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經(jīng)過多年努力，大城市旱季水環(huán)境得到根本改善，許多城市的水環(huán)境實現(xiàn)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(huán)境“一夜回到解放前”，使水環(huán)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(yè)戰(zhàn)略論壇”上，中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，中國人民大學(xué)低碳水環(huán)境技術(shù)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(shù)路線，從我國城市建設(shè)實際情況出發(fā)，提出用技術(shù)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(tǒng)比較完善，非雨季水環(huán)境質(zhì)量較好。但，每到雨季，大量污水隨著雨水進入城市河湖，導(dǎo)致水體黑臭，水生態(tài)失衡，使非雨季大半年的治理成效大打折扣，使水環(huán)境質(zhì)量“一夜回到解放前”。溢流污染還導(dǎo)致流域斷面嚴(yán)重超標(biāo)。今年，生態(tài)環(huán)境部將開始公布汛期污染強度前50名國控斷面及其責(zé)任地區(qū)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(yán)重?如何治理?這被認(rèn)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(tǒng)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(zhèn)，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(rèn)為，合流制定會存在大量雨污溢流，而分流制不會也不應(yīng)該產(chǎn)生雨污溢流，實際上，這是個錯誤的認(rèn)知。無論合流制還是分流制，設(shè)計不合理或建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)過低，都會產(chǎn)生嚴(yán)重溢流污染。
為控制溢流污染，合流制排水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置截留及調(diào)蓄設(shè)施，將截留調(diào)蓄的雨污水輸送到污水處理廠逐步處理。根據(jù)受納水體要求合理確定截流倍數(shù)(n0)是建設(shè)合流制排水系統(tǒng)的關(guān)鍵，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建議采用2～5倍，這就要求建設(shè)足夠容量的調(diào)蓄設(shè)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(tǒng)的污水收集及處理能力應(yīng)考慮降雨產(chǎn)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(shù)高，道路積水是常態(tài)，雨水必然通過檢查井或管道破損部位進入污水系統(tǒng)。為迅速排澇，主動打開井蓋讓雨水進入污水系統(tǒng)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(shè)分流制排水系統(tǒng)的關(guān)鍵。與其他西方國家相比，北歐國家建設(shè)了較多的分流制排水系統(tǒng)，據(jù)2016年監(jiān)測數(shù)據(jù)，丹麥分流制排水系統(tǒng)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(shù)據(jù)看，如果北歐國家的污水處理廠沒有足夠的冗余能力，其分流制排水系統(tǒng)也會存在較為嚴(yán)重的雨天溢流污染。因此，西方建設(shè)污水處理廠時，負(fù)荷率普遍控制在70%以下。
我國普遍推行建設(shè)分流制排水系統(tǒng)，但對降雨入流入滲(RDII)沒有重視，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也沒有規(guī)定，也沒有系統(tǒng)性監(jiān)測資料。北京一個高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的分流制排水系統(tǒng)，雨水管道設(shè)計重現(xiàn)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(jīng)接近滿負(fù)荷，雨天只能溢流?？上攵?，對于重現(xiàn)期普遍采用2～5年的排水系統(tǒng)，降雨入流入滲量(RDII)將更大。目前，全國污水處理廠平均負(fù)荷率已經(jīng)接近90%，大城市普遍滿負(fù)荷或超負(fù)荷，如何應(yīng)對規(guī)劃建設(shè)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(shù)路線
西方國家控制溢流污染的主要路線是“灰綠結(jié)合”：一個是綠色對策，通過綠色基礎(chǔ)設(shè)施(Green Infrastructure)，原來叫低影響開發(fā)(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(chǔ)設(shè)施(Gray Infrastructure)，包括地下深隧、調(diào)蓄池等，對雨污進行調(diào)蓄，并擴大處理設(shè)施予以處理。這一“綠色基礎(chǔ)設(shè)施 + 傳統(tǒng)的合流制或分流制排水系統(tǒng) + 灰色基礎(chǔ)設(shè)施”模式被稱之為灰綠結(jié)合的現(xiàn)代城市排水系統(tǒng)，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(shè)永久排水系統(tǒng)(LTCPs)，其中，綠色423億美元，灰色636億美元。
為應(yīng)對溢流污染，西方污水處理廠普遍預(yù)留了處理能力。歐洲市政污水處理廠總設(shè)計處理能力8.05億 PE，實際處理量5.91億 PE，污染物負(fù)荷率 73.4%。美國市政污水處理廠總設(shè)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(fù)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(fù)荷率還要低。為應(yīng)對合流制溢流污染，芝加哥建設(shè)了美國規(guī)模最大的灰色基礎(chǔ)設(shè)施，包括總長度176公里的四條深隧道和三個大型調(diào)蓄庫，隧庫總調(diào)蓄容量高達8000萬立方米。另外，芝加哥建設(shè)了全球最大的污水處理廠，設(shè)計日均處理能力454萬噸，最大處理能力545萬噸，旱季實際負(fù)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(fù)荷運行。如果不建設(shè)如此龐大的灰色基礎(chǔ)設(shè)施，可想而知，大量雨污將溢流進入下游的密歇根湖。
從實際出發(fā)，用技術(shù)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(jié)合”(LTCPs)的技術(shù)路線治理溢流污染?答案是否定的。首先，“灰綠結(jié)合”是應(yīng)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(shù)倫理上，分流制不應(yīng)建設(shè)大型雨污調(diào)蓄設(shè)施。其次，我國大城市規(guī)劃建設(shè)密度高，既沒有空間全面建設(shè)海綿城市，也沒有空間建設(shè)雨污調(diào)蓄設(shè)施，現(xiàn)有污水處理廠也大多已被居民區(qū)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(shù)路線是采用裝備化手段，建設(shè)低占地的溢流污水就地快速處理設(shè)施，也就是，用技術(shù)裝備化破解我國大城市溢流污染治理難題。
“技術(shù)裝備化”，不應(yīng)是簡單地把混凝土構(gòu)筑物變成金屬材料罐體，而應(yīng)是以“裝備化”技術(shù)為基礎(chǔ)。裝備化技術(shù)是一個以“處理快、占地少”為主要目標(biāo)的嶄新技術(shù)體系，用以解決我國溢流污染問題，是基于國情的原始創(chuàng)新。
目前可以設(shè)想的“裝備化技術(shù)”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(jù)不同的處理要求形成一系列組合工藝流程，這些流程應(yīng)在30分鐘內(nèi)快速實現(xiàn)特定的污水處理目標(biāo)。現(xiàn)有生化處理技術(shù)速度慢，總體上不屬于“裝備化技術(shù)”體系，當(dāng)然，也不排除高速生化技術(shù)的出現(xiàn)。
我們團隊在這個方向開展了一些探索，已經(jīng)投入規(guī)?；瘧?yīng)用的一個技術(shù)是“渣、砂、油”一體化高效秒分離(SSgo®)，可在5秒鐘內(nèi)實現(xiàn)污水中渣、砂以及固態(tài)油脂的快速深度分離，100微米篩余物可去除90%，基本實現(xiàn)污水中“渣、砂、油一掃光”。這個技術(shù)的價值在于：一是可確保“河長制”關(guān)于水面無漂浮物基本目標(biāo)的實現(xiàn);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(shù)”體系的主流工藝流程。
原標(biāo)題：王洪臣：用技術(shù)裝備化破解大城市治水難題
