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典型发达国家合流制溢流控制的分析与比较

北极星水处理网  来源:中国给水排水    2020/7/30 10:05:58  我要投稿  

北极星水处理网讯:摘要:选取长期实施合流制溢流控制,并有一定区域代表性的发达国家——美国、日本、德国,梳理其合流制排水系统改造及其溢流控制的发展历程、主要管理政策与技术策略,剖析了美国、日本、德国在合流制溢流控制的长期实践与发展过程中,针对合流制系统问题的认识、施策手段与技术策略选择等方面所呈现出的共性与差异,以期为我国不同区域合流制排水系统特征条件下的CSO控制提供借鉴。

关键词:溢流污染;合流制溢流控制;合流制排水系统

从世界范围看,合流制溢流(CSO)控制是国际上许多国家都长期面临的重大问题,有些已经较好地控制了溢流污染带来的影响,有些仍然深受其困扰并还在摸索之中。其中,美国、日本、德国均较早系统性地开展了合流制排水系统改造与溢流控制的相关工作,并已取得了一定成效,总体上代表了不同区域典型发达国家对CSO问题的认识与控制水平。为此,梳理美国、日本、德国城市合流制溢流控制的主要发展历程与策略,分析这3个国家在长期实践过程中所取得的共性经验与教训,以及策略选择的差异,对中国不同区域合流制排水系统特征条件下的CSO控制是重要的参照。

1. 美国合流制溢流控制的发展历程与策略

美国大量城市合流制管网建设于19世纪后期与20世纪早期。从20世纪中后期开始,美国各城市在开发建设过程中,合流制排水系统的溢流污染问题逐渐突显。随即,美国国家层面提出CSO控制的相关要求,各城市根据地方特点长期开展溢流控制相关工作,至今已有50余年。联邦政府和各地政府投入巨额资金,实施大量系统性改造工程,至今已经有效减少了溢流污染的排放总量,大幅降低了溢流污染的危害,但针对大量保留城市合流制系统的区域,仍在持续开展溢流控制的相关工作。

1.1 发展历程

通过梳理美国联邦政府多年来发布的CSO控制相关立法与政策、重要研究报告,以及各地在执行过程中的实际响应与反馈情况,分析美国合流制溢流控制的总体发展历程。

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美国EPA提交国会的CSO控制报告

1965年,美国联邦水污染控制法(Federal Water Pollution Control Act)首次在联邦法规层面提出控制合流制溢流污染,并要求各地推进开展CSO控制的相关研究与工程示范。1972年,美国联邦水污染控制法的修正案即清洁水法(Clean Water Act)发布,逐步建立国家污染物排放(NPDES)许可证制度,并将CSO纳入排放许可的点源污染管控要求。但在20世纪70年代,大量美国城市点源污染控制的重点工作在于城市污水处理厂的扩建与二级处理工艺的提升改造,对CSO控制的重视程度仍不足。

20世纪80年代,合流制溢流污染带来的危害愈发突出,美国环保署(EPA)开展了多项针对合流制溢流污染特征的相关研究,发布系列研究报告,芝加哥、旧金山、明尼阿波利斯等城市也开始实施CSO控制的相关工程。1989年,美国EPA发布国家CSO控制策略,重点提出了6项基本控制措施,包括:① 合规、合理的运维管理策略;② 最大程度利用管网系统的能力;③ 评估和提升预处理能力;④ 最大限度地截流至污水厂处理;⑤ 严禁旱季溢流;⑥ 控制CSO中的悬浮物和颗粒物,以此作为各地申请CSO排放许可的基本技术要求。

20世纪90年代开始,美国各城市依据国家CSO控制策略要求,开展CSO控制工作,但在执行过程中却引发了诸多争议。一方面国家层面联邦政府高度关注CSO污染的危害,推进对CSO的控制;另一方面,由于不同城市合流制系统本身及其改造条件差异较大,各城市具体负责CSO控制的市政职能部门又普遍认为国家层面CSO控制策略的可实施性与指导性仍不足。基于此,美国EPA于1992年又专门组建了咨询委员会(MAG),以协助EPA完善国家层面CSO控制的总体策略,并进一步讨论CSO控制的实施周期与投资等问题。委员会成员不仅包括EPA工作人员,还包括不同城市的管理者,以及相关技术协会的技术人员等。通过反复讨论,1992年,国家CSO控制策略在原6项基本控制措施的基础上又增加了CSO污染问题的现场探查与监测、污染的预防、CSO重点影响区域的划定3项要求。同时,考虑到CSO控制的复杂性和长期性,提出在国家层面建立CSO控制的统一框架,给予各城市一定的灵活性来制定适用于当地最经济有效的控制策略。随即在1994年,EPA在1989年CSO控制策略基础上进一步发布国家层面的CSO控制政策,该政策成为美国CSO控制的一项重要纲领性文件,沿用至今。

2000年,美国国会发布了清洁水法的修正案,即雨季水污染控制法,要求各地合流制排水系统排放许可的申请要遵循CSO控制政策的相关要求。制定9项基本控制措施(取代CSO控制策略中的6项基本措施),并需结合各地具体条件编制CSO长期控制规划(LTCP)。考虑CSO控制系统构建的复杂性,各地编制的CSO长期控制规划的实施期限一般为10~20年,并定期进行评估与优化调整。

进入21世纪后,绿色雨水基础设施受到广泛关注,2007年美国EPA正式发布声明推广绿色基础设施缓解CSO问题,并鼓励将绿色基础设施纳入CSO长期控制规划,“灰绿结合”逐渐取代传统的灰色基础设施控制理念。

1.2 合流制系统改造与溢流控制策略

1.2.1 “合改分”的决策选择

根据美国环保署2004年提交国会的针对合流制排水系统的研究报告,美国现存合流制排水系统的城市分布在32个州,主要位于美国东北部的五大湖区,以及西部发展较早的部分地区,总服务人口约4000万人,合流制管网总长约22.5×104 km。通过从污染物总量削减效果、投资金额、建设周期、改造难度与可行性等多方面综合比较,这些城市大部分没有选择进行大范围的“合改分”工程,而是转向对合流制溢流污染进行有效控制。

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其中,纽约、芝加哥、费城等大型城市合流制排水系统服务范围占排水系统总服务范围的比例均超过60%,旧金山等城市甚至超过90%,这些城市若要实施全面的“合改分”投资巨大,耗时极长,从技术经济最优和可行性的角度,通常选择保留大部分区域的合流制排水系统,通过综合措施控制溢流污染问题,部分区域可结合区域更新改造实现局部的“合改分”。

即便部分城市的合流制区域占比较小,也必须对整体改造效果、难度和可行性进行全面分析。例如,亚特兰大市合流制排水系统服务范围总体占比不足15%,但几乎全部位于城市最高建设密度的中心城区。其在制定CSO长期控制规划时对“合改分”的可行性和预期效果进行了评估分析,如果对80%的合流制区域进行分流改造,且同时需要对雨水径流污染进行控制,与保留合流制系统新建调蓄和处理设施对CSO污染进行控制的方案进行对比,前者的总投资约是后者的2倍。因此,最终亚特兰大市未选择全面实施“合改分”,而是采用部分区域“合改分”与溢流污染控制相结合的综合方案。

值得注意的是,也有极少数城市由于其具备特定的改造条件,几乎全面实现了“合改分”。美国明尼苏达州的明尼阿波利斯市就是美国极少数通过长期全面推进“合改分”来解决合流制溢流问题的成功案例。该市合流制区域面积约15km2,约占城市总面积的10%,面积较小。19世纪50—60年代,在联邦政府发布的《示范城市与大城市发展法案》的影响下,明尼阿波利斯城市管理部门大规模推进“城市重建”工程,占市中心面积约40%、跨越25个街区的区域内约200座建筑被夷为平地,对近600英里(1英里≈1.6 km)城市街道全部进行重建,其间同步实施排水系统的改造与新建,是其决策全面实施“合改分”的重要基础条件。1986年,该市实施CSO控制项目,通过技术经济分析得出,若沿用并改造原有合流制截流干管,同时升级污水厂达到CSO控制要求,其总投资要远高于雨污分流改造,随即加快推进“合改分”。至1996年,通过10年实现95%的合流制区域基本完成改造,剩余的5%位于城市中心城区,至2007年基本全部完成改造,虽仍剩余8个沿河溢流排口,但近10年均未再发生溢流事件,改造总历时近50年。

1.2.2 合流制溢流的控制策略

CSO长期控制规划需要首先明确当地CSO具体控制目标。CSO控制政策提出长期控制规划中CSO控制目标可以通过“推定法”与“实证法”确定,推定法即综合水环境保护要求与技术经济分析等,提出可实现的CSO控制水平,常以CSO总量控制或频次控制为目标;实证法则需要进一步明确与水体水质控制指标的关系,例如针对受损水体,需制定最大日负荷总量(TMDL)计划,明确合流制溢流污染负荷需达到的削减要求。

在确定CSO控制总体目标后,根据不同类型措施的溢流污染控制效果、实施可行性、投资金额,综合确定具体的溢流控制策略,涉及管网、污水厂、CSO分散处理设施、CSO调蓄设施与源头减排等各子系统控制标准的综合衔接与系统决策。美国EPA在2001年提交国会的研究报告中,对全国439个地区CSO长期控制规划进行统计,分析了不同类型技术措施的应用占比,结果如表1所示。

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由表1可以看出,管网系统的分流改造(包括完全分流和不完全分流)是应用最为广泛的技术措施,需要指出,这里的分流改造并非整个城市范围的全面“合改分”,而是作为技术措施的一种,大部分城市均在适宜区域进行了局部改造,以尽可能减少雨水径流入流对合流制管网系统的影响。

此外,对管网系统的优化是应用最多的设施类别。在“9项基本控制措施”中便要求城市合流制区域首先应充分利用管网与污水处理厂的控制能力。1994年,美国EPA发布针对合流制区域污水处理厂的“混合”政策,即在达到一定排放标准要求的前提下,允许暴雨时,超过污水厂二级处理能力但未超过一级处理能力的雨污水,只经过一级处理单元处理后与二级处理单元出水混合,经消毒处理后排放。考虑到大量城市污水处理厂位于郊区,有较为充足的空间条件可以建设雨季来水的调蓄设施及一级强化处理设施,基于此,部分城市选择尽可能发挥管网的截流能力与污水处理厂的综合处理能力,由此形成的“大截流系统”在美国合流制溢流控制中具有一定的代表性。以西雅图市West Point污水处理厂服务的合流制区域为例,污水厂一级处理单元最大处理能力匹配的截流倍数约为4,二级处理单元最大处理能力匹配的截流倍数约为2。

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绿色基础设施近年来被广泛关注,其在减少合流制系统雨水径流入流的同时,又发挥了对雨水径流的净化、下渗回补地下水等多重效益,同时与新建管网系统相比,可部分减少工程实施成本。2007年,美国EPA发布声明,推广结合绿色雨水基础设施控制CSO。多个城市在其CSO长期控制规划的修编中,也相应补充了结合绿色基础设施的实施方案。费城在2009年重新编制了CSO长期控制规划,更名为“绿城清水”计划,重点推进绿色基础设施控制CSO污染,绿色设施投资占比超过65%;芝加哥于1972年开始实施深隧与调蓄水库计划(TARP),预计于2029年完全完工,届时实现溢流频次削减超过90%,2014年,芝加哥市政府发布绿色雨水管理战略,推广绿色雨水基础设施,预期通过绿色基础设施结合深隧与调蓄水库,可基本完全消除芝加哥市408个溢流口的雨季溢流。

1.3 小结

综上所述,美国在逐步认识合理推进合流制溢流控制的过程中,主要体现的特点和经验包括:

① EPA始终作为主管的责任部门,持续推动国家层面针对CSO控制的立法、政策和相关管理要求,明确CSO作为重要点源污染进行管控,为制定区别于城市污水与雨水径流污染的控制要求,开辟了可行性通道;

② 从CSO国家策略中比较宽泛的控制要求到后期更综合的控制政策的制定,既有国家层面总体的统一控制框架,又强调了各地条件的巨大差异,各地具体采取“因地制宜”与“经济高效”的对策;

③ 绝大部分城市仍然保留并沿用了合流制系统,未全面推行“合改分”,重点控制溢流污染,局部区域的分流改造作为综合技术措施的一部分纳入总体方案时予以考虑;

④ 强调合流制溢流控制的长期性与复杂性,以“9项基本控制措施”与“长期控制规划”为主要手段,并建立分期实施与优化调整机制,避免走弯路和付出额外的代价;

⑤ 技术策略上“大截流系统”在美国部分城市有一定代表性。近年来,多个城市推广绿色雨水基础设施与CSO控制的结合,通过“灰绿结合”,实现总体方案在技术经济上的优化。

2. 日本合流制溢流控制的发展历程与控制策略

日本城市的合流制排水系统大多是20世纪60年代以前建设,70年代后期大规模城市化过程中,新建城市基本采用分流制系统。据日本下水道协会1999年的统计资料显示,日本采用合流制排水系统的城市共195座,涉及城市类型分布详见表2。其中,人口超过100万人的城市有11个,例如,东京与大阪均保留有大范围的合流制区域(占比均超过80%)。从20世纪80年代开始,日本推进对合流制溢流的控制,至今也经历了近40年的发展。

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延伸阅读:

美国合流制溢流污染控制经验及借鉴思考

中国城市合流制及相关排水系统的主要特征

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