美国金县合流制溢流控制案例之技术与标准

摘要：美国金县的合流制溢流控制经过40多年的研究和实践，已形成了较为完整的技术标准体系和监督管理体系，取得了良好的成效，很多方面在美国处于较领先水平。金县将污水处理厂、合流制溢流调蓄与处理厂、合流制管网溢流排放口统一纳入1个排放许可进行管理，“厂-网”排放标准与工艺工况设计以受纳水体环境质量为目标，与雨季、旱季运行条件相匹配，污染物减排“费用-效果”较优。着重介绍了金县西点污水处理厂流域合流制溢流控制工程的实施与运行情况、排放标准与达标情况，以期为我国城市合流制溢流控制工程实践提供借鉴。

01 基础设施与受纳水体基本情况

在西点污水处理厂流域范围内，由金县管辖且纳入国家污染物排放削减（NPDES）许可管理的排水设施包括38个CSO排放口、4座CSO处理厂及西点污水处理厂。需指出的是，由于近一个许可期（2015年—2020年）内的监测数据尚未汇总发布，故所引数据均来自2009年—2014年许可期。

1.1 排水管网

金县污水收集系统分为东、西两个分区，西点污水处理厂收集处理西区污水，覆盖华盛顿湖以北、以西区域及西雅图市区。其中，华盛顿湖以北区域为分流制，西雅图市区约75%的区域（约169.97km2）为合流制，合流污水通过泵站、截流干管终由两条隧道汇入西点污水处理厂。

金县采用监控与数据收集系统（SCADA）自动监测并控制西区污水系统中的污水流量，可限度地利用管网的调蓄能力减少CSO，以及限度地降低管网流量激增，使尽量多的污水得到处理。

1.1.1 CSO排放口

金县管辖的CSO排放口共38个，均分布在西雅图市区内，1983年的分析表明，这些排放口平均每年发生431次溢流，未经处理直接排放的合流污水达量871×104m3/a。自1988年起，西雅图市政局和金县实施了一批项目，CSO频次和水量得到一定控制，根据2006年—2012年的数据，金县平均每年未经处理直接排放的合流污水已减至307×104m3。

1995年—2005年，金县建设了Elliott West CSO 处理厂和Henderson/MLK CSO处理厂，并建设了CSO监控网站，公众可通过网站对CSO进行实时监督评价。2008年发布《CSO削减计划（2008年更新版）》，提出优先在沿海区域实施部分CSO控制项目，并于2013年底开工建设4 个CSO控制项目，包括3个调蓄池建设项目和1个社区绿色基础设施建设项目。2012年，金县通过了《CSO长期控制规划（2012年修订版）》，并于2013年与州环保局、国家环保局（EPA）及联邦司法部达成协议，提出实施9项CSO控制要求，将每个CSO排放口的排放事件数控制在年均不超过1次，并在2030年前完成。2013年协议和长期控制规划中指出，38个CSO排放口已有16个达到“年均不超过1次”标准，并详细给出了22个未达标CSO排放口的编号、名称、排放受纳水体、目前控制状态、工程实施规划与状态等信息。

1.1.2 入流/入渗控制

金县于1999年提出“地区入流/入渗（Inflow/Infiltration，I/I）控制项目”，旨在“费用-效果”可行时，降低管网雨季峰值流量，控制分流制污水管网溢流，减少外水的输送和处理费用。为落实该项目，金县与地方相关部门投入4 100万美元，历时6年，实施了I/I研究项目。该研究项目始于2000年，主要开展了以下工作：①采用大量流量监测和模型分析，确定地方管网系统I/I对地区管网系统的贡献量；②在12个地方管网系统内选择实施10个试点项目，开展I/I控制效果评价，进行I/I控制技术测试并积累投资成本信息；③2004年提出I/I系列控制草案，包括模型标准、操作流程、政策、指南等；④2005年11月完成I/I控制“费用-效果”分析；⑤提出地区I/I长期控制规划，并于2006年5月通过金县批复；⑥2007年—2009年由金县与各地方当局一同开展I/I控制可行性分析，并选择3个区域开展I/I控制先行先试；⑦实施“Skyway and sewer district”流域I/I控制项目，对350条支管进行修复，目标为管网I/I峰值流量削减不小于60%，约0.38×104m3/d。受流域范围估计不足及地下水位不稳定等因素影响，该项目实际实施效果并不理想，经监测和模型初步评估，I/I峰值流量削减值为19%。

1.2 CSO处理厂

1.2.1 处理能力与工艺工况

金县4座CSO处理厂的设计能力见表1。

① Alki CSO处理厂

Alki CSO 处理厂建于1958年，具备污水一级处理能力，1998年被改造为一座接近全自动化的CSO处理厂，并于1999年纳入NPDES许可管理，工艺工况见图1。旱天运行时，污水送往西点污水处理厂进行二级处理。雨天运行时，当管网流量超过下游调流构筑物过流能力或下游调蓄隧道蓄满时，Alki CSO处理厂通过格栅、沉淀及消毒处理合流制污水。此时，若进水量较小，进水在CSO处理厂自身调蓄空间内消纳，无出水排放；若进水流量低于设计处理能力且水量超过处理厂调蓄能力，CSO处理厂出水经排放口排放入海；若进水流量超过设计处理能力，污水通过泵站经CSO排放口直接溢流入海。雨后或降雨过程中，下游泵站能力有富余时，厂内污水、泥砂均回流至管网送往西点污水处理厂处理。

② Carkeek CSO处理厂

Carkeek CSO处理厂建于1962年，1994年11月金县新建泵站并将其改造为CSO处理厂，随后纳入NPDES许可管理，工艺工况如图2所示。

旱天运行时，Carkeek CSO处理厂仅作为泵站运行，污水送往西点污水处理厂。雨天运行时，设施开启至关闭的全过程始终有人员值守，并提供预防性的运行检查与维护，工艺工况与Alki CSO处理厂类似。

③ Elliott West CSO处理厂

Elliott West CSO处理厂建于2005年5月，当年纳入NPDES许可管理，新建设的格栅、消毒设施、出水切换与脱氯设施及排放口等是对原有CSO控制设施的有效补充，工艺工况如图3所示。

当雨天流量超过分流/调流构筑物能力时，合流污水溢流进入调蓄隧道，超过隧道调蓄能力且下游截流构筑物截流能力无富余时，CSO处理厂运行，出水通过处理厂排放口排放入海；当流量>94.6×104m3/d时，污水通过CSO 排放口排放入海。雨后或降雨过程中，只要下游截流构筑物有富余能力，隧道内污水、沉积物均送往西点污水处理厂处理。

④ Henderson/MLK CSO处理厂

2005年，通过更新原有泵站并建设具备调蓄和处理能力的隧道，Henderson/MLK CSO处理厂建成并纳入NPDES许可管理。工艺工况如图4所示。

雨天运行时，超过调流闸门能力的污水溢流进入隧道进行沉淀和消毒处理，隧道蓄满时，污水溢流至出水口并经格栅处理后由处理厂排放口排放入河。雨后或降雨过程中，当下游干管水位降至一定高度时，隧道中存储的污水、沉积物均经干管送往西点污水处理厂或南部污水处理厂处理。

1.2.2 进水与出水水质

根据金县2009年7月—2013年10月监测数据，4座CSO处理厂进、出水情况如表2所示，为与进水水质进行对比，出水仅列出BOD5和TSS两个参数。

1.3 西点污水处理厂

1.3.1 处理能力与工艺工况

西点污水处理厂建于1965年，1995年被认定为具备二级处理水平，来水包括家庭和商业污水以及西雅图市工业废水（约3.6×104m3/d），1999年被纳入NPDES许可管理。西点污水处理厂设计处理能力见表3，工艺工况见图5。当雨天进水流量>114×104m3/d时，合流制溢流污水超越生物处理单元，经消毒处理后与二级处理出水混合再排放。

1.3.2 进水与出水水质

根据金县2009年7月—2013年10月监测数据，西点污水处理厂进、出水水质如表4所示，为与进水水质进行对比，出水仅列出CBOD5、TSS两个参数。

此外，金县分别于2012年1月、4月、7月、10月对西点污水处理厂排放水的急性毒性和慢性毒性进行了测试。结果表明，出水水质达到了急性毒性排放标准，即测试水量为排放污水时，相应浓度下暴露后水生生物的存活率中值不小于80%，且各独立测试的存活率均不小于65%；同时，水质也符合慢性毒性标准要求，即空白对照水样与测试样的毒性无显著统计差异，其中，测试样中3.1%为排放污水，其余为未受排放污水污染的受纳水体水，空白对照水样中为未受排放污水污染的受纳水体水。

1.4 受纳水体法定功能与水质基准

1.4.1 水生生物保护功能

西点污水处理厂、Alki CSO处理厂、Carkeek CSO处理厂出水排放至Puget Sound海湾非凡等级的水域，Elliott West CSO处理厂出水排放至Puget Sound海湾杰出等级的水域，出水水质需要满足如表5所示的具有水生生物保护功能的水质基准。Henderson/MLK CSO处理厂出水排放至Duwamish河杰出等级的水域，由于河道受潮汐影响，所具有的水生生物保护功能的水质基准按照杰出等级海水水域基准执行。

1.4.2 贝类捕捞功能与娱乐功能

西点污水处理厂、Alki CSO处理厂、Carkeek CSO处理厂、Elliott West CSO处理厂排放口周边水域需具备贝类捕捞功能与海水直接接触类娱乐功能，粪大肠杆菌菌群几何平均值≤14个/100mL，且粪大肠杆菌菌群几何平均值>43个/100mL的水质样品数量占比≤10%，或水质样品数量400个/100mL的水质样品数量占比≤10%，水质样品数量
来源：中国给水排水

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