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美国合流制溢流控制标准分析及对我国的启示

北极星水处理网  来源:中国给水排水  作者:贾楠等  2019/3/13 9:12:53  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:合流制溢流 CSO 美国

北极星水处理网讯:导读:合流制溢流(CSO)具有污水与降雨径流双重特性,受随机降雨、多污染源、阶段数据等条件影响,CSO控制标准以基于控制效果的年均溢流频次、年溢流体积控制率和年污染物总量削减率为主;CSO控制标准的确定以受纳水体水质为目标导向,以数据为基础,采用“流域治理、污染分担”策略,经技术经济分析确定。简要梳理了美国CSO控制标准确定的政策法规基础和方法,以期为我国CSO控制标准的确定、“厂网一体、灰绿结合”技术路线及排放许可等配套政策法规的制定提供参考。

随着海绵城市建设、城市黑臭水体治理、城镇污水处理提质增效等工作的不断深入,合流制溢流(CSO)污染已成为不可回避且亟待解决的重大问题,CSO控制政策法规、标准、综合措施、设施规模设计等方面的短板日益凸显,已成为科学开展CSO控制规划设计的重要瓶颈。

CSO控制标准主要包括年均溢流频次、年溢流体积控制率和污染物控制,从各地近年编制的海绵城市专项规划、海绵城市建设与黑臭水体治理方案来看,多以年均溢流频次作为指标或标准;《海绵城市建设评价标准》(GB/T 51345—2018)中,首次在国家标准层面提出将年溢流体积控制率及处理设施的污染物排放浓度限值作为CSO控制效果的评价标准,并给出了具体的评价方法。然而,作为CSO控制规划设计方案制定首先要考虑的问题,指标如何选择、标准如何确定,仍值得深入探讨。

美国围绕CSO污染控制的政策法规、基础研究和工程实践工作已开展了数十年,围绕CSO控制标准这一基础问题,从政策法规体系和工程规划等方面分析美国在该方面的经验做法,有助于从降雨径流管控、城镇污水收集处理及城市水体环境质量改善等方面综合提高对CSO控制的认识、少走弯路。

1 美国CSO控制标准确定的政策法规基础

1.1 清洁水法(Clean Water Act,CWA)

CSO作为点源污染,需满足美国水污染控制的第一大法案——清洁水法的如下规定:禁止违法排放污染物;满足基于技术(Technology-Based)和基于水质(Water Quality-Based)的排放限值;允许通过颁发国家污染物排放控制系统许可(NPDES Permits)授权满足CWA要求的污染物排放行为;允许州一级管理排放许可。其中,满足基于技术和基于水质的排放限值是CSO控制标准确定的重要依据。

① 基于技术排放限值

基于技术的排放限值指根据现有技术的污染物处理能力(负荷或浓度)并考虑对受纳水体的影响确定的排放限值。对于污水处理厂,排放限值一般根据对二级处理出水的相关规定或州一级处理标准确定;对于其他处理设施,排放限值根据美国环保局(EPA)发布的排放指南、州一级处理标准或由排放许可撰写人根据项目具体条件通过最佳专业判断(Best Professional Judgment,BPJ)进行确定。

对于不同类型的污染物指标,CWA给出了具体的基于技术的排放限值确定方法。BOD、TSS、粪大肠杆菌、油脂等传统污染物(Conventional Pollutants)的排放限值采用最佳传统污染物控制技术(Best Conventional Pollutant Control Technology,BCT)法分析确定,COD、TOC、N、P等非传统污染物(Nonconventional Pollutants)和有毒污染物的排放限值采用最佳技术经济可行(Best Available Technology Economically Achievable,BAT)法分析确定。

但EPA发布的排放指南中,未给出基于BAT、BCT方法的CSO污染物排放限值,许可撰写人需通过BPJ确定CSO基于技术的排放限值。

② 基于水质的排放限值

基于水质的排放限值指根据水体水质标准(Water Quality Standard,WQS)“反推”确定的排放限值,一般比基于技术的排放限值严格,短期内较难实现。WQS包括水体设计用途(Designated Uses)及相应的水质指标标准(Water Quality Criteria,WQC),WQS由州一级制定并报EPA审批,若未通过审批而且州不作相应修订,则由EPA代为制定,此外,州必须每3年对水质标准进行复议并提交EPA审批。

水体设计用途体现了民众对水体功能的基本需求,包括温水或冷水水生生物栖息、可游泳、可垂钓、可饮用、可灌溉、可观赏等。水质指标标准主要为支撑水体设计用途的化学、物理或生物指标,如重金属、致病菌、悬浮物、溶解氧、水獭或鸟类数量等。值得注意的是,水质指标标准是根据水体设计用途从科学性角度制定的,不受经济和社会因素影响,但WQS很难始终保持达标,从经济因素考虑,在特殊空间或时间内,水质指标标准可以进行豁免,如允许CSO排放口下游水体的局部区域(游泳海岸、贝类栖息区域及其他重要栖息地等区域除外)不达标,允许雨天超控制标准发生的CSO导致WQS临时不达标但水质指标值控制在允许的范围内等。

1.2 CSO控制政策

美国具有针对性的CSO控制是从1989年8月10日EPA发布CSO控制策略(CSO Control Strategy)开始的。该策略的主要目的是:①确保旱天不发生溢流;②使所有雨天CSO排放口满足CWA基于技术和基于水质的排放限值要求;③最小化对水体水质、水生生物、人类健康的影响。

随后,1991年,EPA开始编制CSO控制政策(CSO Control Policy)来详细说明CSO控制策略以加快满足CWA的相关要求,并于1994年4月19日正式发布。该政策详细介绍了CSO排放许可持证人与许可撰写人、NPDES许可管理部门、州水质标准部门的责任,为各利益相关方统筹协作制定和实施CSO控制方案提供了操作指南。2000年,CWA进行修订,提出2000年12月21日后颁发的所有NPDES许可证均应符合CSO控制政策的要求。

CSO控制政策指出,许可持证人需制定和实施CSO九项基本控制措施(Nine Minimum Controls,NMC)和CSO长期控制规划(Long-Term Control Plan,LTCP),并纳入不同阶段或相关的(如污水处理厂排放许可)NPDES许可上报EPA或EPA授权的州一级NPDES许可管理部门审批,同时还要对各许可周期内CSO控制措施的实施、效果监测及达标情况进行报审。EPA或其授权的州一级NPDES许可管理部门负责配合许可撰写人、持证人进行许可的编制和报批,并对NMC、LTCP的实施与达标情况进行监管。州水质标准部门负责审议和修订受CSO影响的水体水质标准(WQS),如在特殊空间或时间内需对部分情形的CSO排放进行豁免时,州水质标准部门需配合持证人编制水质达标分析报告并报EPA审批。

1.3 NPDES许可

CSO NPDES许可分为3个阶段,第1阶段(Phase Ⅰ)只有1个周期,时限为5年;第2阶段(Phase Ⅱ)有若干个周期,每个周期为5年,直至CSO控制项目全部实施完成后,进入第3阶段(Post Phase Ⅱ),即运行期。每个阶段的内容如表1所示。

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由表1可知,NPDES许可的第1阶段和第2阶段,未给出定量的基于技术的排放限值,而是定性的要求,即实施NMC,原因在于,CSO控制政策指出NMC符合基于BPJ的BAT和BCT要求,即满足CWA基于技术的排放要求,至于为何未给出定量的基于技术的排放限值,是基于对造成CSO的降雨径流基本特征的认识——降雨径流及其所携带污染物的类型、浓度、总量具有很大的随机性,该特征决定了很难有径流控制技术能够实现稳定的水质处理能力。

NPDES许可的第1阶段,也未给出定量的基于水质的排放限值,原因在于第1阶段通过监测与模拟获得的CSO及相应受纳水体污染特征分析数据不足以支撑基于WQS反推确定CSO排放限值。而且,NPDES许可的第2阶段初期及CSO控制措施实施过程中获得的监测数据仍难以支撑制定较为准确的排放限值,直至进入第3阶段,全部CSO控制措施实施完成后,才能获得直接且充分的数据证明能否达到WQS要求,故第2阶段同样未给出定量的基于水质的排放限值,而是采用定量的基于CSO控制效果的标准代替,即年均溢流频次、年溢流体积削减率、年污染物总量(如BOD、TSS)削减率等。

2 美国CSO控制标准确定方法

如前文所述,受数据不充分等条件所限,为满足CWA基于技术和水质的控制要求,CSO控制政策指出基于水质的排放限值可通过效果标准进行表达,为指导许可撰写人根据WQS及对CSO特征、受纳水体污染特征等的监测与模拟数据确定效果标准,并据此确定最佳的CSO控制方案,CSO政策进一步给出了效果标准的确定方法——推定法和实证法。

2.1 推定法

之所以称为推定法,是依据该方法确定的CSO控制水平并不能确保WQS达标,但基于LTCP及NPDES第1阶段和第2阶段对CSS运行情况、CSO及其受纳水体污染特征的监测和模拟分析,采用该方法确定的CSO控制效果标准是经济合理的。

年均场次控制率是基于监测与模型模拟得到的各CSO排放口的多年平均溢流频次,年溢流体积控制率指多年通过雨污分流、截流、调蓄、处理等措施削减或收集处理的雨天溢流雨污水体积与总溢流体积的比值;年污染物总量削减率指通过年溢流水量控制与水质处理实现的特定污染物的削减量与污染物总量的比值。为制定3个控制标准,首先需要对CSO控制前的CSO体积、频次、历时等特征进行评估,得到现状条件下的基准值(Baseline)。

CSO控制政策指出,以场次或体积作为控制标准时,得到控制的溢流雨污水必须进行污水处理厂一级处理或与之相当水平的处理、对悬浮物和垃圾等漂浮物进行处置、消毒并对化学残留物(如余氯)进行处理;对仍未得到控制的溢流雨污水,应最大限度参照以上要求进行处理,或做进一步深度处理后排放。

非常重要的是,参照污水厂一级处理工艺进行CSO雨污水处理并确定出水标准时,需注意CSO与污水明显不同:CSO流量和污染物浓度受降雨径流影响是变化的、处理设施雨天旱天交替运行、CSO雨污水中大颗粒物较多;此外,为最大程度利用或通过提升污水厂一级处理能力处理超过截流倍数的CSO雨污水,美国法规专门针对CSO提出污水处理厂可以超越二级处理(Bypass)对这部分雨污水进行一级处理及后续净化后排放的规定。

需明确的是,场次控制标准是基于WQS,通过体积或进一步通过污染物控制分析确定的。而且,虽然推定法以效果标准代替基于水质的排放限值,但许可证撰写人仍需要基于对CSS、CSO及受纳水体的监测和模拟,分析CSO体积控制对污染物总量排放的影响,评估是否满足受纳水体WQS,并通过“费用–效果”分析,得出最优的CSO控制方案。若不能满足WQS,还需基于WQS,在“费用–效果”最优基础上,确定仍需进一步采取的CSO控制措施及相应投资。

如果数据分析表明,推定法确定的CSO控制标准不能实现WQS达标,则需要采用实证法分析确定CSO控制标准。

2.2 实证法

采用实证法时,许可证撰写人必须基于已有监测和模拟数据,明确达到以下要求:①足以实现WQS达标,除非由于水体本底条件或其他非CSO污染源导致不能满足WQS,也就是说,即使完全消除CSO也不能实现WQS达标;②如果其他污染源得到控制,制定的CSO控制方案足以实现WQS达标,此情形下,需在流域内实施TMDLs(Total Maximum Daily Loads)方案,需满足分配给CSO的污染负荷量削减要求;③确保CSO控制方案满足“费用–效果”最优;④不排除在“费用–效果”最优基础上进一步采取其他控制措施的可能。

无论推定法还是实证法,许可证撰写人均需要确定投资与年溢流体积或污染物总量控制效果的关系曲线,确定最优的CSO控制方案。由于实证法的要求较为严格和复杂,美国各州多采用推定法确定基于水质的CSO排放限值,总结美国部分城市的CSO控制效果标准如表2所示。

表2 美国部分城市CSO控制效果标准

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3 对我国的启示

3.1 控制标准的确定以效果为导向、数据为基础

年均溢流频次、年溢流体积控制率、污染物控制标准虽然是基于CSO控制效果的标准,但最终目标是受纳水体功能达标,即目标是“水质”,因此,无论选用哪个指标作为控制标准,均需要以水体水质为目标,以CSO溢流水量控制为手段,通过“费用–效果”分析确定标准取值及相应控制方案。实践中,从便于监管角度考虑,可选择年均溢流频次作为控制标准,但仍需评估相应的溢流量、溢流污染物总量控制效果以及水体水质达标情况。

根据美国做法,规划设计阶段CSO控制方案的制定要以现状基准监测数据为基础,以模型评估为手段,并采用CSO控制项目实施过程中的阶段性监测数据不断对模型进行校正和完善,直至全部项目完成后才能通过水体水质监测数据确定CSO控制规划方案的最终效果,故监测贯穿始终,数据是基础。

此外,虽然美国多采用推定法确定效果标准,但由于我国城市水体污染的整体状况相对较差,除CSO外的多种污染源较多,因此,可综合采用实证法,参照TMDLs“流域治理、污染分担”的方法开展水体治理(但需注意,美国的TMDLs需要以复杂的流域模型做支撑,周期和数据要求很高)。

3.2 充分认识CSO控制的特殊性和长期性

CSO具有污水与降雨径流的双重特性,降雨径流最大的特点就是其随机性,故美国以基于技术的NMC、基于控制效果的指标作为基本控制标准;而且,在处理措施上,并未直接采用高标准的二级处理,而是最大限度采用适应性更强、投入产出更优的一级处理与消毒等物化措施,出水水质指标则抓影响水体功能的核心指标并且以总量、均值或范围值为主;此外,还对超控制标准的溢流所导致的受纳水体不达标进行适度豁免,这些简化或概化的做法均较好地考虑了CSO的规律或特征,可操作性更强。

我国的水体环境质量底子相对发达国家要差,大力开展黑臭水体治理与水环境质量综合提升工作更应该从基础工作做起,摸清底数,扎扎实实把厂管网问题解决好,把旱天直排解决好,从美国CSO长期控制规划及各阶段NPDES许可的内容可以看出,在相当长的时期内,美国仍然会抓厂网运行调度这一CSO控制基本措施,并积极通过“灰绿结合”进一步提升CSO控制效果,同时也在量力而行地“合改分”,多条腿走路。我国的海绵城市建设、黑臭水体治理、污水处理提质增效正齐头并进,一定要高质量协同,发挥综合效益,这必然是一场硬仗和持久战。

3.3 CSO控制政策法规先行

关于水体水质标准制定。考虑CSO的特殊性、不同地方气象水文特点、既有基础设施情况、经济水平、受纳水体情况等,美国并没有采取一刀切的水体水质标准,而是授权地方制定,国家负责审核并抓基本要求,在基本功能满足的前提下,水质标准可能一河一标准;重要的是,建立起了由下及上的反馈机制,水质标准并非一成不变,根据具体条件,经过公众评议、技术经济分析,水质标准是允许进行合理调整的,值得我国借鉴。

关于排放许可制度。我国针对污水已建立排放许可制度,然而雨水排放、CSO作为重要的“点源污染”仍未纳入,海绵城市建设试点城市均在探索建立雨水排放许可制度,建议借鉴发达国家经验尽快予以完善并纳入既有许可体系。此外,非常重要的是,以污水处理厂为例,针对CSO的污水处理厂一级处理达标排放合法化等问题均要从制度法规层面予以解决,才能形成真正有效的合流制排水系统,并最大限度发挥“厂网一体”控制CSO的经济效益。除政策法规外,我国现行标准规范在CSO控制标准、设施规模设计方法、设计参数等方面也存在较大不足,在此不再赘述。

原标题:美国合流制溢流控制标准分析及对我国的启示

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