王凯军:城市面源污染治理及滇池综合解决方案思考

2021-05-28 17:39发布

治理是一项极为复杂的系统工程,作为国家重点治理“三河三湖”的难点,滇池治理一直备受关注,习近平总书记三次考察云南都对滇池治理作了重要指示。2020年1月20日,习近平总书记到星海半岛生态湿地察看滇池保护治理情况时,肯定了滇池治理的成效,并强调“滇池是镶嵌在昆明的一颗宝石,要拿出咬定青山不放松的劲头,按照山水林田湖草是一个生命共同体的理念,加强综合治理、系统治理、源头治理,再接再厉,把滇池治理工作做得更好”。


2020年11月3日,昆明市委市政府和有关部门在北京组织了“流域治理滇池模式研讨会”。滇池水环境治理技术总顾问、北京科净源公司董事长葛敬先生带领专家团队,讲述了滇池治理历程,剖析了《滇池保护治理三年攻坚行动实施方案》(2018-2020)、滇池六位一体的治理模式“一套班子、两个考核、三个技术、四法治滇、双五标准、六个转变”,总结了滇池治理成果及经验,以期在“十四五”期间继续完善“滇池模式”树立好“三河三湖”治理的示范作用,期待“滇池模式”在全国水环境治理中发挥更大的作用!会上,清华大学环境学院教授、国家环境保护技术管理与评估工程技术中心主任王凯军教授做了《城市面源污染治理及滇池综合解决方案思考》的报告,本文根据他的发言整理。



清华大学环境学院教授、国家环境保护技术管理与评估工程技术中心主任

王凯军教授


当前水环境问题的思考

2020年7月,国家发改委和住建部印发了《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》,要求到2023年县级及以上城市设施能力基本满足生活污水处理需求;生活污水收集效能明显提升,城市市政雨污管网混错接改造更新取得显著成效;城市污泥无害化处置率和资源化利用率进一步提高;缺水地区和水环境敏感区域污水资源化利用水平明显提升。该实施方案同时列出了四个主要任务,包括强化城镇污水处理厂弱项和补齐城镇污水收集管网短板等。



1、对于城镇污水处理来说,弱项到底是什么?


根据任务一可知,主要要求达到污水全收集、管网全覆盖和污染物的全处理,因地制宜地推动合流制溢流污染快速净化等。


很多专家,甚至连国家总理都十分关注我国的城镇污水集中处理率问题。2016年,上海市报道其城镇污水处理率达到了94.3%。而据徐祖信院士对上海市6000多平方公里范围内的雨水管网混接污染溯源和1万多条河流排放清单分析后发现,有56%的污水直接或间接地排入了河道。中央环境保护督察组发现,广东省“十二五”规划要求建成污水收集管网1.4万公里,实际只完成了9000余公里。截至2016年底,深圳市污水管网缺口达4600多公里,全市污水收集率不足50%。


根据产生量来判断收集的污水处理率是一个复杂的系统工程,不同的研究机构和研究者进行过不同的尝试。中国环境规划院曾通过两种方式对全国污水处理率估算,分别为71.4%和58.2%。新加坡公用事业局首席专家曹业始经过分析表示,,新加坡的COD处理率可达91%,而中国平均不到50%,其中北京83%、上海59%、广州41%。



我们课题组通过对36个重点城市污水处理量、COD削减量及COD遗失率对比发现,36个重点城市中,22个城市COD漏失损率达到50%以上,其中昆明市的COD漏失率高达41%。由此可见,污水实际收集、处理率低,高污水处理率下的污染直排是一项全国范围内的、非常严重的问题,距离污水全收集、全覆盖、全处理差距巨大。


2、全国污水处理厂进水浓度持续走低


城镇污水处理的短板是什么?《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》中明确提出,一是进水COD<1< span="">00 mg/L的城市要进行系统化整治,二是要通过工程措施降低合流制溢流污染。


《中国城市建设统计年鉴》统计数据显示,全国城镇污水厂处理水量逐年升高,而污水厂进水浓度逐年降低。2017年全国污水处理量是2007年的3.2倍,但2017年全国平均进水CODCr浓度较2007年降低24%。由于进水浓度逐年降低,2017年COD削减量仅为2007年的2.7倍,污水浓度降低使得减排的投入和措施大打折扣。生态环境部在监督检查全国4303个流域污水处理厂进水浓度情况后发现,COD<150mg/L的污水处理厂达到55.4%,COD<250mg/L的污水处理厂超过70%。



生态环境部水司司长张波表示,在黑臭河道治理过程中发现管网存在很大问题,城市污水厂进水污染物浓度很低;面源污染问题很严重,一场大雨下来,河湖马上就又黑臭了。国内许多专家也发表过类似的观点。上海城建设计总院唐建国表示溢流污染导致城市河道“逢雨即黑”,上海径流雨水平均COD浓度达到130mg/L;王佳卓所长从住建部规划角度提出,溢流污染是非常大的问题,是当前改善城市水环境非常重要的制约因素;车伍教授认为合流制溢流污染是当前需要迫切解决的长期性的问题。


我国排水体制存在的问题,仅仅是当前环境焦点问题之一,反映出我国在城市水环境管理重大战略转型期所面临的环境问题的复杂性和艰巨性。


当前,我国水环境管理正在发生巨大变化,表现为以下四大趋势:


1、从追求工程结果到关注环境效果的转变:从监控重点污染源到监控河流断面水质的转变。以前追求点源控制,实行河长制后改为考察断面水质,溢流污染则跟断面水质达标密切相关;


2、主控污染源类型的变化:从全国范围讲,已经由控制有机污染为主转变为氮、磷营养元素的控制;下一阶段COD问题不再是主要矛盾,主要矛盾是氮磷问题的解决;


3、从点源控制到面源控制的转变:水污染控制主战场由点源控制向流域综合整治方面转变;


4、从被动防治到主动修复的转变:最为重要的转变是由被动防治转变为主动生态修复和建设。


滇池由于其特殊的环境问题,历经三十年的治污经历,自觉与不自觉的在以上四个方面进行了许多有益的尝试,在国内率先创新性地采用了河长制,执行严格的流域断面考核,并针对滇池水环境实施了全国最严的氮磷“双五”标准。同时,从点源治理转变到以城市面源控制为主。这一切都充分体现了昆明市政府主动追求与其经济、社会发展相适应的更高的环境质量标准的勇气和决心。


滇池溢流污染控制措施及成效

滇池的治理成就得益于昆明市政府对于环境问题的高度认知,早在2016、2017年,昆明市政府就已经意识到了城市面源污染和雨季合流污染对滇池水环境的影响,在《滇池保护治理三年攻坚行动实施方案》中明确提出,要通过多种手段削减城市面源污染负荷,有效控制城市面源、雨季合流污水污染。可以说,滇池超前国内水平3-5年认识到了氮磷污染的主要矛盾和面源污染问题,提前进入了城市水环境管理的重大战略转折期。据统计,2019年滇池水质稳定为IV类,污染负荷入湖COD、NH3-N、TN、TP总量明显减少,对比2016年分别减少了20.15%、33.27%、36.83%、28.66%;其中各溢流污染控制措施削减COD 22197吨、氨氮2377吨、总氮2812吨、总磷501吨。


1、“生态调蓄+水质提升处理”,大幅削减溢流污染负荷


滇池流域修建了4类调蓄池,共计108个,总容积达到270万方。其中,市政调蓄池、支流沟渠调蓄池及河道前置库计划收集7-10 mm雨污水控制面源污染,面山雨洪拦截调蓄池则控制面山洪水,解决COD低的问题。同时,建立了一套细致严谨的考核办法,从主管部门、责任主体到量化的打分考核标准,切实地解决了滇池的面源污染问题。


以车家壁为例,其前端修建了可收集15-17 mm初期雨水的生态调蓄池,出水进入水质提升站,净化后处于溶氧超饱和的出水回补河道,最终使得车家壁岔沟恢复了水清景美。由此可见,因地制宜地利用调蓄池在滇池面源污染治理上发挥了很大的功效。



2、污水处理厂一级强化处理1.1倍超量雨污水


昆明市颁布的《城镇污水处理厂主要水污染排放限值》,尤其是E级标准,得到了国内学术界的一致好评,其在国内首开先河,多带带规定了雨天超量雨水处理的排放标准,解决了很多污水处理厂目前处理超量溢流污水无标可循的难题,解决了超量雨污水处理中涉及到的体制,监管等问题,为滇池流域内城市面源及雨季合流污水污染控制做出了卓越贡献。




3、湿地公园“一园两用”


除了充分调动调蓄池、污水处理厂,积极应对城市面源污染以提升滇池水质外,滇池治理中湿地也暂露头角。以官渡王官湿地公园为例,其占地0.53 km2,形成滇池水面面积40 万m2,总水量达22 万m3。旱天一方面在其上游安装节制闸,引入部分富营养化严重的河道水进入湿地净化;另一方面采用局部开口的方式,引入滇池水体进入湿地净化;而雨天则专门用于净化初期雨水。以这样“一园两用”,旱天、雨天不同的方式充分地利用湿地的水质净化作用。



《滇池保护治理三年攻坚行动实施方案(2018-2020)》实施以来,滇池水质持续升级到IV类,治理成效显著。政府提前布局高度重视城市面源污染和雨季合流污染对滇池水环境的影响,采取了生态调蓄+水质提升、污水处理厂超量处理雨污水及“一园两用”湿地等治理手段,探索开发出了一套因地制宜的面源污染和雨季合流污染治理模式。


经过十一五、十二五规划,昆明市建立了较完善的城市污水收集和处理基础设施,污水处理能力达到200万吨以上。在十三五《滇池保护治理三年攻坚行动实施方案》实施过程中又进一步提出了更高的总氮排放小于5 mg/L,总磷小于0.05 mg/L的“双五”标准,出台了国内首个针对雨天合流制溢流污染控制的E级排放标准;同时在流域内建造了108个调蓄池,总容积达270万m3;环滇修建了29处湿地公园,总面积达19.78 km2,成功探索出生态调蓄+水质提升、污水处理厂超量处理雨污水及“一园两用”湿地公园的面源污染治理模式,滇池治理成效显著。但下一步如何在十四五期间彻底解决溢流污染问题?基于此,本文着重挖掘滇池治理模式的提升空间,提出滇池流域溢流污染控制策略优化建议,力争为全国流域治理提供示范样本。


昆明城市面源污染控制基础设施分析

1、调蓄体量不足


在《滇池保护治理三年攻坚行动实施方案(2018-2020年)》的实施过程中,滇池流域内雨水溢流调蓄池在溢流污染控制中发挥了重要作用,但是从整个系统分析昆明城市面源污染问题的解决仍存在进一步提升的空间。《昆明市滇池流域调蓄池分类管理考核办法》提出确保收纳片区7~10 mm的雨污混合水,然而按云南省平均降雨量计算,目前的调蓄容积只能控制50~60%的年径流总量,远低于《昆明市排水(雨水)防涝综合规划》中要求的85%,同样低于《昆明市海绵城市建设专项规划》中82%的目标。从实际运行效果上看,以车家壁3#处理站生态塘的进出水为例,7~10 mm后的污染物水平仍然很高,COD高达136~86 mg/L,总氮近30 mg/L,总磷近2.6 mg/L,进入河道后仍然会造成严重的污染问题。根据实际测定结果,初期雨水在15~17mm后水质才趋于稳定,但污染物浓度仍然处于高位水平,与《昆明市滇池流域调蓄池分类管理考核办法》中规定的7~10 mm差距很大,从控制入湖污染来讲,显然标准偏低,现有调蓄池的调蓄体量不足。



2、调蓄处理效率低,污染削减效能不足


实施效果评估表明,各区域城市雨污调蓄类项目仅仅是一级简易处理,污染削减效能总体不足,平均去除率在30%~65%。目前滇池流域内的调蓄池大多仅具备调蓄和简单沉淀功能,相当于一级处理;其中仅有3座市政调蓄池具备配套的处理设施——孢子转移一体机,可高效除磷,但对于COD、氨氮、总氮等污染物的削减效能十分不足。


另一方面,下游污水处理厂规模接近200万吨,但目前没有充分发挥其在溢流污染控制中应有的骨干作用。昆明市新颁布的《城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》针对BOD5、COD、氨氮、总氮、总磷提出了“分区分级”的执行要求,同时提出雨天1.1倍以上超量污水可以采用一级强化处理执行E级排放标准。对部分污水处理厂进行了一级强化处理升级改造,可以超量处理雨污水,但改造规模小,仅28万吨,调蓄池出水基本直排,污染削减不足。



3、湿地资源利用不充分


滇池治理模式中以官渡王官湿地公园为起点,探索出了旱天处理富营养化严重的河道水、雨天专门净化初期雨水的“一园两用”湿地公园利用模式,治理效果显著。官渡王官湿地公园占地0.53 km2,形成滇池水面面积40万m2,总水量22万m3,出水水质达地表水V类,水力停留时间按4天估算,其年均污染削减量可达COD 791吨、氨氮4.6吨、总氮9.4吨、总磷2.2吨,污染削减效能高,该模式值得推广。


在十三五期间昆明政府环滇池建成了29处湿地,总占地面积达19.78 km2,据估计可形成水面面积1491万m2,总水量可达821万m3,参考官渡王官湿地公园,年均污染削减量可达COD 29489吨、氨氮172吨、总氮352吨、总磷82吨,污染削减效能潜力巨大!


环滇湿地公园


污水处理厂在溢流污染控制中的骨干作用

1、国际面源污染控制经验:污水处理厂雨天2~4Q运行


国外较早地开始了对合流制溢流污染控制的研究,据统计,一个中等城市海绵城市投资是百亿级,分流制改造是十亿级投资,而合流制溢流污染控制的投入是亿级的投资。加拿大一个城市也做过系统比选,发现海绵城市投资最高,实施完全分流第二,而利用污水厂来提效的效益最好。国外大多数合流制污水处理厂雨季处理规模是旱季处理规模的2~4倍。耳熟能详的就有日本的雨天活性污泥法,即3W法,污水处理厂雨天处理旱天流量的3倍合流水。我们国家同样可以借鉴经验,通过雨天处理2~3倍的合流水来控制溢流污染。


但是,国外基本上是靠污水处理厂额外的一级或一级强化处理解决溢流污染问题,因为其河流生态功能正常,有一定的环境容量;而我国城市河道生态退化严重,基本不具有自净能力,因此污水无法超越二级处理排放。利用污水处理厂二级处理能力是一个新的课题,如何实现二级生化处理的超负荷运行呢?剑桥水务通过投加磁粉,促使泥水快速分离的技术,使得现有活性污泥处理工艺能够处理3倍的污水,而且水量提高后,处理效果不受影响,出水稳定达标。


2、滇池流域内污水处理厂污染削减能力大幅冗余


根据我国城市污水的水质特点(前文分析过我国低浓度和高冗余的特点,点击查看前文)和环境管理的需求(涉及前文提到的四个转变),迫切需要采用二级处理的方法解决溢流污染问题。经过统计分析滇池流域内22个污水处理厂的运行状况,发现其进水COD浓度远低于设计值,导致污水处理厂的COD削减冗余能力非常大,甚至有14个污水处理厂的COD削减冗余能力超过了50%,污水处理厂的能力没有得到充分利用。若能充分利用污水处理厂的污染削减能力,相当于污水处理厂的规模原位提升2倍,这对流域内污染物减排意义重大。



3、采用新技术助力污水处理厂雨天3Q运行


污水处理厂的生化冗余能力如何利用起来:众所周知,污水处理厂的处理能力中生化池的流量和污水浓度成反比,污染物浓度降低,流量就可以提高。雨水的稀释作用下污染物浓度降低,现有生化池就完全有处理2~4倍的雨污水的能力,限制污水处理厂超负荷运行的因素就是二沉池了。目前有很多提高污泥沉降性能方法的研究,我们团队研发了一种纳米絮凝剂,加入纳米絮凝剂,5分钟就能达到不加药时污泥沉降30分钟的效果。通过加药促进沉降,突破二沉池泥水分离瓶颈,就可以实现污水处理厂二级生化处理单元的超负荷运行。


目前该技术已经完成了中试和生产性试验研究,多次的2倍、3倍流量冲击,出水COD、氨氮、总氮、总磷均能稳定达到一级A标;在万吨级的生产性试验中, 10小时的2倍流量冲击不会对出水水质造成影响,长达7天的2倍流量同样不会影响出水水质。因此充分利用污水处理厂的处理能力,效仿昆明滇池标准,或者适当放宽个别指标,或者严格按照现有标准,完全可以处理2~3倍的水量。


3Q超负荷运行中试试验结果图


充分发挥滇池大型湿地的作用

1、超净排放技术体系


据估算围绕滇池修建了29个湿地公园,占地面积19.78 km2,总水量可达到821万m3。以哪种形式如何利用这些湿地资源?京津冀同时也相应地提出了更加严格的标准,比如大清河地标和官厅水库提出恢复饮用水源地的要求,北京市、天津市和白洋淀均要求是达到III类水要求。针对北方以再生水为主要补给源河流水质难以达标的瓶颈问题,高标准、严要求下必然是要求更加经济可行的污水处理技术。因此我们提出了超净排放体系的概念,包括高标准的污水处理工艺的组合以及与自然处理方式相结合的形式,把湿地纳入污水处理的一部分,解决污水处理不断提标的难题。


2、大型湿地净化水质,提升景观


湿地资源在京津冀地区卓有成效,比如永定河的妫水河入库湿地、官厅水库八号桥湿地等系列湿地,以及北京目前已经形成了的地标性的“五湖一线”工程等,都极大地改善了永定河的生态环境。永定河的八号桥湿地外永定河水达到III类水的要求渠道保障作用。



关于十四五期间滇池流域溢流污染控制的建议

目前滇池已经成功探索出了生态调蓄+水质提升、污水处理厂超量处理雨污水及“一园两用”湿地公园的面源污染治理模式,但系统分析发现仍然存在调蓄体量不足、污染削减效能低、湿地资源利用不充分等问题,2020年是“十四五”规划的开启之年,总结好滇池治理经验的同时,分析其不足之处,提出进一步的优化建议,创新开拓出滇池模式2.0,有望在全国水环境治理中发挥更大的作用。


针对调蓄体量不足、污染削减效能低、湿地资源利用不充分等问题,若能充分利用现有的污水处理厂及湿地资源,则可以实现系统的整体优化升级。初步估算,滇池流域内污水处理厂规模为193万m3/天,若利用新技术使得污水处理厂雨季3Q运行,其处理体量可达579 万m3/天;而湿地的容量达821万 m3,取水力停留时间4天,则其日处理量为205万m3/天;因此结合调蓄池保障污水处理厂超负荷运行、污水处理厂3Q运行及全面利用湿地资源,日截流处理量可达784万m3。昆明市建成区面积为29020 km2,根据雨水径流公式可估算得到该系统可控制27.4+2 mm的降雨,即可控制90%以上的径流!


此外,滇池是典型的内陆湖,换水周期长,如果我们将城市污水作为退水资源,参与到滇池整个系统的调度,通过水质水量联合调度方面的工作,解决水体水质的问题。排除换水资源不足,污染物不断积累的问题,达到有进有出,水质水量平衡,最终可以达到“人水和谐”。


充分利用现有城市污水处理厂削减污染物的主导作用,提升雨季处理能力;进一步提升调蓄坑塘截留和减污的辅助作用;发挥好滇池现有环滇湿地的保障作用,全面控制城市面源污染,将城市再生水资源纳入区域水资源的综合调度系统,以期还高原明珠以潋滟。


结语:滇池模式的成功带来了中国流域水环境治理的曙光,总结好滇池治理经验,认识其不足之处,提出优化建议,开拓创新滇池模式2.0,为“十四五”规划开好局!铺好路!


文章来源:余诚 JIEI创新实验室  2021年1月18日

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