德国雨污混合溢流污水(CSO)的常规处理技术之溢流水的调蓄方式

合流制排水系统溢流调蓄技术是控制面源污染、削减污染负荷的一项关键工程技术，通过建设调蓄池可以明显减少排放污染负荷。在德国，根据池内是否配置排水溢流堰，可将这些调蓄池分成以下三种类型：截流型调蓄池 (Fangbecken, FB) 、穿流型调蓄池 (Durchlaufbecken, DB) 和联合型调蓄池 (Verbundbecken, VB) 。在各种雨水调蓄池中，堵储水渠(Stauraumkanal, SK) 是一种特殊类型的调蓄池。这里介绍了这些常用的调蓄池的类型和工作原理，可为合流制排水系统面源污染控制的设计工作提供技术支持。
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. i/ R. u- K+ M. [7 P: x1 ?随着城市规模增大，大气污染及地面污染加剧，雨水径流污染愈加严重，尤其是污染物较多的初期雨水。
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0 e, P1 q; I9 U$ Y. l. [' U- C这些城市落地雨水具有以下特点:
% `9 a1 R/ j8 v（1）雨水径流污染属于非点源污染，具有突发性和非连续性。这些雨水(包括雪融水)从以下构筑物流出:房顶和大院、弄堂小路和交通马路
（2）初期雨水中的污染物含量高，随着径流的持续，雨水径流的表面被不断冲洗，污染物含量逐渐减小到相对稳定的浓度
9 P! q5 A; q" |. z（3）初期雨水的污染物指标最高值已远远高于典型城市生活污水，但组成成分和生活污水完全不一样。例如，含有来自交通道路的有害物质 (轮胎摩擦、刹车片摩擦、机油、洗涤剂)。
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随着人们对初期雨水认识的不断深入，在上海、北京等地已经开始考虑在沿河区域对初期雨水进行截流、收集和调蓄处理，在降雨事件过后重新返送回到污水管网，进入集中污水处理厂处理。
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通过初期雨水的截流、收集和调蓄处理，可将其中颗粒性污染物质去除，降低进入接纳水体的污染。件过后重新返送回到污水管网，进入集中污水处理厂处理。
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, X# c, Y4 R- C# P/ P9 M( u& w: H通过以下机械性处理方法，至少可以:
, x7 p; u3 C. F4 v3 e% O% [8 T: G（1）通过在截流干渠附近建造雨水调蓄池，可将污水中的细砂沉积物质分离去除
（2）通过在雨水调蓄池配置水下隔墙或安装挡水板，可将漂浮物质分离去除
( D' S7 V" {7 x（3）通过在截流干渠的溢流井和雨水调蓄池的溢流口处安装水平过滤装置，可以安全去除水中的漂浮物质和悬浮物质。
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通过这些机械性处理措施，可以快速有效地降低溢流进入河流水系的污染，使得雨污混合污水中的厕所草纸、卫生用品、粪便物质不会沉积在河岸线上，明显改善环境卫生状况。
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另一方面，通过截留调蓄初期雨水，过滤取出溢流污水中的固体物质，可以明显减轻集中污水处理厂的冲击负荷，保证排水管网的安全运转。

% q* e  u; g; q6 K  S5 B! X7 Y' \1 q6 [雨水调蓄池的种类

: `2 A1 h. f' ?3 y+ Y在合流制或截流制排水系统内，污水和雨水合用下水道系统，最后流入污水处理厂。但在下雨时，排水流量有时甚至是旱季流量的100倍以上。
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因为污水处理费用和投资成本等原因, 按中国的污水厂设计规范，一般污水厂只能处理1.3倍的旱季污水流量，剩下的混合污水只能通过溢流构筑物流向受纳水体。此时，不能被接受处理的合流制混合污水必须先经过机械性过滤处理之后，才能排入受纳水体或河流。
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8 T% f) J5 F+ Z0 d4 f3 M根据溢流构筑物内是否配置蓄水池，可以进行以下分类(见图1)。

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图1   各种雨水截流调蓄池的类型

4 H- h: ]: v' b9 e& e! X$ S雨水调蓄池的主要任务一方面是减低进入河流污染物质的浓度和总量, 另一方面是减轻排水管网和污水处理厂的水力负荷。
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0 q/ m" f( c1 |8 Z雨水调蓄池的主要功能描述如下：
（1）在旱季流量和降雨量很小时，从居民区收集的污水通过排水管道直接运输至管网末端的污水处理厂。在暴雨期间，超过污水厂处理能力的混合污水首先灌满雨水调蓄池
7 X' X" [1 t2 q3 b  h: h; B' U（2）截流型调蓄池(Fangbecken) 能够储存初期雨量所产生的污染负荷和流量冲击。不能接纳的流量则在调蓄池之前溢流进入河流水系
# q/ S% {- p$ e! d8 w（3）穿流型调蓄池(Durchlaufbecken) 能在调蓄池灌满之后仍然进水，并穿流水池。通过在池尾安装溢流堰，调蓄池具有沉淀池的功能。在超过设计负荷的情况下，大量含有较低浓度混合物的水在进入调蓄池之前便已溢流进入河流水系
3 d5 j2 }& T8 p2 z: K  L（4）在降雨事件之后，调蓄池内的污水被运输至污水处理厂。

# ~9 H* k+ G3 E; C为了加深理解，以下分别介绍在混合污水排水管网内最常见的几种溢流截污调蓄方式。

1   沿河截流干渠上的溢流构筑物(Entlastungsbauwerke)

. ]7 |3 _! E: N这是一种不配置蓄水池时的溢流构筑物，一般称之为雨水溢流堰(Überlaufbauwerke)。
主要功能和安装地点：
1 H/ n# E. Z1 g& s（1） 削减混合污水的最高流量，限制降低通过集中污水处理厂的水力负荷
$ w0 o( T9 n7 J  F% r3 L（2） 在混合污水的污染程度相对较低的地方才能建造此溢流构筑物，否则大量污染物质直接进入受纳水体
1 n3 c6 }$ y. J6 l3 j（3）下雨时在溢流堰上部形成溢流。此时，必须在溢流堰上安装配置水平过滤装置。
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- `' I3 j' c, R1 y( Q在欧洲一些国家对于安装在这些溢流构筑物的过滤装置都有明确的规定。在德国多数情况下，只能在溢流堰上安装采用以下两类过滤装置：
（1）6mm的网孔水平过滤装置
（2）采用4mm栅距的水平格栅

2 C2 p9 N: p9 k9 ^' ], j1 S在英国的溢流构筑物内，法律甚至规定只允许安装6mm的网孔水平过滤装置。只有通过二维过滤，才能保证在溢流过程中尽可能多截留悬浮物质和漂浮物质。
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6 M: [0 X3 `) ]2 B  `1 I- N: @但是，通过这些机械性处理，不能去除直径＜6mm的颗粒性物质和溶解性污染物质。

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图2    雨水截流干渠上的溢流构筑物

, |. S' O6 v5 [在溢流构筑物体积很大的情况下，构筑物底部容易沉积物质。此时，构筑物内必须安装配置水力翻斗冲洗装置。降雨事件过后，对沉积物质进行冲洗处理，保证管网正常运转功能。
* _: A6 R( \5 P6 ^# @) w# M$ F
* D+ {8 w# l$ l$ \% t随着对溢流水处理要求的不断提高，不仅要求去除直径>6mm以上的颗粒性物质，还要求沿雨水截流干渠旁建造各种雨水调蓄池。通过这一措施来截留初期雨水中的溶解性污染物质，同时通过沉淀来截留混合污水中的粪浆污泥物质，降低溢流水对受纳水体所造成的污染。

! D$ X* q: c) S) \以下介绍配置蓄水池时的各种构筑物类型。

2 }+ I% w" y5 ]

2     截留型雨水调蓄池

( ^$ G5 x" U# c/ r1 h5 l6 v这是一种封闭型的调蓄池，调蓄池本身没有溢流装置，只含有进水口和截流之后的排水口。可以接受污染高峰时期的混合污水流量(即能够接受初期雨水), 并调节污水以恒定流量进入后续污水处理厂。

1 Q5 v3 G2 Z- o: a排洪溢流口一般安装在调蓄池的前面，主要原因：
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+ z0 ~/ c9 `: b# Z( g; |  V; W在污染严重的初期雨水被截留后，而此时混合污水的污染也被中期或后期雨水相对稀释，经过水平格栅的过滤处理之后便可排入受纳水体。

通过截留型雨水调蓄池和机械性过滤处理，可以去除直径6mm以上的颗粒性污染性物质、粪浆污泥和一部分溶解性污染物质。

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图3    截留型雨水调蓄池的总体概图(溢流口在调蓄池之前)

1 r! W& K2 ]9 E( J4 C溢流构筑物内的溢流堰上一般都必须安装4mm水平过滤格栅或6mm二维过滤装置。在降雨事件过后，一般采用水力翻斗对雨水截留池的池底进行冲洗清理。
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' `) M2 n$ I* g' O# w图4    水力翻斗冲洗装置  
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3 C  H' u7 _& |图5     水平过滤装置
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3    穿流型雨水调蓄池
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3 l2 b% ^5 x$ U0 K这种雨水调蓄池自己本身拥有溢流装置。用于污染高峰较小的区域，即初期雨水的污染程度与中后期雨水差异不大，同时溢流持续时间很长的地方，可以采用这种类型的调蓄池。
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$ L" l; u: D0 ]2 ~" Q2 F! q5 l与截留型调蓄池不同，穿流形调蓄池内配置排水口和清水溢流堰，主要目的是截留悬浮物质、漂浮物质和可沉淀物质。因此，穿流的混合污水一般必须经过机械性过滤处理。

8 J" z" n3 G: B/ K( u' A通过穿流型雨水调蓄池和机械性过滤处理，可以去除6mm以上的颗粒性污染性物质、细砂石块和部分粪浆污泥，但不能去除溶解性污染物质。
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7 S: q* T4 ^$ W+ D% v图6 穿流型雨水调蓄池的总体概图(溢流口在调蓄池之前和之后)
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0 W, C# c$ i2 X图7  地上/地下型穿流雨水调蓄池内安装配置的水平过滤装置

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4    联合型调蓄池
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; P. Q8 _2 n7 H  O5 S将截留型调蓄池和穿流型调蓄池结合在一起，既可用于拦蓄污染高峰，也可用于处理中后期污染较平均的混合污水。混合污水首先将接受池(截留型调蓄池)灌满，然后流入澄清池(穿流型调蓄池)。在一些冲击性污染高峰显著，同时溢流水量连续持续时间较长的地方，一般建议安装联合型调蓄池。

! e% J  h( [( b雨水调蓄池的形状一般为矩形，但也有圆形调蓄池和旋流调蓄池等其他构造方式。

以上是根据雨水调蓄池的物理形状和功能进行分类。如果根据雨水调蓄池在截流干渠上的安装方式和地点，又可以分成以下两种类型。
5 W( @& x' I& D9 V, G（1）主流安装
雨水溢流池建造在主流渠道内，一般用于渠底倾斜度较大的合流制污水渠段(图8)。在渠底倾斜度很大时，即在进水端和出水端之间液位差较大时，可以采用这种建造方式。
  N$ |* L1 g2 w& h这种建造方式只需要在原污水渠管线内进行扩建，投资相对较少。降雨事件过后，因为排水量较大有时池底可被自清理，将池底泥浆携带往污水处理厂。此外，因为不需要额外配置水泵，操作费用明显低于支流安装方式。

（2）支流安装      
3 Z5 l1 B# u  ]  Q雨水溢流池建造在支流渠内，一般用于渠底倾斜度较小的合流制污水渠段(图8)。在进水渠内的液位较高情况下，混合污水首先灌满单独建造的调蓄池构筑物。
该安装方式的优点是调蓄池池底高度可以低于后续的截流排水渠底，在占地面积很小的情况下可以建造很大体积的调蓄池。但在降雨事件过后，必须采用水泵排空调蓄池，并且需要采用自动清洗装置对池底进行清理，因此操作费用较高。


图8  穿流型雨水调蓄池的主流安装和支流安装
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5    增容截流水渠

在一般情况下，地下排水管网是针对承受最大水力负荷而设计的，所以它就具有巨大的、未利用的蓄水能力。当发生降雨时，如果能够充分合理地利用管道内的潜在容积，可以避免大量减低向接受水域直接进行排放的污水体积。
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- g1 O' L# v. B6 O$ o. `排水管网中还会经常在渠底形成大量沉积物质。 出现这种沉积问题的原因在于：
  _7 W: ~0 z" D& {! N（1）在旱天的水流量较小，而管道直径却较大(由于节约用水而使这一现象更加突出)；
) m/ Q, M1 f" }; f* n; d: n（2）管道落差较平缓，以及由于地质影响而造成的管道下沉等。


8 d/ M# {, F5 k' G2 f管道沉积的可能后果是：
4 O) y- n0 f/ |/ _6 w- _（1）增加了当雨水溢出时携带的污染物，导致河流污染；
& f' h" f5 @/ F（2）对污水处理厂内的生化处理系统产生了冲击性负荷，影响正常处理功能；
（3）厌氧发酵产生气味，产生的硫化氢会对管道造成腐蚀损坏；
) B4 F, M3 ?) S" t0 e% P6 t9 c0 N（4）降低了管道的排水处理能力。

! n. c8 {. j$ q$ f为了保护水域免受混合污水的污染，当然可将溢流水储存在专门建造的雨水调蓄池或污水调蓄池内。但建造这些调蓄池费用昂贵、占地大，故应该首先采用先进的气压阀门技术，在现有的下水道管网内寻找带有较大截面积的水渠段，并充分利用这些剩余容积进行增容截流。
) L' J; J* _  O, t5 ?" u, x+ b
  P+ u0 v$ w9 H8 V: c有些德国公司为此特殊开发设计的翻板阀门，能够截流水渠，使大截面水渠拥有蓄水能力，减轻后续污水处理厂的水力负荷。

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  Z! _; p1 j" W, t" N! m. N" Q由于截流翻板型装置具有较小的尺寸，并且采用现存管道作为冲洗水的存储室，因此可在现有的水渠管道内补充安装截流翻板型装置。相对蓄水池的建造价格，翻板阀门不仅便宜，而且安装保养十分简单。
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图9    在污水渠内安装气压/液压型翻板阀门，专门用于水渠的增容截流

* Y" M: z3 n9 Q- f6 J+ K; I翻板阀门的工作方式(图9)：

1 }$ o9 D; m; u, [; x: M+ u% w时期1： 冲洗液体被截留
（1）翻板转向垂直位置
（2）气压型翻板密封圈活化工作

时期2：截流翻板被打开
3 y' t2 V* [1 K! Q0 e（1）冲洗阀门以冲击方式突然打开 (< 1 秒)
* R1 _1 F1 r! _$ L) Z（2）水渠上方则因水位突然下降而产生的能量，在水渠内产生冲洗水浪

" Z( z8 e1 x4 e6 R* K/ w/ c0 E时期3：水渠清理
% e5 P* j! ?# w0 x+ M! j（1）沉积物质被掀起冲走，水渠由此获得清理
（2）冲洗阀门处于水平休息状态
) P+ ?" c  l* L
; `8 q/ L/ b+ h4 |$ L使用截流翻板装置可以对下水道管网进行灵活多样的管理：
9 ^8 x! w/ G2 i: Y: [（1）使用截流翻板装置可以利用管道网现有的保留容积，将部分混合污水拦截和蓄积在污水管渠内，即被暂时保留起来。随后陆续进行一定数量的排放，这一数量的排放水可以在后续的污水处理厂内被净化处理。
+ B: ?4 h( b$ d6 L8 W# {充分利用静态管道容积算作所需的总容积，可减小雨水调蓄池的体积，在很多情况下甚至可以避免新建雨水调蓄池或混合污水截流池。
（2）截流翻板型装置是一种对水渠管道进行自动冲洗的装置，防止管道产生沉积现象。下水道使用截流翻板型装置时，将减少污染物向受纳水体的排放，污水处理厂的冲击污染负荷将得到缓和，水渠管道的使用寿命将获得延长，防止臭味产生，降低或取消下水道清洁费用。
, s: A# V$ |1 c9 W" F  Z* Q/ R" v（3） 污水管网的增容蓄积。流入的水被蓄积在下水道管网内，蓄水高度可在合理范围内任意调节。通过所提供的测量参数，调节技术装置和现场PLC 控制装置，可以对管网进行灵活管理，这种管理随时都可以对工作条件进行响应。所存放的工作程序与具体项目性质有关，由操作单位具体确定。控制装置可以通过通讯总线连接到一个远程控制系统中，以便向中控室提供现场数据(例如水位、位置信号等)，或者由上一级的中央控制装置来进行阀门控制。
; A( `: X2 d9 E* d' B（4）下水道的截流冲洗过程和降雨事件无关。但当发生降雨时，将通过Power Flush&reg;排流闸的作用，有针对性地利用管道容积来进行蓄水。这时，排流污染得到了减缓。

  N; n3 r# Q! [# ?! A截流翻板型装置的优点总结如下：
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3 Z/ j7 L7 {, x5 a（1）可以清理很长的下水道水渠
5 P+ r- ]" y  f1 D1 q6 g5 G* q" I（2）增容利用隐藏在下水道管网内未利用的储存空间
2 \/ `: w( c+ Z" ?  e（3）可在任意的水渠截面安装阀门，量身定做，最大直径可达 DN 4000
（4）在水渠运转情况下也能进行阀门后安装
* P. d5 T; l* H6 k1 m, [& q# f（5）利用现存排水井进行安装，毋需其他安装开孔
（6）可对阀门运转进行远程监视和控制。
* S8 u5 v$ L- ?: q$ B+ ?. C, F5 r" `
它们被设计来安装到现有的污水井中。通过底部的开孔来对下一个位置进行一定量的排流。随着降雨量的增加，在这些排流闸的前面就形成了蓄水。水中所含的物质开始沉淀，并输送到后续污水处理厂。当出现强降雨时，混合水将漫过排流闸的溢流边。这样一来，管道就再次完全发挥了它的功能。这时排放水中夹带着很少的污染物，排流线路中具有很少的峰值。

为了设计翻板排流闸，必须进行工程方面的规划和管道网络计算。在此基础之上，可以选择各种特定的排流闸。
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8 u7 v6 J" Y& }+ \0 j2 y在下水道特定的位段, 比如说在临近污水处理厂处, 可以用扩大下水道直径的方式进行增容, 增加的体积可以起到类似截留缓冲池的作用。按照其结构, 可以分为上部溢流式和下部溢流式(见下图)。 从功能上来看，上部溢流式类似于截留型调蓄池，而下部溢流式类则与穿流型调蓄池相像。考虑到溢流污水中会含有大量固体脏物，在溢流口亦应装设3~6mm的细格栅。为避免脏物在下水道增容位段的堆积，在合适的位置上应安装水力翻斗以便冲洗。 下水道设计成蛋状截面或底部带有旱季污水渠，可以在很大程度上避免脏物的堆积。


图10   下水道增容截留(左: 上部溢流式; 右: 下部溢流式)
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5 p9 I2 U3 }* r* x7 _' a3 [! R在采用下水道增容截留时, 下水道的设计应当在旱季时满足以下参数： 流速>0.8 m/s, 水深>5cm, 最小水力拖拉剪应力为2~3 N/m。
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其他雨水处理构筑物类型
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/ a7 k8 D. I( R" l4 f+ b3 ^! a. n0 T! V以前传统方法是在暴雨其间将溢流混合污水直接排放河流。目前欧洲愈来愈多的地区是对雨水进行分流之后排放，或对混合污水通过沉淀之后才排河。因此，有时在技术文献中会提及以下类型的雨水调蓄池:

2 D3 K3 Z2 m3 c  f（1）雨水澄清池(Regenkl&auml;rbecken)
! ?3 f% _+ u0 A7 [! K+ f; k
% [. \8 k2 f4 ]是针对分流制的排河雨水而言，其结构形状类似污水厂的二沉池。雨水经过沉淀之后，溢流直接进入河流。池底沉积物质被清理之后泵送排水管网。

（2）雨水抗洪截留池(Regenruckhaltbecken)

1 s5 E9 E+ z% i3 A用于雨水或污染物浓度很低的混合物水，其结构形状类似前面描述的雨水调蓄池，但体积很大，具有抗洪蓄水能力。主要功能是暴雨期间截流大量雨水或混合污水，然后缓慢限量地排入受纳水体，从而调节河流的洪峰流量，并保证河流水质。
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( U$ U( n$ W0 k: U( E在一些人口居住密度较低的地方，还可以采用非集中型雨水渗透处理作为附加措施进行处理，主要采用的地下渗漏处理方法(图11):
' `: K5 z# n" }; }! }（1）渗水井
5 D6 M! i6 |4 E# [2 M- S( b; z; O（2）渗水坑
2 N. l6 [0 o% L9 k  k（3）渗水沟
1 |& B* s. R& ~+ i) [/ i6 G通过现场渗漏地下，可以减少雨水径流量，提高地下水液位。

: h5 F- g- M* l8 T! b0 k5 K
1 h" {. q( y# X# w0 ~图11    各种地下渗漏处理方法
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+ Z9 a  F/ D  X5 J6 ^, l* F4   总结
0 z  l/ h2 P2 A
; h$ F) X. K) H9 @4 M如何将初期雨水截流到生活污水管网，并控制对排水管网的溢流污染是改善河流水质的主要措施。在城市雨水排水系统设计中，适当配置应用雨水调蓄池，可极大地降低雨水管道尺寸，降低工程造价，同时还有利于雨水资源的收集利用。
- a6 O3 T; }8 K9 p9 m9 \% J. N
" }, g1 f  e+ o; s2 J0 l通过雨水截污措施, 可将道路雨水通过下水道排入沿途大型蓄水池，并对其进行截流、收集和调蓄处理之后再排放河流。同时，通过采用合适的机械性处理方法，例如调蓄沉淀池，并在溢流口处安装水下隔墙和机械性过滤装置，可以快速有效地降低排入河流的颗粒性固体污染物质，减轻集中污水处理厂的冲击负荷，保证排水管网的安全运转。

3 Y; t. |) I$ \; D+ l2 d' Q) y, d. n根据池内是否配置排水溢流堰，可将这些调蓄池分成以下三种类型:
% q- p% l- k9 V: H/ R  L截流型调蓄池 (Fangbecken, FB)
2 g4 J: L4 j/ K, L) F, ?穿流型调蓄池 (Durchlaufbecken, DB)
% y  u9 {2 J' ~% J; g4 d3 e7 ~" M联合型调蓄池 (Verbundbecken, VB)
7 a' M: A  D) s9 F1 Y) |
在各种雨水调蓄池中，堵储水渠(Stauraumkanal, SK) 是一种特殊类型的调蓄池。此时，如果溢流构筑物位于堵储水渠的上游，则堵储水渠的功能类似截流型调蓄池；如果溢流构筑物位于堵储水渠的下游，则堵储水渠的功能类似穿流型调蓄池。

' w) l3 H  d$ V当初期雨水中含有的溶解性污染物浓度远高于中期/后期雨水时，则推荐建造截流型调蓄池，尽可能将溶解性COD截流在截流型雨水调蓄池内，然后以一定流量送往污水处理厂处理。
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# ^5 L; r+ O1 l# P# o2 T' M当初期雨水中含有的溶解性污污染物浓度与中期/后期雨水相差不大时，则推荐建造穿流型调蓄池，降低水渠和调蓄池内流速，尽可能多沉降混合污水中的粪浆污泥。同时，在调蓄池的溢流口处安装水下隔墙和过滤装置，截留悬浮物质和漂浮物质。

3 g$ |1 O. I% b. \, M2 W5 e作为补充措施，可在城市内有条件的地方采用非集中型雨水地下渗漏处理，减少雨水径流，或者采用计算机排水管网的调节控制，对下水道管网的增容蓄水进行整体优化处理，减少溢流排污总量。作者：德国DEW公司 高颖
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