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城市水環境綜合治理工程存在的問題與解決途徑

2019-04-19 09:29

 

  

  我國城市水環境綜合治理工程的開展可追溯到上世紀九十年代,如我院參加設計的南寧市朝陽溪環境綜合治理工程、海口市美舍河環境綜合整治工程等。這些工程在建設前都存在嚴重的行洪排澇問題,兩岸建筑凌亂,環境狀況惡劣(見圖1)。工程建成后非常顯著地改善了當時的城市環境,被稱為“德政工程”“民心工程”(見圖1)。受歷史條件所限,如果按現在的眼光看,這一批工程肯定存在這樣或那樣的問題。首先是經常被詬病的河道“三面光”和“覆蓋”問題。造成這一類問題的主要原因是老城區河道兩岸建筑密集,要使河道滿足行洪排澇標準和截污的要求,就需要擴大河道斷面和沿河兩岸敷設截污管線,毫無疑問會進行大面積的拆遷工作,而當時的財力和拆遷安置能力是十分有限的。例如南方某城市的水環境綜合治理工程中考慮過3個方案,即自然生態邊坡的“全明”方案、上游覆蓋下游敞開的“半暗半明”方案、上下游全覆蓋的“全暗”方案。從參數方面分析,采用1∶3不等的自然邊坡設計(糙率0.025,邊坡穩定),河道上口寬度顯然要大于采用漿砌塊石(糙率0.025)或鋼筋混凝土(糙率0.014)結構的直立擋墻矩形斷面寬度,再加上兩岸截污管所占的位置,造成自然生態邊坡“全明”方案中沿河兩岸的拆遷量比“半暗半明”方案的增加了接近一倍,導致其拆遷費用和安置能力無法承受。另一個原因是城市的快速擴張需要大量的土地,沿河地塊最為搶手,多數已被規劃控制,甚至小區地塊的邊線就在河邊上,使河道水系沒有更多的治理空間;其次是河道水質的問題,當時水環境綜合治理工程的首要目的是解決河道行洪排澇安全和治理沿河兩岸臟、亂、差環境等迫切需要解決的民生問題,而城市的排水管線污水處理廠都處在持續不斷的“補缺”過程中,污水系統的構建尚不完善,基本上沒有經過深度處理的再生水,也沒有再生水管道系統,再加上截流倍數低、截污不徹底以及多頭治水等原因,造成缺水城市無水可補、多水城市有水難補、河道水質難有改善、雨后溢流頻繁有加,構建起來的水環境工程系統十分脆弱,更談不上生態恢復。

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  圖1 某工程建成前后對比

  隨著我國經濟實力的不斷增強,“讓城市更美好”和改善人居環境的呼聲越來越高,自2000~2010年期間,解決河道行洪排澇安全、截污和景觀亮化工程在水環境綜合治理工程中幾乎都擺到了同一高度,治理效果大為改善,但仍存在補水匱乏、水質不清、水生態難以恢復的情況,沒有真正做到“站在水里看岸上”。

  2014~2015年,國家相繼出臺了《關于推廣運用政府和社會資本合作模式有關問題的通知》《關于推進海綿城市建設的指導意見》《水污染防治行動計劃》等一系列相關政策,站在頂層設計的高度為水環境綜合治理工程提出了可供采用的PPP模式和明確的目標要求,促進了水環境綜合治理工程的策劃和理念的提升。在這一背景下,以《南寧市竹排江上游植物園段(那考河)流域治理PPP項目工程》為代表的一系列水環境綜合治理項目應運而生。

  南寧市那考河水環境項目的策劃可以說是走了一條與以往水環境綜合治理“相反”的路線,其中突出的一點就是先確定了“末端”,規定了治理后河道要達到的水質標準,并制定了嚴格的、可操作的考核體系。在設定了水質達標這一底線的基礎上,建設、設計、施工、運維各方都要窮盡所能,系統治理的優勢得以充分發揮,使那考河水環境項目取得了非常好的治理效果,除了水質持續達標以外,水生態也得到了恢復,做到了“水清岸綠、魚翔淺底”(見圖2)。

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  圖2 那考河治理效果

  隨著我國經濟實力的不斷增強和生態文明建設的大力推進,水環境綜合治理工程也在向更好的方向演變,其綜合治理的理念、技術水平和治理效果都有了跨越式的提高。對于過去受歷史條件所限建成的項目應無可厚非,需要采取積極的態度認真總結經驗,并在可能的條件下進行改造完善。

  2 存在的問題 

  《水污染防治行動計劃》中強調了要強化城鎮生活污染治理、整治城市黑臭水體等工作內容,隨著要求的完成時間不斷臨近(2020年),各地正在積極開展水環境綜合治理工作,在“大干快上”的同時,也暴露出一些存在的問題。

  2.1 規劃控制問題 

  “沿河而居”“水岸莊園”,這在城市房地產開發項目中是耳熟能詳的引人招牌。沿河開發的項目屢見不鮮,河岸與建筑幾乎是“無縫對接”,其中包括尚未施工的規劃開發項目,造成水系治理過程中截污、溢流污染控制等工程措施“無處下腳”,最終只能沿河掛管、河中砌溝、水面綠化、水中曝氣,治理后成為“怪河”,賦予河道太多的負擔,見圖3。

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  圖3 沿河建筑示意

  2.2 水質標準問題 

  一些明顯缺乏天然補水的,以再生水為補水水源的水環境綜合治理項目,在招標文件或合同協議中規定了治理后河水應該達到嚴格的水質標準,其中總氮指標要求不大于2 mg/L,造成再生水廠加藥量過大,運行成本過高,即便如此,使用常規工藝組合也不易穩定達標。

  2.3 溢流污染控制問題 

  在《城市黑臭水體治理攻堅戰實施方案》中強調了削減合流制溢流污染。在實施過程中存在溢流污染控制標準不清,調蓄池存留的“溢流污水”處理方式不明的問題。所謂標準不清,一是行業規范缺乏溢流頻次或降雨毫米數這類設計參數的指導性意見,二是由于現狀管線資料缺失,沿河排口的水量水質沒有長期監測資料,在工期要求緊張的情況下難以開展模型分析和研究工作,使設計參數的選取不夠嚴謹;所謂處理方式不明,就是對調蓄池收集存留的這部分“溢流污水”采取何種程度的處理方法各地掌握的尺度不同,雖然《城市黑臭水體治理攻堅戰實施方案》中說明可以“……采取快速凈化措施對合流制溢流污染進行處理后排放……”,但有的地方不允許這部分“溢流污水”有其他的排放口,只要求全部送往污水處理廠進行全流程處理,達到污水處理廠的出水標準后排放,這將造成新建更多的污水處理廠或現有污水廠規模成倍擴建。

  2.4 考核體系問題 

  水環境綜合治理是復雜的系統工程,考核體系的制定離不開工程項目的邊界條件。有些地方寄希望于一次解決幾十年遺留下來的問題,依靠一些強硬的“霸王條款”當做保障措施。如某項目的考核體系規定工程進入運維期間,由第三方進行河道水質檢測,在“無論任何時間,任何取樣點”檢測合格后方能支付運維管理費用。事實上河道周邊大面積的魚塘或畜牧養殖廠的排水無法控制,解決起來涉及到復雜的社會問題,超過設計標準的溢流也會發生,這些客觀存在的情況均會對河道水質產生影響,也是設計方與合同執行方無法解決的,因而造成了PPP模式或EPC+O模式的水環境治理項目合同難以執行。

  3 解決的途徑 

  3.1 合理制定規劃藍線 

  規劃藍線是城市規劃七線的其中之一,一般稱河道藍線,即城市各級河、渠道用地規劃控制線。在水環境綜合治理工程中,沿河兩岸一般需要敷設截污管線,針對合流排口需要設置溢流污染控制的調蓄池,還有巡河防汛路、海綿設施用地、景觀建設用地等,需要構建一套完整的工程體系。如果僅考慮截污管線的位置,建議在規劃河道上口邊線以外至少控制6~10 m的寬度,為工程設施留足空間。

  3.2 科學確定總氮指標 

  眾所周知,水體中由于過量營養物質(主要是指氮、磷等)的排入,將引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖,水體溶解氧量下降,魚類及其他生物大量死亡,致使水質惡化,這種現象稱作水體富營養化,因此控制水體中的氮磷是十分必要的,尤其是以再生水為補水水源的河道水體。

  在自然水體中,發生富營養化的條件主要有3個:充足的N、P等營養物質,緩慢的水流流態,適宜的溫度條件。一般認為,水體形成富營養化的指標包括:水體中TN>0.2~0.3 mg/L,TP>0.01 mg/L,BOD5>10 mg/L,細菌總量達到104個/mL,葉綠素α>10 μg/L,水體透明度小于50 cm。因此,就N、P植物營養鹽而言,無論是以再生水為水源的景觀水體,還是Ⅲ類天然景觀水體均存在富營養化的營養物質條件,當其它條件適宜時,如緩慢的水流流態、適宜的溫度條件等,景觀水體就有發生富營養化的風險。在這種前提下,就需要充分考慮河道水體中總氮限值的經濟合理性。

  以10萬m3/d的再生水廠為例,總氮由一級A的15 mg/L去除到2 mg/L,甲醇投加當量按3計,每天的甲醇消耗量為3.9 t;如果將總氮限值控制在10 mg/L,則每天的甲醇消耗量為1.5 t。按照甲醇3 500元/t的價格,后者的甲醇投加費用每天可節省8 400元。

  另一方面,就其機理而言,在地表淡水系統中,磷酸鹽通常是植物生長的限制因素,在正常的淡水系統中磷含量通常是有限的,因此增加磷酸鹽會導致植物的過度生長。而在海水系統中磷是不缺的,而氮含量卻是有限的,因而含氮污染物加入就會消除這一限制因素,從而出現植物的過度生長。這也就是為什么美國坦帕灣Howard F. Curren污水處理廠出水總氮要求≤3 mg/L的主要原因,因為其出水排放的水體是海灣。而我國城市水環境綜合治理工程的對象絕大多數是陸地淡水的城市內河,在以再生水為河道主要補水水源的情況下,制定嚴格的水體總氮指標只會起到事倍功半的效果。

  結合上述分析和國內常規再生水處理工藝運行情況,建議以再生水為河道主要補水水源的水體總氮指標控制在5~10 mg/L。

  在《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中規定的集中式生活飲用水地表水源地補充項目標準限值中規定的硝酸鹽限值為10 mg/l,這就可以理解為集中式生活飲用水地表水源的總氮限值至少為11 mg/L(按Ⅲ類),而本建議值最大為10 mg/L,已經明顯嚴于集中式生活飲用水地表水源合理類推的總氮限值了。

  3.3 先期進行標準研究 

  在工程上,削減河道溢流污染頻次最有效的手段是建設調蓄池,利用它在降雨期間把合流污水蓄存起來,雨后按排空時間的要求經處理后排放。構建溢流污染調蓄系統首先需要明確溢流頻次的控制標準,如美國的西雅圖要求年均溢流1次,亞特蘭大要求年均溢流4次,澳大利亞悉尼要求年均溢流2次等,這些標準的制定取決于河流水體的環境容量允許程度。根據溢流頻次的要求,結合降雨資料的統計分析得出降雨毫米數,考慮徑流系數和雨水匯流面積,才可以計算出調蓄池的有效容積。而調蓄容積的大小又和投資有直接關系,溢流頻次控制的越嚴格,意味著調蓄池要承受更多的降雨場次和更大的降雨毫米數,再加上合流制管線一般所負擔的雨水匯流面積較大,因此溢流頻次標準的確定成為如何經濟有效地設計調蓄系統的關鍵因素。

  根據趙澤坤等“中美合流制溢流污染控制概要比較”(《給水排水》雜志,2018年第11期)一文所做的總結,美國是世界范圍內較早系統性開展CSO污染控制的國家之一,圍繞CSO污染控制的法律政策體系構建、基礎研究與工程實踐等已進行了數十年,總體上在溢流污染物的削減及受損水體恢復等方面取得了良好成效。我國上海、昆明等許多城市已開展研究與實踐,積累了寶貴經驗。但總體來說,我國CSO污染控制在法律法規及政策的支撐與保障、標準規范的約束與指導、規劃布局的科學合理性等方面還存在一些問題或缺少一定共識。我國目前暫無專門針對CSO污染控制的專項國家標準規范,相應內容在部分相關標準中有所涉及,整體上是一項很大進步,但其中有些內容還值得商榷或有待完善。

  因此,我國合流制溢流污染控制標準的制定是需要亟待解決的問題,需要各地結合自身特點系統進行,到了工程實施階段再來論證標準為時已晚。

  近年來,我國出臺的《水污染防治行動計劃》《關于推進海綿城市建設的指導意見》等一系列重要文件加強了對合流制溢流所造成水體污染的重視,住建部發布的《城市黑臭水體整治工作指南》也將CSO作為點源污染之一納入到整治方案的編制范圍要求中。毫無疑問,CSO污染控制已成為我國現階段黑臭水體整治與海綿城市建設中一項需要迫切解決的問題。因此建議溢流污染控制標準工作提前在規劃研究階段分析解決。

  關于溢流污水的處理方式,建議允許采用一級強化的處理方式,而不應“一刀切”式的全部送往污水處理廠進行全流程處理。一是借鑒發達國家經驗,如德國和日本采用一級強化的處理方式,有的就地處理排放,有的經污處理水廠初沉池處理后排放;二是水環境綜合治理工程所涉及的匯水流域一般較大,大量的溢流污水在短期排空時間內對污水處理廠產生較大的沖擊負荷,也會造成新建污水處理廠非雨季過多閑置。

  3.4 謹慎出臺考核標準 

  考核標準是保障治理效果的有效措施,尤其對PPP和EPC+O模式十分重要。但水環境綜合治理項目屬于“線”、“面”工程,涉及到一定的社會問題,如農業面源污染問題、補水水源問題、周邊漁業和畜牧養殖問題、道路交通問題等等。曾發生過高鐵到終點站后將車內糞尿收集后直接排入雨水管道的情況,引起河道水質惡化。諸如此類的問題均構成了水環境項目的邊界條件。建議充分考慮這些因素,采用合理的打分制,并允許上述問題發生時予以免責。

  3.5 積極開展管網整改 

  事實證明在有條件的地區開展“合改分”的工作可以有效消除合流制溢流污染現象,還可以同時起到治理管線錯接混接的作用,其投資與建設溢流污染調蓄設施相比大為降低,是一種行之有效的方法。我國許多城市將“合改分”作為排水事業的一項工作,有的早在上世紀九十年代就已經開始,但因現實推進中資金和社會問題等一系列困難逐漸放棄,轉而進行末端大截流,建設調蓄設施等。建議在水環境綜合治理工程中開展此類方案比較工作,在沿河有條件的地區進行“合改分”工作,有效降低資金投入。

  作者:黃鷗;作者單位:北京市市政工程設計研究總院有限公司。

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