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劉智曉:碳中和視角下城市可持續(xù)排水系統(tǒng)構(gòu)建及評(píng)估指標(biāo)體系
發(fā)布日期:2022/6/27 13:42:49

    摘要:氣候變化是人類發(fā)展面臨的威脅之一,面對(duì)極端降雨顯著增加和城市的不斷擴(kuò)張,傳統(tǒng)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的脆弱性日益凸顯,“碳中和、碳達(dá)峰”戰(zhàn)略背景下如何系統(tǒng)構(gòu)建面向未來的可持續(xù)排水系統(tǒng)(SUDS),提升面對(duì)復(fù)雜外部擾動(dòng)因素下排水系統(tǒng)的可靠性與韌性,是未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)行環(huán)節(jié)都要思考和面對(duì)的科學(xué)問題。針對(duì)傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的系統(tǒng)性缺欠,就排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)建造過程中關(guān)鍵要素“水-能”關(guān)系、韌性設(shè)計(jì)、生態(tài)水文及生物多樣性等方面提出了建議,同時(shí)就目前實(shí)施高排放標(biāo)準(zhǔn)、極限脫氮及污水氯消毒給環(huán)境帶來的影響進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了包括六個(gè)維度、47項(xiàng)指標(biāo)的可持續(xù)排水系統(tǒng)評(píng)估評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。



    劉智曉(1972-),男,山東莒縣人,工學(xué)博士,教授級(jí)高工,北京首創(chuàng)生態(tài)環(huán)保集團(tuán)技術(shù)總工,研究方向?yàn)榭沙掷m(xù)排水系統(tǒng)構(gòu)建及“網(wǎng)-廠”協(xié)同控制技術(shù)與策略、極端天氣脅迫下韌性污水系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制策略、高效低耗污水處理工藝技術(shù)開發(fā)與工程化應(yīng)用。發(fā)表論文40余篇,授權(quán)專利15項(xiàng),主持參與完成了超過300座水廠、污水廠的技術(shù)方案、技術(shù)審核與方案優(yōu)化,項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)營(yíng)調(diào)試。在我國(guó)最早開展側(cè)流活性污泥工藝技術(shù)研究和工程化應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)10余座側(cè)流發(fā)酵S2EBPR低碳污水廠工程應(yīng)用。

    人類社會(huì)進(jìn)入19世紀(jì)后,隨著人口膨脹和社會(huì)活動(dòng)及工業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)資源無(wú)節(jié)制攫取和加速消耗進(jìn)一步加劇了對(duì)環(huán)境的破壞,尤其是溫室氣體的排放。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)2013年的報(bào)告,1986年—2005年全球地表平均氣溫已經(jīng)較前工業(yè)時(shí)代升高了0.61℃,《巴黎協(xié)定》旨在將全球地表平均氣溫升高幅度相對(duì)于工業(yè)化前水平限制在2℃以內(nèi)。進(jìn)一步削減溫室氣體排放(GHG),并盡快實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”,成為人類社會(huì)未來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。據(jù)IPCC和美國(guó)環(huán)保署(USEPA)進(jìn)一步的數(shù)據(jù),污水處理過程直接貢獻(xiàn)了全球GHG排放總量的1.57%、非CO2型(N2O、CH4)GHG排放總量的4.6%~5.2%;與此同時(shí),相伴而生的極端天氣尤其是暴雨頻發(fā),加之近些年來我國(guó)城市化進(jìn)程的加速,城市水面率的縮減伴隨不透水面積快速擴(kuò)張,多因素脅迫下城鎮(zhèn)內(nèi)澇和洪水引發(fā)的災(zāi)害事件頻發(fā),對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失。因此,無(wú)論是從溫室氣體排放控制層面,還是應(yīng)對(duì)極端降雨等方面都需要在排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)維等各個(gè)環(huán)節(jié)主動(dòng)采用氣候適應(yīng)性策略,重新評(píng)估城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)全流程各個(gè)鏈條及節(jié)點(diǎn),系統(tǒng)構(gòu)建面向未來具有可靠性、韌性與可持續(xù)為基本特征的城市韌性排水系統(tǒng),已成為我國(guó)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)當(dāng)務(wù)之急和未來健康發(fā)展的必然選擇。

    01 排水系統(tǒng)集中與分散的選擇

    傳統(tǒng)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)主要是基于滿足人們生活、生產(chǎn)過程的衛(wèi)生需求,實(shí)現(xiàn)雨水/污水收集、集中處理或快速排放,并保持受納水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不退化為基本特征,主要解決和滿足對(duì)“量”與“質(zhì)”的兩個(gè)維度需求,因此,傳統(tǒng)排水系統(tǒng)不可避免地呈現(xiàn)了過度依賴灰色基礎(chǔ)設(shè)施導(dǎo)致的系統(tǒng)龐大,面對(duì)外界擾動(dòng)總體呈現(xiàn)剛性、韌性不足、全流程高能耗和物耗及忽視污水資源價(jià)值屬性等系統(tǒng)性缺欠。與此同時(shí),令人擔(dān)憂的是,過于集中式建設(shè)大規(guī)模污水系統(tǒng)在各地似乎成為“時(shí)尚”,不少城市規(guī)劃、建設(shè)(遷建)的污水廠有愈加集中、規(guī)模愈加龐大的趨勢(shì),“大流量、大轉(zhuǎn)輸”成為常態(tài),且往往疊加地下式建設(shè)模式,使得風(fēng)險(xiǎn)過度集中,與可持續(xù)理念、 “碳中和”戰(zhàn)略及“韌性城市”的理念相違背,其原因分析如下:

    ①集中建設(shè)大規(guī)模污水處理系統(tǒng)具有較大的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性,適度分散的污水處理系統(tǒng)不但提升了整個(gè)城市的排水系統(tǒng)總體韌性與可靠性,同時(shí)也有利于高品質(zhì)再生水作為城市第二水源的就地短距離回用,也減少了污水收集管網(wǎng)多次提升及截污干管的工程量,避免了再生水遠(yuǎn)距離泵送導(dǎo)致的巨量投資及運(yùn)行的高能耗。集中式與相對(duì)分散式污水系統(tǒng)的布局及對(duì)再生水回用影響比較見圖1。


    ②從水質(zhì)安全性、可靠性角度考慮,集中式污水系統(tǒng)一旦出現(xiàn)系統(tǒng)性故障(突發(fā)性斷電、洪水淹沒、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)等),短時(shí)內(nèi)難于恢復(fù),將導(dǎo)致大量污染物的短時(shí)集中式排放,對(duì)水環(huán)境造成嚴(yán)重的甚至短期內(nèi)難于恢復(fù)的污染。

    ③全地下污水廠往往采取整個(gè)箱體建設(shè),未來進(jìn)一步提標(biāo)改造和擴(kuò)容的難度都會(huì)大幅增加,且在應(yīng)對(duì)極端降雨時(shí)被淹風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于地上模式,一旦被淹對(duì)整個(gè)排水系統(tǒng)可靠性都是災(zāi)難性影響;此外,綜合影響評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,地下式污水處理廠在環(huán)境影響、基建投資、生態(tài)效益三方面的綜合負(fù)面影響較地上式要高出約20%,雖然地下式污水處理廠地表通過園林景觀會(huì)產(chǎn)生一定的生態(tài)效益,但這并不能"中和"其環(huán)境影響以及基建投資所產(chǎn)生的負(fù)面效益。

    基于以上幾個(gè)方面,從系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性及水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等維度上講,建設(shè)大規(guī)模的污水系統(tǒng)實(shí)際上是不可持續(xù)的;從投資及后期運(yùn)維等角度分析,規(guī)劃建設(shè)大規(guī)模集中式污水廠與“雙碳”戰(zhàn)略理念也是相違背的。

    此外,在地表水流向組織方面,集中式排水系統(tǒng)主要是人工強(qiáng)化水平流為主,旨在實(shí)現(xiàn)快速的排除;而分散式排水系統(tǒng)更多的是以基于自然的垂直流向及分散式調(diào)蓄為主,如各種形式的自然滲濾、蒸發(fā),以及在線或離線的自然水體或人工調(diào)蓄設(shè)施等過程。因此,無(wú)論是從超大排水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)集中度以及城市水的流向組織等方面,分散式與集中式相結(jié)合的基礎(chǔ)設(shè)施在應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害、減少溢流量等方面相對(duì)單純的集中式系統(tǒng)更具韌性。

    02 “水-能”關(guān)系的重構(gòu)

    2.1 城市尺度上的“水-能”關(guān)系構(gòu)建

    水與能互相關(guān)聯(lián),互為條件,相互依存。世界的能源安全高度依賴于水資源的供應(yīng),因?yàn)閹缀跛械哪茉瓷a(chǎn)技術(shù),如核能、熱電、水力發(fā)電,都需要消耗大量的水;水的社會(huì)循環(huán)過程,從自然環(huán)境(地表、地下)的提取、處理、分配及使用、污水處理及回用都需要消耗大量的能源,同時(shí)水的 “包容性”又使其蘊(yùn)含了豐富的可以回收的資源和能源,因此“水”與“能”往往相伴相生。據(jù)統(tǒng)計(jì),水系統(tǒng)能耗及GHG排放是城鎮(zhèn)總電能消耗量及GHG排放量的重要來源,根據(jù)美國(guó)EPA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),水系統(tǒng)用電量占全社會(huì)用電的3%~4%;美國(guó)城鎮(zhèn)水務(wù)板塊GHG排放貢獻(xiàn)率占全社會(huì)GHG的5%,這個(gè)指標(biāo)在英國(guó)則更高。現(xiàn)代城市水系統(tǒng)架構(gòu)下的“水-能”關(guān)系賦予了未來城鎮(zhèn)水系統(tǒng)規(guī)劃嶄新的視角和維度,“雙碳”背景下統(tǒng)籌“水-能關(guān)系”來系統(tǒng)構(gòu)建城鎮(zhèn)水系統(tǒng)尤其是排水系統(tǒng)規(guī)劃將更具現(xiàn)實(shí)意義。

    圖2所示給出了北京2015年水系統(tǒng)水量與能耗分配關(guān)系桑基圖,可以評(píng)估城市“水足跡”過程及能量消耗,在城市尺度上系統(tǒng)評(píng)估和多目標(biāo)優(yōu)化“水-能”關(guān)系,通過水系統(tǒng)全流程過程系統(tǒng)規(guī)劃、聚焦水循環(huán)每個(gè)鏈條,進(jìn)行傳統(tǒng)工藝改進(jìn)、高效設(shè)備及革新性工藝技術(shù)應(yīng)用,尤其是對(duì)排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)而提升系統(tǒng)能源利用效率,因地制宜地采用污水中資源、能量回收以及清潔能源提取和利用等技術(shù)措施,進(jìn)一步降低水系統(tǒng)能耗和溫室氣體排放,對(duì)于提升水系統(tǒng)韌性及可持續(xù)至關(guān)重要。


    2.2 污水能量回收潛力

    傳統(tǒng)污水處理過程的電耗主要用于污染物的氧化、分離和去除,傳統(tǒng)的污水處理是通過“以能消能”的方式將污染物礦化或進(jìn)行污染物轉(zhuǎn)化(菌體及生物量)等,如進(jìn)水中COD大部分被好氧轉(zhuǎn)化為CO2,一部分以剩余污泥等方式排除系統(tǒng),小部分被厭氧消化過程轉(zhuǎn)化為甲烷。實(shí)際上,污水中所蘊(yùn)含的巨大“能量”遠(yuǎn)未被提取和回收利用,其中主要是熱能和化學(xué)能,熱能主要源于末端用戶用水過程的戶內(nèi)加熱,這是整個(gè)水循環(huán)過程中耗能最高且已被忽略的能量回收環(huán)節(jié),據(jù)研究,污水中熱能蘊(yùn)含量則是化學(xué)能的數(shù)倍;化學(xué)能存在形式則主要是用水過程排放到污水中的有機(jī)質(zhì)潛能。污水中理論最大有機(jī)化學(xué)能是指污水所含COD全部被提取并甲烷化,對(duì)于污水中蘊(yùn)含的化學(xué)能,國(guó)外很多研究者進(jìn)行了不同角度的研究及定量評(píng)估,市政污水廠進(jìn)水COD通常在430~500 mg/L,其蘊(yùn)含的化學(xué)能為1.66~1.93 kW·h/m3;當(dāng)COD為800~1 000 mg/L時(shí),化學(xué)潛能達(dá)到3.09~3.86 kW·h/m3。需要說明的是,傳統(tǒng)“初沉污泥+剩余活性污泥”路徑只能實(shí)現(xiàn)一部分COD的能源化,還有相當(dāng)一部分COD通過“以能耗能”的過程被去除;因此,近些年出現(xiàn)了一些革新的“碳捕獲”及“碳改向”技術(shù)以將進(jìn)水COD轉(zhuǎn)向能源化,如高負(fù)荷活性污泥、微篩(100μm)等工藝,最高可以達(dá)到80%的COD捕獲率。在“碳中和”背景下,聚焦整個(gè)排水系統(tǒng)、提升排水系統(tǒng)對(duì)污染物的收集率,做到“應(yīng)收盡收”,避免中途“跑、冒、滴、漏”,重新審視、評(píng)估污水中資源能源回收潛力,采用“碳捕獲”技術(shù)實(shí)現(xiàn)污水中“碳轉(zhuǎn)向”能源化途徑、減少或避開對(duì)“以能耗能”傳統(tǒng)技術(shù)路徑的依賴,“重拾”和回歸厭氧消化路徑,這將會(huì)被賦予新的歷史使命。國(guó)外一些案例展示了污水中化學(xué)能提出大幅提升能量自持水平的案例,甚至一些項(xiàng)目?jī)H依賴進(jìn)水有機(jī)化學(xué)能并通過污水處理過程的節(jié)能降耗、新工藝應(yīng)用等措施的組合使用實(shí)現(xiàn)污水處理過程能量自給(Energy Positive WWTP),如丹麥奧胡斯市Marselisborg 污水處理廠,在未另行添加碳源或有機(jī)質(zhì)情況下,通過工藝改進(jìn)、節(jié)能設(shè)備與運(yùn)行優(yōu)化控制等綜合性技術(shù)措施,污水廠從2011年開始就實(shí)現(xiàn)了能量中和,平均能量自給率為153%,成為名副其實(shí)的“電廠” 。

    相對(duì)于化學(xué)能,市政污水余溫蘊(yùn)含的可提取的熱量卻大的“驚人”, 熱能核算顯示,污水中蘊(yùn)含的理論熱能為4.64 kW·h/m 3(溫差為4℃ )。通過水源熱泵交換可實(shí)現(xiàn)38%的熱能轉(zhuǎn)化(1.77 kW·h/m3,COP=3.5)和25%冷能轉(zhuǎn)化(1.18 kW·h/m3,COP=4.8),從數(shù)值上看,實(shí)際污水熱能回收潛力亦非常可觀。污水熱能回收可用于污水處理廠自身和周邊(3~5 km)建筑供熱/制冷、溫室供暖,甚至還可直接用于厭氧消化器加熱、污泥干化等目的。通過以上兩種能量提取和利用方式,借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的成功案例,有充分理由相信,未來的污水處理廠,通過對(duì)熱能和化學(xué)能的高效提取,污水廠將不再是能源的消耗者,而是能源的提供者,成為名副其實(shí)的資源回收廠(WRRF)和能源廠。

    03 系統(tǒng)可靠性與韌性

    受極端氣候及超標(biāo)降雨、建成區(qū)不透水面積日益增加等多重風(fēng)險(xiǎn)脅迫,傳統(tǒng)市政供排水系統(tǒng)應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)能力明顯不足,系統(tǒng)受破壞程度嚴(yán)重及后期性能恢復(fù)緩慢,凸顯系統(tǒng)脆弱性,應(yīng)對(duì)這種不確定性,韌性規(guī)劃應(yīng)成為未來可持續(xù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)構(gòu)建的核心事項(xiàng)。過度依賴單一的工程措施往往不能滿足或者平衡系統(tǒng)的可靠性與韌性,可行的解決方案是在基于城市級(jí)流域規(guī)劃尺度上,從涉水基礎(chǔ)設(shè)施及系統(tǒng)要素配置上,著眼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與性能等維度上提升可靠性與韌性,系統(tǒng)構(gòu)建“藍(lán)-綠-灰”交織、“微-小-大”排水協(xié)同的“3M”串級(jí)流量控制系統(tǒng),通過系統(tǒng)性組合措施或者策略,有效提高城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的可靠性與韌性。

    3.1 適宜水面率與水系連通性

    河網(wǎng)調(diào)蓄能力是水系在水文方面的重要功能之一,尤其在削減洪峰、降低洪水危害中具有重要的作用。受人類活動(dòng)影響,尤其是近半個(gè)世紀(jì)年以來快速城鎮(zhèn)化引起的土地利用方式變化,致使許多城區(qū)河流、水塘、水淀區(qū)被掩埋甚至完全消失,導(dǎo)致城市水面率大幅減少,河網(wǎng)、水系發(fā)育及演變也表現(xiàn)出由復(fù)雜到簡(jiǎn)單、由多元到單一的變化趨勢(shì)。世界范圍內(nèi)60%以上的河流受到城市化的影響,而城市化對(duì)河流生態(tài)完整性及生態(tài)功能造成了嚴(yán)重威脅;從國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)看,這種演變無(wú)疑還會(huì)加劇洪澇災(zāi)害、水質(zhì)惡化等問題。借助河道容蓄指標(biāo)與水系結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系分析河網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)調(diào)蓄能力的影響,常用的水系變化指標(biāo)包括數(shù)量特征參數(shù)和復(fù)雜性參數(shù),選取河網(wǎng)密度(Rd)、水面率(WP)描述水系的數(shù)量特征,河網(wǎng)盒維數(shù)描述水系的復(fù)雜性特征,各指標(biāo)計(jì)算方法及內(nèi)涵見表1。


    我國(guó)很多城市河道水系不同程度地存在較大幅度的縮減和功能退化。據(jù)研究,太湖平原地區(qū)自1960年—2010年以來,該地區(qū)線狀與面狀水系均不斷減少,減幅分別達(dá)35.74%、27.60%;1980年以來,隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張,河流衰減速度明顯加快,水系結(jié)構(gòu)趨于主干化和簡(jiǎn)單化。太湖流域自1990年以來洪澇災(zāi)害趨勢(shì)日趨嚴(yán)重,同時(shí),河網(wǎng)水系的快速衰減,也從整體上降低了流域的調(diào)蓄能力,加劇了流域的洪澇風(fēng)險(xiǎn),為此,水面率、河網(wǎng)密度等指標(biāo)作為與市政“大排水”相銜接的防洪系統(tǒng)重要的評(píng)估指標(biāo),應(yīng)納入未來城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)規(guī)劃中,作為排水系統(tǒng)內(nèi)澇防治體系中衡量韌性的基本指標(biāo)之一。

    3.2 排水系統(tǒng)的功能脆弱性

    在面對(duì)超標(biāo)或極端降雨等不確定性事件時(shí),國(guó)內(nèi)排水系統(tǒng)往往在管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或末端出現(xiàn)突發(fā)性的風(fēng)險(xiǎn)集中釋放,給社會(huì)造成了極大損害;與此同時(shí),排水系統(tǒng)以CSO或外滲等形式排放到水環(huán)境的污染物又易被忽略。實(shí)際上,這是由設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工及安裝質(zhì)量、后期運(yùn)維及應(yīng)急保障策略等多環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題共同導(dǎo)致的。通過對(duì)歐美一些典型城市排水系統(tǒng)的調(diào)研,并對(duì)比國(guó)內(nèi)排水系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)有若干共性問題比較突出,這些問題在新項(xiàng)目中依然存在,這極大削弱了灰色基礎(chǔ)設(shè)施在排澇防洪、抵抗自然災(zāi)害的可靠性,目前亟待關(guān)注或須解決的問題主要表現(xiàn)在以下幾方面:

    ①管網(wǎng)系統(tǒng)流量可控性差

    國(guó)外的研究和實(shí)際案例表明,基于整個(gè)排水系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),結(jié)合管網(wǎng)水力模擬等手段,選擇在管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處設(shè)置流量控制設(shè)備,通過布局策略、具體安裝數(shù)量和位置優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)雨季對(duì)管網(wǎng)在線調(diào)蓄能力的充分利用,并實(shí)時(shí)減少CSO及下游管網(wǎng)的流量壓力,見圖3。我國(guó)室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)缺少在城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)適當(dāng)位置設(shè)置流量控制調(diào)節(jié)設(shè)施、設(shè)備等方面的具體技術(shù)要求或建議,因此,實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)往往沒有考慮對(duì)排水系統(tǒng)流量主動(dòng)控制與優(yōu)化分配的必要性,導(dǎo)致暴雨期間無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)排水管網(wǎng)不同位置或區(qū)域的下泄流量和流速的有效控制,以及短時(shí)下游管網(wǎng)承受來自上游管網(wǎng)超量的流量沖擊進(jìn)而使得下游排水區(qū)域的排水不暢、內(nèi)澇及CSO等現(xiàn)象,甚至在管網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)突發(fā)性的滿溢和洪澇災(zāi)害;同時(shí),由于管網(wǎng)中缺乏FCDs,不能充分發(fā)揮管網(wǎng)應(yīng)有的在線調(diào)蓄能力,對(duì)末端流量控制易造成瞬時(shí)沖擊和壓力。實(shí)際上,分布式的流量控制設(shè)備相對(duì)大規(guī)模灰色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)更加經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)施、可持續(xù),因此,改進(jìn)傳統(tǒng)排水管網(wǎng)被動(dòng)接收的排水模式,通過設(shè)置必要的在線流量控制裝置實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)峰值流量管控,向“空間”換“時(shí)間”的主動(dòng)控制方向轉(zhuǎn)變,對(duì)于增加汛期排洪防澇的靈活性、提升排水系統(tǒng)韌性和可靠性等方面至關(guān)重要。


    ②“廠-池-站-網(wǎng)”系統(tǒng)匹配性問題

    由于歷史原因,我國(guó)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃與設(shè)計(jì),加之快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程,已建成排水系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)日益增多的極端天氣的沖擊時(shí)呈現(xiàn)以下問題導(dǎo)致系統(tǒng)總體呈剛性,韌性卻嚴(yán)重不足。

    a.排水系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)過度依賴灰色基礎(chǔ)設(shè)施,對(duì)“源-網(wǎng)-站(池)-廠-河”作為一個(gè)整體缺乏系統(tǒng)性考慮,尤其是對(duì)設(shè)施或單元相互間的匹配性和協(xié)同性等方面重視不夠,如污水廠、調(diào)蓄池、泵站、管網(wǎng)等排水系統(tǒng)主要設(shè)施建設(shè)時(shí)具有時(shí)空差異性,彼此間傳輸、調(diào)蓄、處理能力不能有效協(xié)同,局部單元存在硬件設(shè)施上的技術(shù)缺欠或者能力瓶頸,導(dǎo)致城市排水系統(tǒng)難以發(fā)揮其設(shè)計(jì)功能,各個(gè)單元低效運(yùn)行甚至嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況,這部分灰色基礎(chǔ)設(shè)施投資沒有發(fā)揮應(yīng)有作用。

    b.硬件設(shè)施上的欠缺和能力上的不匹配可以通過后期更新、改造予以糾正或彌補(bǔ),但我國(guó)多數(shù)城市排水系統(tǒng)缺乏有效的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(Real-time control, RTC),排水輸送鏈條長(zhǎng)尤其是涉及“廠-池-站-網(wǎng)”多功能單元協(xié)同時(shí),缺乏有效的實(shí)時(shí)在線模擬、監(jiān)測(cè)、控制及系統(tǒng)優(yōu)化,這對(duì)于多重、多目標(biāo)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行是不可想象的,RTC對(duì)灰色基礎(chǔ)設(shè)施的“加持”不但可以發(fā)揮“源頭-中途-末端“整個(gè)排水系統(tǒng)的潛能,在獲得同樣效果前提下,可以有效降低灰色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模。在未來極端降雨事件愈加增多且水環(huán)境質(zhì)量改善日益提升的雙重約束下,過往經(jīng)驗(yàn)主義基礎(chǔ)上的人工調(diào)度顯然已經(jīng)不能滿足提升系統(tǒng)整體運(yùn)行可靠性、挖潛和提升系統(tǒng)效能的基本需求,RTC與灰色基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合是目前排水系統(tǒng)提升可靠性與彈性的必經(jīng)之路。

    ③外來水入侵引發(fā)的系列環(huán)境問題

    “外來水”(入滲、入流等)入侵是我國(guó)大多數(shù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)面臨的棘手問題,目前業(yè)內(nèi)關(guān)注的主要問題是來源復(fù)雜的“外來水”引發(fā)的污水在管網(wǎng)內(nèi)沉積及在線降解及濃度稀釋問題,污水廠進(jìn)水濃度偏低實(shí)際上是我國(guó)大多數(shù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)運(yùn)行效能低效的一個(gè)綜合性指標(biāo)體現(xiàn)。系統(tǒng)梳理污水管網(wǎng)運(yùn)行水位與城市水體水位、淺層地下水位的相互影響,“擠外水“應(yīng)該是目前排水系統(tǒng)完善工作的首選項(xiàng),同時(shí)強(qiáng)化管道質(zhì)量的系統(tǒng)診斷和結(jié)構(gòu)及功能性缺陷修復(fù),這樣可以有效收集污染物并及時(shí)快速地輸送至城鎮(zhèn)污水處理廠,有效避免污水管網(wǎng)長(zhǎng)期高水位、污水長(zhǎng)期低流速運(yùn)行導(dǎo)致的顆粒物在管道內(nèi)沉積、城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水污染物濃度持續(xù)偏低等引發(fā)的綜合性環(huán)境問題,新形勢(shì)下,這方面尚有若干科學(xué)問題需要關(guān)注與研究。

    a.從物料衡算角度分析排水系統(tǒng)的總污染物負(fù)荷的去向,以科學(xué)評(píng)估現(xiàn)有排水系統(tǒng)及污水處理廠的綜合績(jī)效。根據(jù)長(zhǎng)江流域南方某市對(duì)排水系統(tǒng)現(xiàn)狀全年污染物分配的分析結(jié)果,城市產(chǎn)生的污染物總量去向分配如下:約4.4%的污染物由于管網(wǎng)漏損直接排放;約20.5%的污染物在管網(wǎng)中形成沉積;旱季與雨季污染物直排量約25.5%;雨季溢流污染物約21.6%,另有4.1%的污染物進(jìn)入在線處理設(shè)施處理,全年只有約23.9%的污染物進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理。

    b.基于上述污染物去向解析數(shù)據(jù),可以看出相當(dāng)一部分污染物并沒有進(jìn)入污水廠被處理,而是進(jìn)入水環(huán)境或管網(wǎng)在線降解。由于這部分污染物的降解大都是發(fā)生在厭氧條件下,因而會(huì)釋放大量的甲烷等溫室氣體,因此,“雙碳”背景下,對(duì)排水系統(tǒng)全流程溫室氣體排放進(jìn)行科學(xué)評(píng)估將會(huì)非常必要。

    c.傳統(tǒng)及微量有毒污染物或新興污染物的去向解析及其生態(tài)毒性問題,基于上述描述,城鎮(zhèn)污染物相當(dāng)一部分通過CSO或直排進(jìn)入受納水體,這部分污染物尤其是新興污染物對(duì)水環(huán)境、水生態(tài)的短期和長(zhǎng)期影響需要持續(xù)性跟蹤研究。Phillips等對(duì)美國(guó)佛蒙特州CSO的觀測(cè)研究顯示,CSO排放量雖然只占污水廠排放量的10%,但是排放到水體的新興污染物CSO貢獻(xiàn)輸入量比例達(dá)到40%~90%;國(guó)內(nèi)也有學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究,Zhao等對(duì)深圳茅洲河流域的水質(zhì)分析表明,降雨期間茅洲河水中97.3%的羥基苯甲酸酯類化學(xué)污染物是通過CSO貢獻(xiàn)的。由此可見,降雨期間新興污染物通過CSO快速大量排放受納水體,對(duì)水環(huán)境的威脅和破壞是非常嚴(yán)重的,很多情況下通過CSO輸入水體的新興污染物比污水廠尾水排放挾帶的新興污染物貢獻(xiàn)度要高。因此,從水環(huán)境水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)控制的系統(tǒng)性改進(jìn)策略來看,提升對(duì)雨季超量混合污水的處理減少CSO量及頻次,削減這部分被“忽略”的污染物比單純通過提高污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)來提升受納水體水質(zhì)更務(wù)實(shí)且意義深遠(yuǎn)。

    3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向韌性轉(zhuǎn)變

    面對(duì)極端天氣引發(fā)的暴雨、洪澇災(zāi)害及不確定性情況日益增加的現(xiàn)實(shí),排水系統(tǒng)規(guī)劃需要實(shí)現(xiàn)由過去的剛性向系統(tǒng)靈活性、抗沖擊性和適應(yīng)性轉(zhuǎn)變,結(jié)構(gòu)剛性必然帶來功能的脆弱性。未來城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)面臨的核心挑戰(zhàn)是以“源-網(wǎng)-廠”為實(shí)施單元強(qiáng)化汛期峰值流量管控,突破傳統(tǒng)模式束縛,在排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能兩個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)由系統(tǒng)“剛性”向系統(tǒng)“韌性”的轉(zhuǎn)變及效能提升。

    ① 管網(wǎng)系統(tǒng)韌性

    傳統(tǒng)的集中式調(diào)度規(guī)則在應(yīng)對(duì)未來極端天氣日益增加的情勢(shì)凸顯脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)集中性,鑒于我國(guó)城市規(guī)模及排水系統(tǒng)覆蓋范圍往往更大,在市級(jí)流域尺度實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度難度大,也不必要,故提出建設(shè)基于以相對(duì)獨(dú)立排水片區(qū)為基本控制單元的分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(Distributed Real-time Control, DRTC)控制,整個(gè)城區(qū)實(shí)現(xiàn)眾多DRTC控制下“組團(tuán)式”、集中監(jiān)測(cè)、分散控制的分散與集中相結(jié)合的系統(tǒng)控制架構(gòu)。

    DRTC在我國(guó)的適用性體現(xiàn)在以下幾方面:a.中國(guó)城市規(guī)模大及擴(kuò)張速度快,不同時(shí)期建設(shè)的排水系統(tǒng)建設(shè)等級(jí)及設(shè)備配置差異大,以城市級(jí)流域?yàn)槌叨冗M(jìn)行排水系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)時(shí)控制存在空間上的難度;b.以獨(dú)立的排水片區(qū)作為RTC的控制基本單位,在線監(jiān)測(cè)儀器、流量及液位控制設(shè)備安裝數(shù)量及點(diǎn)位相對(duì)較少,涉及的控制規(guī)則或算法簡(jiǎn)單,總體易于靈活調(diào)度,整個(gè)城區(qū)實(shí)現(xiàn)由分布式的多個(gè)獨(dú)立的DRTC控制單元組成的全域RTC系統(tǒng),不同的DRTC之間設(shè)施及功能獨(dú)立,但彼此間通過數(shù)據(jù)互通相互協(xié)同,統(tǒng)一由總RTC系統(tǒng)根據(jù)水系統(tǒng)模型模擬或者調(diào)度規(guī)則發(fā)出操作指令;c.從水文、水力學(xué)角度分析,獨(dú)立排水區(qū)域的水文特征、降雨特征變化較小,一個(gè)排水片區(qū)發(fā)生設(shè)備或控制系統(tǒng)故障不會(huì)對(duì)其他片區(qū)的控制產(chǎn)生直接影響,將系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)分散化,實(shí)現(xiàn)控制方式及調(diào)度模式的靈活選擇,避免風(fēng)險(xiǎn)集中聚集和釋放,進(jìn)而總體上提升系統(tǒng)韌性。

    排水管網(wǎng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上對(duì)氣候變化的適應(yīng)性技術(shù)措施,還要考慮汛期不同片區(qū)之間的水力連通以提高應(yīng)急水量的轉(zhuǎn)輸能力,這是提升整個(gè)城區(qū)汛期排水系統(tǒng)可靠性與韌性的關(guān)鍵技術(shù)措施,尤其是應(yīng)對(duì)暴雨時(shí),在不同排水片區(qū)之間的關(guān)鍵線路上設(shè)置連通管,優(yōu)先考慮重力流轉(zhuǎn)輸;其次通過提升泵站和相鄰片區(qū)主干管的水力連通,在暴雨季節(jié)實(shí)現(xiàn)“過載”區(qū)域的水量向能力富余排水區(qū)域的水量轉(zhuǎn)輸,實(shí)現(xiàn)不同排水片區(qū)的水量聯(lián)合調(diào)度,這對(duì)于提升整個(gè)城區(qū)排水系統(tǒng)的運(yùn)行效率及設(shè)施設(shè)備的利用率,降低城區(qū)內(nèi)澇改善水環(huán)境都是非常必要的。

    ② 處理單元設(shè)計(jì)靈活性

    污水廠作為排水系統(tǒng)的末端和“兜底”單元,在處理單元的韌性設(shè)計(jì)、工藝選擇等方面更要凸顯對(duì)氣候變化的主動(dòng)適應(yīng)。

    在污水廠規(guī)劃布局上,傳統(tǒng)的污水廠按照規(guī)模分為平行獨(dú)立的若干系列;或根據(jù)水量增長(zhǎng)情況進(jìn)行分期建設(shè),分期建設(shè)也是在規(guī)劃預(yù)留用地或新征用地內(nèi)設(shè)計(jì),也是按照新增規(guī)模進(jìn)行系列劃分。這種傳統(tǒng)的污水處理單元布局存在的主要問題是每個(gè)系列是在總圖上完全獨(dú)立,存在浪費(fèi)有限土地資源的問題;同時(shí),由于系列劃分導(dǎo)致單體處理規(guī)模過大,實(shí)際投運(yùn)后來水量與設(shè)施處理能力不匹配,往往出現(xiàn)“大馬拉小車”的問題,導(dǎo)致運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)參數(shù),運(yùn)行和投資都是低效的。建議采取如下改進(jìn)和適應(yīng)性策略:a.“搭積木”式拼裝理念。面向未來污水廠在基于氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)時(shí),Daigger提出采用“構(gòu)建塊”方法,以“積木”式或者“模塊和拼裝化”設(shè)計(jì)理念應(yīng)對(duì)未來處理能力快速增長(zhǎng)的預(yù)期,這種設(shè)計(jì)構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)在于污水處理系列拼裝式集約化設(shè)計(jì),不同系列存在共用的工藝單元(如配水渠道)、池壁等土建結(jié)構(gòu)或者空間,未來水量增長(zhǎng)擴(kuò)容便捷,一期、二期、三期擴(kuò)容或者提標(biāo)改造只需要“搭積木”式擴(kuò)建或新增處理單元,不同分期構(gòu)筑物總圖布置實(shí)現(xiàn)平面“無(wú)縫對(duì)接”。b.模組化設(shè)計(jì)。處理單元的設(shè)計(jì)尤其是生化系統(tǒng)池型的選擇,要考慮未來新技術(shù)應(yīng)用時(shí)對(duì)現(xiàn)有池體的利用,采用小水量的模組化設(shè)計(jì)。這種模組化取代了傳統(tǒng)的“系列”設(shè)計(jì)理念,在應(yīng)對(duì)未來極端氣候條件下污水廠進(jìn)水量變化時(shí)可體現(xiàn)出較好的適應(yīng)性和匹配性,對(duì)高水力負(fù)荷沖擊有較強(qiáng)的韌性;同時(shí)這種“模組化”設(shè)計(jì)更加節(jié)約用地,無(wú)需浪費(fèi)土地資源,不同模組之間共享池壁,也可節(jié)省土建投資,降低碳排放;由于多模組化單元,每個(gè)獨(dú)立單元運(yùn)行、維護(hù)維修互不干擾,單一單元檢修對(duì)處理能力的影響有限;c.前瞻性設(shè)計(jì)。工藝前瞻性設(shè)計(jì)的基本理念來源于蘇伊士水務(wù)工程,從設(shè)計(jì)之初就充分考慮未來污水廠提標(biāo)改造或者擴(kuò)容,在工藝選擇和池型設(shè)計(jì)上嵌入彈性,未來水質(zhì)提升或者擴(kuò)容無(wú)需大拆大建,只需經(jīng)過簡(jiǎn)單調(diào)整或微改造即可實(shí)現(xiàn)新的目標(biāo)。如前期設(shè)計(jì)深度處理直接采用Denifor V型濾池,前期按砂濾運(yùn)行,在要求進(jìn)一步脫氮時(shí),只需更換濾頭、濾料,調(diào)整運(yùn)行程序,即成為反硝化深床濾池。

    ③ 廠內(nèi)峰值流量處理

    城市規(guī)劃需要管理的核心事項(xiàng)是各種要素的峰值管理,對(duì)于城鎮(zhèn)排水系統(tǒng),就是實(shí)現(xiàn)峰值流量的有效調(diào)控。在應(yīng)對(duì)未來極端天氣及外界不確定性干擾日益增多的現(xiàn)實(shí)情況下,除了處理單元可采用靈活、柔性模組化設(shè)計(jì)理念外,處理能力也要匹配管網(wǎng)收集能力及截流干管的截流倍數(shù),處理工藝的選擇和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)也要能有效應(yīng)對(duì)和處理峰值流量,要具有雨季和旱季兩種運(yùn)行模式的切換功能,要考慮旱季、雨季不同水量和水質(zhì)特性,盡最大能力承接并處理雨季超量混合污水,以有效減少內(nèi)澇及CSO發(fā)生、減少雨季未經(jīng)有效處理的污染物排放受納水體的輸入量。污水廠處理能力與收集能力不匹配,污水廠不具有雨季超量處理能力,這是受納水體黑臭的關(guān)鍵和癥結(jié)所在。歐美污水廠雨季處理能力(AWWF)通常為旱季平均流量(ADWF)的2~8倍,汛期生化工藝通常可以承受2~3倍干季流量,其余通過旁路處理設(shè)施,這樣就充分保障了汛期高水力負(fù)荷沖擊下污水廠的處理能力不是整個(gè)排水系統(tǒng)的“瓶頸”,進(jìn)而最大程度上減少了CSO并提升了排水系統(tǒng)的總體韌性。

    傳統(tǒng)活性污泥工藝主要受生物池MLSS濃度及二沉池固體負(fù)荷影響,國(guó)內(nèi)很多污水廠生化池MLSS濃度高達(dá)4000~8000mg/L,導(dǎo)致雨季處理能力水力負(fù)荷的提升潛力有限,為此,可采取以下應(yīng)對(duì)和解決方案:

    a.MLSS轉(zhuǎn)輸離線儲(chǔ)存模式。即將生物池MLSS轉(zhuǎn)輸?shù)絺?cè)流生物池進(jìn)行“離線儲(chǔ)存”,雨季降低主曝氣池的MLSS濃度,進(jìn)而在保持二沉池原固體負(fù)荷不變的情況下可快速提升水力負(fù)荷,以回流污泥RAS形式被轉(zhuǎn)運(yùn)并儲(chǔ)存在側(cè)流生物池內(nèi)的活性污泥,通過好氧/缺氧過程活性得到進(jìn)一步強(qiáng)化后再回流到生物首端。實(shí)踐證明,這種解決方案在保證不提高二沉池固體負(fù)荷情況下可以提升雨季處理能力100%,同時(shí)由于側(cè)流活性污泥發(fā)酵工藝的應(yīng)用強(qiáng)化了生物脫氮除磷。類似做法還有分點(diǎn)進(jìn)水方式,已在紐約數(shù)座污水廠應(yīng)用于汛期污水廠的峰值流量處理。

    b.旁路化學(xué)一級(jí)強(qiáng)化或高速過濾、高速澄清等工藝。采用MLSS轉(zhuǎn)輸離線儲(chǔ)存模式工藝的主要優(yōu)勢(shì)是設(shè)施占地小,啟動(dòng)快;不足是旱季設(shè)備閑置,同時(shí)對(duì)COD、NH3-N等指標(biāo)的去除效果有限。因此,結(jié)合活性污泥快速絮凝吸附的高效沉淀分離工藝得到開發(fā)與應(yīng)用。由于采用化學(xué)旁路處理超量混合污水,因此出水往往不能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002),建議審批第二排放口;同時(shí)建議出臺(tái)雨季排放標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)政策,鼓勵(lì)汛期污水廠多處理污水,降低管網(wǎng)中途CSO及廠前溢流。

    04 生物多樣性與環(huán)境可持續(xù)性

    4.1 生態(tài)水文與生物多樣性

    傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與實(shí)施環(huán)節(jié)可歸結(jié)為“水量”和“水質(zhì)”兩個(gè)維度,缺乏跨學(xué)科性且統(tǒng)籌不足,因此在規(guī)劃設(shè)計(jì)中融入生態(tài)水文措施可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)排水設(shè)施的剛性缺欠。近年來,在“海綿城市”理念引領(lǐng)下,一些基于自然的解決方案(Nature-based solutions ,NBS) 得到應(yīng)用。盡管NBS是為特定目的而設(shè)計(jì)的(如城市排水),但它可以同時(shí)提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),如雨水自然處理和滲濾、蒸發(fā)和生物多樣性保持等。通過對(duì)近些年的一些實(shí)踐案例調(diào)研發(fā)現(xiàn),個(gè)別具有“生態(tài)”特征的綠色基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目,從“現(xiàn)代生態(tài)水文學(xué)”角度來評(píng)價(jià),則會(huì)發(fā)現(xiàn)其在城市水文、生物多樣性及水生態(tài)服務(wù)等維度上缺乏系統(tǒng)性統(tǒng)籌,因此,應(yīng)從排水系統(tǒng)或者全域水資源系統(tǒng)管理角度,充分考慮水的社會(huì)循環(huán)擾動(dòng)對(duì)自然水文及生物多樣性的影響。城市級(jí)流域尺度上水系統(tǒng)不同要素之間的關(guān)聯(lián)及相互作用關(guān)系見圖4。


    實(shí)際上,生物多樣性及維系健康的城市水文也應(yīng)是未來城鎮(zhèn)可持續(xù)排水系統(tǒng)構(gòu)建必須遵循的基本原則。城市水系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)和實(shí)施需遵循的生態(tài)水文學(xué)原則:①水文學(xué)原則。在流域尺度上整合對(duì)水和生物群相互作用,以識(shí)別可持續(xù)水、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)面臨的威脅和機(jī)遇,在流域尺度上建立量化水循環(huán)-生態(tài)過程、識(shí)別“水-溫度-營(yíng)養(yǎng)物”對(duì)于陸地和淡水生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力以及確定對(duì)水生態(tài)、水文影響的生物因素和非生物因素。②生態(tài)學(xué)原則。考慮到流域水文循環(huán)的特殊性,構(gòu)建滿足生物多樣性、生態(tài)服務(wù)需求下的生態(tài)結(jié)構(gòu),從保護(hù)、恢復(fù)和管理等方面制定水視角下流域管理的綜合規(guī)劃。③生態(tài)工程原則。基于上述兩原則,在水質(zhì)和水量?jī)蓚€(gè)層面上充分考慮、適度規(guī)劃、系統(tǒng)構(gòu)建統(tǒng)籌水質(zhì)提升、滿足生物多樣性、及生態(tài)服務(wù)的低投資及低運(yùn)行成本的近自然解決方案。波蘭羅茲大學(xué)PAWE?等城市可持續(xù)城市排水系統(tǒng)及城市水資源管理方面提出了基于水(Water)、生物多樣(Biodiversity)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services)、系統(tǒng)韌性(Resilience)、文化與教育(Culture and Education)等維度上的系統(tǒng)框架,即基于生態(tài)水文視角下可持續(xù)城鎮(zhèn)水系統(tǒng)規(guī)劃“WBSRC ”原則,這為未來可持續(xù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)規(guī)劃提供了一個(gè)多維度的系統(tǒng)性框架,需要強(qiáng)調(diào)的是,在“WBSRC”理念下,城市排水系統(tǒng)構(gòu)建尤其是在重視區(qū)域健康水文循環(huán)基礎(chǔ)上提高生物多樣性,同時(shí)注重在水循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)減少各類化學(xué)藥劑的投加;并避免工程措施出現(xiàn)碎片化的生物群落,不但不能保證生物多樣性,往往被忽視甚至在“ 生態(tài)化” 改造進(jìn)程中被破壞。

    4.2 排放標(biāo)準(zhǔn)與革新性處理工藝

    可持續(xù)排水系統(tǒng)聚焦于“源-網(wǎng)-廠-河“全流程低碳,作為排水系統(tǒng)末端“兜底”的污水廠,傳統(tǒng)工業(yè)化時(shí)代思維模式下的污水系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念往往在單一維度上追求高排放標(biāo)準(zhǔn)甚至極限排放標(biāo)準(zhǔn),但卻忽視了大環(huán)境尺度下的生態(tài)協(xié)同性的系統(tǒng)性思維。“碳中和”背景下,要系統(tǒng)性評(píng)估污水排放標(biāo)準(zhǔn)過高的提升必要性、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境可持續(xù)性,一味追求高標(biāo)準(zhǔn)排放可能會(huì)因?qū)е赂叩腉HG排放而抵消水質(zhì)提升對(duì)環(huán)境的總體收益。Neethling等以10mgd(1mgd= 3785m3)污水廠為例,研究了不同等級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)與GHG的關(guān)系,結(jié)果見圖5。


    隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高,出水藻類生成勢(shì)快速降低,但污水廠總的GHG排放量也隨之快速提高,尤其是執(zhí)行TN=6mg/L以上標(biāo)準(zhǔn)時(shí),GHG排放會(huì)使指數(shù)升高。也就是說污水行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)提高意味著碳增量的快速抬升,排放標(biāo)準(zhǔn)越高,處理工藝復(fù)雜冗長(zhǎng)導(dǎo)致的初期基建投資、運(yùn)行過程電耗、藥劑和材料都將大幅提升。Cardenes等對(duì)英格蘭東南部六個(gè)最大污水處理廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析表明,為了滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn),這些處理廠的能源消耗在過去五年中翻了一番,據(jù)預(yù)測(cè)如果都要提標(biāo),全英較大規(guī)模污水廠GHG排放量將會(huì)增加(1.3~2.3)×108t。另一方面,由于國(guó)內(nèi)環(huán)保執(zhí)法采用瞬時(shí)值,排放標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)本身嚴(yán)格(“準(zhǔn)Ⅳ”、“準(zhǔn)Ⅲ”類等),設(shè)計(jì)和運(yùn)維環(huán)節(jié)不得不增加了“冗余”或者“安全度”方面的考慮,因此近些年新的高標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目往往采用了膜分離、高劑量的O3氧化甚至催化氧化等工藝,這些處理環(huán)節(jié)進(jìn)一步大幅度提高了處理能耗及各種藥耗。以北京污水處理廠執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/890—2012)實(shí)施提標(biāo)改造為例,由GB 18918—2002的一級(jí)B/A提標(biāo)到DB 11/890—2012,在原有工藝基礎(chǔ)上需要增加再生水深度處理系統(tǒng)和脫色消毒系統(tǒng)。經(jīng)調(diào)研,再生水廠改造后電耗較改造前增加55%~100%,其中采用膜工藝、紫外消毒工藝的再生水廠電耗增加量較高,約為100%;采用砂濾、濾布濾池、次氯酸鈉消毒工藝的再生水廠電耗增加量略低,約為55%。

    如何制定未來排放標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo),如何平衡水環(huán)境質(zhì)量改善與溫室氣體排放之間的關(guān)系,如何響應(yīng)“碳中和”戰(zhàn)略、“碳減排”策略,是流域治理、區(qū)域排水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)必須要考慮的重大問題。

    除了對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)可持續(xù)性的反思,還對(duì)一些革新性污水處理工藝(如主流厭氧氨氧化、側(cè)流厭氧氨氧化等)的GHG排放特征進(jìn)行了分析和評(píng)估,發(fā)現(xiàn)采用厭氧氨氧化工藝并實(shí)現(xiàn)“電中和”的污水廠,可能并沒有實(shí)現(xiàn)“碳中和”。如果不能解決厭氧氨氧化過程中N2O的排放問題,標(biāo)榜“環(huán)境友好”的污水廠其環(huán)境可持續(xù)大打折扣甚至是被否定的。

    De Haas分別對(duì)“主流-側(cè)流”DEMON工藝、 A-B工藝(其中側(cè)流工藝采用DEMON)、無(wú)側(cè)流消化液Anammox處理的傳統(tǒng)A/O等不同組合工藝進(jìn)行了基于N2O排放特征的對(duì)比研究。結(jié)果顯示,側(cè)流-主流都采用厭氧氨氧化方式的工藝,雖然實(shí)現(xiàn)了完全能耗自給(電中和),但是其GHG排放量卻是上述工藝中最高的;采用傳統(tǒng)處理工藝的污水廠其排放量卻是最低的。國(guó)際“碳中和”先驅(qū)Strass污水廠主流-側(cè)流均采用厭氧氨氧化處理方式,從溫室氣體排放角度分析,該組合處理工藝的N2O排放是上述不同工藝中最高的,從全生命周期(LCA)評(píng)價(jià)分析該模式確實(shí)帶來了一些效益,但從大環(huán)境角度看它并不能被稱為“環(huán)境友好”,因?yàn)槠涮幚砉に囍苯优欧糯罅縉2O而對(duì)氣候變化形成了潛在影響;同樣研究結(jié)論,Kuokkanen等在對(duì)赫爾辛基Viikinm?ki污水處理廠2013年—2019年持續(xù)多年的實(shí)際排放N2O的數(shù)據(jù)表明,如果不加以適當(dāng)控制,在污水處理短程硝化反硝化過程中有相當(dāng)大的N2O排放風(fēng)險(xiǎn),這可能超過節(jié)約能源和化學(xué)品對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的積極影響。上述研究表明,如果不能解決革新性污水脫氮工藝中的N2O排放問題,“電中和”可能實(shí)現(xiàn)了,卻未必實(shí)現(xiàn)“碳中和”。從這個(gè)角度講,未來準(zhǔn)確識(shí)別和定義“能耗中和”和“碳中和”關(guān)系,具有現(xiàn)實(shí)意義;兩者不能等同,否則電中和就會(huì)掩蓋“碳增量”。

    在溫室氣體排放及極端降雨日益增多的重多壓力下,從單一目標(biāo)和維度上規(guī)劃、設(shè)計(jì)大尺度灰色基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)頗受詬病,美國(guó)費(fèi)城、倫敦及哥本哈根深隧項(xiàng)目受到嚴(yán)厲批判,僅從“水”的維度來規(guī)劃設(shè)計(jì)項(xiàng)目被實(shí)踐證明是存在較大問題和風(fēng)險(xiǎn)的,未來可持續(xù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的重構(gòu)需要兼顧和平衡經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性及環(huán)境可持續(xù)性等方面。可靠性、韌性與可持續(xù)性通常是矛盾的,提高了系統(tǒng)可靠性往往不能滿足經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)性,但是這種看似“不可調(diào)和的矛盾”實(shí)際上隨著科技發(fā)展是可以通過一些革新的工程技術(shù)措施逐漸被解決,在有效降低工程投資、節(jié)省運(yùn)行能耗的同時(shí),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性、韌性與可持續(xù)之間的平衡,這為未來構(gòu)建嶄新的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)呈現(xiàn)了一個(gè)極具活力和前景的研究和產(chǎn)業(yè)化方向。在“雙碳”視角下,需要重新審視過往在水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制的形成的習(xí)慣或傳統(tǒng)做法,水處理工藝、水環(huán)境與溫室氣體排放之間的耦合關(guān)系逐漸被認(rèn)知,與此同時(shí),一些目前看來革新性污水處理工藝及排放標(biāo)準(zhǔn)的提升往往帶來GHG負(fù)面效應(yīng),因此,如何平衡水質(zhì)提升與GHG排放的關(guān)系,是未來亟需解決的科學(xué)與工程技術(shù)問題

    4.3 極限脫氮芻議

    近些年來,各地相繼出臺(tái) “準(zhǔn)Ⅳ類”“準(zhǔn)Ⅲ類”等高污水排放標(biāo)準(zhǔn),甚至極個(gè)別城市要求所在流域內(nèi)污水廠執(zhí)行TN=1mg/L的超高標(biāo)準(zhǔn),引發(fā)熱議。提高排放標(biāo)準(zhǔn),控制水體富營(yíng)養(yǎng)化本無(wú)可厚非,但這其中一個(gè)關(guān)鍵性的科學(xué)和技術(shù)問題首先是如何在技術(shù)可達(dá)、經(jīng)濟(jì)合理前提下控制硝態(tài)氮的去除;其次是是否有必要極限去除這部分硝酸鹽氮。綜合國(guó)外實(shí)際案例觀測(cè)結(jié)果來看,一味提高對(duì)氮素尤其是硝態(tài)氮的極限去除,值得商榷。

    對(duì)歐美一些湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化控制案例的研究表明,控磷比控氮更經(jīng)濟(jì)有效,甚至控氮并不能控制湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化。例如,在加拿大安大略西北部的淺水型湖泊227湖,進(jìn)行了為期37年的磷素輸入不變、氮輸入逐年減少的氮磷投加試驗(yàn),以驗(yàn)證氮控制對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響貢獻(xiàn)。在最后的16年里(1990年—2005年),該湖只投加了磷素而未投加氮,但是這期間依然發(fā)生了較為嚴(yán)重的水華。基于為期37年的長(zhǎng)周期跟蹤性研究,Schindler等認(rèn)為,對(duì)于大多數(shù)淡水湖泊,通過控制氮的輸入來實(shí)現(xiàn)控制富營(yíng)養(yǎng)化最終是徒勞的,將有限的資金用于控制磷的輸入應(yīng)該更經(jīng)濟(jì)有效。這樣的結(jié)論在歐洲和北美近40座湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化控磷實(shí)踐中得以驗(yàn)證。有意思的現(xiàn)象是,歐美一些湖泊反而在特定季節(jié)或時(shí)期向水體添加硝態(tài)氮來實(shí)現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化控制,如美國(guó)弗吉尼亞Occoquan Reservoir為了保證水質(zhì),季節(jié)性輸入NO-3-N,投加量為10mg/L時(shí)通過控制泥水界面的氧化還原環(huán)境以控制湖庫(kù)底泥磷的釋放,使水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化得到遏制;此外,硝酸鹽投加還可以有效抑制底泥中甲基汞的釋放,在靠近底泥沉積層添加富含硝態(tài)氮的三級(jí)處理廢水可以降低甲基汞的濃度,并可能減少汞的生物積累,同時(shí)提高飲用水的安全性。

    上述案例提示,對(duì)于特定湖泊或水庫(kù)等受納水體,是否真的有必要將TN(主要是硝態(tài)氮)控制到極限排放水平值得商榷;其次,對(duì)于污水廠尾水排放到城區(qū)河道尤其是受納水體為黑臭水體的情況下,保證必要的硝態(tài)氮對(duì)于遏制黑臭控制底泥“泥-水”界面磷的釋放進(jìn)而控制藻類繁殖是有益的,因此,有必要重新認(rèn)識(shí)和辯證評(píng)估硝態(tài)氮在水體富營(yíng)養(yǎng)化控制中及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系中的作用,不該唯“極限脫氮”論。

    誠(chéng)然,目前理論界在控氮、控磷方面目仍存在一些不同認(rèn)知,也不否認(rèn)有些湖泊富營(yíng)養(yǎng)化控制中在某些時(shí)期進(jìn)行氮磷指標(biāo)協(xié)同“雙控”的有效性,但是筆者認(rèn)為,前述歐美研究和實(shí)際案例都共同揭示了一個(gè)普遍規(guī)律,相較于氮而言,磷相對(duì)可控,即便切斷所有的人為氮素的輸入,但由于空氣中存在大量的氮?dú)猓鷳B(tài)系統(tǒng)可以通過生物固氮過程和閃電快速補(bǔ)充氮素,而磷素則不具備上述補(bǔ)充途徑。在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上,欲通過削減氮負(fù)荷來控制浮游藻類總量往往不是有效和經(jīng)濟(jì)的。從這個(gè)意義上講,從流域尺度上,系統(tǒng)性評(píng)估受納水體水質(zhì)特征,不搞“一刀切”、不能一味追求極限脫氮,要辯證認(rèn)識(shí)極限脫氮的必要性,甚至因地制宜地修改污水排放標(biāo)準(zhǔn),對(duì)有些流域準(zhǔn)確識(shí)別富營(yíng)養(yǎng)化特征、放寬對(duì)TN中硝酸鹽氮的排放限制,有限資金集中力量控制磷污染,從而大大降低富營(yíng)養(yǎng)化的治理成本,對(duì)于構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、低碳可持續(xù)的城市水系統(tǒng)是有深遠(yuǎn)意義的。

    4.4 過量含氯消毒劑投加對(duì)水生態(tài)負(fù)面影響

    近些年來,隨著各地污水排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)糞大腸桿菌群指標(biāo)要求的提高,污水處理過程中往往會(huì)過量投加含氯消毒劑,可能導(dǎo)致污水生物毒性顯著增強(qiáng)的問題,這是因?yàn)橄緞┠軌蚺c水中含有的人工或天然溶解性有機(jī)物(NOM)發(fā)生氯化反應(yīng)生成大量鹵代消毒副產(chǎn)物(HDBPs)并排放到受納水體。此外,不同于給水水源,污水廠尾水殘留較高濃度的含氮素有機(jī)物發(fā)生氯化反應(yīng)后還會(huì)產(chǎn)生含氮的HDBPs,如鹵乙腈、鹵硝基甲烷和N-亞硝基二甲胺(NDMA)等具有更強(qiáng)三致活性的物質(zhì);污水中溴化物濃度通常也遠(yuǎn)高于飲用水水源,因此尾水消毒過程也會(huì)產(chǎn)生大量具有更高“三致” 活性的溴代DBPs;同時(shí),因過量投加生成的部分消毒劑及其水解產(chǎn)物也會(huì)隨尾水排放到受納水體,不同種類的DBPs可以在排放口下游河道數(shù)km~數(shù)十km范圍內(nèi)被檢測(cè)到,甚至三鹵甲烷沿程在一定區(qū)間內(nèi)沿程濃度呈現(xiàn)逐漸提高趨勢(shì)。顯然,長(zhǎng)距離、長(zhǎng)周期的各類DBPs和殘留消毒劑的存在,會(huì)持續(xù)破壞水環(huán)境功能及微生物菌群結(jié)構(gòu),并對(duì)水生生物(魚類、貝類等)產(chǎn)生急性、亞急性毒性效應(yīng),對(duì)水生植物產(chǎn)生直接破壞作用,進(jìn)而持續(xù)破壞水生生態(tài)系統(tǒng)平衡,導(dǎo)致微生物生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性及功能性改變,受納水體及下游水環(huán)境生物多樣性消失。倘若這些含有DBPs“毒性”增強(qiáng)的尾水被直接或間接排放到飲用水水源,其對(duì)飲用水水源地水質(zhì)安全性直接構(gòu)成嚴(yán)重威脅(氯化消毒及產(chǎn)物足跡與歸宿見圖6)。近些年來,據(jù)調(diào)研,我國(guó)一些執(zhí)行高排放標(biāo)準(zhǔn)的污水項(xiàng)目,其尾水排放河道及水環(huán)境生物多樣性反而比提標(biāo)前大幅減少甚至魚蝦皆無(wú),這種高藥耗、高能耗換取的所謂“高品質(zhì)水”其生態(tài)價(jià)值值得深入探究。


    基于水生態(tài)安全性考慮,美國(guó)一些發(fā)達(dá)國(guó)家要求采用氯消毒工藝的污水廠還需配備脫氯工藝,雖然有研究顯示,脫氯過程并不能將氯化消毒后污水的毒性水平恢復(fù)到氯化消毒前,但是脫氯環(huán)節(jié)還是能有效控制和削減氯消毒劑本身進(jìn)入后續(xù)水環(huán)境的行為。很遺憾的是,我國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)范)卻沒有考慮或給出氯化消毒的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)措施如要求污水廠設(shè)計(jì)脫氯或者降低氯化消毒副產(chǎn)物生成潛能的一些建議的工程技術(shù)措施。自從新冠疫情暴發(fā)后,不同場(chǎng)合的消毒劑更是被大量甚至無(wú)節(jié)制應(yīng)用,進(jìn)而更高程度上提升了含氯消毒劑向環(huán)境中的釋放過程,基于含氯消毒劑引發(fā)的持久性生態(tài)毒理風(fēng)險(xiǎn)有待后續(xù)系統(tǒng)研究與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,這將是一項(xiàng)長(zhǎng)周期的工作。減少含氯消毒劑的使用,改進(jìn)消毒方式(多點(diǎn)投加)、方法(與UV聯(lián)用),開發(fā)如過乙酸(PAA)等新型環(huán)保型消毒劑,已經(jīng)成為未來城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)必須面對(duì)和解決的改善水生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展的迫切事項(xiàng),做到真正的“水質(zhì)可持續(xù)”。

    05 可持續(xù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)體系構(gòu)建

    基于上述分析,“碳中和”格局下隨著氣候變化影響下不確定性天氣日益增加,水系統(tǒng)作為市政基礎(chǔ)設(shè)施要成為韌性城市總體規(guī)劃的重要組成部分,也要主動(dòng)適應(yīng)不斷變化的外在環(huán)境壓力及相關(guān)條件的約束而不斷調(diào)整和優(yōu)化框架、技術(shù)和管理體系;從另一角度看,低碳既是水系統(tǒng)面臨的壓力,更是給水務(wù)和環(huán)境行業(yè)帶來了新的技術(shù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)力、商業(yè)模式創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇。水務(wù)行業(yè)要系統(tǒng)性構(gòu)建以韌性、可靠性與可持續(xù)性為基本特征的面向未來的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)框架,至關(guān)重要的問題是,可持續(xù)城市排水系統(tǒng)構(gòu)建需要跨學(xué)科、跨部門的協(xié)作和共同實(shí)踐,問題在于所涉及的社會(huì)和技術(shù)復(fù)雜性,以及對(duì)水系統(tǒng)面臨的綜合挑戰(zhàn)和系統(tǒng)解決方案的范圍缺乏共同的理解和認(rèn)知,推進(jìn)可持續(xù)排水系統(tǒng)的構(gòu)建不是一件容易的事情。目前,國(guó)內(nèi)外尚缺乏“碳中和”戰(zhàn)略下可持續(xù)排水系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,為此將系統(tǒng)可靠性、韌性、低碳、生態(tài)安全性、智慧監(jiān)測(cè)與控制及非工程性措施與利益相關(guān)方的積極參與六個(gè)維度設(shè)置為一級(jí)指標(biāo),在一級(jí)指標(biāo)基礎(chǔ)上細(xì)化為47項(xiàng)二級(jí)指標(biāo),具體見表2。需要說明的是,不同指標(biāo)之間可能會(huì)存在一些內(nèi)在的邏輯關(guān)系和相互影響,但是排水系統(tǒng)本身就是一個(gè)多維度、多層次、多因素、多目標(biāo)復(fù)雜交織的體系,需要各個(gè)專業(yè)的共同協(xié)作和推進(jìn)。


    06 結(jié)語(yǔ)

    氣候變化是人類發(fā)展面臨的威脅之一,面對(duì)極端降雨顯著增加和城市的不斷擴(kuò)張,傳統(tǒng)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的脆弱性日益凸顯,“碳中和、碳達(dá)峰”戰(zhàn)略背景下如何系統(tǒng)構(gòu)建面向未來的可持續(xù)排水系統(tǒng)(SUDS),系統(tǒng)提升面對(duì)復(fù)雜外部擾動(dòng)因素下排水系統(tǒng)的韌性與可靠性,而不能僅在“水”的一維空間和尺度上提供解決方案,排水設(shè)施規(guī)劃和建設(shè)要注重環(huán)境總體可持續(xù)性,避免實(shí)施“偽生態(tài)”甚至“逆生態(tài)”行為,充分保護(hù)生物多樣性是未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期可持續(xù)排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)行環(huán)節(jié)都要思考和面對(duì)的科學(xué)問題。未來韌性、可靠性與可持續(xù)為基本特征的排水系統(tǒng)注重為城市發(fā)展提供環(huán)境與生命健康和綜合生態(tài)價(jià)值,通過排水系統(tǒng)韌性與生態(tài)設(shè)計(jì),重新構(gòu)建人與環(huán)境、人與生態(tài)的文明鏈接,這既是挑戰(zhàn),更是賦予行業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇和新動(dòng)能。

    來源:中國(guó)給水排水

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