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他山之石 | 芝加哥水污染治理策略六点启示

时间:2020-07-09 15:58

来源:《环境与发展》凤凰平台

作者:马圣玥等

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  水资源是人类社会赖以生存的前提,联合国环境规划署预测水污染将成为21世纪大部分地区面临的最严峻环境问题。随着我国工业化和城市化进程加快,水污染日益加重,截止2015年,全国地表水体受到严重污染的劣Ⅴ类水体所占约10%,一线城市的水污染问题尤其突出,其中许多甚至出现了季节性和常年性水体黑臭现象。河流污染已经成为制约社会经济发展,影响城市形象和生态安全的重大环境问题。2015年4月,国务院发布了《关于印发水污染防治行动计划的通知》,要求以改善水环境质量为核心,系统推进水污染防治。目前,全国兴起了黑臭水体治理的热潮,但是缺乏科学、系统的治理思路,陷入了“头痛医头脚痛医脚”的误区;有些注重单一的技术,忽略采用集成技术进行综合治理;有些采用末端治理,黑臭水体反复出现;有些过度强调生态与景观,忽视自然生境的构建。本文研究了芝加哥水污染治理模式,以期为中国水污染治理管理体系的改进提供借鉴。

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  概况

  芝加哥(Chicago),又称风城,芝城,是世界著名的旅游胜地。芝加哥位于密西西比河(MississippiRiver)水系和五大湖水系的分界线上,东部毗邻北美五大湖之一,也是唯一全部属于美国的湖泊——密歇根胡(Michiganlake)。境内有两条河流,芝加哥河(ChicagoRiver)流经市中心,卡拉麦特河CalumetRiver)则穿过城市南部的工业区。两条河流原来都流入密歇根湖,20世纪初,为了让芝加哥河的城市污水不再继续污染密歇根湖水,芝加哥河水流方向被倒转,通过运河向南汇入密西西比河水系。芝加哥雨水充足,年平均降水量为965mm,夏季为降水最多的季节,降水通常是雷雨或阵雨的形式,少有持续的降水。冬季则降水最少,通常都是下雪的形式。1981年,芝加哥人最稠密地区包括芝加哥市71km²内,有53%是合流制下水道,全长8050km,有640个溢流口,晴天有0.57t/d污水流入污水处理厂,暴雨时雨水挟带污水排入河道,其中有世界上最大的西南污水处理厂,处理能力为0.50t/d。雨天流量经常是污水量的5倍,大雨时可能达40倍。芝加哥雨季时间较为不规律,有时五年一次而有时一年五次,极易造成水漫溢倒灌千家万户的地下室,路面积水,交通断绝。

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  主要环境问题

  19世界下半叶,美国城市高速发展,清洁水需求和污水排放成为困扰美国城市发展的突出问题。芝加哥作为城市化的典型代表,不可避免地需要面对人口的快速增长和工商业的发展带来的问题,使得为城市主要水源的密歇根胡及湖边区域在此期间受到严重污染。

  除了高速的城市发展,芝加哥的自然地理条件也为城市的发展带来挑战。芝加哥仅略高于密歇根湖湖平面,低平的地势必然会给排水带来困扰。在19世纪污水排放系统建立之前,居民只能直接将污水、废水倒于地表,水分只能被蒸发或者被土壤吸收。而芝加哥位于浅层沙地上,沙地下是不渗水的黏土层,所以使芝加哥的地面像沼泽一样,常处于泥泞不堪的状态。

凤凰平台  这样的地理结构带来了非常巨大的安全隐患。在给水设施和排水设施都较为匮乏的时代,人民普遍使用井深较浅的井水。而不渗水的黏土层会使污水回流到这些较浅的水井中,影响井水水质,成为传染病的媒介。在降雨较多的夏季,路面堆积的垃圾也容易被雨水冲刷进这些水井中,导致更进一步的污染。所以水污染问题被认为是导致19世纪中期芝加哥霍乱与痢疾高发的主要原因之一。

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  主要环境治理策略

  3。1 治理历程

  1851年,芝加哥通过法案成立芝加哥污水排放委员会,负责统筹给排水的所有事物;保证拟修下水道的建设不影响以后的扩展;规定私用排水管和公共排水管连接的地点、形式、材料和建设方式以及发行债券、购买土地、建造建筑等等,同时也广泛收集民众意见。芝加哥地势平坦,且不渗水的黏土层会使地面污水回流、囤积,因此造成路面常年泥泞不堪,而积水也容易造成水质污染、蚊虫滋生。

凤凰平台  1852年,芝加哥通过提高街道、建筑高度来保障排水管有足够的高度,利用地心引力保证排水。密歇根湖是提供芝加哥饮用水的湖泊,但同时污水也向密歇根湖排放。1854-1860年,芝加哥铺设近86。9km的下水道。污水管道的建设使污水排放量增加,从而导致密歇根湖湖水逐渐被污染。芝加哥政府后期通过挖湖底隧道来完善供水系统,改善供水质量;另一方面通过深挖伊利诺伊-密歇根运河,引导水流冲刷芝加哥河,从而减轻水污染,完善排水系统。1900年,芝加哥通过建设水位提升设施和闸门限流,将原本流入密歇根湖的芝加哥河的流向倒转,使其转而向南流入伊利诺河。从此,城市的污水不再注入密歇根湖。1910年,芝加哥城区开始逐渐建设污水厂,以协助这些供水系统更好地运作。到1970年,芝加哥建成当时世界上最大的污水处理设施。1972年,净水法(WaterPollutionControlAct)出台,净水法明确规定了在1983年7月1日以前,全国河流都要实现能养鱼和游泳。在执行中发现有困难,所以在1977年,通过法律手续把达到的时间推迟到1984年7月1日。净水法的推行使芝加哥上下形成一个法规体系。在美国,联邦议会颁发基本法规,流域委员会根据河流功能制订水质标准,州市政府颁发实施细则或补充法规。为了指导地方立法,环境保护总署制订了污染源的基准,以不影响人体健康和环境生态为前提的环境中允许的最高含量,各州、市根据技术、经济条件和河流的功能制订本地区的排放标准。水法还要求控制所有的城市工业水污染。虽然当时90%的污水都已通过污水处理厂处理,但是芝加哥市在面对大量污水排放和暴雨突袭问题时,这些污水厂仍不足以解决问题,于是新的蓄洪隧道和地下水库工程(DEEPTUNNEL)开始建设。

  3。2 开展工程

凤凰平台  3.2.1 雨水收集桶

  除了使用传统的污水系统进行雨水收集外,芝加哥也在试行低影响开发模式(LowImpactDevelopment;LID)。其中芝加哥政府大力推广一个的项目为雨水收集桶(Rain-barrelProgram),购买这些雨水收集桶的民众都会收到补贴。这些桶的作用就是分流雨水,减轻污水系统的压力和运输污水的费用。同时,这样的雨污分离也可以在一定程度上减缓道路泥泞程度。此外,政府鼓励居民在日常生活中(例如花园、清洗道路)使用这些储存的雨水,提倡节约用水的生活方式。

  根据调查,雨水收集桶的受欢迎程度与当地降水量无关;它们在高收入族群的小区接受度最高。在雨水收集点和“绿色小道”附近的居民区更愿意接受雨水收集桶。因此,政府可以加强对于这些绿色项目的宣传,更好地推广居民化的雨水收集。

  3。2。2 绿色小道

  除了雨水收集桶,政府还大力支持了其他项目,其中一个是叫做“绿色小道”的项目。“绿色小道”是使用许多雨水收集桶组成的道路,是由蓄水桶、入水池、草地、透水地面组成的一个系统。它除去基本的分流雨水功能,还有教育功能。绿色小道上会有教育用的宣传栏、标识来为民众解释这些桶的功能,并且教导他们如何把储存在桶里的雨水利用在日常生活里,以及他们这样的行为会带来怎么样的积极的环境影响。

  3。2。3 蓄洪隧道和地下水库工程

  芝加哥蓄洪隧道是目前世界上最大的隧道工程之一,此工程的目的是解决芝加哥市长期以来的污水和暴雨突袭成灾的问题。该隧道长211km,深45~91m,直径2.7~10.8m。还有252座直径1.2~5.1m的截水竖井,645项接近地表的聚水构筑物,4座泵站和5个蓄水量共1.55亿m³的蓄水库。如图1所示。

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图1 隧道及水库图

  工程分三期进行:第一期工程有隧道176.3km,竖井和聚水构筑物,可截流85%造成污染的合流下水道的水量;第二期工程包括余下的隧道346km,蓄水库、泵房,收集整个市区的雨水,主要是防洪;第三期工程是市区及附近52个城镇有关的配套工程。

  TARP工程所挖的蓄洪隧道(深45~91m),旨在分流芝加哥市在暴雨季节的过大污水排放量。在污水过剩时,污水会被引流入TARP竖井内。竖井所连接的蓄洪隧道可储存运输高达870万m³的污水并与地下水库相连。过剩的污水通过蓄洪隧道被储存地下水库中,在污水处理厂压力较小时,可将所储存的污水通过泵站被运输到污水处理厂进行处理。

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  图2 TARP运行示意图

  TARP工程总目的:防止雨污水倒流入密歇根湖;消除合流下水道的溢流污染水体;提供治水的出路;履行联邦和州政府颁布的环保法令;用经济上最有效的方法达到上述目的。

  TARP在防洪和污染控制上取得了巨大的成功,而且如果有蓄水量更大的地下水库投入使用时会更加的高效。在TARP投入使用后,污水溢流的天数从每年100天降至每年50天。2015年,在Thornton水库投入使用后,污水溢流情况基本不再出现。密歇根湖的水质也得到了大幅度提升,更加多的鱼类出现并且寄居于密歇根湖。TARP的巨大成功为世界上其他的城市提供了一个很好的模板,现在很多城市正在模仿建造相似的蓄洪隧道和地下水库工程。

  芝加哥的污水回收处理系统每天处理529万m³的生活和商业污水,这些污水被分包给七个不同的污水厂。污水处理厂通过模仿自然界中河流的净化过程,使得原本需一到两周的污水自然净化过程缩减到八小时。经过处理的污水最终都将被排回到河流里,实验证明,95%的杂质在经过污水回收处理后可被移除。污水回用流程如图3所示。

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  图3  污水回收工作流程示意图

  污水回收系统可分为6大步骤,具体如下:

  (1) 收集并将生活、商业污水运输至七个污水回收处理厂。

  (2)一级处理:以物理方式将大片的会损伤水泵的废物、垃圾筛出。

  (3)  二级预处理:在曝气沉沙缸中通入气泡,使轻的污染物(如油脂、灰尘)漂浮在水面上,而较重的物质如沙石、泥土则沉积在底部。缸中的收集器会收集沉淀下来的沙石泥土等较重的物质并排出至固废处理池。

  (4)  二级处理:优化处理缸中有一组旋转撇渣板,可以有效地将那些较轻的污染物排出,并进一步地排出固体污染物。

  (5)  三级处理:利用活性污泥曝气池进行三级处理。活性污泥曝气池中的微生物可以进一步分解和沉淀未被排出的固体悬浮颗粒,包括难以降解的有机物及能导致水体富营养化的无机物。

  (6)  最终处理:处理后的液体会在这一阶段被排放至河道中,余下的固废会被运送去固废处理厂进行下一步处理。

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  启示

  芝加哥的水环境经历了先污染后治理的历程,早期过度发展工业经济,忽略了环境保护,导致污染越来越严重,生态越来越失衡。目前中国也在走西方国家的老路,河流污染越来越严重,生态越来越失衡。从芝加哥水污染治理策略中,我们得到了以下的启示。

  

  纵观上下。19世纪的管道建设规划使得密歇根湖既是供水源,也是污水接收者。虽然前期这样的做法能够应急处理当时的问题,但这也加剧了后期城市发展的矛盾。由此可见,不从大局规划出发、不从流域整体出发,孤立地治理局部河段的污染,是难以奏效的。水管建设应与城市建设发展规划相辅相成。

  二

  因地制宜。芝加哥并非一味地单纯复制其他城市的供水、污水系统,而是根据自身的环境条件去建设符合自身条件的给排水系统。包括提高房屋高度以保证有足够的重力去排水、改变污水排放流向等措施。

  三

  薪尽火传。治水从来就不是一蹴而就的事情,需要一代一代人民的共同努力和用心维护。除去基本的水网建设外,芝加哥政府也大力开展其他项目,以使其给排水系统更加完善(如“绿色小道”项目),这些项目与芝加哥自身气候条件结合,既提高了雨污分离效率,减缓了暴雨季节污水厂的压力,同时也为发挥了一定的教育意义。

  四

  循规蹈矩。没有规矩,不成方圆。芝加哥早在1972年就颁布了净水法,让水污染治理有了方向和标准。详细的法令让事情都有了执行的模块,并且水法较为人性化,若是在法令要求范围内确实无法完成的项目,也会通过法令酌情推迟完成时间。

  五

凤凰平台  明法审令。若规章无人遵守,那法律也不过只是一纸空文。芝加哥水务局对芝加哥供水有着严格的监督机制,水的pH、氯离子、金属离子浓度等都会被严格监控,以确保达标。水质标准确定以后,一般具有法律效力。在美国,由地方政府贯彻执行,即根据本地区污染源情况,制定排放标准、治理目标、采取的工程措施,以保证实现本地区河段的水质标准,并由流域委员会进行监督。此外,为了保护水质,他们还规定:未经处理过的污水,不得直接排入清水区,在水库中不许机动船舶行驶,防止油污染。对自来水取水口,更是严加保护,白天用摄像头监视,晚上也有巡逻机制。

  六

  同舟共济。一人之力终有限,而就算只有裨将之智,只要众志成城,定能成就青山绿水的美好愿景。美国在建立数据库方面有较大进展。环境保护总署在华盛顿建立了一个大型数据库,已经储存了数据九千多万个,包括全国的水文、水质档案和污染源档案。任何一个水质管理机构,通过计算机网络终端设备,就可以在当地随时调用各种数据资料,供规划或管理工作用。水质监测的现代化,推进了环境管理的现代化。

  水污染治理是人类需要面对的难题,但污染容易治理难,水污染治理需要一步一脚印,踏踏实实地往前迈步,芝加哥的水污染治理更能深切地告诉我们这一道理,急切进取反而会让自己迷失方向,看不清弊端,导致日后需要为前头的急躁误棋付出更大的代价。

编辑:王媛媛

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