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(jù)聯(lián)合國的資料，全世界80％以上的廢水未經(jīng)處理或再利用就流回了環(huán)境，這就給廢水處理廠增加了相當大的負擔。
結(jié)合三部委發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案》，提出要盡快補齊污水管網(wǎng)等設(shè)施短板，表明了我們當前面臨的水環(huán)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(wǎng)-河”整個系統(tǒng)的問題。
對比我國與歐美等發(fā)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(tǒng)治理合流制污水溢流（CSOs），經(jīng)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(wǎng)短板問題，所以在相關(guān)治理經(jīng)驗上值得我們思考與借鑒。
01 污水管網(wǎng)到底存在哪些問題？
污水管網(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)大多埋于地面之下，我們看不見摸不著，等到發(fā)現(xiàn)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(jù)美國環(huán)境保護署（EPA, Environmental Protection Agency）統(tǒng)計，因污水管道錯接、混接、漏接、管道破裂等原因?qū)е孪滤乐型馑霛B入流，全美每年至少有23000~75000個下水道溢水事件發(fā)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(yù)防下水道溢流帶來的公共健康問題困擾多年。
污水管網(wǎng)常見問題圖覽
而我國現(xiàn)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(wǎng)存在經(jīng)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(jù)測試，居民小區(qū)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(nèi)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(jù)王洪臣老師的研究，由于我國污水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的缺陷，2018年，全國城鎮(zhèn)人口以8.3億計，假設(shè)人口污染物當量80克COD，實際城鎮(zhèn)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(jīng)過污水處理廠的處理。
02 發(fā)達國家排水管網(wǎng)政策與設(shè)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(xiàn)最早出現(xiàn)在19世界50年代的歐洲。
但升級的排水系統(tǒng)并沒有解決雨季城市內(nèi)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(wǎng)溢流（CSOs）和生活污水管網(wǎng)溢流（SSOs），CSOs問題主要發(fā)生在美國東北部和五大湖地區(qū)，主要是19世紀末和20世紀初建造的合流式污水系統(tǒng)中。當污水和雨水的總量超過系統(tǒng)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(fā)生則多是因為管網(wǎng)堵塞、破裂或故障,使雨水或地下水滲入系統(tǒng)，或是由于不當?shù)倪\行和維修、設(shè)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(chǔ)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(guān)報告中將I/I區(qū)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(qū)、商業(yè)和工業(yè)的生活污水和生產(chǎn)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(yīng)，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(jù)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(shè)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(yīng)對溢流污染曾制定了 “九對策”，提出要發(fā)揮污水廠存量設(shè)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(wǎng)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(fā)布了應(yīng)對溢流污染的 “永久對策”，總預(yù)算近2000億美元，至今紐約和洛杉磯等大城市仍在執(zhí)行中。其中針對城市雨水徑流污染的控制與管理可總結(jié)為兩大方面:
?。?）通過技術(shù)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?shù)拇胧?，減少污染物排入地下或地表水體的數(shù)量；
終端治理，通過自然生態(tài)技術(shù)或人工凈化技術(shù)來降解帶入水體的徑流污染物。
（2）非技術(shù)性的管理措施
采取的控制策略有三大突出共性：
強調(diào)源頭控制；
強調(diào)自然與生態(tài)措施；
強調(diào)過程管理。
03 提升污水管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)對溢流的措施
源頭控制
排水系統(tǒng)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(shè)施空白區(qū)，逐步控制污水管網(wǎng)的I/I、實現(xiàn)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(wǎng)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(shè)實踐表明，通過“滲、滯”等源頭控制設(shè)施在雨季對排水系統(tǒng)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(shè)施在城市徑流和下水道聯(lián)合溢出中的控制過程
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