我国城市黑臭水体治理面临的挑战与机遇(一)

北极星水处理网讯:本文根据我国城市截污治污基础设施建设和运行情况的统计分析(不包括香港、澳门、台湾省等地区),详细分析了管网高覆盖率城市水体黑臭、污水高处理率城市水体黑臭、雨天黑臭3类黑臭问题和城市排水管网建设以及管理的对应关系,阐述了治理城市黑臭水体的技术和市场需求。城市污水治理基础设施建设框架基本形成背景下的水体黑臭问题,不仅在我国存在,在其他发展中国家也普遍存在,但在欧美河流治理范例中,这些问题并不突出。因此,期望我国解决这些问题的技术方法和管理体系能为发展中国家水污染治理提供借鉴,对推进水环境治理和城市可持续发展具有重要意义。

 0 引言
 
城市水体黑臭是当今我国最突出的环境问题之一。2015年4月《水污染防治行动计划》发布,将城市黑臭水体治理作为一项重要任务,要求到2020年,全国地级及以上城市建成区黑臭水体控制在10%以内,到2030年,城市建成区黑臭水体总体得到消除。2018年5月,生态环境保护大会把消灭城市黑臭水体作为实施水污染防治行动计划的重要内容。2018年6月《关于全面加强生态环境保护,坚决打好污染防治攻坚战的意见》发布,对城市黑臭水体治理等“五大水相关战役”作出详细规定。
城市黑臭水体治理是一项长期的系统性工程,与城市规划不合理、基础设施不匹配、监督管理不完善等复杂因素密切相关,导致黑臭水体治理面临巨大的挑战。2016年2月,住房和城乡建设部、环保部正式发布黑臭水体清单,全国220多个地级以上城市黑臭水体高达2 100个,64%集中在东南沿海地区,因此,我国城市黑臭水体治理存在巨大的市场机遇。治理是否见到成效不仅取决于技术支撑,也需要强大的社会资本投入,同时,政府的管理体系也亟需完善。

1 我国城市水环境基础设施建设基本情况
 
改革开放以来,随着我国城市化进程加快,城市人口比例从1978年不足20%到2018年增长为约60%,城市人口达到8亿人,我国城市水系单位面积的污水排放量是欧美城市的3~4倍。自上世纪90年代开始,我国政府大力推动城市污水治理基础设施的建设,污染治理投资逐年增加。到2016年,我国城市在污水处理工程建设的总投资达到1 485.5亿元,占GDP比例维持在1.1%~1.8%,我国城市平均污水处理率达到90%,与欧美国家污水处理率相近,东南沿海城市污水集中处理率高达94%以上,达到世界领先水平。我国城市建成区管网密度从1981年的3.17 km/km²提高到2016年的10.61 km/km²。但是,我国城市重污染水体依然保持在9%左右,大部分集中在经济发展和污水治理较为领先的东南沿海地区。这个背景下的城市水体污染问题是我国和其他发展中国家普遍存在的共性问题,其成因及对策值得深入剖析和探讨,对我国和世界上类似国家的水环境治理以及城市可持续发展具有重要的指导作用和借鉴意义。
 
2 城市排水管网问题是黑臭水体治理面临的挑战
 
经过多年的持续努力,我国城市排水管网架构基本形成,但是,建设规划不成体系,总管、干管比较完整,支管和收集管网残缺不齐,施工质量比较粗糙,由此,严重影响了污水截污纳管,大量污染直排河道。我国城市的管网问题导致的水体黑臭可以分成3类。

2.1 污水管网高覆盖背景下的城市水体黑臭
 
只重污水总管和干管建设,忽视收集管网建设;强调主要河流污染治理,不按水系截污治污是我国城市污水管网高覆盖率背景下水体黑臭的根本成因。
 
2.1.1 忽视污水收集管网建设
 
我国城市排水管网覆盖率已经达到90%以上,与欧美国家和日本相当,但收集管网不完善,城市排水管网密度远远低于日本、美国等城市。日本城市排水管网长度在2004年已达到35万km,排水管网密度一般在20~30 km/km²,高密度城区可达50 km/km²;美国城市排水管道长度在2002年约为150万km,城市排水管网密度平均在15 km/km²以上。我国城市排水管网建设过程中,往往只注重总管和干管的建设,忽视了收集管网的建设,这个问题在中国县级城市更加严重。众多污染源无法纳入污水管网,只能直排河道,造成管网高覆盖率情况下城市河道黑臭。
回顾上海市苏州河水环境综合整治一期工程实施之际,虽然当时已经建成了中心城区污水集中处理工程(即合流污水治理一期工程和污水治理二期工程),但是由于污水收集管网建设不同步,污水实际收集处理率只有44%,56%的污水未经处理直接排入河道。针对这个问题,重点实施了收集管网建设,污水收集率提高到90%以上。
 
2.1.2 忽视河网水系截污治污
 
我国城市水体污染最严重的东南沿海地区,河网密布,纵横交错,互联互通。在污水管网设计和建设时,往往重视干流的截污,忽视支流的截污;重视中心城区的截污,忽视按水系截污,导致往复回荡河流水质相互影响,干流截污效益不明显。例如,在1993年上海市合流污水一期工程建成后,直接排向苏州河干流的污染源被全部截流,但是在苏州河中下游的6支流范围内,仍有上千个污染源未被截流,每天直排污水量约30万m³,支流污染严重影响了干流水质,这是当时合流污水一期工程竣工后苏州河干流仍然黑臭的重要原因。随后开展的苏州河环境综合整治工程,重点实施了基于河网水系全面截污的污水管网工程建设,有效实现了全水系截污治污,为苏州河消除黑臭、改善水质奠定了坚实基础。
 
2.2 污水高处理率背景下的城市水体黑臭
 
根据我国城市每年发布的环境公报可以看出,各地污水处理率基本都在90%以上,污水收集处理率和欧美国家接近,但是城市水体水质差距较大。原因是大量地下水和雨水排入污水处理厂,虚高了城市污水处理率,高处理率数字后面隐藏了污水未经处理直接排放的真相,导致河道受到严重污染。

2.2.1 管道破损导致地下水入渗量较大
 
截至2015年底,我国城市排水管道长度总量达到54万km,其中26.1万km排水管网的使用时间在10年以上。由于污水腐蚀、侵蚀、冲刷、沉积及地面荷载等影响,污水管道破损严重的问题在我国城市普遍存在。敷设在地下水水位以下的排水管道,地下水进入污水管网,挤占了污水管网的输送容量,降低了污水处理厂的进水浓度,我国4 000多座污水处理厂中约有1 000座进水COD在150 mg/L以下,污水处理厂设计生活污水进水COD是350 mg/L,两者相比说明污水处理厂处理的并不全是污水。我国南方城市这个问题更加明显,南方污水管道地下埋深一般3~5 m,深的达到7 m,低于地下水位,如果管网不防渗,地下水就会渗入管网,所以解决污水管网渗漏的问题非常关键。北京市污水处理厂进水氨氮浓度38.1 mg/L,总氮浓度48.8 mg/L;南方城市污水处理厂的进水氨氮浓度21.9~24.0 mg/L,总氮浓度30.4~35.1 mg/L,据此可以推算出我国南方地区污水管道中地下水的比例可高达28%~40%。根据调查,我国南方城市的管道地下水入渗量可达3 800~6 300 m³/(km²·d),而德国为1 296 m³/(km²·d),是德国的3~5倍。
 
2.2.2 大量雨水非法进入城市污水处理厂
 
我国某大型污水处理厂2011~2018年晴天进水量和雨天进水量比较,晴天年平均进水量总体比较稳定,波动较小,年际变化不是十分明显,但是雨天进水量有逐年增加的倾向。污水处理厂雨天进水量明显高于晴天进水量,雨天平均进水量超过晴天平均进水量14%~23%,最大值达到同期晴天进水量的1.7~2.2倍。

2.3 雨天黑臭
 
随着黑臭水体治理措施加大,许多城市水体晴天消除了黑臭,但伴随而来的是雨天河道黑臭,这种现象在我国东南沿海城市尤为严重。合流制系统初期雨水排放和分流制系统雨水管网溢流是我国城市河道雨天黑臭的重要成因,也是我国城市黑臭水体治理中最难攻克的难关。

2.3.1 我国城市合流制系统污水输送沿程沉积严重

我国大概有10.9万km的合流制管网,大部分城市的中心城区为合流制系统。我国城市规模较大,污水处理厂通常位于郊区,所以,合流制系统输送距离较远,晴天流速较慢,污水管网一定程度上成为颗粒态污染物的蓄存箱,导致末端污水处理厂进水浓度偏低。根据统计分析,超过70%的污水处理厂进水COD浓度低于300 mg/L,超过30%的污水处理厂进水COD浓度低于200 mg/L。

2.3.2 我国城市分流制系统雨污混接严重
 
我国城市污水管网建设滞后城市发展20余年,率先发展的中心城区在城市排水骨干管网未普及的情况下,为了解决这些区域的污水排放,采取雨污水混接等临时性措施,将污水接入了城市的雨水管网,暂时满足了污水的排放需求。由于在较长时间内没有实施改造,临时措施变成了永久措施,时至今日,大量污染仍然直接排入雨水管道,雨污混接仍然比较普遍。
根据我国南方部分城市的调查结果,排入雨水管网的污水下雨时发生溢流污染,排放COD高达800~1 100 mg/L,导致河道雨天黑臭。我国国家水体污染控制与治理科技重大专项课题曾以某个城市为示范,开展了分流制排水系统雨污混接识别与改造的研究。我国东部城市23个分流制排水系统雨污混接情况的调查结果,非法排入雨水管道污水量占服务范围总污水量的平均比例约26.2%,最高达70%。

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