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胡洪营教授:城市水环境治理面临的课题与长效治理模式

北极星水处理网  来源:环境工程  作者:胡洪营,等  2019/11/20 17:43:25  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:水环境质量 水环境治理 胡洪营

北极星水处理网讯:研究背景:水是城市的血脉,城市傍水而建,依水而兴,也会因水而衰。水环境质量体现了城市的品位和生活质量,也体现了生态文明建设水平。我国多数城市面临水环境污染、水生态破坏和水域空间萎缩等突出水环境问题,同时水资源短缺导致水环境问题加剧,增加了水环境治理的难度。在缺水城镇,为优先保障生产生活用水,环境用水往往被挤占,水环境缺乏补水,导致水生态基流不足、水体黑臭现象频发和亲水空间萎缩,严重影响居民生活质量。

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胡洪营,清华大学研究生院副院长、环境学院教授、国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室主任,国家杰出青年科学基金和国家级教学名师奖获得者。

长期从事再生水安全高效利用和水环境修复研究,现为国际标准化组织城镇水回用分委员会(ISO TC282 SC2 )主席 、国际水协会(IWA)会士,兼任中国环境科学学会常务理事和水处理与回用专业委员会主任、Water Cycle主编和《环境工程技术学报》副主编等学术职务,曾担任国际著名期刊Water Research副主编。

主持制定水质安全评价、城镇集中式再生水系统设计和运行管理等多项ISO国际标准,以及再生水处理技术和工艺评价、水质评价、水质管理和利用效益等多项国家和团体标准。先后获得ISO卓越贡献奖、国家科技进步二等奖、省部级科技进步一等奖等多项奖励。

另一方面,城镇化发展将会导致水资源供需矛盾更加突出,水环境安全保障的压力也将不断增加。2018年,我国城镇化率达59.58%,城镇人口8.31亿,城市生活用水总量859.9亿m3,全国用水总量6015.5亿m3。2030年,城镇数量将增加至约1000个,城镇化率提高至约70%,城镇人口增长至10亿,城乡生活用水量提高到1021亿m3,总用水量将增至7000亿m3。

2015年4月,国务院颁发的《水污染防治行动计划》(“水十条”)提出,到2020年,地级及以上城市建成区黑臭水体控制在10%以内;到2030年,全国七大重点流域水质优良比例总体达到75%以上,城市建成区黑臭水体总体消除。但是,城市水环境治理进展缓慢,达到预期目标存在巨大困难。

在分析城市水环境特点、面临的突出问题及其成因的基础上,提出了水环境治理的基本措施,探讨了水环境治理的可持续模式,分析了技术需求和发展方向。

一 摘 要

在分析城市水环境特点、面临的突出问题以及在水环境污染成因、水质目标、治理技术和治理方案等方面存在的误解/误区的基础上,提出了城市水环境治理的基本措施(截污控源、补水活水、生态修补、亲用促管)和生态耦联水循环模式。未来城市水环境治理的主要矛盾将从黑臭治理向水华控制问题转化,需要提前布局研发,储备相应的技术。城市水体的功能定位需要从景观娱乐和生态功能向水的社会循环重要节点拓展,即定位为具有水质净化和水量储存功能的“生态水场”和“城市第二水源”,以实现城市水环境的长效治理和供水能力的可持续保障。

二 城市水体的基本功能与水质特征

城市水体的基本功能和特点

城市水体作为重要的自然要素,是城市生态环境建设以及景观多样性和物种多样性维系的基本要素,也是公众亲水娱乐、亲近自然的重要场所,具有重要的景观价值、娱乐价值和生态价值;同时,在洪涝灾害防治方面也发挥着重要作用。随着经济发展和居民对优美生态环境需要的日益增加,城市水体已成为城市公共空间不可或缺的重要部分,水域空间和水体质量决定了城市环境的舒适感和宜居程度。

城市水体大多为静止或流动性差的封闭型浅型水体,具有水环境容量小、水体自净能力弱、易污染等特点,往往面临较高的水质恶化和水华风险等问题。由于其水动力条件普遍较差,营养盐输出慢,易在水体中积聚,且浅型水体上、下水层的光通量均可满足藻类光合作用所需,可为藻类生长繁殖和水华暴发提供有利条件。

同时,藻类及其他水生生物易大量繁殖,造成水体透明度与溶解氧下降,浊度与色度上升,甚至发黑发臭,丧失水体基本功能。此外,人为因素的影响,如城市面源污染、点源污染以及不合理的水体设计和结构等,都会导致城市水体的环境质量恶化和生态系统退化。

城市水体的以上特点,决定了其污染防治和水质维系的复杂性和困难度。

城市水体水质变化特征

城市水体是一个由物理环境、化学物质和水生生物共同组成的生态系统,其水质变化规律极其复杂,受到诸多因素的相互作用、相互制约和相互影响。

1 影响城市水体水质的关键要素

影响城市水体水质变化的关键要素包括环境条件、水力学特征、生态禀赋、污染物通量和补水退水等(图1)。

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1)环境条件。

城市水体的环境条件指气候条件(温度、光照等)、水文特征(水位变化与水量平衡、垂直温度梯度等)和地域/地区特点(地理位置、人类活动等)等自然环境要素。

2)水力学特征。

城市水体的水力学特征包括水流特性(水力停留时间、流速分布规律、紊流特征等)、流场分布特性、流线和底质演变、及其水生植物影响下的水流特性和流场结构等特征。

3)生态禀赋。

城市水体的生态禀赋也即水体生态系统的特质,是水生生物群落(水生植物、动物等)与环境要素之间通过物质循环和能量流动,形成的生物群落结构和生态功能。城市水体的生态功能主要取决于其自身的生态系统特质,健康良好的生态功能有助于城市水体水质的稳定和长效维持。

城市水体的环境条件、水力学特征和生态禀赋对水质的变化以及水华微藻的生长潜力等水质效应有重要和复杂的影响,且各要素之间存在的耦联关系。

4)污染物的输入和输出。

城市水体中的氮、磷、碳等污染物的输入途径主要包括点源污染、面源污染、底泥释放、大气沉降、生物固氮等,输出途径主要包括退水、底泥吸附、水生动植物吸收、以及氮、磷、碳自然循环过程气体的释出等。底泥既是污染物的“源”又是“汇”,其具体作用形式与底泥性质、水力条件、水生态特质等有关。

城市水体污染物输入输出的关键过程影响其水质演变规律。对于设计和运行管理不当、自净能力有限的城市景观水体,氮、磷、碳等营养物质的浓度积累将引起水华暴发风险和感官愉悦度下降。

5)补水退水。

补水(如人工补水、降雨和地面径流等)和退水(排出或利用等)是调节城市水体水量和水质平衡的重要措施。合理的补水与退水可影响水体的水动力和换水周期,有利于水体水质的维系。补水中的污染物种类和浓度直接影响水体水质。

对于缺水城市,城市水体补水水源基本来源于非常规水源(如再生水、雨水等),使得景观水体污染物成分复杂(包括氮磷无机营养盐、有毒有害有机污染物、病原微生物等)。城市水体中的微量有毒有害污染物在水体中的长期积累,会对人体健康和生态环境造成威胁。

2 影响城市水体水质的关键过程

1)溶解氧补充与消耗过程。

水体溶解氧补充与消耗过程是衡量水体自净功能的重要依据,直接影响水体中污染物的浓度和存在形态的变化。

城市水体的溶解氧主要来源于大气复氧、藻类和水生植物光合作用释放的氧,受水体环境条件(温度、光照等气候条件)和水力学特征(流态、流场、流速等)等因素的影响。

溶解氧消耗过程主要涉及有机物的生物好氧分解,包括藻类等一些水生生物死亡后的淤积腐烂分解过程、无机还原性污染物的氧化等,这些过程会消耗大量的溶解氧,使得水体溶解氧浓度降低,甚至趋于零,此时厌氧细菌繁殖活跃,导致水质恶化。

2)污染物迁移与转化过程。

污染物导致水体原有物质平衡的变化,且参与水体中的物质转化和循环。有机物生物分解过程涉及溶解氧的消耗和副产物的产生,在好氧条件下,微生物可对有机物进行氧化分解(或分解代谢),同时产生CO2、硝酸根、硫酸根等副产物。

当水体有机物浓度超过水体自净能力后,消耗的溶解氧难以恢复,且伴随大量微生物的生长,溶解氧大量消耗,导致水体呈现缺氧或厌氧状态,分解产生甲烷、氨、硫化氢、有机胺、有机酸等副产物,其中氨、硫化氢和有机胺等导致水体发臭。

3)微藻生长繁殖与死亡过程。

微藻生长繁殖过程也即微藻的光合作用过程,是一个在氮磷等营养元素存在的条件下,微藻吸收光能,把CO2和H2O合成藻细胞(富能有机物),同时释放O2的过程。在适宜的温度、光照等气候条件下,较高的氮磷等营养元素会导致微藻的大量繁殖,导致水体有机物浓度的大量增加。在此过程中,虽然微藻的繁殖,使得水中溶解氧含量迅速增加,但是微藻数量超过限值时,会促使水中溶解氧浓度迅速下降。一方面大量微藻聚集在水面表层,水体悬浮物浓度增高,影响大气复氧和水中植物的光合作用;另一方面同时浮游动物的增殖导致耗氧量的增加。

大量藻类以及浮游生物死亡后沉降到水体底部,残骸的好氧微生物分解需要消耗水中的溶解氧,导致水体底层出现厌氧环境,同时引起底质中铁、锰的释放。在藻类衰亡期,将有大量的藻毒素释放到水体中,造成水体生态功能的破坏。因此,微藻的大量生长繁殖和死亡过程,也是水体有机物浓度增加、水中溶解氧减少和有害副产物生成的过程,从而导致水质恶化。

三 城市水环境治理存在的突出问题

城市水环境治理的“误区”

1水质目标“误区”

我国先后颁布了一系列水环境质量标准,其中与景观水体相关的水质标准主要有GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类~Ⅴ类水标准、GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》和GB 18921—2002《城市污水再生利用 景观环境用水水质》等。

一般情况下,当水体中的氮和总磷分别超过0.2~0.3,0.02 mg/L时,即可认为水体处于富营养化状态。如果以106个/mL的藻密度作为水华控制标准,在不考虑水体自净能力和水质保障措施的条件下,景观水体中的氮磷浓度限值应分别为1.7,0.17 mg/L。显然,仅依据水体富营养化状态定义,用于景观水体水质标准的制定依据,对氮磷浓度的限制标准过于“严格”,技术经济上难以实现。

GB 18918—2002的一级A标准和GB 18921—2002的湖泊和水景类景观环境用水标准,对氮磷浓度的限值则过于“宽松”,对于不流动或流动缓慢的浅水型景观水体仍存在很大的水华暴发风险。

GB 3838—2002的Ⅴ类水标准对氮磷的要求介于上述“严格”和“宽松”之间。然而,该标准中限定的Ⅴ类水体是指水质要求相对较低、水体生态功能相对较弱的水体。对于浅水型景观水体极易暴发水华。

综上,我国已有的景观水体相关水质标准中,氮磷浓度标准限值的科学依据不明确,多种标准并行且不统一,不利于保障城市景观水体水质。依据污染成因,制定科学合理的水质目标,是城市水环境治理的基础。

目前的一些水环境治理工程,机械套用GB 3838—2002的指标(化学指标、物理指标),或制订不合理和不切实际的水质治理目标(如达到Ⅲ、Ⅵ水体标准)等,在水质目标确定方面存在较多“误区”,未能重视“水清水活”指标,如感官指标、水体流动性和生态指示指标等。

2 时间目标“误区”

在水环境治理实践中,存在治理期限短,希望在短时间内实现治理目标的急功近利行为。短期治理行为有可能呈现一定的即时效果,但是治理后水体水质出现反弹,难以稳定保持。

水环境治理是复杂的系统工程,需要经历较长的过程。根据浅水湖泊生态系统多稳定态理论,在相同的外界环境条件下,水体生态系统有可能出现两种或多种不同的稳定状态(如清水稳态和浊水稳态),不同稳态间的转化受到诸多胁迫和驱动因素的影响,且稳态转换前后生态系统的内部结构、驱动因素和关键过程均会发生显著变化,生态系统具有明显的不可逆性。因此,对于受损水体由浊水稳态向清水稳态转变需要较长的过程。例如,荷兰Veluwe湖受污染前ρ(TP)约0.15 mg/L,经过多年的治理后湖体ρ(TP)降至约0.1 mg/L,此时湖泊仍处于浊水稳态,出现稳态转化的迟滞效应。

因此,水体的修复过程也是水质的演变过程,应当遵循水体自身的自然生态特质,将时间作为水体生态演变过程的重要因素进行设计,考虑短期治理范围、中期时间维度和长效水质维系。

3 治理措施“误区”

在水环境治理实践中,某些措施简单套用污水处理厂的思路、概念和工艺,未考虑城市水体与污水厂有本质的差别。污水厂污染物浓度水平较高、来水具有可控性,通过完善的运行管理系统实现水质达标处理。但是,城市水体的污染物浓度水平虽然相对较低,由于污染物参与水体物质流和能量流的转化与循环过程,与环境条件、水体水力学特征、生态禀赋等诸多因素之间相互影响,水质变化机制更为复杂。

对于水环境治理经常采用的技术,如岸带修复、原位净化(生态净化、化学处理和生物处理)、曝气充氧、杀藻药剂、引水冲污等,还存在较多应用“误区”,需高度重视。

岸带修复主要是采用植物、自然材料与土木工程手段,建造接近自然的生态护岸,是滨水景观的重要组成部分,以景观效果为主,可防止水土流失,但是截污效果十分有限,不能承担减污治污任务。

原位净化是在水体自身空间内采用生态、生物或化学法去除污染物和强化自净能力的方法。原位生态净化主要依靠水生植物或微生物-植物联合等方法,去除水中氮磷等污染物。部分植物和微生物可起到抑藻和控藻作用,但是水生植物的吸收作用对氮磷的去除效果甚微,很难解决根本问题,还需解决植物收割等问题。

曝气充氧(人工增氧)可避免水体出现缺氧或无氧区,增强自净能力。对于有机污染严重的水体(如黑臭水体),可以暂时缓解黑臭现象,但是单独对水体曝气充氧不能从根本解决问题,还会带来其他负面影响。如黑臭水体中存在病原微生物污染,曝气后形成气溶胶,对周边人群造成潜在健康风险。

杀藻药剂法虽然操作简单,可在短时间内取得一定的除藻效果,提高水体透明度,但是不能将氮磷等营养物质清除出水体,不具有持久净化作用。值得注意的是,除藻剂的生物富集和生物放大作用会对水生生态系统产生负面影响,长期使用低浓度的除藻剂还会使藻类产生抗药性,大规模杀藻会加剧藻毒素释放的二次污染风险。当以次氯酸作为杀藻剂时,还会产生有毒有害副产物,引起生物毒性和健康风险。

引水冲污可以提升河道或水体部分断面的水质,但是污染物只是转移而非降解,会导致外排污染物负荷增加,引起水体其它区域或下游水体污染。引水冲污与补水活水有本质区别,补水活水是为了降低水力停留时间,促进水质维系,而引水冲污并非真正意义的治水。《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》指出,严控以恢复水动力为理由的各类调水冲污行为,防止河湖水通过雨水排放口倒灌进入城市排水系统。

总体而言,要科学对待水环境问题,厘清核心问题,选择适宜技术。认识单一治理技术的工作原理、适用性和局限性;明确组合工艺的整体适宜性、协调性、长效性和最优化操作参数,并进行科学管理。

城市水环境治理的“浅区”

1 对水体水质转化机制认识的“浅区”

城市水体具有多种污染物共存、组分转化机制和水质效应产生机制复杂等特点。城市水体的水质演变受环境条件、水力学特征和生态禀赋等诸多因素的影响,受损水体水质修复与控制的难度远远高于污水厂。水环境治理“看似门槛低、进门易;实则门槛高、入道难”。系统、深入了解水体的水质特征及其演变规律和影响机制,是水环境治理的基础。

水体中氮、磷、碳等元素的赋存形态是影响其迁移转化潜势、生态效应和去除特性的重要参数。以磷元素为例,在水体中的物理形态包含溶解态磷和颗粒态磷,溶解态磷所含的溶解性活性磷(soluble reactive phosphorus, SRP)易被细菌、藻类和水生植物吸收利用,也是水华研究中被十分关注的磷形态。颗粒态磷被认为是河道总磷输送通量的主要形态,我国近海水体及浅水湖泊中颗粒磷占总磷的50%~80%。不同生态类型湖区间颗粒物性质差异明显,以太湖为例,河口区和湖心区的颗粒物磷含量高于藻型湖区和草型湖区。颗粒态磷可通过随泥沙悬浮颗粒的重力沉降而从水中迁移到底质中,如滞留塘对河水中磷的净化主要通过颗粒态磷的重力沉降实现。

水体中的磷形态在不同环境条件下会相互转化,而且即使水体中没有溶解性磷,藻细胞中存储的磷也足够支撑细胞在一定时间内进行分裂和生长,使得水中的藻密度增加。另外,沉积物中的磷会因为水-沉积物界面行为(生物作用、化学作用)和沉积物悬浮等作用而释放,从而改变水体中磷的赋存形态和分布规律。有研究发现,在一定条件下,浅型水体中的有机碳和氮的转化也会引起沉积物中磷的释放。

城市水体水质转化机制的复杂性决定了水环境治理的难度。目前的一些黑臭水体治理工程,因重治理轻保持、重短期轻长效而导致水体返黑,水质反复恶化,其主要原因就是没有系统掌握水质变化的规律和成因。系统掌握污染物的赋存形态及其分布特征,充分认识水体水质转化机制、演变规律及其影响要素对于水环境治理方案的制定、治水技术的选择和治理后水质的长效保持都非常重要。

2 对技术/工程措施认识的“浅区”

水环境治理过程中,需要根据水体污染的程度、污染原因和治理阶段的不同,选择适用技术。对于所选择的技术/工程措施需要明确目的,充分认识其定位和功能。

例如人工湿地技术,由于建造费用相对较低、运行维护简便、且具有景观效果而被广泛应用。但是,目前的一些人工湿地工程,并未起到水体净化作用,甚至由于植物的管理不当等原因而出现出水污染物浓度高于进水的情况。人工湿地工程看似简单,但是其运行性能受到诸多环境因素(季节变化、温度、溶解氧、碳氮比及植物种植与生长状况等)的影响。因此,应在明晰水生植物的适应性与水质净化能力的基础上,确定人工湿地的处理目标。依据处理目标和环境影响因素,选择适宜的湿地类型和植物种类,确定主要设计指标(如水力停留时间、布水形式、短流控制等)和运行参数。对于已建成的人工湿地,制定人工湿地的长效运行策略和管理方案,包括堵塞控制、水生植物的管理、收割与处理处置等,以保证人工湿地的正常运行。

水环境治理工程往往难以依靠单一技术实现水质的改善,需要综合全面地考虑各种不同技术的组合。但是,目前一些组合工艺的设计与运维缺乏系统性理论指导,难以实现协同净化效果。对于多个治理技术/工程措施的组合,需要针对治理目标,分析不同单一技术的定位和功能,充分发挥不同技术间的互补优势,形成协同联动的集成技术。在考虑技术方案实施后短期效果的同时,更应关注长期水质改善效果和水质稳定性,以及技术实施后对水环境和水生态的不利影响和二次污染。

城市水环境治理的“盲区”

城市水体不仅有其理化特性及其感官效应,还具有环境属性、生态属性、资源属性和社会属性等特质,并与水体水质相互作用、相互制约和相互影响。一些水环境治理工程在水体现状了解以及水质达标评价方案等方面存在诸多“盲区”。

1 对治理对象现状了解的“盲区”

缺乏环境条件对水质演变影响的了解。气候条件、水文特征和地域/地区特点等是影响水体水质演变的主要环境条件。

缺乏水体水力学特征对水质演变影响的了解。水体的水力停留时间和水动力条件(流速、流量与水体扰动等)可直接影响水华微藻细胞的生长繁殖与种间竞争,同时改变水体环境及营养盐的分布与存在形式。

缺乏对水体生态禀赋的调研。生态禀赋对于水体物质流和能量流的转化有重要影响,水环境治理需要了解水体植物群落的历史和现状,尽可能恢复本地植物群落。需要了解水体上下游、左右岸的土壤特性(如透水性、盐碱度等),了解土壤的过滤、沉降、缓冲和支持当地生物活动的功能。充分考察水体生态禀赋,有助于实现城市水体生态格局的从人工调控向自然的演化,有利于水质的稳定和长效维持。

缺乏对水质水量变化的科学统计和系统分析。城市水体水质水量变化规律是制定水环境治理方案的基本依据,在科学统计水质水量年变化、季节性变化、逐月变化和日变化规律的基础上,系统分析水质演变规律,以及环境条件、水力学特征和生态禀赋的影响,从而确定合理的治理目标。

缺乏对污染源的全面解析。治水首先要截污控源,需要对外源(点源、面源污染)污染物浓度的分布及其变化特征进行全面分析,进行水体污染物通量计算,解析各类污染物的负荷并确定其贡献,从而有的放矢地实施截污控源。另外,还需考察底泥淤积情况,水中的污染物(氮、磷,重金属等)通过沉降、水-沉积物界面作用等汇入沉积物中,在一定的条件下(如风浪扰动、底栖扰动、氧化还原环境改变等)又会向上覆水体中释放,引起水体污染物负荷的增加。

2 水质目标达标评价方法“盲区”

城市水环境治理水质目标即理化指标(COD、BOD、TN、NH3-N和TP)的达标判定检测,目前还存在一些“盲区”。

取样方案有待完善与规范。在取样过程中,需要特别注意采样点的分布和监测频率,所取水样须具有代表性和覆盖面,包括时间上的代表性、地点和空间上的代表性、数量上的代表性。对于城市水体的采样规则,可参考HJ 494—2009《水质 采样技术指导》,但是水体的采样点分布和位置(平面和断面)、采样频率的仍有待规范。

城市水体控制断面选择与采样布点应综合考虑水体位置、水面大小、水深、污染程度、周边居民区分布和经济可行性等因素。城市水体监测频率的确定应考虑水体水质、水量的季节变化特点和水体评价的需要。《城市黑臭水体整治工作指南》规定第三方监测机构可按每200~600 m间距设置检测点,但每个水体的检测点不少于3个(取样深度同本指南2.3.2)。每1~2周取样1次,连续测定6个月,取多个监测点各指标的平均值作为评估依据。

样品检测分析前处理方法和检测质量有待规范。水样在检测分析前一般要进行过滤、浓缩或纯化等预处理。如何去除水样中悬浮物质的影响,需要明确和规范。常用的过滤法在滤纸/滤膜材质的选择、滤膜孔径的选择目前还不规范,导致水体溶解性污染物的测定存在较大的不确定性。此外,水质监测取样到监测和数据分析都应该遵守严格的工作流程,检测分析要求和监督环节有待健全。

水质数据的计算依据有待规范。污染物浓度分为瞬时浓度和平均浓度。平均浓度又分为日平均浓度、月平均浓度和年平均浓度。瞬时浓度指某一时间采取到的浓度,该浓度具有随机性,一般不能代表污染的整体水平。但是,具有一定时间跨度或空间覆盖面的若干个水样的瞬时浓度,可以在一定程度上表征污染的趋势或状况。平均浓度掩盖了较多的水质信息,难以客观、全面的反映水质情况。城市水体的水质目标达标评价的取样数量和计算依据还有待考量和规范。

四 城市水环境治理的基本措施与长效模式

城市水环境治理的基本原则

明确目标、找准关键:明确要达到的水质治理目标,包括分期分阶段目标。为了保证治理措施的科学性和可操作性,事先的污染成因分析和重点治理对象的确定是前提和基础。

因地制宜、综合施策:根据水体污染的程度、污染原因、水文水质特征和治理目标,制定有针对性的、技术可行、科学合理的综合治理措施。

立足长远、确保长效:综合考虑城市水系统建设、区域水循环体系构建和水生态安全保障进行规划和设计,以确保长效性。

城市水环境治理的基本措施

1)截污控源。

截污控源措施是为了防止外来的各种污染物直接或随雨水排入城市水体,主要包括截污纳管和面源污染控制。

截污纳管也即建设和改造水体沿岸的污水管道,将污水截流纳入到污水收集和处理系统,从源头上削减污染物的直接排放。截污纳管是避免水体污染最直接、有效的措施,但管道施工的难度和投资较大,实施周期长。《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》指出,当前需要加快城市生活污水收集处理系统“提质增效”、削减合流制溢流污染和强化工业企业污染控制。

面源污染主要来源于雨水形成径流中含有的污染物,主要控制技术措施包括低影响开发(LID)技术、初期雨水控制技术和生态护岸技术等。技术的选择需依据当地地表径流污染特性,加强管理,减少路面垃圾;根据水体污染物负荷(如氮、磷负荷)削减量,选择合理的污染控制措施,可结合海绵城市建设统筹实施。

2)补水活水。

补水活水是水环境治理和水质维系不可或缺的措施,其作用是保障生态用水,缩短水体水力停留时间,提高水体流速,增强水体复氧能力。补水活水措施包含清水补给、再生水补给和水动力保持技术等。

清水补给是通过引流清洁的地表水对治理对象水体进行补水,促进污染物输移、扩散以维系水质,适用于滞留型水体、半封闭型及封闭型水体水质的长效保持。清水补给的目的是维系水质,而非污染治理。

再生水补给是城市污水经过处理并达到再生水水质要求后,将其排入治理后的城市水体中,以增加水体流量和减少水力停留时间。对再生水的水质要求需要根据水体的环境条件、水力学特征和生态禀赋进行考量。再生水作为城镇稳定的非常规水源,是经济可行、潜力巨大的补给水源,应优先考虑利用。该措施不仅适用于缺水城市或枯水期的水体治理,也适用于丰水城市水体透明度的提升和水质长效保持。

水动力保持是通过工程措施提高水体流速,以提高水体复氧能力和自净能力,改善水体水质。该措施适用于水体流速较缓的封闭型水体。

3)生态修补。

生态修补即通过生态修复和水域空间增补措施,提高城市水环境的自净能力,为城市内涝防治提供蓄水空间;同时增加城市滨水空间,营造岸绿景美的生态景观。

生态修复措施主要包括水华藻类控制和水生生物恢复,适用于营养盐水平较低水体的水质长效保持。黑臭水体水质改善后,经常会遇到水华藻类暴发问题,因此控制水华藻类是实现水质长效保持的必要措施,需要采取综合措施进行控制。水生生物恢复即利用水生植物及其共生生物体系,去除水体中的污染物、改善水体生态环境和景观,需考虑不同水生生物的空间布局与搭配。该措施适用于小型浅水水体。

空间增补是通过恢复干枯河道、建设人工湿地、氧化塘、河湖景观水系等措施,增加城市水域空间,提高水环境总体容量。

4)亲用促管。

亲用促管是通过亲水设施建设和亲水活动开展,以及城市水体的利用(如作为城市第二水源),提高对水体水质保持的重视和保护,通过有效的机制和制度,实现水质的长效管理。

城市水体应在遵循自然规律的基础上,最大限度的发挥其社会属性和资源属性,通过亲水利用促进对水体水质保持的重视和保护程度。将城市水体作为水的社会循环的重要节点,使其发挥水的输配和城市水源功能,利用于工业、生活和农业用水,这样既可缓解解决城市水资源危机,又能实现城市水体水质的长效保持。

城市水环境治理的长效模式

城市水环境问题的根源在“污水”,在于如何看待污水和如何对待污水。污水再生处理与循环利用是破解经济发展需求与水资源短缺、水环境污染和水生态破坏之间的矛盾的有效措施。

水的生态耦联循环是城市水环境治理的长效模式,是在遵循水社会循环过程科学规律的基础上,以城市污水再生处理为节点,将城市水体作为重要生态媒介和“生态水场”,使再生水通过人工湿地、河、湖等自然储存和净化后,转化为具有生态属性的水资源,再进行循环利用。

水的生态耦联循环模式以再生水的“自然储存、生态净化、梯级利用”为核心,既保证了生态用水,提高了水环境质量,又净化了水质,增加了城市水资源,是一箭多雕的可持续模式。在这种模式下,污水厂和再生水厂的规模和布局,应根据水环境治理和再生水利用需求进行分布式布局。城市水体人工调控应以生态学理念为指导,尊重城市水循环的整体性,既发挥水质净化作用,又发挥其再生水储存、输配和水量缓冲、均衡的作用。将城市水体作为第二水源,保障稳定供水,通过后续的工业、生活、农业梯级利用[36],缩短停留时间,促进水体循环。这样解决了工业和生活用水与生态用水间的矛盾,兼顾了各种需求,可实现水的良性循环和健康循环。

综上所述,综合考虑城市水体环境条件、水力学特征和生态禀赋,水的生态耦联循环可最大限度的实现城市水环境的长效治理和可持续维系。

五 结语与展望

城市水体是一个极其复杂的生态系统,水环境治理是一个复杂的系统工程。为了保障水环境治理措施的科学性、可操作性和治理效果的长效性,应避免“头痛医头,脚痛医脚”行为,重视“综合解决方案”的制定和实施。应充分发挥科技的力量,从城市水系统、区域水循环和水生态安全保障的高度进行城市水体综合治理,实现科学治水、理性治水、长效治水。

1)城市水体功能定位的拓展转变。

城市水环境治理要充分遵循水的自然属性和社会属性。城市水体的功能定位需要从景观娱乐和生态功能向水的社会循环重要节点拓展。在遵循自然规律的基础上,从环境、生态、资源、社会、经济等多维角度审视城市水体,将水体定位为城市水资源,即具有水质净化和水量储存等功能的“城市第二水源”,有利于实现城市水体的长效治理。对于缺水城市,再生水的景观环境利用不再是终极利用目标,而是通过城市水体的自然储存和生态净化,再次进入水的社会循环。

2)城市水环境质量标准的科学制定。

目前我国城市水环境治理的水质目标主要参照GB 3838—2002中的Ⅲ类~Ⅴ类水标准,以及GB 18918—2002、GB 18921—2002和一些地方标准,缺少针对性。城市水体的功能与天然河流、湖泊有显著的差别,符合城市水体特点和功能定位的、科学合理的水质控制目标有待研究和制订。

目前的水质目标仅给出了COD、BOD、TN、NH3-N和TP等污染物综合指标对感官、生态、健康效应等指标关注不够,存在与公众感受脱节和与生态安全脱节等问题。

一方面,标准与公众的感受脱节。理化指标与感官指标,即公众的感受脱节。理化指标达标,并不意味着感官指标变好和满足了公众需求,因此需要重视感官指标。另一方面,标准与生态安全脱节。常规指标达标,并不意味着水质安全,需关注水的生态和健康效应指标。

3)城市水环境治理目标的矛盾转化。

黑臭水体治理是目前城市水环境治理的重点和难点。但是,在黑臭水体得到有效消除之后,城市水体将面临突出的水华问题,水环境治理的重点和难点也将向水华治理转变,需要提前布局研发,储备相应的技术。

在黑臭水体中,由于缺少光照、高浓度有机物的抑制作用,微藻难以生长,一般不发生水华。但是,黑臭治理后,水体的氮磷浓度仍会保持较高的浓度,微藻将容易生长,引起水华爆发。藻类死亡/细胞溶化将促使有机物浓度升高,进而导致水体黑臭。水华治理的成败,也关系到治理后水体是否返黑返臭和能否长期保持。

4)城市水环境治理的长效模式。

城市水环境治理需要从政府、专家、企业、公众各个层面树立科学的城市水环境质量观和治理观,充分考虑相对质量与绝对质量的辩证关系、污染治理与水质效应的耦联关系、水质保障与维系时限的演变关系。

城市水环境问题的本质是水资源利用和城市水循环系统建设问题。水的生态耦联循环,是解决水资源短缺和水环境问题的可持续措施,需要加强实践和大力推广。


原标题:胡洪营教授 | 城市水环境治理面临的课题与长效治理模式

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