高效沉淀池工藝在傳統沉淀池的基礎上進行了改進，具有占地面積小、啟動快、負荷高、SS去除率高、抗沖擊負荷能力強和出水水質穩定等特點，廣泛適用于污水和給水處理等方面，但其在合流制溢流（CSOs）污染處理方面的應用研究較少。
黃孝河作為武漢市大漢口建成區僅有的兩條河道之一，總長為10.4km。20世紀90年代以來，隨著城市發展，河道上游5km被改造成地下箱涵，成為合流制污水排放通道。通過在暗涵出口處設置鋼壩閘進行攔截，旱季污水經污水泵站提升至污水廠進行處理。但雨季由于大量雨水的匯入，致使合流制污水量超過了污水廠的處理能力，進而形成了黃孝河明渠起端的CSOs污染。
采用高效沉淀池工藝對黃孝河明渠上游暗涵雨天CSOs污水進行處理，可以有效降低CSOs污染對黃孝河明渠水環境的沖擊，可為國內外其他合流制河道的生態治理提供參考。
1、設計規模及進、出水水質
1.1 設計規模
目前國內尚未出臺針對CSOs污染中關于溢流次數的相關規范和標準，項目選取武漢市1980年—2016年的日降雨數據，采用P-Ⅲ曲線分析年降雨量與降雨出現頻率之間的定量關系，以及每年的暴雨次數。以豐水年且大雨、暴雨場次較多的年份為原則，最終選取2016年為代表年，其年內溢流次數達到91次。
通過綜合判斷流域代表年降雨溢流頻次對應河道的峰值流量、單場最大截流量及環境效應，確定控制年溢流次數不超過10次，相對應建設規模為25×104m3的CSOs調蓄池+設計處理峰值水量6m3/s的強化處理設施，滿足年溢流次數的控制要求。
1.2 設計進、出水水質
根據國內外合流制排水系統溢流污水水質情況，同時參考黃孝河流域三金潭污水處理廠的設計進水水質，并結合城市規劃功能，綜合分析后確定黃孝河高效沉淀池工程設計采用的進、出水水質，具體如表1所示。
目前因國內缺少CSOs污染控制工程的出水水質標準，根據項目水質達標建設目標，經可研編制單位與武漢市水務局溝通后，SS按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準、TP按一級B標準、COD按二級標準進行設計。
2、工藝選擇分析
因現狀CSOs污水由生活污水、工業廢水、雨水3種性質不同的水體組成，污染物濃度根據水量比例不同而不同，其波動范圍較大。根據前期水質調查結果可知，SS與COD、TN、TP的相關性較強（見表2），因此，在CSOs處理中控制住SS即可大幅削減污染物總量。
考慮到CSOs處理設施旱天不工作、雨天工作的間歇運行特性，無法進行生物處理；同時降雨初期的CSOs污水具有流量較大、歷時較短、污染物濃度較高等特點，而高效沉淀池工藝具有SS去除率高、占地少、出水穩定、耐沖擊負荷等優點，因此，采用調蓄池及高效沉淀池工藝對CSOs污染進行集中收集并處理。
工藝流程見圖1。
由圖1可知，CSOs污水首先通過粗格柵進入調蓄池，由中間提升泵房提升至細格柵進一步去除漂浮物、懸浮雜物后，再進入曝氣沉砂池除砂，曝氣沉砂池出水進入高效沉淀池去除懸浮物質。為確保出水水質達標，高效沉淀池出水進入精密過濾池進一步處理，將SS降至10mg/L以下，經紫外消毒后排放至后湖泵站前池。
3、高效沉淀池工藝選擇
目前，廣泛應用的高效沉淀池技術包括加砂高效沉淀池以及污泥回流型高效沉淀池，兩種技術的運行參數如表3所示。就工藝目標可達性而言，采用上述兩種工藝對CSOs污染進行處理均能滿足出水水質要求。就運營階段的運行費用而言，污泥回流型無需投加凝核物，可有效降低運營階段處理費用，工程按照最大進水污染負荷測算的噸水處理費用為0.29元/m3。
污泥回流型高效沉淀池工藝自帶污泥濃縮功能，無需配套建設儲泥池及污泥濃縮池，排泥濃度可達30~150g/L，可以直接進行脫水處理，從而有效減少建設面積。由于該項目建設區域位于城市高密度建成區，受建設區域用地面積限制以及周邊維穩壓力等因素影響，最終采用污泥回流型高效沉淀池工藝。
4、高效沉淀池工藝設計
4.1 總體設計
黃孝河CSOs調蓄池采用全地下建設方式，池體占地面積為3.42×104m2，設計水深為7.3m，最大水深為8.6m。CSOs強化處理設施，即污泥回流型高效沉淀池，采用半地下建設形式，占地面積為2.58×104m2。項目于2021年底建成并投入運行，總投資為10.34億元。
污泥回流型高效沉淀池的設計處理峰值水量為6m3/s，共分為6格，每格設計處理水量為1m³/s。池體主體分為3部分，即混凝池、絮凝池、斜管沉淀池，其工藝示意如圖2所示。
4.1.1 進水
高效沉淀池每2格為1組，共3組。每組由總進水分配渠通過DN1600的管道分別向2格高效沉淀池的混凝池提供進水，進水管內設置可以輸出4～20mA電流信號的流量計，用于實時監測并反饋每組高效沉淀池的進水流量；進水渠設置在線水質分析儀監測SS、pH，用于反饋藥品投加量。
4.1.2 混凝池
CSOs污水首先進入混凝池，在混凝池進水口投加混凝劑PAC，在池內攪拌器的作用下快速攪拌，使混凝劑與原水充分混合。設計混凝時間≥2min，混凝攪拌機在最不利設計條件下的速度梯度G值≥250s-1。
4.1.3 絮凝池
經混凝池充分混凝后的出水進入絮凝池，投加助凝劑PAM，采用導流筒及攪拌機使該單元的功效顯著提高。攪拌機產生的上升循環流量約數倍于處理流量，從而滿足絮凝反應的需求，同時攪拌機的攪拌速度與絮凝過程相匹配，不會將形成的礬花打碎，該單元單池設計絮凝時間≥5.2min。此外，高效沉淀池啟動后，通過污泥回流系統將濃縮區上層污泥泵送至絮凝池，污泥回流量為單池最高進水量的1%～3%。回流污泥為絮凝池提供絮體附著的晶核，改善礬花形成條件，減少陰離子高分子助凝劑用量。隨之礬花絮體增大、密度增加，保證了最佳的絮凝效果。
4.1.4 斜管沉淀池
通過絮凝池形成的礬花絮體進入斜管沉淀池進行泥水分離，水流采用上向流的形式。采用六角蜂窩狀斜管，其水力直徑為80mm，長為1500mm。斜管澄清區和沉淀區的表面負荷在峰值流量下應分別控制為18~22、12~13m3（/m2·h），沉淀池上部水通過集水槽收集。當澄清區承受峰值流量負荷時，無細小絮凝體經集水槽帶入后續精密過濾池中。沉淀池底部配置1套刮泥機，將經沉淀濃縮后的污泥收集到污泥斗，采用2臺污泥循環泵（1用1備）以及1臺污泥排放泵，分別用于污泥回流和剩余污泥排放。污泥回流量為單池最高進水量的1%～3%，吸泥點位于濃縮區的上層，配有污泥界面計控制排泥。
4.1.5 出水
高效沉淀池出水需控制為SS≤20mg/L、COD≤100mg/L、TP≤1mg/L，結合后續精密過濾，可將SS進一步降至10mg/L，確保出水水質達標。
4.2 優化設計
考慮到高效沉淀池間歇運行的特點，降雨發生后，空池啟動速度較慢，啟動過程存在出水水質不達標等問題，無法應對快速高效處理的要求。工程在設計時優化了6格高效沉淀池的工藝以及啟動方式，將高效沉淀池分為3組。降雨時，調蓄池收集CSOs污水，并通過提升泵提升，經曝氣沉砂池進入到第1組高效沉淀池進行處理。當高效沉淀池進水達到50%時，開啟啟動程序，此時提升泵出水流量需控制為最大流量的35%~50%，啟動過程不達標出水通過潛水回流泵回流到起端分配井，與原水混合進行再循環，直到出水水質達到設計出水標準后排放，第1組從啟動到出水水質穩定達標的時間為30min。當調蓄池液位持續上漲時，開啟第2組。第2組高效沉淀池可利用第1組產生的剩余污泥，啟動時間縮短至12min，減少了啟動過程的污水內循環時間，節約電耗以及藥耗。第3組啟動方式與第2組相同。采用污水內循環系統使得高效沉淀池在單次啟動時減少不達標出水10800m3。
當預測降雨強度較大、歷時較長，需要盡快對污水進行處理時，可同時開啟3組高效沉淀池，提高處理效率，此時由啟動到出水水質穩定達標的時間為30min。
4.3 核心設備參數
高效沉淀池的核心設備參數如表4所示。其中進水懸浮物在線測量儀、出水懸浮物在線測量儀主要通過監測進、出水水質，實時在線反饋藥劑投加量，達到精準加藥的目的。
5、運行效果
該工程于2019年8月開工，2022年7月完工并開始調試及試運行，運行監測數據如表5所示。
由表5可知，2022年各場次降雨形成的CSOs污染經高效沉淀池強化處理后，出水水質可以穩定達到設計要求。同時，該工程優化調整了高效沉淀池的啟動方式，通過先行啟動1組，再啟動第2、3組，將其他2組的啟動時間控制在12min以內，減少了啟動過程的污水內循環時間，從而節約電耗以及藥耗。
6、結論
在黃孝河水環境綜合治理二期PPP項目中，采用調蓄池和污泥回流型高效沉淀池工藝對黃孝河明渠上游暗涵雨天CSOs污水進行儲存及處理，高效沉淀池設計出水水質為SS≤20mg/L、TP≤1mg/L、COD≤100mg/L，結合精密過濾池，可將SS進一步降至10mg/L，有效降低了CSOs污染對黃孝河明渠水環境的沖擊。同時污泥回流型高效沉淀池無需外加凝核物，按照最大進水污染負荷測算運行費用為0.29元/m3。工程建設規模為25×104m3的調蓄池+設計處理峰值水量6m3/s的強化處理設施。
對污泥回流型高效沉淀池工藝進行改進，優化6格高效沉淀池的啟動方式，提高其啟動速率并保證出水水質。通過污水內循環系統，對啟動過程的不達標出水循環處理，單次啟動可減少不達標出水10800m3。按照高效沉淀池的啟動方式，降雨時配合前端調蓄池，分組啟動。運行時，先啟動第1組，其他組利用第1組的剩余污泥，可將啟動時間控制在12min以內，減少了啟動過程的污水內循環時間，節約電耗以及藥耗。項目建成后的處理效果穩定，抗沖擊負荷能力強，出水水質達標，可為其他合流制河道的生態治理提供參考。（來源：中國市政工程中南設計研究總院有限公司，桂林理工大學環境科學與工程學院）
