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车伍:美国合流制溢流污染控制经验及借鉴思考

时间:2020-07-27 09:05

来源:JIEI创新实验室

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近期,针对城市黑臭水体治理推进过程中遇到的掣肘——污水溢流导致的面源污染,清华大学环境学院及生态环境部水专项管理办公室组织召开了“促进城市黑臭水体长治久安推动城市面源污染全面管控研讨会”。会议邀请到北京建筑大学教授车伍、生态环保部环境规划院水环境部主任王东、中规院北京公司生态市政院院长王家卓、清华大学环境学院教授王凯军、清华大学环境学院副研究员刘艳臣等业内专家,及来自行业多家代表企业的决策力量,共话溢流污染的现状问题及控制思路。前不久,E20水网固废网发布了王凯军对合流制溢流污染的思考,总结了我国在合流制溢流污染控制上亟待解决的五大问题,以及王家卓所分享的东京的合流制溢流污染控制经验及对中国的启示,今日特意发布系列第4篇——《车伍:美国合流制溢流污染控制经验及借鉴思考》。

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背景

CSO(合流制溢流)是城市水环境治理绕不过去的坎。在近几年黑臭水体治理、海绵城市建设过程,都会发现合流制溢流污染的严重程度及其对水环境的巨大影响,在管网提质增效三年行动方案中,也特别提到了CSO问题。

CSO溢流污染会导致城市水体水质的显著下降。在不少城市的合流制排水区域,即使水质优良的河道,一场暴雨后即变身黑臭河道。通过以下照片可以直观感受CSO污染问题的严重性。

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既然绕不过去就要正视它、解决它。溢流污染并非仅发生在中国,不少发达国家都曾经遇到过类似问题,并通过长期的研究和工程实践,尝试用各种措施去解决这一问题。我们或许可以从美国的CSO控制经验中得到启发。

美国CSO治理经验

美国有32个州、722个社区存在合流制排水系统,美国大部分的合流制系统位于东北部和五大湖地区,一些大型城市,如纽约、费城等合流制比例在60~70%以上。从上世纪六、七十年代开始,美国环境保护署(EPA)主导和推动CSO污染控制。从国家层面开展一系列工作,包括政策、法规、九项基本控制措施等技术导则以及长期专项规划,来全面推动各城市对CSO的控制。整体取得良好的成效,一些典型城市如纽约、波特兰,目前已分别能达到80%、96%以上的年溢流控制率,但不同地区也存在一定差异。

1。 投资特点

根据自2000年一直到2012年,美国CSO污染控制及其他水污染设施投资需求表可以看出美国CSO有以下几个特点:

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单位:亿美元

投资大——CSO控制投资非常大,CSO控制投资超过雨水管理。如果单纯的看待CSO与污水及管网设施的投资比例,美国高达1/4-1/2,中国这一项比例远远不及。

耗时长——上世纪七、八十年代起,已历经数十年,且至今不少城市仍制定了未来二三十年的治理规划。

艰巨性——从各城市走过的历程和付出的代价,以及在过去几十年CSO控制的长期规划及相关工作基础上,近年来又编制未来一、二十年新的规划,表明该项工作的艰巨性,一些城市还需要数十亿美元的投资。

2. 立法与政策

美国清洁水法(“Clean Water Act”)是美国水污染控制的基本法律,确定水污染控制的总体框架,建立NPDES排放许可体系。在NPEDS排放许可体系中,第一次将合流制溢流污染控制与分流制雨水径流污染控制纳入排放许可管控体系中。

在CSO控制方面,美国出台大量技术指南、导则、规范标准等。且多是通过科学的模拟分析、技术经济分析和长期规划,是以长远的目标和持续的努力,而不是三五年期限的短期计划。

1989年,美国EPA发布国家CSO控制战略(National CSO Control Strategy),将CSO控制作为国家战略推行。1994年,EPA发布CSO控制政策(CSO Control Policy),进一步明确了CSO控制的具体要求,提出了9项基本合流制溢流污染控制措施,直到今天仍然沿用,具体如下:

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凤凰平台这九项基本控制措施看似并不复杂,但能够持之以恒地坚持并落到实处,鉴于中国城市合流制排水系统中存在的诸多突出问题,这九项基本控制措施具有极重要的借鉴意义。例如,强调充分利用排水系统的现有处理能力、最大限度的截流至污水处理厂处理、最大限度利用初级处理系统、管网作用。这与我国现在黑臭水体、海绵城市建设以及提质增效中越来越重视管网问题相吻合。

凤凰平台此外,美国EPA较早即要求各个城市做CSO长期控制规划(计划),规划内容包括:合流制系统特征及监测模拟、公众参与、敏感区考虑、控制措施评估、效益分析、实施计划、现有污水处理厂处理能力充分利用、实施时间表、建成后效果监测等。

3. 控制目标

凤凰平台美国分为基于“技术”和基于“水质”的两类CSO控制目标:其中,基于“技术”的控制标准,一般为“溢流频次”,“溢流总量削减率”;基于“水质”的控制标准,是基于受纳水体TMDL的污染负荷削减要求。

对于溢流控制率和溢流次数,EPA一般要求不低于溢流频次4-6次,85%溢流总量削减,各地根据实际情况确定。

凤凰平台4。 考虑不同地区控制策略的差异性

美国不同地区的CSO控制做法不是一刀切,而是根据每个地区每个城市特点,因地制宜采取CSO污染控制策略或分流制改造,也有“合改分”做得比较彻底的成功案例,例如丹佛,但也是在特定城市条件下经过长期的不懈努力。此外,还注重CSO污染控制子系统之间的协调建设

凤凰平台5. 从“灰色”向“灰/绿”结合的转变,通过技术经济分析优化决策

从传统灰色做法向灰绿结合做法转变,并通过技术经济分析方法来做决策,这是新的趋势。若完全靠灰色设施,改造难度和代价都很大。从图中给出的一些典型城市的数据可见,各城市在灰/绿结合的CSO控制策略上发展并不平衡,总体上,美国在灰/绿设施相结合的决策方面应该也还处于发展的前期,在某些方面和我国近年来的做法类似。

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美国典型城市CSO灰色与绿色设施规划比例程熙,车伍,等。 美国合流制溢流控制规划及其发展历程剖析[J]。 中国给水排水,2017,33(6) :7-12

美国部分城市CSO治理案例

案例一:旧金山—SSIP(Sewer System Improvement Program),灰色与绿色结合

旧金山的排水系统改造规划时间很早,新的规划目标是为进一步提升水质。从项目的字面上和其实施内容看,与我国正在实施的水环境治理和提质增效项目也有相似之处,只不过发展阶段和具体的目标不同。旧金山进行了详细的规划,根据评估分析,如完全采用灰色的治理措施大约需要70亿,把绿色手段加进去后,投资只需50亿。可见,不同思路之间的投资差距显著,可以提供给决策者一个量化数据。

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旧金山CSO治理项目从六、七十年代美国重视合流制开始,到今天仍未做完,还在持续。为了这个新的规划,从2005年开始,利用五年时间进行建模分析研究,做不同实施方案的技术经济分析,又用了几年来做评估和筹资,可见他们对这样投资巨大的复杂工程项目认真仔细之程度和慎重。在国外,重大决策一般时间较长,更为缜密。因为项目投资规模及社会影响重大,一旦决策失误,损失代价巨大。针对城市CSO的问题,美国前三十年做了很多工作,还在对未来三十年做规划,这方面值得国内决策上的重视和借鉴。

案例二:费城——绿色投资占比最大的案例

费城对绿色方案和灰色方案进行量化数据对比,经比较选择了较大比例的绿色方案。费城制定的规划目标:85%的溢流总量控制率、25年内实现合流制区域34%不透水下垫面25。4mm降雨的径流控制。为此,25年内要投资24亿美元,其中GI(绿色基础设施投资)比例69。5%,是美国同类项目中绿色投资占比最大的案例。

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案例三:亚历山德里亚——合改分规划的适时调整

亚历山德里亚合流制面积2.2km²只占6%,均在核心区,曾经于2005年制定了一项“合流制面积削减计划”(ARP),要求大规模的雨污分流改造。但截止到2014年,雨污分流改造由于施工及资金困难仅完成了0.057km²,每年仍有50~70次溢流。2016年开始调整规划,修编原有CSO控制规划,通过多种不同种类的技术措施比选,放弃完全雨污分流改造。

最终方案:建设1条0.6万m³的调蓄隧道和1座1.1万m³的调蓄池,并结合GI实施及局部雨污分流改造。GI投资占比4%,灰色设施为主要技术措施。

中美CSO控制情况对比及借鉴意义

我国与美国的CSO溢流污染控制概况对比如下:

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按照时间节点,中美两国从1965年到2017年CSO污染控制的重要法律法规及政策对比如下。从这个时间轴上的重要事件及节点,可以大致了解中美两国在CSO控制策略上的发展过程及不同。概而论之,作为发展中国家,在过去几十年中,我国在城市化方面取得巨大的进展,但在CSO控制领域,我国比美国晚了大约三十年左右。因此,可以理解我们今天所面临的CSO问题的巨大挑战和未来需要付出的艰巨努力。

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具体而言,可以看到,我国行业内部近年来连续发布相关的规范标准,其中涉及到CSO的控制,但是这些规范标准的部分内容、设计方法和参数等还存在一些不足。包括不够系统和清晰、设计方法有待完善、设计参数需要修正等。将两国法律、法规及政策从主要内容和保障体系两个维度来对比,可看到中美法规体系之间的差距。

如对于溢流控制率和溢流频次,我国前些年发布的相关标准规范中尚无明确、合理的控制要求;CSO是否纳入排放许可的做法,我国目前尚无规定;若考虑合流制在截留倍数下进入污水厂的水量、水质变化,污水处理厂在规模和工艺上如何合理地配套、以及污水厂的排放标准是否还继续一律按照一级A或准四类进行要求,也需要重新考虑和论证。

凤凰平台关于CSO控制的顶层设计,我国已经逐步开展,但整体还有待提升。下一步,需要从法规体系方面加以突破,更具指导意义的系统性的技术指南、规范标准一定要出来,否则将难以有效指导各个城市开展工作,设计单位进行设计也会显得盲目,难以确保工程实施的结果和效果。

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在CSO治理思路上,我国前期一直主要在推行“合改分”,如国办发[2013]23号文,提出力争5年时间完成雨污分流改造。而在2015年以后,国家开始正视CSO问题,一些重要文件不再只简单化提“合改分”,而转变成兼顾对CSO控制的重视。关于雨污分流改造,中美两国的措施情况对比如下。

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我国也正在转变以往一刀切式的“合改分”理念和路线。中国那么多条件各异的各类城市,未来城市合流制(也包括混流)改造及CSO控制这条路怎么走,每个地区每个城市可持续的路径应该怎么走,这些问题必须有清晰的回答,否则会制约这庞大而复杂的系统工程的科学、有序地开展。

总结

CSO控制是一个国际性难题,必须进行科学的顶层设计,科学的规划,可指导具体实施的技术指南、导则、规范标准,建立技术经济分析方法优化实施方案和指导决策。现阶段,应充分修复、维护和利用好现有的管网,充分挖掘和利用好污水处理设施,发挥其最大价值,合理确定截留倍数和处理厂的配套,合理制定雨季排放标准,最大程度削减整个排水系统的污染物排放量。建议目前各地合理确定溢流频次指标作为CSO控制目标,污染物总量削减作为整个系统的控制目标,做好顶层设计和规划,明确近远实施步骤和资金安排,并将CSO控制与海绵城市建设、黑臭水体治理、厂网提质增效等统筹协调。

CSO控制是一项投资大、时间长的大工程,但对于水环境改善至关重要。前路漫漫,道阻且长,行则将至,做则必成!

编辑:陈伟浩

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