王凱軍:城市水環(huán)境管理與考核變化引起的技術(shù)和標準問題
時間:2020-07-02 13:02
來源: JIEI創(chuàng)新實驗室
作者:劉秋琳
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王凱軍:后黑臭河道時代水環(huán)境問題的系統(tǒng)思考
我國城市水環(huán)境管理與考核的變化
王凱軍教授首先分析了我國正面臨城市水環(huán)境管理重大戰(zhàn)略轉(zhuǎn)折期,表現(xiàn)為四大趨勢:
從追求工程結(jié)果到關(guān)注環(huán)境效果的轉(zhuǎn)變:從監(jiān)控重點污染源到監(jiān)控河流斷面水質(zhì)的轉(zhuǎn)變;以前追求點源控制,實行河長制以后,改為考察斷面水質(zhì),而溢流污染跟斷面水質(zhì)達標密切相關(guān)。
主控污染源類型的變化:由控制有機污染為主轉(zhuǎn)變?yōu)榈、磷營養(yǎng)元素的控制;下一階段COD不再是主要問題,氮磷才是主要問題。
從點源控制到面源控制的轉(zhuǎn)變:水污染控制主戰(zhàn)場由點源控制向流域綜合整治方面轉(zhuǎn)變;
從被動防治到主動修復的轉(zhuǎn)變:最為重要的轉(zhuǎn)變是由被動防治,轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃由鷳B(tài)修復和建設(shè)。特殊地區(qū)主動追求與其經(jīng)濟、社會發(fā)展相適應的更高的環(huán)境質(zhì)量。
今后相當長的一個時期內(nèi)城市面源污染控制將是重點方向之一。以通州為例,在現(xiàn)有情景下,一場中小型降雨,北運河河道水質(zhì)COD迅速由30~40 mg/L升高至70~90 mg/L,要超過20天河道水質(zhì)才能完全恢復。整個夏季如果有多場降雨,那斷面水質(zhì)達標就存在問題了。以前是一個季度四次監(jiān)測,現(xiàn)在是連續(xù)監(jiān)測,可以看出汛期達標率顯著低于非汛期。
我國排水體制與水環(huán)境目標管理的不適應性
我國排水體制已不適應環(huán)境管理變化的需求。并非要評價分流制和合流制哪個好,哪個不好,而是目前我國既缺乏對分流制初期雨水污染的制度安排,也缺乏對合流制溢流污染的制度設(shè)計。初期雨水的污染毋庸置疑,據(jù)監(jiān)測,初期雨水污染物濃度遠高于污水廠排放標準,而混合雨水污染物濃度仍然達不到水環(huán)境的標準。
從國際上看,歐美等發(fā)達國家大多數(shù)采取合流制。比如,英國、法國、德國合流制都在70%左右,西班牙更是高達80%,德國科隆市合流制系統(tǒng)甚至占94%、日本東京合流制系統(tǒng)占90%以上。采用哪種排水系統(tǒng)跟降雨量也沒有關(guān)系。在歐美,降雨量400多毫米的城市有采用合流制的,1000多毫米的城市也有采用合流制的。
問題在于我國的合流制跟國際上的不太一樣,我們的是溢流式合流制,而國際上的是截流式合流制。截流倍數(shù)比我國大的多,而且早在綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之前就已經(jīng)對溢流污染有所考慮。合流制系統(tǒng)下,末端污水處理廠在旱季有一半設(shè)施是閑置的,專門用于處理雨季污水,其溢流的部分是可控的。而我們的設(shè)計理念是有限的截流,從理念上來講與國外不同。首先,國外對于溢流污染控制,根據(jù)水環(huán)境容量和水安全性考慮,主要是以懸浮物和大腸桿菌為主要控制指標。是以控制此外經(jīng)計算,下一步我國哪怕采用2-5倍甚至10倍的截流倍數(shù),對于Ⅲ類水、Ⅳ類水,根據(jù)我國從監(jiān)控重點污染源到監(jiān)控河流斷面水質(zhì)的監(jiān)管體制的轉(zhuǎn)變,溢流這部分不但COD超標,在氮、磷上仍然是超標的,是需要控制的。
《城市黑臭水體整治工作指南》中指出黑臭水體的整治應按照“控源截污、內(nèi)源治理;活水循環(huán)、清水補給;水質(zhì)凈化、生態(tài)修復”,這里說的非常好,控源截污,但是什么源沒有控制住?污染源是什么?
新加坡,小區(qū)旱季零污水排放,污水處理廠進水COD濃度達565mg/L。北京城區(qū)現(xiàn)在也能達到513mg/L,但是上海僅為280mg/L,廣州更甚,僅為181mg/L。綜合考慮用水量、排水量、進水濃度以及理論排放當量,可以推算出我國至少有40%-50%的COD損失了,這才是水體黑臭的根源。據(jù)報道在上海市城鎮(zhèn)污水處理率達到了94.3%的程度,但是發(fā)現(xiàn)有56%的污水直接或間接進入了河道。
從全國來看,我國污水處理量逐年增加,但進水濃度卻逐年降低,這使得污染減排工作大打折扣。這種濃度降低到底是什么原因?根據(jù)目前技術(shù)COD低濃度的情況發(fā)現(xiàn),可按用水量區(qū)分,有以下三種情況:
如果收集的污水量小于用水量,說明用水浪費,管網(wǎng)建設(shè)落后;
如果收集污水量相當,說明有一半以上污水沒有收集,并且雨污不分;
如果收集污水量大,說明管網(wǎng)破損嚴重。大數(shù)據(jù)顯示理論濃度應該可以達到500 mg/L,但絕大多數(shù)城市都沒能達到這個水平。
根據(jù)我們的計算我國36個重點城市,其中有25個的COD漏損率超過50%,這直接導致我們過于樂觀地估計了我們的污水處理率,實際上可能有50%以上污水沒有接入到管網(wǎng),這是最主要的一個問題。
圖 36個重點城市污水處理量、COD削減量及COD遺失率對比(2017年)
以《北京市進一步加快推進城鄉(xiāng)水環(huán)境治理工作三年行動方案(2019年-2022年》分析,其中第一個行動計劃中提到2012年北京市污水處理率已經(jīng)達到了83%,目標到2015年提高到90%,提高了228萬方/天的處理量,然而花費了300個億。上海的情況也與之類似。這究竟是什么原因造成的呢?
最主要的是沒有達到污水的全收集,這一定是第一位的原因。我們再來看其他原因,有的城市排污口已經(jīng)堵上了,旱季沒有溢流,但進水濃度還是這么低。什么原因?因為沉積?初步估算一下,四千多座污水處理廠,兩千多座的進水濃度在150mg/L以下,如果是沉積起主要作用的話,起碼一半沉下來了,簡單一算十來天管道就將積滿流不了水了。實際上還在流水,這說明不可能完全是沉積問題。綜合分析,主要還是污水的全收集問題。
我國城市雨水溢流污染解決途徑
我們分析溢流污染主要有以下四種解決技術(shù)途徑:一是盡快建立雨污分離系統(tǒng),二是建立海綿城市理念解決雨水問題,三是擴大合流制處理雨污水問題,四是建立新型污水排放體系。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(2019—2021年)》有三項重點任務(wù):一、開展污水管網(wǎng)排查,摸清底數(shù)是為了了解過去,二、管控管網(wǎng)建設(shè)工程質(zhì)量,是為了管好未來,三、強化污水管網(wǎng)建設(shè),管網(wǎng)錯混接改造,實施清污分流。這幾件事基本都停留在黑臭水體層面,對下一步的水環(huán)境質(zhì)量改善幫助不太大。
通過查閱年鑒上的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),這些年的雨污分流改造并不成功。管網(wǎng)建設(shè)使得雨水管道增加了二十多萬公里,污水管道也增加了二十多萬公里,但十多萬的雨污合流管道卻一直沒有多大的變化,這些設(shè)施基本都在城市中心,很難改動。在這種情況下,合流制溢流污染是繞不過去的坎。如果強勢進行分流改造,按全國管道和污水處理廠基礎(chǔ)設(shè)施投入大概算一筆帳,全國污水處理廠建成形成了八千億的固定資產(chǎn),而污水管道建設(shè)則需要近十萬億資產(chǎn),投資比達1:10,由此可見投資管道解決溢流污染問題是一種經(jīng)濟效益比較差的投資方式。當然,在新建城市或者管道普及不夠的地方建管道是合理的。
再來看海綿城市建設(shè),30個海綿城市,平均每平方公里投資1~2個億,1平方公里按年1000毫米降雨那就是降解率100萬方水的水資源問題,平均3000方/日。這么發(fā)展下去全國海綿城市要達到40%建成區(qū)的話將是一個海量投資。國際上是在排水體制基本解決80%的溢流問題之后,來搞綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),我國排水體制還沒有解決基本問題,就想用海綿城市來減少75%到80%的溢流。
大概統(tǒng)計一下,一個中等城市海綿城市是百億級投資,分流制改造是十億級投資,而合流制投入是一個億的投資,技術(shù)經(jīng)濟比選下肯定是合流制最佳。加拿大一個城市也做過系統(tǒng)對比,發(fā)現(xiàn)海綿城市投資是最高的,完全分流是第二,而利用污水廠來提效的效益最高的。
圖 系統(tǒng)解決方案對比分析
充分利用已建成的城市污水基礎(chǔ)設(shè)施,濃度低反而是一個優(yōu)勢。我們要把壞事變成好事來解決中國的問題。因為污水處理設(shè)計原理非常簡單,負荷與跟量和濃度的乘積有成正比。如果濃度低了一倍,也就意味著流量可以提高一倍;蛟S有人會說,流量多了水力條件也變了。其實,這跟里面的水力條件沒關(guān)系,因為現(xiàn)在的活性污泥系統(tǒng)內(nèi)回流、外回流等內(nèi)部已經(jīng)折騰到了3~4倍的流量。所以,如果我們能夠利用這一基礎(chǔ)設(shè)施,可能是一個非常好的方式,限制性因素僅僅是二次沉淀池。
新型城市排水系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)、政策和標準支撐
通過上述討論可以清楚的看出,解決CSO問題是存在多條技術(shù)路線的,這樣就要強調(diào)治理頂層設(shè)計優(yōu)先,需要確定明確的路線圖。這不是三年五年可以做到的,需要二三十年的長期規(guī)劃,應該在政策、技術(shù)、標準規(guī)范上都有配套措施。特別,跟國家污染減排體系(NPDES)排放許可證發(fā)放是有關(guān)的。在這點上我們要學習國際在標準制定方面的經(jīng)驗,如美國點源污染發(fā)的許可證100萬份,暴雨一期和暴雨二期許可證是幾百萬份,很大比例的管理許可證是放在了公共設(shè)施的雨水排放點源污染上了。接下來我將提出一些具體的政策建議。
政策建議一:我國應該盡快實行濃度限批,節(jié)水優(yōu)先,杜絕劣質(zhì)下水道工程。加快制定城市面源污染物排放標準或雨水污染物削減技術(shù)規(guī)范。
政策建議二:海綿城市的建設(shè)重點應該是解決城市面源污染控制的最后一公里---提出精準海綿建設(shè)的概念。海綿城市要抓,但是要精準。根據(jù)國家地理信息系統(tǒng),精準利用地形、河道精準建設(shè)海綿城市設(shè)施,結(jié)合儲存等灰色基礎(chǔ)設(shè)施有效解決CSO問題。因為海綿城市理念是城建、交通、住房、水利等部門都要齊抓共管,要貫徹到不同部門的一系列標準上。舉個最簡單的例子,馬路低于綠地是道路的標準問題,所以綠地不住水,通過馬路自然排下來了。要改變涉及道路設(shè)計、園林設(shè)計和衛(wèi)生等不同與水不相關(guān)的部門。
為了解決CSO問題,我們在通州做了一些研究。采取兩倍的流量在雨天沖擊5小時,其出水COD、氨氮、TN、TP并沒有什么影響,能承受五個小時以上沖擊。下一步我們想改為3倍流量再進行實驗。在沉淀上解決問題不只這一種方法,如果放給企業(yè),他們會有很多的技術(shù)和方法來解決這個問題。我們在通州分析可以利用污水廠超負荷處理雨水,只要對沉降性采取一些促進措施,雨季每天就可以多處理7.5萬方。同時,污水處理廠現(xiàn)狀水塘13.5萬平米,7-8米,容積100萬立方米,如果僅僅利用20萬立方米調(diào)蓄庫容存儲雨水。對于降雨量33mm可以實現(xiàn)全面控制,從而解決副中心雨水徑流污染問題。整體效果超過目前海綿城市建設(shè)徑流控制率75%的要求。
政策建議三:我國應該修訂城市污水處理廠排放標準,鼓勵雨季超水力負荷處理,制定相應的排放標準,協(xié)同控制城市面源污染或雨水溢流污染。
昆明目前正在修訂城市污水處理廠排放標準,且已經(jīng)形成一個標準,這是國內(nèi)第一個明確提出如果雨季達到1.3倍以上,雨季預留可以執(zhí)行最低標準。這等于在全國開了一個口子,鼓勵雨季多處理雨水,并有相應的經(jīng)濟措施。我們從末端解決問題,首先盡可能利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施、污水管網(wǎng)系統(tǒng)、處理系統(tǒng)等,特別是現(xiàn)在負荷嚴重不足的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng),再來雨水調(diào)蓄,結(jié)合起來。這樣制定發(fā)展路線圖,可能還真需要20年以上的時間,我們才能徹底解決這個問題。