CREST新文 | 合流制溢流（CSOs）——缓解对环境和人类健康影响的最佳实践和创新解决方案评论

导读

意大利马尔凯理工大学Francesco Fatone团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“合流制溢流（CSOs）——缓解对环境和人类健康影响的最佳实践和创新解决方案评论(Combined sewer overflows: A critical review on best practice and innovative solutions to mitigate impacts on environment and human health; 2021, 51(15): 1585-1618)”的重磅综述。合流制溢流（CSOs）是受影响地表水体的主要环境问题，已成为国际上许多国家都长期面临的重大问题。近几十年大型风暴事件频发，CSOs发生频率也将进一步提高。鉴于此，有必要借鉴最佳实践范例、创新性解决方案以及下水道系统管理来控制和处理CSOs，这也导致相关文献的质量、数量和处理工艺类型在近期不断提升或增多。本文旨在评述CSOs的效应、控制和处理，重点关注其对环境和公众健康的影响、法规规定的严格措施以及包括自然和集约化处理在内各种处理替代方案，并结合以往研究，为了更好的管理实践提出了一个创新的处理与控制指南。

图1 图文摘要

背景介绍

《欧洲水框架指令》（WFD，2000年10月23日欧洲议会和理事会第2000/60/EC号指令，建立了水政策领域的共同体行动框架）是水务部门的主要政策驱动力，重点是改善水质和保护废水排放接收水体的管理战略。该指令强调把控制面源污染作为一个主要因素，以使欧盟成员国所有水体保持良好生态状态。污水和雨水收集及管理是保护公众健康和环境的关键服务，因此适当的接收系统有助于城市发展。此外，各国还制定国家法规以维持环境保护并更好地管理污水系统。

在欧洲，收集和运输污水有两种主要系统类型：分流系统和合流系统及其改进版本。在分流系统中，污水和雨水通过两条单独的管道输送（图2A）。来自家庭和工业的污水被输送到污水处理厂，雨水通常只经过物理预处理后被排放到就近水体中。虽然来自城市地表径流可能会在沿途收集污染物（如病原体、碳氢化合物、砂砾、沉积物、化学品和重金属），但这种排放通常不需要环境许可证，而且通常得到了环境监管机构的允许。

在合流系统（CSS）中，污水和雨水通过一个统一的污水管网输送到集中化污水处理厂（图2B）。在干燥的天气条件下，CSS只收集市政和工业污水，但在潮湿的天气条件下，会有地表径流混入。在改进的下水道系统中，雨水根据其污染程度进行处理：污染很低的屋顶径流进行渗透处理，低交通流量道路、街道和人行道的雨水通过明渠运输，或可能直接用于绿化目的。

图2 (A)分流系统、(B)合流系统和(C)合流制溢流

然而，所有下水道基础设施的取水和运输能力都是有限的。通常情况下，CSS无法应对暴雨期间的水流，因此在污水管网中插入了一个缓解机制，即合流制溢流（CSOs）基础设施，将未经处理的污水和雨水的混合物等过剩水流导向接收水体（图2C）。这些结构用于维持观望中的流量，并保护财产免受潜在洪水的影响。

CSOs的特点

沉降量与强度等气候因素是决定CSOs排放严重程度的关键因素。合流污水的特点依赖于降雨强度和受干湿天气条件影响的污染物浓度和负荷。

CSOs排放所释放的污染物会对水环境和公众健康产生有害影响。未经处理的污水中的污染物会增加接收水体的有机物含量，以及生物降解过程中氧气消耗，从而促进富营养化。另一方面，由于高沉降引起的稀释作用会降低污水中总固体、化学需氧量、总凯氏氮和总磷等污染物的浓度。而药品、激素和个人护理产品中的物质，来自人类粪便和污水有机废物以及来自野生动物（如鸟类）或家畜（特别是狗）粪便径流中的传染性病原体或耐药菌也会通过CSOs进入水体。5%的CSOs体积的污水对接收环境贡献了99%以上的病原体负荷，除水质外，CSOs对人体健康与环境的影响极大。重金属污染是CSOs排放中的另一个重要问题，它可以在沉积物中积累并影响水生生态系统，例如抑制敏感的大型无脊椎动物的繁殖。

欧盟指出了在城市污水处理指令（UWWTD, 1991）和WFD下控制CSOs污染的必要性。CSOs排放可能影响WFD所要求的水体“良好状态”的实现。科学界和水务部门经营者正在提高对与CSOs有关的环境问题的认识，并正在推动减少其影响和改善地表水质量的举措。

CSOs测定、监控和控制的创新方法

水力条件是决定CSOs监测方法的主要因素。在预算有限的情况下，液位传感器可以与溢出方程耦合来测量CSOs体积。另一方面，液位和流速传感器与流量计结合可以生成最准确/可靠的数据，但需要更多的投资成本和更高的维护成本。而且，数据存储和高容量计算机系统的成本仍然是CSOs监测中存在的问题。

目前，智能网络监控和智能数据基础设施正在开发和应用中。这些基础设施与一个监控与数据采集（SCADA）系统相连，主要集中于实时监测CSOs的流速（物理或替代方法）和出水液位，以评估潜在的溢流和污染事件。最终目标是实时或准实时地支持关于所要采取行动的决策。

绿色基础设施和基于自然的解决方案（NBS）利用自然过程促进水的改进和可持续管理，并增强自然资本和生物多样性。绿色基础设施通过将CSOs的持续治理与防洪、增加生物多样性、气候变化韧性和娱乐活动等额外服务相结合，被认为具有多重效益。因此，绿色基础设施是一种日益重要的减轻污染的可能解决方案。在绿色基础设施技术中，人工湿地在污水处理方面有着悠久的历史，在CSOs处理方面有着广泛的应用。

通过在线处理方法，如最常用的不添加添加剂的沉淀法和排放前的化学混凝法，可以最大限度地减少接收水中的CSOs的负面影响。

市政当局应投资于基础设施来监测、控制和处理CSOs，以履行接收水体的管理义务。除政府污水系统外，私营公司亦可参与污水系统的控制。实时控制系统似乎是一种经济有效的替代方案，因为它们只需要对现有系统进行额外的运行。在实时控制系统中，需要将清洗设备集成到仪表中，以防止传感器结垢。虽然这些集成增加了资本成本，但从长期来看，它们在降低维护成本方面具有优势。

结论与展望

CSOs排放仍然是一个主要环境威胁，需要人们更好地监测，为水基础设施升级提供数据驱动的决策支持。虽然目前CSOs排放对水环境的负面影响已得到广泛界定，但仍需要在国家法规中制定严格的限制，促使水管理者采取必要行动。到目前为止，已经有几个可用的具有成本效益的实时监控系统，一些创新项目甚至使用云和物联网平台来更好地吸引利益攸关方和公民参与，提高大家对CSOs管理重要性的认识。应根据最佳的技术、环境和经济可持续性，在流域尺度规划NBS和集约化处理系统的组合，将智能监测与绿色和灰色生态创新解决方案相结合。这些系统的模块化结构可以根据处理要求和现场特点设置不同的配置。此外，还需要进行广泛的研究，在流域尺度验证整合新型低成本传感器、创新处理技术、数字平台和生态效率评估的实际综合行动方案。进一步的研究和监测经验将有助于制定未来管理CSOs和减轻其对环境影响的具体准则和战略。

作者简介

第一作者：

Alice Botturi，意大利维罗纳大学研究人员，2020年9月在维罗纳大学获得生物技术博士学位，主要从事环境生物技术方面的研究，已在Critical Reviews in Environmental Science and Technology和Energies等期刊发表多篇学术论文。

通讯作者：

Anna Laura Eusebi，意大利马尔凯理工大学工学院材料、环境和城市规划科学与工程系副教授，主要从事污水处理方面的研究，近期研究领域包括：城市污水纤维素污泥回收、污水曝气扩散器污秽控制、城市和工业废水生物处理舱内气态氮化合物排放控制、提高污水污泥和疏浚污泥可降解性的臭氧处理、缺氧城市废水处理工艺中氧化物和氮氧化物排放控制、以及水力空化工艺在上清液污泥处理中的应用。

Emine Gozde Ozbayram (Gözde Özbayram): 土耳其伊斯坦布尔大学水科学学院助理教授,  主要从事环境工程方面的研究，包括利用自然系统中的微生物高效处理富含木质纤维素的农业废弃物，已发表学术论文30余篇。

|撰稿：曾镜羽

|编排：代子雯（CREST期刊推广员）

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