开始重视城市雨水径流污染的控制。他们不是依赖“雨污分流”的办法来控制城市雨水径流污染，而是把重点放到源头污染控制、削减城市雨水径流量和其它雨水径流污染控制的技术性和非技术性措施上^[16]，在排水系统的上游各子流域内,将雨水或就地渗入地下,或延长其排放时间,或暂时蓄存,以收到削峰、减流、净化雨水径流、补充地下水的效果。其工程设施有渗塘、地下渗渠、地表透水铺面、屋面或庭院或停车场的受控雨水排放口、以及各种“干”或“湿”的池塘或小型水库等。近年来城市雨水径流管理新系统的研究较多地集中在补充地下水、净化地表径流的可渗性雨水排放系统上^[17]。例如，西欧国家以及美国一些州要求,新土地开发规划时,必须将开发所引起的超出原天然状态的径流量,部分或全部就地渗入地下。据1998年统计，德国共拥有雨水池31044座，总容积达到3314万m³，平均每人0.404 m³。到2002年，德国已拥有3.8万座雨水池，其中溢流截留池2.4万座，雨水截留池1.2万座，雨水净化池2000座，总容积达到4000万m³，平均每座污水厂拥有近4座雨水池^[18]。
　　在对待合流制溢流的问题上，瑞典和德国是两个典型的倾向于利用雨水池来控制溢流污染的国家。因为认识到分流制耗资巨大，合流制改造为分流制影响范围大，耗时长，技术上又不足以有效地防止城市雨水径流对水体的继续污染，瑞典在八十年代初就放弃了市政管网雨污分流的思想,而是采用修建雨水入渗和雨水渗透设施来减缓暴雨径流，进行源头控制，80年代初，仅居民户就修建渗透设施14000余个^19]。
　　日本在八十年代也开展了对城市雨水利用与管理的研究，提出“雨水抑制型下水道”并纳入国家下水道推进计划，制定相应的政策，己有大量的工程实施。在1992年，日本政府颁布了“第二代城市下水总体规划”，正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分。本世纪初，又决定在东京建造大深度地下河道，把雨水有计划的贮存起来，以减小洪峰流量，并作为中水水源^17]。
　　截流式合流制排水系统因与城市的逐步发展密切相关，因而它是迄今国内外现有排水体制中用的最多的一种。例如德国、英国、法国、日本的合流制排水管道占排水管道总长度的70%左右，丹麦约占45%，德国科隆市合流制管系甚至占94%。据考察，日本东京的合流制排水管道也占到了90%以上^[19]。
　　总体来看，近几十年来，欧美国家对已有合流制排水系统，并不是一味盲目地改造为分流制，而是对原有合流制进行改造，并采取相应的溢流污染控制措施，同时实施对分流制排水系统污染的控制。这些国家都有他们自己城市发展的历史、现实和自然条件，采取相适应的排水体制战略，但走过的弯路或积累的经验，以及对待排水体制采取非绝对而务实的态度和一些重大的战略性决策很值得我国借鉴。

　　我国在城市排水方面，一直以来偏重于污水处理技术研究，对城市排水体制方面的关注极少。科技进步对城市排水管网领域的推动作用不大，作为一个整体系统，城市排水管网领域的现代科学理论和技术己大大落后，与先进的城市污水处理理论与技术形成强烈的反差 ^[20]。在对待城市排水体制和雨水问题上，主要还停留在单纯“排放”的思考上，简单地倾向靠分流制来解决点源污染的控制，而忽视雨水资源的保护利用与城市生态的关系，忽视雨水的排放和非点源污染的关系。另外，我国在有关城市排水管道的污染规律及雨水径流，合流制溢流污染控制的基础理论、工程规划与设计、管理与法规等方面几乎处于空白状态。实际上，仅靠分流制解决点源污染，隐患较多^[16]。
　　我国的新建城市(区)，如深圳市，上海浦东，大连开发区等，都是分流制排水系统。由于设计、施工和管理方面的原因，在这些新建城市(区)中，并没有真正实现完全分流制所期望的目标，也没有将污水处理厂服务流域内的污水全部收集到污水处理厂^[21]。另外，北京、天津、昆明等许多城市也规划将合流制完全改造成分流制排水系统。北京已有三分之二的排水系统为分流制，最近几年，在点源污染治理、河湖水系生态保护方面加大了力度，但部分河湖在降雨后仍有严重的“水华”现象发生，有的河段、湖泊富营养化现象依然严重，这些状况很大程度上是由非点源污染造成的。分流制排水系统使污染严重的初期雨水和部分小雨都直接排入水体，在减少合流制溢流污染的同时却增加了非点源污染问题。
　　近年来，随着可持续发展的呼声越来越高，我国一些学者开始关注和研究城市雨水径流的污染和雨水资源的保护与利用，于80年代初期在北京开始了对城市雨水径流非点源污染的研究,此后其他一些城市也相继开展过相关研究。但由于点源污染矛盾一直突出,对城市径流污染未予以足够重视。近年来,非点源污染矛盾有加重趋势,水污染控制的力度也在加大,城市径流污染开始引起越来越多的重视。如北京1998年开始对城市雨水径流污染控制和雨水资源利用进行系统研究^[22] ,不仅分析径流污染指标及变化范围,对污染物的冲刷输送规律、主要影响因素、污染物负荷和控制对策等都进行了研究。对城市雨水利用也在系统研究的基础上，开始全面的工程实施和推广应用；上海市对城市雨水污染及特性有了初步了解，对控制雨水污染措施提出了建议。珠海市对城区降雨径流污染特征有了初步研究；长安大学对城市道路路面径流水质特性及排污规律进行了探讨；南京工业大学在城市雨水的物化处理技术方面有一些新的思路。可见，非点源污染(主要指雨水径流污染)在我国已逐渐引起了重视，降雨径流水质特性、雨水处理技术、径流污染防治等方面也有了不少成果，但从排水体制整个系统来探讨研究非点源污染控制还有欠缺^[23,24]。
　　但是，排水体制的合理选择，不仅关系到城市雨污水的收集排放、排水系统的适用性和经济效益问题，而且更重要的是能否满足水资源和环境保护的要求，有效地实现城市点源和非点源污染总量的控制，能否符合城市生态和可持续发展的要求。

　　在排水体制的选择上，一方面，我国存在着不切实际地选择分流制问题。分流制有很多优点,但对于经济不发达城市的老城区来讲,如道路不改造拓宽,小区不改造, 尤其是深圳等许多城市的住房阳台改成厨房或装上洗衣机，其产生的污水排入雨水管道系统，即使污水主干管已经建成,那么也无法实施雨、污分流。其结果只能是:一方面污水总干管未能充分利用，,造成投资浪费;另一方面,污水还是走雨水管道排河,继续污染水体。
　　西方国家的实践表明,为了进一步改善受纳水体的水质,将合流制改造为分流制,其费用高昂而效果有限,而在合流制系统中建造上述补充设施则较为经济而有效。所以,国外排水体制的构成中带有污水处理厂的合流制仍占相当高的比例：英、法等国家的大部分城市也仍保留了合流制体系，以控制非点源污染并保证污水的处理率，修建合流管渠截流干管，即改造成截流式合流制排水系统，结果莱茵河和泰晤士河的水体都得到了很好的保护^[25]。而前西德1987年其合流制下水道长度占总长度的71.2%, 且该国专家认为通常应优先采用合流制,分流制要建造两套完整的管网,耗资大、困难多,只在条件有利时才采用。至八十年代末,前西德建成的调节池已达计划容量的20%,虽然其效果难以量化,但是截送到处理厂的污水量增加了、河湖的水质有了显著的改善。德国鲁尔河协会（Ruhrverband），其管辖流域的城市大都采用合流制排水系统和合流制污水处理厂，其旱季处理流量为污水流量（Q），而雨季处理流量则为两倍污水流量（2Q）；而且其剩余的雨水径流进入雨水处理系统-雨水塘和地表径流型人工湿地。2002年，鲁尔和协会共运行96座污水处理厂，而雨水处理厂则达297座。因此，鲁尔河无论是旱季还是雨季，其水质保持得非常好，不仅具有良好的生态景观，而且成为鲁尔工业区的主要供水水源^[26]。
　　从以上事实可以看出,建立理想的分流制或将合流制改为完全分流制系统的成功率较小。在排水体制的选择上应改变观念,允许部分地区在相当长的时间内采用合流制截流体系并将工作重点放在提高污水处理率上,这才是保护水体的根本方法。在对老城市合流制排水系统改造时要结合实际制定可行方案,在各地新建开发区规划排水系统时也有必要充分分析当地条件、资金的合理运作,同时还要从管理水平、动态发展角度进行研究,不要盲目模仿、生搬条款。在已有二级污水处理厂的合流制排水管网中,适当的地点建造新型的调节、处理设施(滞留池、沉淀渗滤池、塘和湿地等) 是进一步减轻城市水体污染的关键性补充措施。它能拦截暴雨初期“第一次冲刷”起的污染物送往污水厂处理,减少混合污水溢流的次数、水量和改善溢流的水质,以及均衡进入污水厂混合污水的水量和水质,它也能对污染物含量较多的雨水作初步处理。

5 我国的排水系统体制选择及建设中存在问题及建议

5.1排水管网的建设

　　我国不少城市和地区，往往只把污水处理厂作为重点工程对待，而放松与之相配套的污水管网的建设。常常是污水处理厂按计划建成投产，而无水管网却只建了部分污水干管，由于资金短缺、拆迁量大等原因造成支管未建或支管与主管连接不上。造成一方面污水处理厂处理量不足，一方面污水仍直接排入河体污染环境。因此，排水管网的建设应与污水处理厂的建设作为一个整体，同步实施。
　　改革开放以来我国的城市排水系统有了较大的发展,面临经济发展对城市基础设施的需求、水环境污染造成的水质型缺水和城市居民生活质量下降等压力,对排水系统重要性的认识不断提高,新建改建了许多排水工程^[27]。但是,因历史欠帐太多,总的水平仍然非常落后。从全国来看,城市排水管总长1995 年为7.5万km。若城市人口按2亿人估算,人均仅0.375m，导致城市污水处理率偏低。即使沿海发展较快的地区,城市排水设施的水平也不高。如广东省现日排污水63.8亿万吨/天,其中生活污水量40.7亿万吨/天,污水处理厂总数为79座，全省城镇生活污水处理率仅40.2%^[28],而美国和德国的生活污水处理率在2004年以前已经达到了90-100%，韩国达到90%，日本也达到了78%^[29]。

　　雨水/污水分流制系统一旦形成事实上的混流,就形成了两个污水-雨水混合流系统。这是由于我国许多城市建设发展速度很快，多采取分期、分区、分片建设，规划赶不上建设速度，下水道系统建设滞后，造成排水管道错接乱接现象严重；二是居民习惯将污水倒入附近的雨水道路边的雨水径流收集格栅槽中；三是现在许住房的阳台改成厨房或安装上洗衣机，使本来连接到雨水道的雨水变成生活污水。根据国内外经验, 对于排入河道、湖泊或近海的排水系统，无论是合流制还是分流制（雨水道），其排水干管或干渠，都应采用截留式排水系统，在其末端加设溢流井，其顶端设置溢流堰，排水干管采用适宜的截留倍数；其大小直接影响受纳水体的洁净与否，过小会导致受纳水体遭受严重污染；过大则会造成浪费。故合理选取截流倍数是关键,其取值应综合考虑受纳水体的水质要求、受纳水体的自净能力、城镇的文明程度(或级别)、人口密度、降雨量、投资等各种因素。对比国内外截流倍数的取值，也会发现存在很大差异：
　　日本截流管容量一般按计划时间的最大污水量的3 倍;英国的习惯做法是截流倍数采用5;德国一般选择的截流容量为高峰日的4 倍,其中2 倍流到污水处理厂进行处理;美国标准不一,截流倍数采用1.5～5 倍;前苏联规范确定:当排入流量大于10 m3/ s 河流时,取1～2 ;当排入流量为5～10 m3/s 河流时,取3～5。目前,国内城市截流倍数采用情况:沈阳截流倍数采用2,天津采用3～5,截流管不发生溢流,效果较好。上海地区采用2.43～2.63 截流倍数,环境质量较好,比截流倍数为1的地区有明显的改善。中国香港地区、广州、东莞等地取1,北京取1～2,重庆取3,昆明取2.5。国内研究表明:选择2比选1其工程投资和运转费用约增加一倍,但超标河段数量及超标历时却显著降低,充分体现出截流倍数对投资和水环境的显著影响^[30]。
　　可见，我国的截流倍数选取与发达国家比偏低。而在实际运行的截流式合流制中，有的截流倍数更小,有的城市甚至仅为0～0.5。出现这种情况原因有二: ①污水流量未预测准确,排水管尺寸不够,导致一下雨截流井就溢流入河,这时截流干管也只能是一个形式; ②考虑到经济因素,建设单位本身不愿意有截流倍数^[31]。

（1）污水处理能力

　　我国目前最大的问题是对分流制排水系统存在误解，认为合流制排水系统需要有截留倍数，而分流制雨水道则无需截留倍数，无需处理雨水径流，致使我国绝大多数污水处理厂，只按旱季污水量设计、建造和运行，亦即截留倍数n=0，一旦进入雨季，对雨水径流既不能截留，也不能处理，致使降雨时受纳水体往往遭受严重污染，造成垃圾、粪便漂浮河面，即有碍观瞻，更影响环境卫生。因此，设计好溢流井的构造以充分发挥其截流雨水径流作用，而且污水处理厂的处理能力应与截流污水量相适应，以韩国首尔清溪川治理工程为例，清溪川周边污水管道的截流倍数取为2，降雨时合流制下水道截流干渠能够汇集降雨强度为Q=2mm/min的径流量，因此，尽管其下游的中梁污水处理厂的服务面积内污水流量为66万吨/天，但其设计处理流量则为195万吨/天；大田污水处理厂的服务人口为150万，其污水处理能力为90万吨/天，可见其截流倍数也是取为：n=2。

（2）污水处理厂选址及工艺选择

　　我国在城市污水处理厂的建设中一直主张建设大型污水处理厂，因为大型污水处理厂相对建造成本低，但城市集中式污水处理系统应与分散式污水处理系统相结合。集中式污水处理系统建设周期长，对配套污水收集管网的要求高，耗资巨大，而许多已经建成的大型污水处理厂由于选址在城市水网下游，阻碍了污水的再生回用；而分散式污水处理系统容易实现污水的就地回用，有利于实现城市区域性良性水循环。因此，应当提倡在居民小区建造小型污水处理回用厂，为了利于和易于水循环回用，小区宜于采用分流制下水道系统，即污水排放于处理回用系统和雨水径流汇集、储存、处理与利用系统。小区雨水系统主要收集屋顶、道路、公用场地等径流，其水质较清，易于处理，如通过沉淀-过滤-消毒处理便可获得优质出水，可用鱼冲厕、浇洒绿地和做小区景观湖、塘的景观用水。
　　以活性污泥工艺为主的现有污水处理工艺，其主要限制是占地面积大，处理效率低，因此，要进行污水处理工艺的优化，采用先进的技术，如：新一代生物膜工艺，如BAF（Biofor、Biostyr、Biobead、Biopur等），活性污泥和生物膜的复合工艺，包括移动式生物膜工艺（MBBR，Caldnes、Linpor等）和固定式生物膜-活性污泥复合工艺（HYBFAS、EHYBFAS等）^[32-34]。

（3）适当的河道就地治理技术

　　尽管建设了污水截排系统和污水处理厂，但由于截流倍数的不彻底，还是会有污水流入河道，因此在河道内，尤其是污染严重的河道内建设适当的处理设施，以保证河道水质，如：污染河道就地生物治理技术，包括：利用河床铺设生态石，种植各种生态植物，适当增加曝气复氧设施及其他的人工生物强化措施等^[35]。

　　表1将我国与发达国家城市雨水径流水质进行统计对比。从表1可知，巴黎三种汇水面径流主要污染物的中值和最大值明显小于北京。巴黎、德国屋面径流COD低于北京屋面的COD值。美国、德国径流的主要污染物浓度也都明显低于对应的北京径流污染物浓度。考虑目前北京城市地面环境状况、大气质量等在中国城市中至少属于中上等,因此,从定量和定性两方面分析判断,我国主要城市径流污染比一些发达国家的城市径流污染程度明显严重，雨水径流污染控制具有重要性。
　　随着经济的高速，城市人口密度不断增加，对污水收集系统容量的要求也不断增加，这不仅由于不断扩大的城市产生了越来越多的污水，而且由于不透水排水面积的增加导致了城市暴雨径流量的增加，最终导致了在大的居民区内，更多的是大城市、超大城市的周边，水文环境和城市水源受到严重的污染和破坏。无论合流制或分流制排水系统，都应对截留雨水径流进行处理。尤其当工业和城市污水处理厂普及程度提高后,这一矛盾会更突出。许多发达国家的经验已经证明,必须及早深入研究和制定控制对策。

　　加强管理，对于建成后排水管网的成效至关重要。如果一个排水系统已经进行了雨、污分流，而管理措施跟不上，沿街居民私自乱接出户管，或图方便省钱，将生活污水管就近接入雨水管道，就会造成花大量资金建成的雨污分流系统失去作用，污水由雨水管直接排入水体造成河流污染。因此，城市排水系统能否真正发挥其应有的环境效益、社会效益和经济效益，必须采取有效措施加强对排水管网的管理，从源头上做好雨、污分流。

　　随着城市化的发展，排水系统在社会可持续发展中起着越来越重要的作用。国内外针对排水体制的研究表明，建立理想的分流制或将合流制改为完全分流制的成功率很小，且投资巨大，管理困难。我国排水体制的选择应根据城镇及工业企业的规划、环境保护的要求、污水利用情况、原有排水设施、水质、水量、地形、气候和水体等条件，从全局出发，通过技术经济比较综合考虑确定,而不应该只重政绩而盲目的选择分流制排水系统。
　　今后应加强对城市水系雨水径流管理和污染控制的工作，借鉴国外城市暴雨雨水的“源控制”及下游控制的蓄排结合做法，克服偏向靠“雨污分流”来解决污染、重终端治理轻源头控制、重人工措施轻自然措施等缺陷，加强对源的控制,将雨水径流污染物从源头上控制在最低限度的同时，通过研究雨水径流污染物输送和扩散机理, 对污染物扩散途径进行控制,采取适当的措施,减少污染物排入地下或地表水体的数量，并通过自然生态技术或人工净化技术等终端治理技术来降解带入水体的径流污染物。

表1 各国雨水径流中污染物含量统计表^[8]

污染物

美国

加拿大

法国巴黎

德国

北京城区

城市径流

城市径流

屋面径流

庭院径流

街道径流

屋面径流

路面径流

屋面径流

路面径流

TSS

100-300

1-36200

3-304

22-490

49-498

68-272

367-1468

BOD

9-15

1-27

9-143

15-141

COD

65-450

7-2200

5-318

34-580

48-964

34.5-59.5

46.6-118.5

61-656

291-1164

TP

0.33-0.7

0.01-7.3

0.1-0.25

0.25-0.75

0.75-0.94

0.87-3.48

TKN

1.5-3.3

5.25-6.8

1.3-2.95

8.0-14.8

5.6-22.4

Cu

0.034-0.093

0.003-0.5

0.013-0.05

0.027-0.2

Pb

0.14-0.35

0.0006-26

0.016-2.8

0.049-0.225

0.071-0.5

0.04-0.09

0.05-0.2

Zn

0.16-0.5

0.0007-22

0.8-38.06

0.057-1.6

0.246-3.8

0.47-1.11

0.61-2.46