老城水污染防控技術集成對策
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本文作者：劉翔1管運濤2王慧1蔣建國1作者單位：1.清華大學環境學院2.清華大學深圳研究生院
0前言
城市化是我國未來50年內社會經濟發展的必然趨勢。然而，20多年來，快速的經濟發展和城市化，使城區不斷擴展的同時，原有老城區也面臨著人口激增和市政設施滯后所帶來的一系列水環境污染，成為社會經濟可持續發展的重大挑戰。蘇錫常地區經過上千年的沿革與變遷，特別是近20多年來的飛速發展，已建成了傳統的南方河網地區傍河民居和現代化城市建筑相互交錯融合的老城區。目前老城區的水生態和水環境嚴重惡化，河水發臭、水色發黑，成為蘇錫常經濟區中水環境污染控制的“難點區”。蘇錫常地區水環境污染若得不到徹底的控制與治理，則太湖的水質改善難以有重大和顯著的突破。蘇錫常城市群水環境安全保障體系的建立對我國今后其他區域城市群的可持續發展具重要的示范和借鑒意義。本文是在分析環太湖城市老城區特點的基礎上，總結了老城區水環境綜合整治相關技術，提出了針對老城區水環境污染控制和水質改善的“控源－截污－原位處理”技術集成方案。
1老城區水環境污染現狀及其成因
蘇錫常地處長江三角洲平原，總面積17651km2，占江蘇省總面積的17．07％，人口的19％左右，是構成環太湖河網地區城市的主體和江蘇省經濟核心地區。由于其特定的地理和經濟位置，成為影響太湖流域的重要因素。隨著流域社會經濟的快速發展，污染物排放速度遠大于治理速度，污染物的排放量遠超過水域納污能力，大量的污染物經過各種渠道流入水體，加重了水體的污染負荷，導致水環境承載能力急劇下降。作為環太湖最重要的城市地區，蘇錫常地區水環境污染的有效控制將切斷太湖的污染源輸入，對于太湖流域的治理具有重要作用。以該區域某市老城區為例，城市中心老城區面積約180km2，主要為居民和商業區，人口約100萬（包括暫住人口）。區內有42條主要河道，多數河流水體本身流動性差、絕大部分水體為劣V類和V類。造成水體污染的來源可分為分散點源、城市面源、河道內源及區域外源四類，主要現狀與成因包括以下幾方面因素：（1）管網不完善導致的點源污染入河負荷［1］。以示范河道為例，在其長2．1km的周邊區域管網不完善導致河道污染負荷增加，經管道流入河道的污水量達6000～8500m3／d，入河COD負荷200～350kg／d、氨氮負荷25～50kg／d、總氮45～100kg／d、總磷3．5～9kg／d。究其成因，老城區由于城市化進程受歷史和城市建設等影響，市政基礎設施較為薄弱，管網相對不完善，表觀截污率為84％左右，存在著雨污水混排、錯接或混接、管網覆蓋不等問題。其中以雨污水混排為主，其入河負荷占管網不完善所致入河負荷的60％～70％、占區域內總負荷的25％～30％；其次是錯接或混接所致入河負荷，排污口較多且分散，推算總量可達管網不完善所致入河負荷的27％。（2）老城區特征點源污染入河負荷。在各類點源中垃圾屋、垃圾轉運站、公廁以及餐飲等污染物排放濃度高、強度大，是需要特別關注的重要污染點源。其中，公廁廢水溢流進入污水管網，由于存在雨污混排而最終進入老城區水環境。垃圾屋、垃圾站由于自身建設不全面導致存在直接溢流排放。餐飲廢水是經由路面進入合流制管道或雨水管道，雨天形成溢流進入河道或直接進入河道造成污染。比較不同污染源可知，垃圾站廢水的COD污染最突出（60t／a），公廁廢水的氮磷污染最突出（氨氮3．6t／a、總氮4．5t／a、總磷0．35t／a），垃圾屋與餐飲廢水污染物濃度稍低；比較同一污染源中不同污染物可知，垃圾站廢水以COD超標為主，公廁廢水以氮污染超標為主，餐飲廢水中以COD、總氮為主，垃圾屋廢水以總磷超標為主。餐飲廢水盡管污染物濃度稍低，但由于在雨季每天都有8～10h的排放，對COD年均入河負荷貢獻最為明顯。垃圾轉運站存在滲濾液排入河道的現象，而且與公廁廢水類似，其廢水濃度高、排放時間集中，排放時COD入河負荷可達180～270kg／h，顯著高于點源負荷平均水平，對河道COD將產生明顯影響；排放時氨氮負荷為0．1～0．5kg／h、總氮為2～3kg／h、總磷為0．2～0．4kg／h，對河道氮磷污染物濃度的影響不如對COD的影響明顯。（3）城市面源。主要包括降水徑流入河負荷與河面直接降塵負荷兩類。從來源看，面源入河污染以降水徑流入河為主，河面直接降塵所占比例顯著低于降水徑流。從污染構成上，按照在區域內總負荷中貢獻比例分，依次為COD、總磷、總氮、氨氮。（4）河道內源。河道內源污染主要是底質中的污染物釋放至上覆水體產生的。示范河道底質釋放的污染物以氨氮和含磷污染物為主，不同區段底質的污染物釋放速率差異顯著，在水溫、溶解氧、底泥分布、清淤程度等多種因素影響下，河道單位面積底質的氨氮釋放速率可達85～770mg／（m2•d），磷釋放速率可達7～86mg／（m2•d），氮、磷年均釋放總量分別可達1．3t／a、0．35t／a。（5）區域外源。盡管示范河道滯流現象明顯，但仍有流量較為明顯的時期，而且還有人工調水，因此從上游進入的污染物量仍然不容忽視。依據2010年的監測結果分析，調水時由上游河道引入的污染物負荷量分別可達COD50～310kg／h、氨氮5～70kg／h、總氮18～72kg／h、總磷1．2～17kg／h，年均COD約96t／a、氨氮約19t／a、總氮約33t／a、總磷約2．6t／a。不調水時，示范河道常常滯流，流動時日均流量0．4～2m3／s，相應負荷量為COD24～110kg／h、氨氮3～25kg／h、總氮4．5～52kg／h、總磷0．3～4．3kg／h，年均COD約460t／a、氨氮約85t／a、總氮約180t／a、總磷約12t／a。
2老城區水環境整治單元技術
綜上所述，區域內源中，管網不完善所致入河負荷是示范河道區域內污染的主要來源，特征點源污染是COD入河負荷的首要來源、對氮磷污染的貢獻率僅次于管網不完善所致負荷；以降水徑流為主的面源污染對COD、總氮、總磷入河負荷有一定貢獻，在點源污染消除后將成為COD、總氮負荷的主要來源；以底泥污染物釋放為主的河道內源污染對氨氮、總磷負荷有一定貢獻，在點源污染消除后將成為氨氮、總磷負荷的主要來源。針對以上問題，課題組開發完善了老城區管網診斷與適宜性截污、初期雨水收集與處理、重點特征污染源處理及河道水質凈化與生態修復等單元技術。各種技術都具有不同的技術、經濟特點及適用條件，對老城區水環境問題的解決具有重要的實用價值。
2．1排水管網改造及截污
2．1．1老城區管網診斷與適宜性截污技術
老城區排水系統建設因受條件約束，存在著合流制、分流制并存的狀況，局部地區雨污混接甚至管網狀況不明，致使對污水截流效率判別不清，而現行基于流量的污水截流率表征方法不能反應對污染負荷的截控效果，影響了對混流區域管網改造工程實際截污效果的提升和投資績效。以基于水量水質的管道收集效能評判方法為判斷手段，以示范河道入河重點排放口為起點，通過確定重點錯接節點，建立“調研—評價（基于水量水質的管道收集效能診斷）—驗證—管網改造／真空截污”體系，然后根據截污目標要求，確定管網改造對象［2］。該體系的運用，可以在保證截污目標的前提下，實現工程量最小，投資最省；或者在一定的投資前提下獲得最大的污染物削減效能。在管網診斷結果的基礎上，利用傳統的重力截污—動力截污，將大部分混接錯接污水進行有效截污。但是，江南水鄉濱河而居，部分居民生活污水分散直排河道；建筑過于密集或出于文化保護等原因難以實現雨污分流和管道入戶改造；市政設施建設和維護的景觀協調性要求高。傳統的由重力排水系統改造的截污工程無法滿足上述要求。沿河設置真空管的真空截污技術，可以避免管網改造的難題，滿足景觀要求。首先真空管管道敷設不需坡度，適用范圍廣，不受河岸走向和坡度的限制；其次真空管道管徑相對普通重力管管徑較小，通過合理選材，可以較好地避免障礙物，提高整個系統的安全性；再次整個系統處于密封狀態，輸送流速較大且持續通風，可以防止污水泄露，防止污染物在管道中沉積，防止異味或臭氣產生，系統基本上不需清掏維護。真空排水系統實施方案為：污水重力自流到真空收集井下部的污水儲存處，當液位達到一定高度時，真空閥自動開啟并響應真空泵站運行，真空泵產生的氣壓差將污水從收集井抽送到敷設成鋸形的真空管網內，直到污水到達真空站的真空罐中。最后污水泵將污水從真空罐底部抽出，送到市政污水管網或就近送至污水處理裝置進行處理。示范工程規模300m3／d，配備地下真空泵站1座，真空管道約1km，收集大小排污口28處，有效地截流了傳統截污無法完成的入河污染負荷，并且滿足歐洲室外真空設計標準（EN1091：1996）［3］。
2．1．2混流區域管網沉積物控制及溢流負荷削減技術
排水管網尤其是老城區內的管網，由于日常維護困難，管道沉積情況普遍存在且比較嚴重。例如，調研顯示北京城區排水管網中，60％的管道存在沉積物，15％管道沉積嚴重（沉積物占排水管道容積的比例＞15％）［4］。管道沉積物的存在會帶來以下問題：降低排水管道的容量，增大排水管道的水力阻力；雨天排水系統發生溢流時，沉積物隨溢流進入受納水體，造成水體污染，文獻表明暴雨發生時受納水體的污染負荷30％～80％來源于溢流排放的管道沉積物［5，6］；沉積物中中含硫有機物發酵產生硫化氫，影響管道工人的下井作業安全，硫化氫經微生物作用能轉化為硫酸，腐蝕管道［7，8］。因此，控制管網沉積物是非常有必要的。管網沉積物控制及溢流負荷削減工藝由預埋式穿孔管管道沖洗單元與沉積物水力旋流分離單元兩部分組成，通過移動水車供給預埋于管道底部的穿孔管高壓沖洗水，沉積物被沖起并隨沖洗水向下游流動，經過水力旋流器被分離出來。工作程序簡單，人力消耗少，效果好，可以有效地降低雨季的溢流入河負荷。示范工程實施前后溢流污染濃度明顯降低，工程實施后溢流污染中SS和COD平均分別降低了23．9％和23．2％［9，10］。
2．2老城區重點污染源控制
2．2．1初期雨水污染攔截及多效快速過濾技術
分流制管網系統中初期雨水面源污染問題最為突出，初期雨水量大勢急、懸浮物質多、污染負荷高，同時還含有大量溶解性的碳氮磷污染物。因此，開發具有快速、穩定、兼顧固形物和溶解物去除等功能，而且占地省、維護簡便的處理技術是控制老城區初期雨水面源污染的關鍵。課題開發了快速旋流分離—多效快速過濾技術，實現了初期雨水的快速有效處理。示范工程服務面積1．6hm2，旋流分離設備60m3／h，濾池過濾面積35m2，濾料厚度1．5m，主要由沸石等濾料組成，水力停留時間45min。運行結果表明，旋流分離器對SS的去除效果較為明顯，去除率平均為36％，對COD、TN、TP有一定的去除作用，最大時分別達10％、25％、16％，但波動較大；濾池對各污染物的去除效果較為明顯，相應去除率約為SS95％、COD50％、氨氮80％、總氮30％、總磷70％。
2．2．2餐飲廢水移動式處理技術
經調查，老城區示范區大排檔產生的餐飲廢水幾乎全部排入了雨水管網，通過雨水管網進入河道；固定餐飲的廢水排放去向取決于餐飲店的接管方式：并入城市污水管網的固定餐飲，一般排入城市污水處理廠；未接管或接入雨水管網的固定餐飲，一般直接排入雨水管網，然后通過雨水管網進入河道。針對餐飲廢水高污染且分散的特點，為實現餐飲廢水油脂分離、有機污染高效去除，采用了兩級重力隔油—電化學處理工藝，各工藝模塊集成于設備中，可方便移動，實現現場處理。設備所采用的工藝核心為電化學處理。電化學法中常用的電極材料為鋁和鐵，在陽極和陰極之間通以直流電。主要發生的反應為電絮凝、電化學氧化和還原、電氣浮等作用。電化學過程中不需要添加任何化學藥劑，產生的污泥量少，且污泥含水率低，易于處理；操作簡單，只需要改變電場的外加電壓就能改變運行條件，且容易實現自動化控制。設備處理能力1．5m3／d，SS和COD的去除效率都在95％以上，氨氮的去除效率則在40％左右，也具備了較好的經濟性，可用于各個餐飲企業廢水現場處理。
2．2．3垃圾轉運站滲濾液快速處理技術
轉運站滲濾液快速處理工藝為生化調節—快速處理技術，包括厭氧折流板形式的生化調節池和基于混凝沉淀—高級氧化技術的快速處理設備。厭氧折流板形式厭氧反應器占地面積小，運行過程中不需要動力，操作方便，適應轉運站滲濾液處理的實際情況需求，其進水COD15000mg／L，出水COD8000mg／L，處理水量30L／h。快速處理單元工藝流程如下：轉運站滲濾液通過投加復合絮凝劑并沉淀后，調節pH至酸性，以滿足化學氧化反應的需要；污水酸化后投加氧化劑并保證充分的水力停留時間進行氧化反應，實現高濃度有機污染物的氧化去除；向經過氧化的處理出水投加堿液中和，以調節溶液pH為微堿性，未反應完全的藥劑將發生沉淀，沉淀過程在后接的斜板沉淀池中完成。通過以上處理單元后即可出水。快速處理水力停留時間僅4～5h，能夠在轉運站現場快速完成滲濾液處理；也可以設計為移動式設備，在各轉運站之間流動處理，實現快速處理。示范工程運行效果表明，COD去除率在90％以上，色度去除率在98％以上，惡臭得以消除，實現了較好的處理效果。
2．3河道水質原位改善及維持
2．3．1多元生態構建技術
多元生態構建技術是指利用生態浮島、人工濕地、人工水草、生物柵、沉水植物及底棲動物投放等多種方式，建立微生物—植物聯合凈化體系，增強水體自凈能力、促進水生生態系統恢復的各類技術。該技術直接引入多樣的大型水生植物，提供適合動物生存繁衍的生境，成為污染河道中的綠洲。以示范河段生態工程為例，在圓幣草、聚草浮島的植物根際、人工載體中、植物水上部分，可發現螺類、昆蟲類（水蜘蛛、蝶類及其幼蟲）、蛙類、魚類（以餐條、鯉魚為主）、鳥類、鼠類等動物。在示范河道多元生態構建技術措施實施后，河道的景觀改善、臭味抑制效果十分明顯，群眾滿意度較高。示范工程經驗表明，種植覆蓋率達到15％時，景觀效果和對異味的抑制能達到較好的效果。
2．3．2河道底質污染釋放控制技術
針對河道底質氮磷污染控制研發制劑，綜合成分比較并考慮目前目標河道底質污染控制需求及價格因素，選擇沸石與聚硫酸鐵（95∶5）作為復合制劑的配比方案，所研發的復合制劑對氮磷污染控制能力已經達到現有制劑中的最佳水平，而單位去除能力的成本卻顯著低于市售制劑，具有較為明顯的技術經濟優勢。底質改良制劑主要成分為改性黏土絮凝劑、微生物制劑（硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等），按0．1kg／m2的濃度，在柴支浜投放底質改良劑1000kg，以粉劑形式投放均勻潑灑，監測分析表明，效果達到預期。
2．3．3城區河道充氧造流技術
城市河道功能缺失，黑臭現象嚴重，直接的原因就包括水體溶解氧的不足。因此，河道充氧技術是保障河道水質的重要手段之一。課題開發的河道充氧造流技術利用車棚式太陽能光伏發電裝置發電并形成峰值發電量4kW的并網發電系統，供充氧工程使用。在示范河段布置浮筒式潛水雙向推流曝氣機（3．7kW）8臺、浮筒式潛水單向推流曝氣機（7．5kW）2臺，設置景觀假山式跌水曝氣1處，裝機1．5kW。監測結果表明，充氧工程有效保障了溶解氧水平，經過曝氣河道后，溶解氧增量可達3mg／L，在流量為0．2～0．8m3／s的條件下對下游溶解氧影響范圍超過650m。
2．4重污染河水快速凈化技術
城市重污染河道表現出有機質、氨氮、總磷、溶解氧、濁度等多項指標同時惡化、相互影響的特征，因此快速凈化需要具有短時間快速改善多項主要指標的能力。此外，由于快速凈化主要用于應對污染河道的初期凈化、應急凈化或景觀補水需求，運轉周期較短，若固定在一個場地，使用效率太低，制成一體化、可移動的成套裝置較為合適，因此需要采用單位容積處理能力較高的凈化技術方案。重污染河水快速凈化設備的工藝流程為：重污染河水經取水系統進入設備，與加藥系統中凈化劑以設定比例混合后，通過自動反沖洗的微濾機過濾。微濾機反沖洗所產生的濃液進入城市污水處理系統。出水則進入高壓溶氣系統，溶解了制氧機生成的純氧后，成為溶解氧過飽和的河水，通過排水系統從重污染河道的另一端排入河道。該系統包括：供電系統，加藥系統，微濾機，充氧系統，取水系統，自卸系統。示范河段經該設備處理后，河水溶解氧可由原來的0．5mg／L以下升至9mg／L以上，氧化還原電位（ORP）明顯提高，有效抑制黑臭的發生；濁度下降80％，色度明顯降低，透明度不斷提高；總磷在加藥周期之后持續降低，去除率超過60％；COD、氨氮惡化被完全遏制，濃度維持在未處理前平衡濃度水平的40％～50％；原本暴發性生長的藻類受到有效控制。綜上，快速凈化設備能夠對嚴重黑臭的重污染河水實現快速充氧、除濁、去磷。
3老城區水環境綜合整治技術集成與示范工程評估
環太湖城市河網地區老城區內河普遍面臨污染負荷重、水動力條件差、景觀功能喪失、自凈能力退化、水生生態破壞、易發生黑臭甚至長期處于黑臭狀態，不僅損害居民的健康及生活質量，也威脅著環太湖水域的生態安全。課題在系統的污染源識別、負荷響應及水環境演化特征研究的基礎上，通過分析不同污染源和污染負荷排放，結合各項污染控制單元技術的遴選和比較，提出了針對老城區水環境污染控制和水質改善的控源—截污—原位處理技術集成方案，并進行了示范工程及配套工程的實施。工程措施全面實施后，市政設施得到改善，示范區內管網表觀截污率由2007年的84．3％提升至96％；實際截污率由2007年的62．1％提升至89．6％；錯接率由2007年的22．2％下降至6．5％；重點源采用截污＋分散預處理各單元技術后，2010年COD、氨氮、TN、TP負荷分別削減至2007年的6．1％、31．2％、31．8％以及25．9％；示范河道區域內污染負荷顯著降低，河水水質與對照斷面比較有明顯好轉（見圖1），其中2009年是指2009年2月至2010年2月，2010年是指2010年3月至2011年2月。COD、氨氮、總磷、溶解氧達標率明顯上升，黑臭現象得以遏制，河道景觀顯著改善，水生生物中浮游植物多樣性及清潔水體指示種增加、浮游動物由原生動物為主轉為輪蟲為主、魚類、底棲生物數量明顯增多。柴支浜生態工程實施后，河道景觀顯著提升，黑臭得以遏制，河水COD、氨氮、總氮、總磷濃度逐步下降，相關污染指數下降50％以上。
4結語
城市水環境污染問題隨著城市化的進程日益嚴重，老城區水環境問題也存在更多的特點。水環境污染的解決是一個區域性的系統工程，無法通過一個或幾個單元技術就實現，它必須是一個多技術的集成系統。老城區課題在各類關鍵技術突破的基礎上，通過技術集成與應用示范，創新了老城市水環境綜合整治體系與模式，初步建立老城區水污染控制與水環境綜合整治的技術體系，為環太湖流域的水環境整治提供了技術與工程支持。綜合改善區域性水環境問題，要逐步放大到城市尺度，對水體污染關鍵元素遷移演化特征進行總體把握和系統優化的控制。“十二五”期間，如何將“十一五”期間的成果推廣應用，適應城區尺度的綜合集成和創新，將是面臨的新挑戰。同時，要摒棄那些重技術輕管理的思維慣性，要加強市政設施的管理和維護，加強公民環保意識的教育和宣傳，做到管理和技術兩手抓，將城市水環境污染控制和水質改善的技術體系績效達到最高。
