污水收集和處理不充分的問題一直都是個國際性難題，根據聯合國的資料，全世界80％以上的廢水未經處理或再利用就流回了環境，這就給廢水處理廠增加了相當大的負擔。

 

　　結合三部委發布的《城鎮污水處理提質增效三年行動方案》，提出要盡快補齊污水管網等設施短板，表明了我們當前面臨的水環境中所面臨的問題，早已不僅是污水處理廠等點源排放的問題，而是“廠-網-河”整個系統的問題。

 

　　對比我國與歐美等發達國家污水處理廠的進水COD濃度均值，我們的進水濃度僅有他們的40%-70%。

 

　　以美國為例，他們從1989年就開始系統治理合流制污水溢流（CSOs），經歷了“六對策”、“九對策”（NMC，Nine Minimum Control Measures）和“永久對策”（LTCP，Long-Term Control Plan）等歷史階段，而我國從近幾年才開始聚焦污水管網短板問題，所以在相關治理經驗上值得我們思考與借鑒。

 

　　01 污水管網到底存在哪些問題？

 

　　污水管網系統的作用原理說起來很簡單，無非就是將污水納入管道并將其送至污水處理廠。

 

　　但實際過程中，由于污水管網大多埋于地面之下，我們看不見摸不著，等到發現進水濃度出問題或是下水道嚴重溢流的時候，往往問題都很嚴重了，許多不是污水的外水（雨水、河水、地下水）會混入污水管道中，造成污水處理廠超負荷。

 

　　據美國環境保護署（EPA, Environmental Protection Agency）統計，因污水管道錯接、混接、漏接、管道破裂等原因導致下水道中外水入滲入流，全美每年至少有23000~75000個下水道溢水事件發生，加拿大、意大利、法國、澳大利亞、新加坡、韓國、日本等國也為預防下水道溢流帶來的公共健康問題困擾多年。

 

 

　　污水管網常見問題圖覽

 

　　而我國現今有63%的污水處理廠水量負荷率超過80%，南方則是70%的處理廠超過80%，實際上，當水量負荷率超過80%，水量高峰時就可能存在溢流。甚至其中有24%的污水處理廠水量負荷率超過120%，收集管網存在經常性溢流。

 

　　除了容易造成溢流污染以外，我國污水處理廠還面臨著進水濃度普遍偏低的問題。近兩年全國污水廠平均進水COD濃度為280mg/L，但根據測試，居民小區總排口COD濃度均值大于400mg/L。這表明了在污水運送至處理廠的過程中，存在大量外水滲入和在管道內降解的情況，將寶貴的碳源消耗，造成污水處理成本上升。

 

　　再與歐美等國家相比，德國污水處理廠進水COD濃度為500-1000mg/L，美國污水處理廠進水COD濃度也約為850mg/L，對比之下，我國處理廠進水濃度只有歐美國家的40%-70%。

 

　　根據王洪臣老師的研究，由于我國污水管網系統存在的缺陷，2018年，全國城鎮人口以8.3億計，假設人口污染物當量80克COD，實際城鎮污水處理量587.6億立方米，污水處理廠進水年平均COD 280 mg/L，粗算只有67%的污染物被收集到處理廠進行了處理；如果人口當量按照120克COD計，則粗算僅有45%污染物被收集到處理廠，一多半污染物沒有經過污水處理廠的處理。

 

　　02 發達國家排水管網政策與設施借鑒

 

　　下水道的歷史其實非常悠久，但以前的下水道一般只是將污水送至附近的水體，真正的截留式下水道的出現最早出現在19世界50年代的歐洲。

 

　　但升級的排水系統并沒有解決雨季城市內澇問題，美國、英國、德國等國家政府花了一筆又一筆資金，將水管加粗，并增加了泵站，但都沒有解決城市溢流問題帶來的困擾。

 

　　歐美污水處理廠流量特性

 

　　美國將城市溢流分為合流管網溢流（CSOs）和生活污水管網溢流（SSOs），CSOs問題主要發生在美國東北部和五大湖地區，主要是19世紀末和20世紀初建造的合流式污水系統中。當污水和雨水的總量超過系統的承載能力時，污水會直接排放到河水、溪流或沿海水體中。SSOs的發生則多是因為管網堵塞、破裂或故障,使雨水或地下水滲入系統，或是由于不當的運行和維修、設備或電力的故障以及人為的破壞。

 

　　而污水處理廠的進水流量通常包括污水基礎流量（BWF，Base Wastewater Flow）和入滲流量及雨水入流量（I/I，Inflow & Infiltration）。美國EPA相關報告中將I/I區具體分為入流入滲量（RDII，Rainfall-derived Infiltration and Inflow）和地下水滲透量（GWI，Groundwater Infiltration），也就是說雨天污水處理廠進水流量分成三部分，即BWF 、GWI和RDII，其中BWF主要指來自住宅區、商業和工業的生活污水和生產廢水，BWF與GWI共同組成了旱季流量（DWF，Dry Weather Flow）。

 

 

　　雨季污水處理廠進水流量組成

 

　　以美國田納西州圖拉荷馬的污水廠為例，將每日進水流量和降雨量與進水BOD濃度進行比較（見下圖，圖中1mgd=3785.41m/d，1in= 2.54cm），說明雨季I/I和降雨對進水濃度存在一定的影響。從圖中可以看出，降雨情形下，進水峰值流量受降雨影響較為明顯，存在顯著的雨水效應，也就是RDII周期，這期間污水廠承受短期的沖擊性流量。

 

 

　　美國Tullahomat進水流量曲線

 

　　田納西州根據進水BOD濃度的稀釋程度，推測年總I/I量為329萬m，約占總流量的68%，其中約30%的I/I可歸因于干旱天氣滲入。因此，通常歐美污水廠雨季設計流量一般是旱季的3～8倍。

 

　　國外溢流污水治理策略借鑒

 

　　開頭提到過，美國EPA為了應對溢流污染曾制定了 “九對策”，提出要發揮污水廠存量設施的最大化處理能力，對雨季超量混合污水或峰值流量進行處理，要求對合流制管網雨季收集到的85%的流量進行處理，這樣相當于控制CSOs溢流頻次4～6次/年；對超量混合污水廠可采用“附加處理”措施。

 

 

　　EPA制定的九項溢流控制必要治理措施

 

　　緊接著在1995年，EPA又發布了應對溢流污染的 “永久對策”，總預算近2000億美元，至今紐約和洛杉磯等大城市仍在執行中。其中針對城市雨水徑流污染的控制與管理可總結為兩大方面:

 

　　（1）通過技術性措施來控制污染

 

　　對源頭控制，將雨水徑流污染物從源頭上控制在最低限度；

 

　　對污染物擴散途徑的控制，通過研究雨水徑流污染物輸送和擴散機理，采取適當的措施，減少污染物排入地下或地表水體的數量；

 

　　終端治理，通過自然生態技術或人工凈化技術來降解帶入水體的徑流污染物。

 

　　（2）非技術性的管理措施

 

　　采取的控制策略有三大突出共性：

 

　　強調源頭控制；

 

　　強調自然與生態措施；

 

　　強調過程管理。

 

　　03 提升污水管網系統應對溢流的措施

 

　　源頭控制

 

　　排水系統的源頭控制主要是為了提升對污染物的收集與去除效率，包括消除污水收集處理設施空白區，逐步控制污水管網的I/I、實現清污分流，降低外水比例，降低管道運行液位，進一步提升管網的流速和污染物的濃度，提高脫氮除磷效率，以減少碳源、除磷等藥劑的投加量。

 

 

　　雨水滲透帶

 

　　另外，這幾年海綿城市建設實踐表明，通過“滲、滯”等源頭控制設施在雨季對排水系統削峰、錯峰方面也有明顯作用，還能削減污水處理過程溫室氣體的排放并降低污水廠的運行能耗。

 

 

　　綠色設施在城市徑流和下水道聯合溢出中的控制過程