王洪臣：用技術裝備化破解大城市治水難題

時間： 2022-09-21 10:32

來源：中國水網

作者：王洪臣

　　經過多年努力，大城市旱季水環境得到根本改善，許多城市的水環境實現了“水清岸綠、魚翔淺底”。但是，每到雨季，雨污混合的大量溢流使水環境“一夜回到解放前”，使水環境治理效益大打折扣，成為大城市一個棘手的治水難題。那么，如何破解大城市這一治水難題?

　　在“2022(第二十屆)水業戰略論壇”上，中國人民大學環境學院教授、博士生導師，中國人民大學低碳水環境技術研究中心主任王洪臣梳理了西方國家控制溢流污染的技術路線，從我國城市建設實際情況出發，提出用技術裝備化破解大城市治水難題。

　　雨季溢流污染治理是大城市的治水難題

　　大城市污水收集和處理系統比較完善，非雨季水環境質量較好。但，每到雨季，大量污水隨著雨水進入城市河湖，導致水體黑臭，水生態失衡，使非雨季大半年的治理成效大打折扣，使水環境質量“一夜回到解放前”。溢流污染還導致流域斷面嚴重超標。今年，生態環境部將開始公布汛期污染強度前50名國控斷面及其責任地區清單，將倒逼城市溢流污染治理的全面展開。

　　雨污溢流污染有多嚴重?如何治理?這被認為是大城市治水的一個難題。要理清溢流污染，需要先從排水體制談起。排水體制總體上分為合流制與分流制，合流制排水系統是雨水和污水走同一條管線，分流制則是分別走兩條管線。合流制與分流制哪個更好?這個問題世界上討論了150年，目前也未完全定論，西方國家目前的實際狀況是大城市普遍為合流制，分流制主要在中小城鎮，這既有歷史原因，也有其客觀合理性。這個問題今天不展開，我們回到溢流污染的討論。一般認為，合流制定會存在大量雨污溢流，而分流制不會也不應該產生雨污溢流，實際上，這是個錯誤的認知。無論合流制還是分流制，設計不合理或建設標準過低，都會產生嚴重溢流污染。

　　為控制溢流污染，合流制排水系統應設置截留及調蓄設施，將截留調蓄的雨污水輸送到污水處理廠逐步處理。根據受納水體要求合理確定截流倍數(n0)是建設合流制排水系統的關鍵，有關標準規范建議采用2～5倍，這就要求建設足夠容量的調蓄設施，污水處理廠也需要有足夠的能力冗余。

　　為控制溢流污染，分流制排水系統的污水收集及處理能力應考慮降雨產生的入流入滲量(Rainfall Derived Infiltration and Inflow ，RDII)。大城市人口密度大，路面硬化比例高，雨水徑流系數高，道路積水是常態，雨水必然通過檢查井或管道破損部位進入污水系統。為迅速排澇，主動打開井蓋讓雨水進入污水系統也是防汛中常見的操作。因此，合理確定降雨入流入滲量(RDII)以及入流入滲率是建設分流制排水系統的關鍵。與其他西方國家相比，北歐國家建設了較多的分流制排水系統，據2016年監測數據，丹麥分流制排水系統降雨入流入滲率為30%，芬蘭是40%，瑞典是46%，而挪威高達66%。從這些數據看，如果北歐國家的污水處理廠如果沒有足夠的冗余能力，其分流制排水系統也會存在較為嚴重的雨天溢流污染。因此，西方建設污水處理廠時，負荷率普遍控制在70%以下。

分流制排水系統降雨入流入滲示意圖

美國某市分流制排水系統RDII與污水量和經常性地下水入滲量的相對變化

　　我國普遍推行建設分流制排水系統，但對降雨入流入滲(RDII)沒有重視，相關標準規范也沒有規定，也沒有系統性監測資料。北京一個高標準建設的分流制排水系統，雨水管道設計重現期是10年，但降雨入流入滲量(RDII)仍然很大，小雨時入流入滲率可達20%，大暴雨時可高達50%，而污處理廠旱季已經接近滿負荷，雨天只能溢流。可想而知，對于重現期普遍采用2～5年的排水系統，降雨入流入滲量(RDII)將更大。目前，全國污水處理廠平均負荷率已經接近90%，大城市普遍滿負荷或超負荷，如何應對規劃建設時未予考慮的這塊降雨入流入滲量(RDII)，如何控制溢流污染，的確成為難題。

　　西方國家控制溢流污染的技術路線

　　西方國家控制溢流污染的主要路線是“灰綠結合”：一個是綠色對策，通過綠色基礎設施(Green Infrastructure)，原來叫低影響開發(LID)，控制雨水徑流，減少污水隨雨水進入水體，中國叫海綿城市，更加形象;另一個是灰色對策，通過灰色基礎設施(Gray Infrastructure)，包括地下深隧、調蓄池等，對雨污進行調蓄，并擴大處理設施予以處理。這一“綠色基礎設施 + 傳統的合流制或分流制排水系統 + 灰色基礎設施”模式被稱之為灰綠結合的現代城市排水系統，也叫溢流污染永久控制計劃 (LTCPs，Long-Term Control Plans )，到2030年以前，美國計劃投入1050億美元建設永久排水系統(LTCPs)，其中，綠色423億美元，灰色636億美元。

融入城市的綠色基礎設施

　　為應對溢流污染，西方污水處理廠普遍預留了處理能力。歐洲市政污水處理廠總設計處理能力8.05億 PE，實際處理量5.91億 PE，污染物負荷率 73.4%。美國市政污水處理廠總設計處理能力 1.7 億立方米/日，實際處理量 1.23 億立方米/日，其平均處理負荷率是72.3%，有將近30%余量。這是美國全國的平均值，大城市的實際負荷率還要低。為應對合流制溢流污染，芝加哥建設了美國規模最大的灰色基礎設施，包括總長度176公里的四條深隧道和三個大型調蓄庫，隧庫總調蓄容量高達8000萬立方米。另外，芝加哥建設了全球最大的污水處理廠，設計日均處理能力454萬噸，最大處理能力545萬噸，旱季實際負荷率不足40%,但今年7月8日這一天最大處理量達429萬噸，接近滿負荷運行。如果不建設如此龐大的灰色基礎設施，可想而知，大量雨污將溢流進入下游的密西根湖。

芝加哥的灰色基礎設施

　　從實際出發，用技術裝備化破解我國大城市治水難題

　　我國大城市是否可以采取西方“灰綠結合”(LTCPs)的技術路線治理溢流污染?答案是否定的。首先，“灰綠結合”是應對合流制溢流污染，而我國是以分流制排水體制為主體，在技術倫理上，分流制不應建設大型雨污調蓄設施。其次，我國大城市規劃建設密度高，既沒有空間全面建設海綿城市，也沒有空間建設雨污調蓄設施，現有污水處理廠也大多已被居民區包圍，失去了擴容的空間。那么如何治理溢流污染呢?最佳或唯一的技術路線是采用裝備化手段，建設低占地的溢流污水就地快速處理設施，也就是，用技術裝備化破解我國大城市溢流污染治理難題。

　　“技術裝備化”，不應是簡單地把混凝土構筑物變成金屬材料罐體，而應是以“裝備化”技術為基礎。裝備化技術是一個以“處理快、占地少”為主要目標的嶄新技術體系，用以解決我國溢流污染污染問題，是基于國情的原始創新。

　　目前可以設想的“裝備化技術”體系包括物理快速分離、超大濾速過濾、高效氣浮、大容量吸附、高級氧化以及快速消毒等工藝，可根據不同的處理要求形成一系列組合工藝流程，這些流程應在30分鐘內快速實現特定的污水處理目標。現有生化處理技術速度慢，總體上不屬于“裝備化技術”體系，當然，也不排除高速生化技術的出現。

　　我們團隊在這個方向開展了一些探索，已經投入規模化應用的一個技術是“渣、砂、油”一體化高效秒分離(SSgo?)，可在5秒鐘內實現污水中渣、砂以及固態油脂的快速深度分離，100微米篩余物可去除90%，基本實現污水中“渣、砂、油一掃光”。這個技術的價值在于：一是可確保“河長制”關于水面無漂浮物基本目標的實現;二是作為超高速過濾、高效氣浮、大容量吸附等核心單元必備的前置單元，否則，渣砂油進入這些快速處理單元，堵塞纏繞，快速也將變成慢速。我們期望SSgo? +超高濾速過濾、SSgo? +高效氣浮、SSgo? +大容量吸附這些流程成為“裝備化技術”體系的主流工藝流程。