用技术装备化破解大城市治水难题

经过多年努力，大城市旱季水环境得到根本改善，许多城市的水环境实现了“水清岸绿、鱼翔浅底”。但是，每到雨季，雨污混合的大量溢流使水环境“一夜回到解放前”，使水环境治理效益大打折扣，成为大城市一个棘手的治水难题。那么，如何破解大城市这一治水难题?  

在“2022(第二十届)水业战略论坛”上，中国人民大学环境学院教授、博士生导师，中国人民大学低碳水环境技术研究中心主任王洪臣梳理了西方国家控制溢流污染的技术路线，从我国城市建设实际情况出发，提出用技术装备化破解大城市治水难题。

雨季溢流污染治理是大城市的治水难题      

     

     

大城市污水收集和处理系统比较完善，非雨季水环境质量较好。但，每到雨季，大量污水随着雨水进入城市河湖，导致水体黑臭，水生态失衡，使非雨季大半年的治理成效大打折扣，使水环境质量“一夜回到解放前”。溢流污染还导致流域断面严重超标。今年，生态环境部将开始公布汛期污染强度前50名国控断面及其责任地区清单，将倒逼城市溢流污染治理的全面展开。

雨污溢流污染有多严重?如何治理?这被认为是大城市治水的一个难题。要理清溢流污染，需要先从排水体制谈起。排水体制总体上分为合流制与分流制，合流制排水系统是雨水和污水走同一条管线，分流制则是分别走两条管线。合流制与分流制哪个更好?这个问题世界上讨论了150年，目前也未完全定论，西方国家目前的实际状况是大城市普遍为合流制，分流制主要在中小城镇，这既有历史原因，也有其客观合理性。这个问题今天不展开，我们回到溢流污染的讨论。一般认为，合流制定会存在大量雨污溢流，而分流制不会也不应该产生雨污溢流，实际上，这是个错误的认知。 无论合流制还是分流制，设计不合理或建设标准过低，都会产生严重溢流污染。

为控制溢流污染，合流制排水系统应设置截留及调蓄设施，将截留调蓄的雨污水输送到污水处理厂逐步处理。根据受纳水体要求合理确定截流倍数(n0)是建设合流制排水系统的关键，有关标准规范建议采用2～5倍，这就要求建设足够容量的调蓄设施，污水处理厂也需要有足够的能力冗余。

为控制溢流污染，分流制排水系统的污水收集及处理能力应考虑降雨产生的入流入渗量(Rainfall Derived Infiltration and Inflow ，RDII)。大城市人口密度大，路面硬化比例高，雨水径流系数高，道路积水是常态，雨水必然通过检查井或管道破损部位进入污水系统。为迅速排涝，主动打开井盖让雨水进入污水系统也是防汛中常见的操作。因此，合理确定降雨入流入渗量(RDII)以及入流入渗率是建设分流制排水系统的关键。与其他西方国家相比，北欧国家建设了较多的分流制排水系统，据2016年监测数据，丹麦分流制排水系统降雨入流入渗率为30%，芬兰是40%，瑞典是46%，而挪威高达66%。从这些数据看，如果北欧国家的污水处理厂没有足够的冗余能力，其分流制排水系统也会存在较为严重的雨天溢流污染。因此，西方建设污水处理厂时，负荷率普遍控制在70%以下。

分流制排水系统降雨入流入渗示意图

美国某市分流制排水系统RDII与污水量和经常性地下水入渗量的相对变化

我国普遍推行建设分流制排水系统，但对降雨入流入渗(RDII)没有重视，相关标准规范也没有规定，也没有系统性监测资料。北京一个高标准建设的分流制排水系统，雨水管道设计重现期是10年，但降雨入流入渗量(RDII)仍然很大，小雨时入流入渗率可达20%，大暴雨时可高达50%，而污处理厂旱季已经接近满负荷，雨天只能溢流。可想而知，对于重现期普遍采用2～5年的排水系统，降雨入流入渗量(RDII)将更大。目前，全国污水处理厂平均负荷率已经接近90%，大城市普遍满负荷或超负荷，如何应对规划建设时未予考虑的这块降雨入流入渗量(RDII)，如何控制溢流污染，的确成为难题。

西方国家控制溢流污染的技术路线      

     

     

西方国家控制溢流污染的主要路线是“灰绿结合”：一个是绿色对策，通过绿色基础设施(Green Infrastructure)，原来叫低影响开发(LID)，控制雨水径流，减少污水随雨水进入水体，中国叫海绵城市，更加形象;另一个是灰色对策，通过灰色基础设施(Gray Infrastructure)，包括地下深隧、调蓄池等，对雨污进行调蓄，并扩大处理设施予以处理。这一“绿色基础设施 + 传统的合流制或分流制排水系统 + 灰色基础设施”模式被称之为灰绿结合的现代城市排水系统，也叫溢流污染永久控制计划 (LTCPs，Long-Term Control Plans )，到2030年以前，美国计划投入1050亿美元建设永久排水系统(LTCPs)，其中，绿色423亿美元，灰色636亿美元。  

融入城市的绿色基础设施

为应对溢流污染，西方污水处理厂普遍预留了处理能力。欧洲市政污水处理厂总设计处理能力8.05亿 PE，实际处理量5.91亿 PE，污染物负荷率 73.4%。美国市政污水处理厂总设计处理能力 1.7 亿立方米/日，实际处理量 1.23 亿立方米/日，其平均处理负荷率是72.3%，有将近30%余量。这是美国全国的平均值，大城市的实际负荷率还要低。为应对合流制溢流污染，芝加哥建设了美国规模最大的灰色基础设施，包括总长度176公里的四条深隧道和三个大型调蓄库，隧库总调蓄容量高达8000万立方米。另外，芝加哥建设了全球最大的污水处理厂，设计日均处理能力454万吨，最大处理能力545万吨，旱季实际负荷率不足40%,但今年7月8日这一天最大处理量达429万吨，接近满负荷运行。如果不建设如此庞大的灰色基础设施，可想而知，大量雨污将溢流进入下游的密西根湖。

芝加哥的灰色基础设施

从实际出发，用技术装备化破解我国大城市治水难题      

     

     

我国大城市是否可以采取西方“灰绿结合”(LTCPs)的技术路线治理溢流污染?答案是否定的。首先，“灰绿结合”是应对合流制溢流污染，而我国是以分流制排水体制为主体，在技术伦理上，分流制不应建设大型雨污调蓄设施。其次，我国大城市规划建设密度高，既没有空间全面建设海绵城市，也没有空间建设雨污调蓄设施，现有污水处理厂也大多已被居民区包围，失去了扩容的空间。那么如何治理溢流污染呢?最佳或唯一的技术路线是采用装备化手段，建设低占地的溢流污水就地快速处理设施，也就是，用技术装备化破解我国大城市溢流污染治理难题。

“技术装备化”，不应是简单地把混凝土构筑物变成金属材料罐体，而应是以“装备化”技术为基础。装备化技术是一个以“处理快、占地少”为主要目标的崭新技术体系，用以解决我国溢流污染问题，是基于国情的原始创新。

目前可以设想的“装备化技术”体系包括物理快速分离、超大滤速过滤、高效气浮、大容量吸附、高级氧化以及快速消毒等工艺，可根据不同的处理要求形成一系列组合工艺流程，这些流程应在30分钟内快速实现特定的污水处理目标。现有生化处理技术速度慢，总体上不属于“装备化技术”体系，当然，也不排除高速生化技术的出现。

我们团队在这个方向开展了一些探索，已经投入规模化应用的一个技术是“渣、砂、油”一体化高效秒分离(SSgo?)，可在5秒钟内实现污水中渣、砂以及固态油脂的快速深度分离，100微米筛余物可去除90%，基本实现污水中“渣、砂、油一扫光”。这个技术的价值在于：一是可确保“河长制”关于水面无漂浮物基本目标的实现;二是作为超高速过滤、高效气浮、大容量吸附等核心单元必备的前置单元，否则，渣砂油进入这些快速处理单元，堵塞缠绕，快速也将变成慢速。我们期望SSgo? +超高滤速过滤、SSgo? +高效气浮、SSgo? +大容量吸附这些流程成为“装备化技术”体系的主流工艺流程。

渣砂油一体化高效快速分离装备(SSgo?)

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