值得借鑒：歐美國(guó)家構(gòu)建城市未來污水管網(wǎng)方案

水處理網(wǎng)訊:污水收集和處理不充分的問題一直都是個(gè)國(guó)際性難題，根據(jù)聯(lián)合國(guó)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(dòng)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(gè)系統(tǒng)的問題。

對(duì)比我國(guó)與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(duì)策”、“九對(duì)策”（NMC，Nine Minimum Control Measures）和“永久對(duì)策”（LTCP，Long-Term Control Plan）等歷史階段，而我國(guó)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(jiǎn)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(shí)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(huì)混入污水管道中，造成污水處理廠超負(fù)荷。

據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA, Environmental Protection Agency）統(tǒng)計(jì)，因污水管道錯(cuò)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(gè)下水道溢水事件發(fā)生，加拿大、意大利、法國(guó)、澳大利亞、新加坡、韓國(guó)、日本等國(guó)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(guó)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(shí)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(guó)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(guó)污水廠平均進(jìn)水COD濃度為280mg/L，但根據(jù)測(cè)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(guó)家相比，德國(guó)污水處理廠進(jìn)水COD濃度為500-1000mg/L，美國(guó)污水處理廠進(jìn)水COD濃度也約為850mg/L，對(duì)比之下，我國(guó)處理廠進(jìn)水濃度只有歐美國(guó)家的40%-70%。

根據(jù)王洪臣老師的研究，由于我國(guó)污水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的缺陷，2018年，全國(guó)城鎮(zhèn)人口以8.3億計(jì)，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(jì)，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(guó)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(jí)的排水系統(tǒng)并沒有解決雨季城市內(nèi)澇問題，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)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(guó)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(guó)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(shí)，污水會(huì)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(guó)EPA相關(guān)報(bào)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(guó)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(duì)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(guó)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(cè)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(jì)流量一般是旱季的3～8倍。

國(guó)外溢流污水治理策略借鑒

開頭提到過，美國(guó)EPA為了應(yīng)對(duì)溢流污染曾制定了 “九對(duì)策”，提出要發(fā)揮污水廠存量設(shè)施的最大化處理能力，對(duì)雨季超量混合污水或峰值流量進(jìn)行處理，要求對(duì)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(duì)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(duì)溢流污染的 “永久對(duì)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(duì)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(duì)源頭控制，將雨水徑流污染物從源頭上控制在最低限度；

對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)排水系統(tǒng)削峰、錯(cuò)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