值得借鉴:欧美国家构建城市未来污水管网方案

行业新闻 2020-08-28      来源:中持股份
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  污水收集和处理不充分的问题一直都是个国际性难题,根据联合国的资料,全世界80%以上的废水未经处理或再利用就流回了环境,这就给废水处理厂增加了相当大的负担。

  结合三部委发布的《城镇污水处理提质增效三年行动方案》,提出要尽快补齐污水管网等设施短板,表明了我们当前面临的水环境中所面临的问题,早已不仅是污水处理厂等点源排放的问题,而是“厂-网-河”整个系统的问题。

  对比我国与欧美等发达国家污水处理厂的进水COD浓度均值,我们的进水浓度仅有他们的40%-70%。

  以美国为例,他们从1989年就开始系统治理合流制污水溢流(CSOs),经历了“六对策”、“九对策”(NMC,Nine Minimum Control Measures)和“永久对策”(LTCP,Long-Term Control Plan)等历史阶段,而我国从近几年才开始聚焦污水管网短板问题,所以在相关治理经验上值得我们思考与借鉴。

  01

  污水管网到底存在哪些问题?

  污水管网系统的作用原理说起来很简单,无非就是将污水纳入管道并将其送至污水处理厂。

  但实际过程中,由于污水管网大多埋于地面之下,我们看不见摸不着,等到发现进水浓度出问题或是下水道严重溢流的时候,往往问题都很严重了,许多不是污水的外水(雨水、河水、地下水)会混入污水管道中,造成污水处理厂超负荷。

  据美国环境保护署(EPA, Environmental Protection Agency)统计,因污水管道错接、混接、漏接、管道破裂等原因导致下水道中外水入渗入流,全美每年至少有23000~75000个下水道溢水事件发生,加拿大、意大利、法国、澳大利亚、新加坡、韩国、日本等国也为预防下水道溢流带来的公共健康问题困扰多年。

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 污水管网常见问题图览

  而我国现今有63%的污水处理厂水量负荷率超过80%,南方则是70%的处理厂超过80%,实际上,当水量负荷率超过80%,水量高峰时就可能存在溢流。甚至其中有24%的污水处理厂水量负荷率超过120%,收集管网存在经常性溢流。

  除了容易造成溢流污染以外,我国污水处理厂还面临着进水浓度普遍偏低的问题。近两年全国污水厂平均进水COD浓度为280mg/L,但根据测试,居民小区总排口COD浓度均值大于400mg/L。这表明了在污水运送至处理厂的过程中,存在大量外水渗入和在管道内降解的情况,将宝贵的碳源消耗,造成污水处理成本上升。

  再与欧美等国家相比,德国污水处理厂进水COD浓度为500-1000mg/L,美国污水处理厂进水COD浓度也约为850mg/L,对比之下,我国处理厂进水浓度只有欧美国家的40%-70%。

  根据王洪臣老师的研究,由于我国污水管网系统存在的缺陷,2018年,全国城镇人口以8.3亿计,假设人口污染物当量80克COD,实际城镇污水处理量587.6亿立方米,污水处理厂进水年平均COD 280 mg/L,粗算只有67%的污染物被收集到处理厂进行了处理;如果人口当量按照120克COD计,则粗算仅有45%污染物被收集到处理厂,一多半污染物没有经过污水处理厂的处理。

  02

  发达国家排水管网政策与设施借鉴

  下水道的历史其实非常悠久,但以前的下水道一般只是将污水送至附近的水体,真正的截留式下水道的出现最早出现在19世界50年代的欧洲。

  但升级的排水系统并没有解决雨季城市内涝问题,美国、英国、德国等国家政府花了一笔又一笔资金,将水管加粗,并增加了泵站,但都没有解决城市溢流问题带来的困扰。

 欧美污水处理厂流量特性

  美国将城市溢流分为合流管网溢流(CSOs)和生活污水管网溢流(SSOs),CSOs问题主要发生在美国东北部和五大湖地区,主要是19世纪末和20世纪初建造的合流式污水系统中。当污水和雨水的总量超过系统的承载能力时,污水会直接排放到河水、溪流或沿海水体中。SSOs的发生则多是因为管网堵塞、破裂或故障,使雨水或地下水渗入系统,或是由于不当的运行和维修、设备或电力的故障以及人为的破坏。

  而污水处理厂的进水流量通常包括污水基础流量(BWF,Base Wastewater Flow)和入渗流量及雨水入流量(I/I,Inflow & Infiltration)。美国EPA相关报告中将I/I区具体分为入流入渗量(RDII,Rainfall-derived Infiltration and Inflow)和地下水渗透量(GWI,Groundwater Infiltration),也就是说雨天污水处理厂进水流量分成三部分,即BWF 、GWI和RDII,其中BWF主要指来自住宅区、商业和工业的生活污水和生产废水,BWF与GWI共同组成了旱季流量(DWF,Dry Weather Flow)。

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  雨季污水处理厂进水流量组成

  以美国田纳西州图拉荷马的污水厂为例,将每日进水流量和降雨量与进水BOD浓度进行比较(见下图,图中1mgd=3785.41m³/d,1in= 2.54cm),说明雨季I/I和降雨对进水浓度存在一定的影响。从图中可以看出,降雨情形下,进水峰值流量受降雨影响较为明显,存在显著的雨水效应,也就是RDII周期,这期间污水厂承受短期的冲击性流量。

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 美国Tullahomat进水流量曲线

  田纳西州根据进水BOD浓度的稀释程度,推测年总I/I量为329万m³,约占总流量的68%,其中约30%的I/I可归因于干旱天气渗入。因此,通常欧美污水厂雨季设计流量一般是旱季的3~8倍。

  国外溢流污水治理策略借鉴

  开头提到过,美国EPA为了应对溢流污染曾制定了 “九对策”,提出要发挥污水厂存量设施的最大化处理能力,对雨季超量混合污水或峰值流量进行处理,要求对合流制管网雨季收集到的85%的流量进行处理,这样相当于控制CSOs溢流频次4~6次/年;对超量混合污水厂可采用“附加处理”措施。

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  EPA制定的九项溢流控制必要治理措施

  紧接着在1995年,EPA又发布了应对溢流污染的 “永久对策”,总预算近2000亿美元,至今纽约和洛杉矶等大城市仍在执行中。其中针对城市雨水径流污染的控制与管理可总结为两大方面:

  (1)通过技术性措施来控制污染

  对源头控制,将雨水径流污染物从源头上控制在最低限度;

  对污染物扩散途径的控制,通过研究雨水径流污染物输送和扩散机理,采取适当的措施,减少污染物排入地下或地表水体的数量;

  终端治理,通过自然生态技术或人工净化技术来降解带入水体的径流污染物。

  (2)非技术性的管理措施

  采取的控制策略有三大突出共性:

  强调源头控制;

  强调自然与生态措施;

  强调过程管理。

  03

  提升污水管网系统应对溢流的措施

  源头控制

  排水系统的源头控制主要是为了提升对污染物的收集与去除效率,包括消除污水收集处理设施空白区,逐步控制污水管网的I/I、实现清污分流,降低外水比例,降低管道运行液位,进一步提升管网的流速和污染物的浓度,提高脱氮除磷效率,以减少碳源、除磷等药剂的投加量。

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  雨水渗透带

  另外,这几年海绵城市建设实践表明,通过“渗、滞”等源头控制设施在雨季对排水系统削峰、错峰方面也有明显作用,还能削减污水处理过程温室气体的排放并降低污水厂的运行能耗。

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  绿色设施在城市径流和下水道联合溢出中的控制过程

  扩散途径的控制及径流分担

  将合流制改建为分流制,是减少污水直接进入天然水体的最佳办法,是美国很多城市的首选措施,也是我国近年一直在做的工程。但是在人口密集的城市,将合流排水系统改建为分流制系统,往往工程浩大,难以选用。

  我国的老城区治理,也存在同样问题。这就需要中途径流分担机制来实现对雨季峰值流量的管控,通过发挥管线的在线存储能力,让下水道系统腾出空间,或通过综合经济技术比较构建经济合理、规模适度的集中式或分散式调蓄设施。

  在人口密集土地紧张的美国城市,主要措施是加大下水道管径,提高下水道储水能力,增设调蓄池。

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  香港跑马地运动场下的地下调蓄池

  中途调蓄可以建设在线或离线调蓄设施(调蓄池、深隧等),也可利用管网在线调蓄。调蓄池或者具有处理功能的高效调蓄处理池(RTB,Retention Treatment Basin)在欧美等发达国家得到比较广泛的应用,不仅可以在雨季峰值流量期间进行调蓄,减少CSO频次或溢流总量,而且将处理功能与调蓄功能相结合,可以有效削减污染物。

  根据加拿大Stantec公司的研究,RTB在上升流速达到11m/h时,通过投加聚合物经过物化处理对SS的去除率可达到80%(见下图)。我国近些年也对功能性调蓄池进行了不断研究和技术革新,如将调蓄功能与生物处理功能相结合,不但能够削减SS、TP,还能进一步削减BOD5和氨氮,实现CSO或者初雨的原位处理排放。

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 高效调蓄处理池对CSOs 控制效果

  管网在线调蓄通过欧美多年的实践应用已被证明是最经济的方式之一,可以有效降低溢流频次。但国内很多地区的现状大多是“满管流”的情况,导致管内流速降低的同时,也失去了雨季峰值流量的在线存储空间。因此可以通过削减入渗入流量、防止倒灌等客水进入管网,控制城市外河道运行水位等综合措施的实施进一步降低污水管网运行液位控制,可以为雨季峰值流量腾出在线存贮空间,以“空间”换“时间”,发挥管网的基础调蓄能力。

  欧美许多城市还开发了大型的深层隧道系统,以存储和保持溢流,这些溢流将随着时间的流逝而被送至污水处理厂处理或定向到单独的下水道。

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 美国密尔沃基市用于雨季储水的深层隧道

  厂-网联调联控技术(RTC)应对峰值流量

  应对城市雨季峰值流量,仅靠绿色设施或灰色设施(调蓄池等)不仅投资大,运行成本也不经济,发挥设施之间的联动性是最经济可行的。

  自20世纪90年代开始,美国、德国等国家就如何发挥排水管网、调蓄设施与末端污水厂之间的联动,进行了大量研究和实践,基于“厂-网”一体化的管控角度,采用实时控制(RTC,Real Time Control)技术进行联调联控,利用软件模型计算实时水量与时间,将系统的被动运行转变为主动控制,有效提高系统空间容量和处理能力的使用率,在同等条件下减少合流制溢流污染和内涝风险、提高污水处理率。

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  采取RTC前后各个城市的溢流频率变化

  实践证明了RTC技术对提高城市排水系统弹性的优势,在不增加现有主要设施的基础上,可实现对CSO溢流量减少23%~100%的目标(见上图)。

  为更好地规范和指导RTC项目的实施,德国水协会于2005年发布的《排水管网实时控制规划框架》中包括了排水管网实时控制项目规划的步骤、可行性评估的要求和关键环节的具体要求等内容。美国EPA于2006年发布了《城市排水管网的实时控制》,提出要依据采集的现场监测数据,动态调整设施设备的开关状态和运行参数,以达到晴天(提高污水处理率)和雨天(减少CSO和内涝)的运行目标。

  此外,对管网系统采用分布式流量控制,控制上游向下游主干管网的输送速度,能够对污水厂流量起到削峰作用。该方式在欧美发达国家被证明是经济有效的办法,例如美国路易斯安那州基于大量的监测数据(见下图),结果表明污水管网在采取分布式流量控制的情况下控制的溢出量比被动情况少79.1%。具体实施过程中对管网中关键位置的阀门进行动态控制,当水厂达到最大处理能力或管网达到最大输送能力时才允许溢流,从而实现了对管网空间的充分利用,减少了调蓄池等设施的投资。

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  采取分布式流量控制和被动管道输送的溢流量比较

  末端污水厂采用雨季峰值处理线

  源头与中途措施的结合,是最大程度上削减外水进入市政排水系统,但对于超量雨水,这些措施只能利用有限的空间,减缓峰值流量到达污水厂的时间,所以雨季峰值流量依然是污水厂面临的技术和运行难题。

  “混合”或“旁路”是许多欧美污水处理厂用来处理雨季高峰流量的对策,一般通过增加污水一级处理能力和溢流污水漩流沉淀处理能力,来应对雨季超量的污染物,一些污水厂还会设置专门的雨水线,通过物化处理工艺处理雨水,据悉其出水可以获得与污水厂二级处理相同的效果,出水将与经过生物处理的一部分废水合并,消毒后排放到水体中。

  此处理过程是确保废水清洁的最有效方法,根据美国的《清洁水法》,它已成为废水处理的必需标准。但是,这一做法在废水处理行业仍存在争议,德雷克塞尔大学环境工程师查尔斯·哈斯(Charles Haas)认为,消毒不良的废水要比充分处理的废水难得多,许多固体可能仍残留在经过初级处理的废水中,并且这些固体中的病毒,寄生虫和细菌受到保护,无法通过消毒去除。

  04

  结语

  在欧美等发达国家,点源污染已基本得到有效控制,雨水径流带来的非点源污染已成为水体污染的主要因素。但我国绝大部分城市并不具备降雨污染控制能力,再加上降雨冲刷导致的旱季管道沉积污染入河,是我国合流制排水区域城市水体雨后黑臭的最大根源,也是未来城市水体治理应关注的重点方向。

  通过分析欧美等国家应对雨季溢流采取的措施的相关经验,应将重点放在“厂-网-河”整个系统上,发挥排水管网、排水设施与末端污水厂之间的联动。具体措施包括:

  采用建设海绵城市的绿色基础设施,通过源头对雨水进行削峰和削减污染物浓度;

  构建中途分散式调蓄设施,修复漏损管道、混接错接以进一步削减入渗入流量;

  利用管网系统的在线调蓄;

  末端提高污水厂雨季处理能力。

  总的来说,解决未来水环境问题,需要系统性思维,从“点-线-面-体”不同尺度上,进行顶层规划、系统设计,从“用户控制-源头分离-收集管网完善-污水厂处理及资源回收-排放过程控制”各个环节进行系统性规划。

  在通过工程技术措施或管理在具体实践中最大可能减少或降低污染物在输送过程中的渗漏或降解,有效规划与实施排水管网的入渗入流、施工排水控制,削减污染物在排水管网系统输送过程中的渗漏及通过各种排口向水体的转移 ,使污水厂成为污染物最终的受纳、处理或资源回收场所。

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