值得借鑒：歐美國家構(gòu)建城市未來污水管網(wǎng)方案
時間：2020-08-26
來源： 中持股份
污水收集和處理不充分的問題一直都是個國際性難題，根據(jù)聯(lián)合國的資料，全世界80％以上的廢水未經(jīng)處理或再利用就流回了環(huán)境，這就給廢水處理廠增加了相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)。
結(jié)合三部委發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案》，提出要盡快補(bǔ)齊污水管網(wǎng)等設(shè)施短板，表明了我們當(dāng)前面臨的水環(huán)境中所面臨的問題，早已不僅是污水處理廠等點(diǎn)源排放的問題，而是“廠-網(wǎng)-河”整個系統(tǒng)的問題。
對比我國與歐美等發(fā)達(dá)國家污水處理廠的進(jìn)水COD濃度均值，我們的進(jìn)水濃度僅有他們的40%-70%。
以美國為例，他們從1989年就開始系統(tǒng)治理合流制污水溢流（CSOs），經(jīng)歷了“六對策”、“九對策”（NMC，Nine Minimum Control Measures）和“永久對策”（LTCP，Long-Term Control Plan）等歷史階段，而我國從近幾年才開始聚焦污水管網(wǎng)短板問題，所以在相關(guān)治理經(jīng)驗(yàn)上值得我們思考與借鑒。
01
污水管網(wǎng)到底存在哪些問題？
污水管網(wǎng)系統(tǒng)的作用原理說起來很簡單，無非就是將污水納入管道并將其送至污水處理廠。
但實(shí)際過程中，由于污水管網(wǎng)大多埋于地面之下，我們看不見摸不著，等到發(fā)現(xiàn)進(jìn)水濃度出問題或是下水道嚴(yán)重溢流的時候，往往問題都很嚴(yán)重了，許多不是污水的外水（雨水、河水、地下水）會混入污水管道中，造成污水處理廠超負(fù)荷。
據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署（EPA, Environmental Protection Agency）統(tǒng)計，因污水管道錯接、混接、漏接、管道破裂等原因?qū)е孪滤乐型馑霛B入流，全美每年至少有23000~75000個下水道溢水事件發(fā)生，加拿大、意大利、法國、澳大利亞、新加坡、韓國、日本等國也為預(yù)防下水道溢流帶來的公共健康問題困擾多年。
污水管網(wǎng)常見問題圖覽
而我國現(xiàn)今有63%的污水處理廠水量負(fù)荷率超過80%，南方則是70%的處理廠超過80%，實(shí)際上，當(dāng)水量負(fù)荷率超過80%，水量高峰時就可能存在溢流。甚至其中有24%的污水處理廠水量負(fù)荷率超過120%，收集管網(wǎng)存在經(jīng)常性溢流。
除了容易造成溢流污染以外，我國污水處理廠還面臨著進(jìn)水濃度普遍偏低的問題。近兩年全國污水廠平均進(jìn)水COD濃度為280mg/L，但根據(jù)測試，居民小區(qū)總排口COD濃度均值大于400mg/L。這表明了在污水運(yùn)送至處理廠的過程中，存在大量外水滲入和在管道內(nèi)降解的情況，將寶貴的碳源消耗，造成污水處理成本上升。
再與歐美等國家相比，德國污水處理廠進(jìn)水COD濃度為500-1000mg/L，美國污水處理廠進(jìn)水COD濃度也約為850mg/L，對比之下，我國處理廠進(jìn)水濃度只有歐美國家的40%-70%。
根據(jù)王洪臣老師的研究，由于我國污水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的缺陷，2018年，全國城鎮(zhèn)人口以8.3億計，假設(shè)人口污染物當(dāng)量80克COD，實(shí)際城鎮(zhèn)污水處理量587.6億立方米，污水處理廠進(jìn)水年平均COD 280 mg/L，粗算只有67%的污染物被收集到處理廠進(jìn)行了處理；如果人口當(dāng)量按照120克COD計，則粗算僅有45%污染物被收集到處理廠，一多半污染物沒有經(jīng)過污水處理廠的處理。
02
發(fā)達(dá)國家排水管網(wǎng)政策與設(shè)施借鑒
下水道的歷史其實(shí)非常悠久，但以前的下水道一般只是將污水送至附近的水體，真正的截留式下水道的出現(xiàn)最早出現(xiàn)在19世界50年代的歐洲。
但升級的排水系統(tǒng)并沒有解決雨季城市內(nèi)澇問題，美國、英國、德國等國家政府花了一筆又一筆資金，將水管加粗，并增加了泵站，但都沒有解決城市溢流問題帶來的困擾。
歐美污水處理廠流量特性
美國將城市溢流分為合流管網(wǎng)溢流（CSOs）和生活污水管網(wǎng)溢流（SSOs），CSOs問題主要發(fā)生在美國東北部和五大湖地區(qū)，主要是19世紀(jì)末和20世紀(jì)初建造的合流式污水系統(tǒng)中。當(dāng)污水和雨水的總量超過系統(tǒng)的承載能力時，污水會直接排放到河水、溪流或沿海水體中。SSOs的發(fā)生則多是因?yàn)楣芫W(wǎng)堵塞、破裂或故障,使雨水或地下水滲入系統(tǒng)，或是由于不當(dāng)?shù)倪\(yùn)行和維修、設(shè)備或電力的故障以及人為的破壞。
而污水處理廠的進(jìn)水流量通常包括污水基礎(chǔ)流量（BWF，Base Wastewater Flow）和入滲流量及雨水入流量（I/I，Inflow & Infiltration）。美國EPA相關(guān)報告中將I/I區(qū)具體分為入流入滲量（RDII，Rainfall-derived Infiltration and Inflow）和地下水滲透量（GWI，Groundwater Infiltration），也就是說雨天污水處理廠進(jìn)水流量分成三部分，即BWF 、GWI和RDII，其中BWF主要指來自住宅區(qū)、商業(yè)和工業(yè)的生活污水和生產(chǎn)廢水，BWF與GWI共同組成了旱季流量（DWF，Dry Weather Flow）。
雨季污水處理廠進(jìn)水流量組成
以美國田納西州圖拉荷馬的污水廠為例，將每日進(jìn)水流量和降雨量與進(jìn)水BOD濃度進(jìn)行比較（見下圖，圖中1mgd=3785.41m³/d，1in= 2.54cm），說明雨季I/I和降雨對進(jìn)水濃度存在一定的影響。從圖中可以看出，降雨情形下，進(jìn)水峰值流量受降雨影響較為明顯，存在顯著的雨水效應(yīng)，也就是RDII周期，這期間污水廠承受短期的沖擊性流量。
美國Tullahomat進(jìn)水流量曲線
田納西州根據(jù)進(jìn)水BOD濃度的稀釋程度，推測年總I/I量為329萬m³，約占總流量的68%，其中約30%的I/I可歸因于干旱天氣滲入。因此，通常歐美污水廠雨季設(shè)計流量一般是旱季的3～8倍。
國外溢流污水治理策略借鑒
開頭提到過，美國EPA為了應(yīng)對溢流污染曾制定了 “九對策”，提出要發(fā)揮污水廠存量設(shè)施的最大化處理能力，對雨季超量混合污水或峰值流量進(jìn)行處理，要求對合流制管網(wǎng)雨季收集到的85%的流量進(jìn)行處理，這樣相當(dāng)于控制CSOs溢流頻次4～6次/年；對超量混合污水廠可采用“附加處理”措施。
EPA制定的九項(xiàng)溢流控制必要治理措施
緊接著在1995年，EPA又發(fā)布了應(yīng)對溢流污染的 “永久對策”，總預(yù)算近2000億美元，至今紐約和洛杉磯等大城市仍在執(zhí)行中。其中針對城市雨水徑流污染的控制與管理可總結(jié)為兩大方面:
（1）通過技術(shù)性措施來控制污染
對源頭控制，將雨水徑流污染物從源頭上控制在最低限度；
對污染物擴(kuò)散途徑的控制，通過研究雨水徑流污染物輸送和擴(kuò)散機(jī)理，采取適當(dāng)?shù)拇胧�，減少污染物排入地下或地表水體的數(shù)量；
終端治理，通過自然生態(tài)技術(shù)或人工凈化技術(shù)來降解帶入水體的徑流污染物。
（2）非技術(shù)性的管理措施
采取的控制策略有三大突出共性：
強(qiáng)調(diào)源頭控制；
強(qiáng)調(diào)自然與生態(tài)措施；
強(qiáng)調(diào)過程管理。
03
提升污水管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)對溢流的措施
源頭控制
排水系統(tǒng)的源頭控制主要是為了提升對污染物的收集與去除效率，包括消除污水收集處理設(shè)施空白區(qū)，逐步控制污水管網(wǎng)的I/I、實(shí)現(xiàn)清污分流，降低外水比例，降低管道運(yùn)行液位，進(jìn)一步提升管網(wǎng)的流速和污染物的濃度，提高脫氮除磷效率，以減少碳源、除磷等藥劑的投加量。
雨水滲透帶
另外，這幾年海綿城市建設(shè)實(shí)踐表明，通過“滲、滯”等源頭控制設(shè)施在雨季對排水系統(tǒng)削峰、錯峰方面也有明顯作用，還能削減污水處理過程溫室氣體的排放并降低污水廠的運(yùn)行能耗。
綠色設(shè)施在城市徑流和下水道聯(lián)合溢出中的控制過程
擴(kuò)散途徑的控制及徑流分擔(dān)
將合流制改建為分流制，是減少污水直接進(jìn)入天然水體的最佳辦法，是美國很多城市的首選措施，也是我國近年一直在做的工程。但是在人口密集的城市，將合流排水系統(tǒng)改建為分流制系統(tǒng)，往往工程浩大，難以選用。
我國的老城區(qū)治理，也存在同樣問題。這就需要中途徑流分擔(dān)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對雨季峰值流量的管控，通過發(fā)揮管線的在線存儲能力，讓下水道系統(tǒng)騰出空間，或通過綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較構(gòu)建經(jīng)濟(jì)合理、規(guī)模適度的集中式或分散式調(diào)蓄設(shè)施。
在人口密集土地緊張的美國城市，主要措施是加大下水道管徑，提高下水道儲水能力，增設(shè)調(diào)蓄池。
香港跑馬地運(yùn)動場下的地下調(diào)蓄池
中途調(diào)蓄可以建設(shè)在線或離線調(diào)蓄設(shè)施（調(diào)蓄池、深隧等），也可利用管網(wǎng)在線調(diào)蓄。調(diào)蓄池或者具有處理功能的高效調(diào)蓄處理池（RTB，Retention Treatment Basin）在歐美等發(fā)達(dá)國家得到比較廣泛的應(yīng)用，不僅可以在雨季峰值流量期間進(jìn)行調(diào)蓄，減少CSO頻次或溢流總量，而且將處理功能與調(diào)蓄功能相結(jié)合，可以有效削減污染物。
根據(jù)加拿大Stantec公司的研究，RTB在上升流速達(dá)到11m/h時，通過投加聚合物經(jīng)過物化處理對SS的去除率可達(dá)到80%（見下圖）。我國近些年也對功能性調(diào)蓄池進(jìn)行了不斷研究和技術(shù)革新，如將調(diào)蓄功能與生物處理功能相結(jié)合，不但能夠削減SS、TP，還能進(jìn)一步削減BOD5和氨氮，實(shí)現(xiàn)CSO或者初雨的原位處理排放。
高效調(diào)蓄處理池對CSOs 控制效果
管網(wǎng)在線調(diào)蓄通過歐美多年的實(shí)踐應(yīng)用已被證明是最經(jīng)濟(jì)的方式之一，可以有效降低溢流頻次。但國內(nèi)很多地區(qū)的現(xiàn)狀大多是“滿管流”的情況，導(dǎo)致管內(nèi)流速降低的同時，也失去了雨季峰值流量的在線存儲空間。因此可以通過削減入滲入流量、防止倒灌等客水進(jìn)入管網(wǎng)，控制城市外河道運(yùn)行水位等綜合措施的實(shí)施進(jìn)一步降低污水管網(wǎng)運(yùn)行液位控制，可以為雨季峰值流量騰出在線存貯空間，以“空間”換“時間”，發(fā)揮管網(wǎng)的基礎(chǔ)調(diào)蓄能力。
歐美許多城市還開發(fā)了大型的深層隧道系統(tǒng)，以存儲和保持溢流，這些溢流將隨著時間的流逝而被送至污水處理廠處理或定向到單獨(dú)的下水道。
美國密爾沃基市用于雨季儲水的深層隧道
廠-網(wǎng)聯(lián)調(diào)聯(lián)控技術(shù)（RTC）應(yīng)對峰值流量
應(yīng)對城市雨季峰值流量，僅靠綠色設(shè)施或灰色設(shè)施（調(diào)蓄池等）不僅投資大，運(yùn)行成本也不經(jīng)濟(jì)，發(fā)揮設(shè)施之間的聯(lián)動性是最經(jīng)濟(jì)可行的。
自20世紀(jì)90年代開始，美國、德國等國家就如何發(fā)揮排水管網(wǎng)、調(diào)蓄設(shè)施與末端污水廠之間的聯(lián)動，進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐，基于“廠-網(wǎng)”一體化的管控角度，采用實(shí)時控制（RTC，Real Time Control）技術(shù)進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)控，利用軟件模型計算實(shí)時水量與時間，將系統(tǒng)的被動運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃涌刂�，有效提高系統(tǒng)空間容量和處理能力的使用率，在同等條件下減少合流制溢流污染和內(nèi)澇風(fēng)險、提高污水處理率。
采取RTC前后各個城市的溢流頻率變化
實(shí)踐證明了RTC技術(shù)對提高城市排水系統(tǒng)彈性的優(yōu)勢，在不增加現(xiàn)有主要設(shè)施的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)對CSO溢流量減少23%～100%的目標(biāo)（見上圖）。
為更好地規(guī)范和指導(dǎo)RTC項(xiàng)目的實(shí)施，德國水協(xié)會于2005年發(fā)布的《排水管網(wǎng)實(shí)時控制規(guī)劃框架》中包括了排水管網(wǎng)實(shí)時控制項(xiàng)目規(guī)劃的步驟、可行性評估的要求和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的具體要求等內(nèi)容。美國EPA于2006年發(fā)布了《城市排水管網(wǎng)的實(shí)時控制》，提出要依據(jù)采集的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整設(shè)施設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到晴天（提高污水處理率）和雨天（減少CSO和內(nèi)澇）的運(yùn)行目標(biāo)。
此外，對管網(wǎng)系統(tǒng)采用分布式流量控制，控制上游向下游主干管網(wǎng)的輸送速度，能夠?qū)ξ鬯畯S流量起到削峰作用。該方式在歐美發(fā)達(dá)國家被證明是經(jīng)濟(jì)有效的辦法，例如美國路易斯安那州基于大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)（見下圖），結(jié)果表明污水管網(wǎng)在采取分布式流量控制的情況下控制的溢出量比被動情況少79.1%。具體實(shí)施過程中對管網(wǎng)中關(guān)鍵位置的閥門進(jìn)行動態(tài)控制，當(dāng)水廠達(dá)到最大處理能力或管網(wǎng)達(dá)到最大輸送能力時才允許溢流，從而實(shí)現(xiàn)了對管網(wǎng)空間的充分利用，減少了調(diào)蓄池等設(shè)施的投資。
采取分布式流量控制和被動管道輸送的溢流量比較
末端污水廠采用雨季峰值處理線
源頭與中途措施的結(jié)合，是最大程度上削減外水進(jìn)入市政排水系統(tǒng)，但對于超量雨水，這些措施只能利用有限的空間，減緩峰值流量到達(dá)污水廠的時間，所以雨季峰值流量依然是污水廠面臨的技術(shù)和運(yùn)行難題。
“混合”或“旁路”是許多歐美污水處理廠用來處理雨季高峰流量的對策，一般通過增加污水一級處理能力和溢流污水漩流沉淀處理能力，來應(yīng)對雨季超量的污染物，一些污水廠還會設(shè)置專門的雨水線，通過物化處理工藝處理雨水，據(jù)悉其出水可以獲得與污水廠二級處理相同的效果，出水將與經(jīng)過生物處理的一部分廢水合并，消毒后排放到水體中。
此處理過程是確保廢水清潔的最有效方法，根據(jù)美國的《清潔水法》，它已成為廢水處理的必需標(biāo)準(zhǔn)。但是，這一做法在廢水處理行業(yè)仍存在爭議，德雷克塞爾大學(xué)環(huán)境工程師查爾斯·哈斯（Charles Haas）認(rèn)為，消毒不良的廢水要比充分處理的廢水難得多，許多固體可能仍殘留在經(jīng)過初級處理的廢水中，并且這些固體中的病毒，寄生蟲和細(xì)菌受到保護(hù)，無法通過消毒去除。
04
結(jié)語
在歐美等發(fā)達(dá)國家，點(diǎn)源污染已基本得到有效控制，雨水徑流帶來的非點(diǎn)源污染已成為水體污染的主要因素。但我國絕大部分城市并不具備降雨污染控制能力，再加上降雨沖刷導(dǎo)致的旱季管道沉積污染入河，是我國合流制排水區(qū)域城市水體雨后黑臭的最大根源，也是未來城市水體治理應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)方向。
通過分析歐美等國家應(yīng)對雨季溢流采取的措施的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)將重點(diǎn)放在“廠-網(wǎng)-河”整個系統(tǒng)上，發(fā)揮排水管網(wǎng)、排水設(shè)施與末端污水廠之間的聯(lián)動。具體措施包括：
采用建設(shè)海綿城市的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，通過源頭對雨水進(jìn)行削峰和削減污染物濃度；
構(gòu)建中途分散式調(diào)蓄設(shè)施，修復(fù)漏損管道、混接錯接以進(jìn)一步削減入滲入流量；
利用管網(wǎng)系統(tǒng)的在線調(diào)蓄；
末端提高污水廠雨季處理能力。
總的來說，解決未來水環(huán)境問題，需要系統(tǒng)性思維，從“點(diǎn)-線-面-體”不同尺度上，進(jìn)行頂層規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計，從“用戶控制-源頭分離-收集管網(wǎng)完善-污水廠處理及資源回收-排放過程控制”各個環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)性規(guī)劃。
在通過工程技術(shù)措施或管理在具體實(shí)踐中最大可能減少或降低污染物在輸送過程中的滲漏或降解，有效規(guī)劃與實(shí)施排水管網(wǎng)的入滲入流、施工排水控制，削減污染物在排水管網(wǎng)系統(tǒng)輸送過程中的滲漏及通過各種排口向水體的轉(zhuǎn)移 ，使污水廠成為污染物最終的受納、處理或資源回收場所。
