王浩院士：黑臭河道治理关键技术及其应用

杰沃科技

原创 王浩,孟现勇,等 人民长江 

黑臭河道是城市环境整治中的一块顽疾。当前,黑臭河道治理相关综述主要集中于工程技术手段梳理,视角较为局限。

从流域水环境治理宏观视角切入,指出了当前我国传统水污染防治方案的缺陷,并以“自然-社会”二元水循环理论为基本框架,从源头减排、过程阻断、末端治理三方面系统梳理了黑臭河道全过程防控关键技术与实践。

基于流域水污染综合治理原则,从宏观视角、理论基础及系统设计方案三个方面对城市黑臭河道治理进行了深入浅出的阐述。

关键词 黑臭河道; 水污染系统与机理; 水环境; 水生态文明建设 

作者简介 

王浩,男,中国工程院院士,博士。单位: 中国水利水电科学研究院, 主要从事水文水资源、水资源配置及黑臭河道治理等研究。E-mail: [e-mail]

通讯作者 

孟现勇,男,副教授,博士。单位: 中国农业大学, 主要从事大气水文耦合及黑臭河道治理方面的研究。E-mail: [e-mail]

基金项目 

国家自然科学基金青年基金项目(41701076)

城市水体是城市生态系统的重要组成部分,具有水体循环、水土保持、水质涵养、改善城市气候等多种功能[1],对构建整体健康人居环境及维护生态平衡具有重要意义。

近年来随着我国城镇化和工业化的高速发展,人口与产业的高度聚集带来了排污量的剧增,但我国城市环境基础设施建设和管理相对滞后[2],传统水污染防治思维存在较多的局限,无法有效遏制污染扩大的趋势。大量未经处理或未达标的污染物直接排放进河道,完全超过了水体的自净能力,造成河道出现季节性或终年黑臭现象[3]。黑臭河道极大地破坏了区域生态系统,严重影响了人民正常生活和健康人居环境,所以针对黑臭河道的综合整治刻不容缓。

鉴于黑臭河道治理问题的严峻性和紧迫性,一系列相关政策文件相继出台。2018年中共中央、国务院印发的《关于全面加强生态环境保护 坚决打好污染防治攻坚战的意见》中明确指出[4]:打好城市黑臭水体治理攻坚战,到2020年,地级及以上城市建成区黑臭水体消除比例达90%以上。鼓励京津冀、长三角、珠三角区域城市建成区尽早全面消除黑臭水体。

根据生态环境部公布的2019年统筹强化监督(第一阶段)黑臭水体专项排查情况来看[5],全国共有77个城市黑臭水体消除比例低于80%,19个城市消除比例为0%,治理工作虽然取得了一定成效,但黑臭水体治理不平衡、不协调的情况依然突出,治理任务依然十分繁重。

黑臭河道之所以是城市环境整治过程中的一块顽疾,主要因为其成因复杂,影响因素众多,单一治理手段效果有限,这也是目前水污染治理的难点所在[6]。相关黑臭河道成因的研究指出:

外源污染是致使河道黑臭的主要原因,外源污染包括城市污水、工业废水、合流制溢流污水、村镇污水和地表径流等。这些污水、废水中的糖类、蛋白质、氨基酸、油脂等有机化合物分解过程中会消耗大量的溶解氧,造成水体缺氧,同时厌氧微生物大量繁殖并分解有机物从而产生大量致黑致臭物质,致使河道发黑发臭[7]。

内源污染是导致河道黑臭的另一原因,内源污染一部分来源于吸收污染的水生植物腐败分解再次释放污染物,另一部分来源于污染水体中有机物和氮、磷污染物通过沉淀或颗粒物吸附而聚集在底泥中,在外力扰动的情况下底泥再悬浮,向水体释放污染物和CH4、H2S等气体物质,导致河道黑臭[8]。

此外水动力条件和水温也是影响河道黑臭的相关因素。河道水动力条件不足,流动性弱,径流量降低,水循环不畅等易导致河道中藻类迅速繁殖,进一步引发水质恶化及河道黑臭现象。工厂排放的冷却水,污水处理厂废水等排入河道会引起局部乃至整体水体温度升高,促进有机物分解过程,从而降低溶解氧,加速黑臭过程。

目前关于黑臭河道治理关键技术与实践的相关研究主要集中于如何运用工程技术进行河道治理,包括外源减排技术、内源控制技术、河流水质净化与生态修复技术等[6,9]。但需要指出的是,黑臭现象实质上是水污染在河道中的极端化表现,黑臭河道治理问题本质上是水污染治理问题,其现象发生在水中,而真正的原因都在陆域。通过对陆域污染的溯源,可以将污染分为点源污染和面源污染。

点源污染主要指未经处理或未达标处理的工业废水和生活污水直接排放入河,以及老旧城区雨污合流制管道溢流入河造成的污染。

面源污染主要指降雨冲刷地表、土壤所带来的污染负荷,还包括河岸垃圾、农业耕作、畜禽养殖废水等产生的污染物也随雨水一同进入河道,造成水体污染。

在此基础上进一步探究污染成因,可以发现农业污染的产生与种植过程中的过量化学元素投入及养殖过程中畜禽粪便的不当处理存在密切关系[10]。

工业污染的产生与生产流程管控、生产工艺使用均密切相关。例如,造纸工业使用碱法制浆工艺所产生的黑液具有强碱或强酸性、含大量的固体悬浮物及有机污染物,如未加治理直接排放将对水体造成严重破坏[11]。

通过以上层层溯源可以梳理出陆域污染从产生到扩散,并最终排放入河的复杂污染体系。

针对陆域污染体系,以及延伸所形成的河道内源污染,如果仅将黑臭河道治理的重心落在工程技术突破上,而缺少从水污染全过程防控视角进行系统设计,那么极易引起黑臭现象的反弹和复发,无法达到长期稳定的治理效果。

本文提出应将黑臭河道治理问题放到流域水环境管理的大框架下进行思考,以流域为基本单位,以“自然-社会”二元水循环为基础理论框架,对水污染全过程进行系统设计,推动多方面综合治理,如此才能真正达到有效治理黑臭河道的目的。

鉴于目前相关研究缺乏宏观视角切入且系统性论述较少,为了厘清黑臭河道治理困境,本文从流域水环境治理的视角出发,指出我国水污染防治传统方案的不足,提出水污染防治的理论基础及原则,从源头减排、过程阻断和末端治理三方面系统性梳理黑臭河道治理关键技术和实践,为黑臭河道治理和流域水污染防治提供宏观视角、理论基础及系统设计方案。

1 我国传统水污染防治解决方案的不足

1.1 污水排放标准不适合我国国情

“达标排放”是中国水环境事业和环境管理的基石,一切管控和治理行为都围绕着排放标准来进行,但我国现行排放标准还存在较大问题,本身不具备科学性。

首先,污水排放标准和水环境质量标准之间存在无法衔接的问题。以城镇污水排放标准为例,GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[12]规定排入Ⅲ类水执行一级B标准,其COD浓度为60 mg/L,但按照GB 3838-2002《地表水环境质量标准》 的规定,Ⅲ类水的COD浓度为20 mg/L,排水水质是环境水质的3倍,污水排放标准远低于水环境质量标准[13],其结果只会与水环境治理目标背道而驰。

然后,现行排污标准的制定存在照搬欧美标准以及执行灵活性较为欠缺的问题,没有考虑到不同水体承载力、不同地域水环境保护的具体要求。例如,我国目前城镇污水排放一级A标准规定TN排放不超过15 mg/L,TP排放不超过0.5 mg/L,但湖泊发生富营养化的临界条件仅为TN>0.2 mg/L,TP>0.02 mg/L,那么即使当地排放全部达到一级A标准,仍会对水体造成严重的危害,所以对于湖泊这类脆弱水体应制定更为严格的地方排放标准。

进一步研究中国实际排放情景可以发现,同样100 km河道,欧美国家只有3～5家工厂,对我国经济发达地区而言,同样长的河道至少有300家工厂,多则达到500～600家工厂。那么即使每个工厂都严格达标排放,该段河道产生的污染物总量也将是欧美国家的上百倍,入河的污染物量远超过河道水环境容量,水体自然从Ⅴ类水体恶化至劣Ⅴ类水体甚至更为恶劣,这就是未考虑实际国情所造成的后果。

虽然中国与欧美国家实际排放情景存在较大的差异,但欧美现行污水处理排放标准体系构建仍具有值得学习和借鉴之处。例如美国现行市政污水处理排放体系分为TBELs(Technology-based Effluent Limitations,TBELs)和WQBELs(Water Qulity-based Effluent Limitations, WQBELs)两套体系。TBELs通过研究现有技术能够达到的污染物处理水平,设置了一个出水水质的最低限度。而WQBELs是各州通过规定受纳水体应要达到的水质要求,从而反推设定的排放限额,设计污水处理厂的排放标准。二者协同作用以达到维持或改善水环境质量的目标[14-16],其中根据受纳水体承载力反推排污限额的思路和所使用的的技术手段值得重点关注。

对我国来说,要想有效治理黑臭河道,首先必须改变现有模糊的排放标准,从河流的水体功能出发确定水质等级和河流水环境容量,利用实际的污水排放量减去水环境容量得到污染物的消减量,再将该消减量分配至每个排污口,进一步共享规范排污口陆域各厂的排放。同时根据不同的河道环境情况进行量化管理,真正实现不同地区、不同河道因地制宜分类治理,进而形成符合我国黑臭河道管理现状的污水排放标准。

1.2 超标排污收费制定不合理

排污标准是水环境管理的基石,超标排污收费即为促进减排行为的杠杆,通过污染者付费原则以及超标排污需要缴纳相应罚款来促进污染者自我控制污染行为在一定限度之内。但我国目前超标排污收费存在对应污染物偏少以及收费偏低的问题,不能够很好地转化为实际减排动力,从而实现控污减排的目的。

2018年1月1日《中华人民共和国环境保护税法》正式生效,同时宣布废止2003年颁布的《排污费征收使用管理条例》,环境保护税法成为我国现行水污染物排放的收费依据[17]。环境保护税中规定水污染物每污染当量税额为1.4～14.0元,根据附表《应税污染物和当量值表》进行征收。问题在于此表直接沿用的是《排污费征收使用管理条例》中所附的污染物种类及相应当量值,这些污染物种类和量值制定于20世纪90年代,已经不能适应当前的水污染物排放状况,有许多对环境和人体危害严重的新兴污染物并没有入表而免于征税。

如印刷厂排放的非甲烷总烃,生活垃圾处理排放的二噁英、多氯联苯、二甲基酰胺等污染物均未纳入表中[18],存在大量的监管空白区需要进一步优化和完善。

另一方面部分地区制定的环境保护税额较低,不能反映环境改善的需求以及有效推动企业进行治污减排。有研究[19]根据2018年各地区地表水Ⅰ～Ⅲ类水质断面比例与水污染税率的比较指出,辽宁、吉林、内蒙三地Ⅰ～Ⅲ类水质断面比例分别为全国倒数第一、倒数第三和倒数第六,但其征收的水污染物每污染当量税额仅为1.4元,是征收标准中的最低水平,从全国来看有近一半的省份均按照环境保护税最低标准进行征收。

低税额带来的问题是守法成本和违法成本的巨大差距,无法推动企业主动升级清洁生产技术,加强污水排放处理,进而形成“积极缴费,消极治污”的尴尬局面。所以应尽快完善应税污染物和当量值,将更多对环境和人体具有危害的污染物纳入监管和征税体系中,并提高部分地区排放水污染物每污染当量税额,倒逼企业治污动力的提升以及产业技术升级。

1.3 污水处理效率有较大提升空间

排污标准和收费分别提供的是规范和杠杆,在实际的污水处理中,部分的污水输送到城镇的污水处理厂进行集中处理,此过程涉及到污水的输送、处理和排放,是从社会水循环进入自然水循环的关键一步。但目前我国污水管网的铺设严重滞后,管网的覆盖率及正确的接管率均很低。一部分老城区仍使用合流制排污系统直排污水,新城区虽然开始使用雨污分流制,但由于市政管网的复杂性和施工质量问题,普遍存在错接漏接现象,部分区域还存在截流设备河水倒灌,沿河企业、居民偷排污水的情况,导致污水不能得到有效的处理,加速河道水质恶化[20]。

我国污水处理厂在建设运营中也存在一些不足,包括污水处理厂的建设在区域间分布不均、污水处理率有待提高、污水处理设施运行负荷率较低以及污水处理单位水量电耗偏高等问题[21],需要推动进一步的提标改造和技术升级。截至2019年底,已有2 913座污水处理厂按照GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》 一级A标准进行排放。太湖流域污水处理厂通过一级A提标改造后显著提高了污染物削减总量,促进了流域水环境的改善。但即使完成了提标改造,在实际运营中仍发现由于进水水质、水量过低造成了活性污泥难以正常生长繁殖,处理效率降低,以及部分功能单元不能发挥对应效果等问题[22]。因此污水处理厂的整体建设和技术升级方面还有待进一步提高。

此外,从管理层面而言,污水处理厂仍缺乏严格的监管体系。许多污水处理厂为了节省成本,跳过二级生化处理步骤,沉淀曝气后直接排放,更有甚者对污水不加处理直接排放进入河道,只有监管检查之前才进行突击治理,甚至利用自制的污水假冒样本来哄骗监管部门以及第三方监测机构,因此针对性的监管方法和管理体系有待进一步的完善和严格化。

1.4 总量控制缺乏系统设计

我国的水污染控制经历了以排放标准为核心的浓度控制阶段到以污染物排放总量为核心的总量控制阶段[23]。1996第一次修订的《中华人民共和国水污染防治法》第十六条[24]规定:“省级以上人民政府对实现水污染物达标排放仍不能达到国家规定的水环境质量标准的水体,可以实施重点污染物排放的总量控制制度,并对有排污量削减任务的企业实施该重点污染物排放量的核定制度。”2018年第三次修订的《中华人民共和国水污染防治法》第二十条[25]指出:“国家对重点水污染物排放实施总量控制制度”,并进一步明确了相关要求和程序。污染物总量控制制度提出至今已经历了二十余年,国家投入了大量的资金、技术力量和政策进行配合,但就目前来看治理效果而言并不如人意,我国大小水体污染情况较为严重,恶性污染事件仍然频发。需要指出的是,总量控制是水污染防控链条中重要的一环,并且其本身就是一项系统工程,但目前从防控全过程链来看,总量控制的上下游环节均存在漏洞,且总量控制方案设计中也存在水污染物总量控制指标不合理、总量控制项目存在缺失和错位、总量控制与排污许可脱节等问题,不能够有效地形成污染治理合力[23,26-27]。因此未来的总量控制制度应往精细化、规范化、严格化的方向进一步加强完善系统设计,从流域水污染治理角度进行防控链条的全过程打通。

2 水污染防治的理论及原则

2.1 流域水循环理论及综合治理原则

治理水环境首先应确定治水的基本单元,其次应明确基本单元内的水循环结构,以此为基础进行治污规划和科学决策。水循环是驱动水污染迁移转化的动力条件,而流域是水循环的基本单元,这就意味着水污染治理应该以流域为单元来进行。

流域内的水循环结构整体经历了从一元自然水循环到“自然-社会”二元水循环的转化,水循环演变过程中结构、特性、功能属性都发生了改变,以此为基础的研究方法和水环境管理措施也发生了变化[28-32]。在人类活动介入前,流域内的水循环为一元自然水循环,受太阳辐射、重力等自然驱动力影响,水循环结构由“降水-坡面-河道-地下”四大路径形成由面到点到线的“汇集结构”,主要发挥生态功能。人类活动介入后,水循环的驱动力和结构都发生了显著的变化,除自然驱动力之外,还受到机械力、电能、热能等人工驱动力的影响,同时人口流动、经济活动等也对水循环造成直接影响。

随着人类社会的不断发展,一元水循环结构逐渐被打破,社会水循环路径不断增多,水不再单纯在河流、湖泊里流动,而是通过人为驱动力在城市的管网里、农村的灌区里流动。这样就在原有水循环的大格局内形成了社会水循环这一侧枝结构,包括“取水-给水-用水-排水-污水处理-再生回用”六大社会水循环路径。自然水循环的和社会水循环的路径交叉耦合,相互作用,逐渐形成了“自然-社会”二元水循环的复杂结构。

在水循环驱动力与结构改变的基础上,流域的水循环特性和功能属性也随之发生了相应的变化。

一方面是人类大量排放温室气体,导致地球表面温度升高,大气与水循环速率加快,动力条件的变化造成了流域降水和蒸发特性的改变。

同时人类的城市化、工业化活动改变了土地覆被类型,使得整个流域的下垫面发生了变化,也改变了流域水循环的特性,水循环开始发生演变。另一方面是水循环的功能属性发生了深刻变化,自然水循环主要以生态功能为主,而“自然-社会”二元水循环不仅发挥生态功能,还发挥环境功能、社会功能、经济功能,涉及到用水效率、用水公平、水质和生态系统健康等与人类密切相关的问题。所以从水循环特性和功能属性上看,流域水循环也演变为了“自然-社会”二元水循环。

二元水循环的形成和发展过程中整个流域水循环在时间、空间、驱动力、循环结构、循环特性上都发生了一系列的演变,同时这种演变模式也带来了一系列的效应问题,包括地表水衰减、地下水消耗殆尽等资源效应,社会水循环过程中产生大量污染物引起的环境效应,人类大量取水用水使得河流湖泊缺乏必须的水量而引发的生态效应等。

面对这些新问题,原有基于一元水循环的水文学方法和管理方法就不再适用了,所以应使用基于“自然-社会”二元水循环的认知模式和模拟调控理论来指导实践,推动流域水污染综合治理。流域综合治理的关键是将水污染治理技术体系与水环境管理体系相结合,共同构建流域综合治理体系,包括完善水环境质量标准体系、健全水污染物总量控制方案、探索流域分单元治理模式、突破水污染治理关键技术等。

辽河流域水污染治理实践表明[33]:由单一的控源治污向流域综合调控的转变,有效提升了水环境质量,水质优良断面比例由10%提升至2019年的52%。通过综合调控,强化对社会水循环的干预与管控,降低对自然水循环的干扰和破坏,在此基础上进一步着眼于干支流一体化治理、上下游一体化治理、水陆一体化治理、城乡一体化治理。从传统治理思维转变为综合考量管理模式、标准体系、关键技术及空间一体化的系统思维,如此才有望长远且根本地治理好水污染问题。

2.2 木桶理论及系统均衡理论

水循环将流域内的各部分区域联系在一起,形成有机的整体,彼此联系相互影响,那么流域内的污染也将随循环而传递和扩散。木桶理论强调一只木桶盛水的多少,并不取决于桶壁上最高的木块,而恰恰取决于桶壁上最短的那块。流域的水污染问题同样取决于流域内每个单元污染的程度,所以治水一定要分单元的治理,不断补齐短板,进行系统均衡治理。

根据环保部公布的“十三五”期间343个水质需改善国控单元信息[34],为分解落实《水污染防治行动计划》水质目标,环境保护部建立了流域-水生态控制区-水环境控制单元三级水生态环境分区管理体系,逐一明确了1 784个控制单元的地理范围和1 940个考核断面的水环境目标,第一次形成了覆盖全国范围流域的水生态控制区。本文以上海为例简要说明分单元治理路径。

2020年5月30日上海市人民政发布了《关于本市“三线一单”生态环境分区管控的实施意见》(以下简称《实施意见》)[35]。《实施意见》指出:上海全市划分优先保护、重点管控、一般管控三大类共293个环境管控单元,并针对空间布局、污染治理、污染风险防控、资源利用等多领域列出具体的环境准入及管控要求清单。通过这种生态式的分散治理模式,针对每个单元有不同的管控要求,做到每个单元控制的程度都相差不多,使得每个小单元都不会影响其他区域,最终尽可能做到污染物的产生和消减平衡。

同时在分单元治理中还需要考虑系统均衡理论。因为每个单元污染物的来源和数量、污染治理的条件和成本都不一样,污染防治需要从经济、社会、生态、环境、技术等5个方面综合考虑,使治理的总成本最小,总效益最大。如果不能做到每一个单元污染物的产生和消减相平衡,则可将其与相邻的2～3个单元联防联治,保障每个单元的边际成本和边际效益相对均衡,此操作也可最大程度节省成本。

由于每个单元都要做污染物负荷的平衡,即单个单元流入的污染物加上产生的污染物,都要小于该单元降解污染物的能力。如此,每个单元都可以做出降解贡献,整个大系统就可以可持续实现污染物降解平衡,从而实现流域水环境治理目标。

3 黑臭河道治理关键技术与实践

3.1 源头减排关键技术

3.1.1 水环境目标倒逼核算技术

从流域视角看,要治理黑臭河道,有效削减陆域污染来源是治污之根本,治污思路需要从传统的末端治理向重构经济发展模式、多尺度构建反馈系统转变,从而最大化减少污染排放。流域水污染全过程防治可以大致分为源头减排、过程阻断以及末端治理三大部分,其中每一部分均有其相应的系统设计方案以及关键技术支撑。源头减排指的是通过污染溯源,确定污染物种类及产污排污规律,科学制定排污标准,同时推动清洁生产技术和工艺的使用,调整产业结构和产品结构,从源头减少污染物的产生和排放。源头减排过程中涉及诸多关键技术,首先是针对排污标准提出的水环境目标倒逼核算技术。

水污染的问题及其现象发生在水里,其根本原因都在岸上。所以应以流域为单元,进行水污染问题的诊断,识别点源、面源、内源和外源的共性,评估河流的承载能力,确定水污染排放控制的总量,将排污总量层层分解,确定流域内区域准许排放的污染负荷量,最大程度减少对流域自然水循环过程的干扰或冲击。

要做好水环境的目标倒逼核算首先要做污染源分布的调查,对各产污的节点、污染物流过的路径、各种排污的节点和受纳水体都要做精细的调查。点源包括城镇生活污水和工业废水两大部分,非点源包括农村生活、畜禽养殖、农田径流、城镇径流、垃圾填埋场等几个方面。面源包括渔业的水产养殖,底泥属于内源污染。其次要做污染源和产污规律的识别。对生活污染而言,要分特大城市、大城市、中等城市、县、乡、村等不同类型的面域,将废水排放量、COD、总氮、总磷、有毒有害物质、恒量微量的重金属物质、抗生素、生物激素等要素排列成矩阵,定量识别不同类型来源的产污强度、产污时段和产污种类。

对工业污染而言,要将电镀、皮革、造纸、制药、印染这些高污染的产业所排放的污染物全部分类,将高污染行业及分类污染物并排成一个矩阵,对产污规律进行识别,以便针对性地进行处理。对农业污染而言,包括水浇地、水稻、旱田及蔬菜地、塑料大棚等也要做好产污规律识别,基于前述矩阵进行水污染排放标准的核定。最终标准核定工作应先确定河段生态服务功能,在此基础上确定河段的水质等级并确定河段的水环境容量及污染物入河量,再将污染物入河量分解到各河段排污口,进一步分解到共享这个排污口的陆域上的各排污企业。通过层层分解,确定合适的排污标准,最终才能够起到修复水环境、保护水体健康功能的目的。

3.1.2 水污染迁移转化模拟技术

污染源的诊断是流域综合治理的根本,需要多尺度、多层面水污染源的分析和溯源技术。目前可以利用数学模型水质水量联合模拟的技术进行整个黑臭河流的诊断和流域的诊断,如流域分布式水质水量模型WEP-Urban。根据水循环过程的原理,把流域分成几十、成百上千乃至上万个小单元,每个单元可以小至0.5 km2,大至2～3 km2。所有空间结构按流域上下游和左右岸的关系拓扑形成模型的平面结构,构成了多个小单元上下左右的互联互通。从天上的云层降雨,到冰山融雪入流,到地表农作物、建筑物、植被及地表的截留、填洼,从坡面漫流、河道产汇流、土壤分层入渗、饱和浅层地下水分类运动,到深层地下水承压的运动,用偏微分方程将其一层一层连接起来,使边界条件共享。那么流域中的每一滴水,从天空中如何降水,到下层如何流动,无论在何处,全都被描述得非常清楚。

目前的海绵城市也是划分为综合管廊层、河道排水层、湖泊的储蓄层、下渗层、滞留层、屋顶花园层、地下深隧层,将其中每一层的水是如何流动、地面如何下渗、蒸发、产流,全部都描述清楚。水污染机理识别也是同样的道理:伴随水动力条件,先使用分布式水文模型将污染物迁移转化路径和原理都模拟出来;之后还可以描述出污染物之间化学物质的二次化学反应;最后列出水污染消减技术的清单,构建生态海绵流域水污染消减的精准模型。每一项技术能够消减多少污染物,对应工程应用需要多少投资,计算出单位投资所消减的污染物,用模型对上百项技术进行处理,就可以得出单位资金消减污染物率最高或最低的技术,并在此基础上进行进一步分析应用。

除了以上两项关键技术外,源头减排还需要推动产业结构升级,推动清洁生产技术,加强社会水循环全过程的高效利用。对城市单元,要做好城镇的截污纳管、雨污分离,还要调整产业结构,建立循环经济的上下游产业链条,实行污染物的源头分离和营养物质的再利用。对农村单元,治理内容包括:农村生活污水的收集和再利用;农村垃圾的集中收集和处理;基于科学种植的施肥用药,节水减排,推广有机农业设施农业;禽畜养殖要规模化、工厂化、生态化。对工业单元,要推动源分离和清洁生产技术,包括工业水的重复利用技术、工业废水减排循环和再生利用技术、工业用水计量、快速堵漏和修复技术。针对不同模块的特点将系统设计与关键技术进行有机结合,真正达到源头减排的效果。

3.2 过程阻断关键技术

源头减排强调的是发展模式的改变、清洁技术的使用、科学标准的制定。过程阻断则强调的是对社会水循环中工业、农业、生活等各类用户用水后排水造成的污染,经由社会水循环流至自然水循环的迁移转化路径进行层层阻断。阻断过程需要构筑闭路循环系统,促进物质的再循环利用,实行再生水的利用,尽量减少污染物进入水体,同时还包括一些高效污染物去除技术、土壤渗滤的污水净化技术、人工湿地的净化池技术等。对过程阻断而言:① 对生活污水的过程阻断,可将小区污水废水按一定标准集中处理后,回用于小区的绿化浇灌、车辆冲洗、道路冲洗及家庭坐便器冲洗等。② 对农业污染过程的阻断,包括排水、灌溉、湿地这样的农田综合管理系统。通过修建田间湿地,调和农田地下排水系统,实现农业灌溉水循环的净化。③ 对工业污染过程的阻断,如下一级使用的水质要求较低则可以使用上一级使用后的出水,形成污废水利用多重循环的产业链条。

在过程阻断所构建的循环系统中,污水处理是一个重要环节。长期以来,给排水专业教科书上强调污水处理的大型化和集中化。目前中国的大型污水处理厂如北京高碑店污水处理厂的处理规模高达100万m3/d,天津东郊污水处理厂、成都三瓦窑污水处理厂、杭州四堡污水处理厂的处理规模都为40万m3/d,还有一些城市在规划中也非常注重大型污水处理厂的建设[36]。但大型污水处理厂在实际建设和运营中存在一些不可避免的问题,如建设周期长、资金需求量大并且容易出现由于管网不配套及资金短缺而造成的投资浪费现象[36],即当前大型污水处理厂的规模经济效益事实上并不显著,与经济、高效、生态的要求相去甚远,所以建设大型污水处理厂不应成为城镇建设和规划中普遍追求的一个目标。中小城镇和区县建立的污水处理厂应该小型化、分散化、生态化,构建生态型的分布式污水处理。小规模的污水处理厂优势体现在可以降低长距离运输能耗,减少管网系统的建设和运行投资成本以及具有较强的适应性和灵活性,截留污水后可就地处理,就地补入水体,技术层面也有益于更新换代。从处理效果而言,生态型的小型污水处理厂出水较好,透明度高,占地少并且没有臭气和噪声,对周边居民正常生活的影响可以降到最小[36-37]。通过建设生态型的分布式污水处理厂以及污染过程阻断所构建的闭路循环系统,最大限度实现水资源的循环利用,减少污染物对自然水循环过程的冲击和破坏。

3.3 末端治理关键技术

3.3.1 三代末端治理技术

通过源头减排及过程阻断可以完成污染的陆域控制,但陆域不可能不向水体排放污染物,那么就需要河流湖泊的生态原位修复和末端治理。黑臭河道的末端治理经历了三代技术(见表1)。第一代技术包含物理、化学、生态学方法[38-40],以工程师思维为主导。物理方法包括清淤换水、人工增氧等,化学方法包括化学氧化及絮凝沉淀等。生态学方法包括人工湿地,植物净化、土地过滤,还包括重建河湖的生境,配置河滩植物、湿地植物、护岸植物(包括乔木、灌木、地被等)。总体而言,第一代技术的主要特点表现为治理周期较长、费用较高、治污效果不突出。

第二代技术是通过在污染河流中投放固体微生物来进行治理。固化微生物是颗粒状的,投放后通过水体流动和水气交换,不断地散发进入水体,并在水体中不断繁殖,形成优势菌种。通过其对有机物强大的降解能力,快速降解河道中有机污染物和氮、磷的富营养物质,同时可以有效降低底泥中的有害物质,降低底泥厚度,实现城市河道底泥的免清淤。在此过程中将形成完整的水生态循环链条,激发水体自我修复能力。这些微生物会对总氮、总磷及氨氮物质进行吞噬,并且可以有效降低COD。在微生物吞噬总氮、总磷及氨氮物质之后水体透明度将得以改善。从实践效果来看[41-42]:黑臭水的透明度最多达到5 cm,但固体微生物投放两月之后,水体的透明度将会大幅度增加1～2 m。透明度提升后,阳光得以照射到水中,水体里固有的植物孢子发生光合作用,水草将会自行生长,包括挺水植物、浮水植物、浮叶植物等,最终形成水生生态系统。植物系统完善后将进一步吞噬有害物质同时富集营养物,并为动物系统提供饵料。同时这些微生物在新陈代谢的过程中会释放氧气,在植物生长及微生物新陈代谢作用下,黑臭河道溶解氧将迅速上升。溶解氧上升后引发一系列生物学效应:浮游植物、低栖生物、鱼类都有显著增加,水生动物系统也将更为完善。此外,微生物在吞噬有害物质的同时,还会吞噬底泥上的厌氧菌包膜,这些包膜释放甲烷、硫化氢、二氧化硫,是河道黑臭的原因之一。吞噬这些包膜会产生三大效果:① 生物清淤,微生物投放后可以减少底泥厚度。② 植物系统能够进一步发展,植物系统在黑臭包膜环境下不能扎根,黑臭包膜被吞噬后,土壤颗粒露出本来的颜色,植物更易扎根,更加可持续生长。③ 土壤颗粒本色漏出来后,动物系统(贝壳、螃蟹等)有了栖息地,也可以得到进一步发展。该循环的修复链条得以持续地运转,完成黑臭河道的修复以及健康水生态环境的构建。

第二代技术除固体微生物投放外还包括微生物曝气技术、微生物着床技术、水下森林的修复净化技术等[43-44]。微生物曝气技术是将电离空气通入曝气薄管,并通过高分子材料合成的薄管挤压、分割以后形成带电的微纳米级别的气泡,其随着水流飘动并被水体中的微生物和动植物利用。空气的利用率可达60%,耗能仅仅是普通曝气耗能1/3。通过此项技术增加水体中的溶解氧,为挺水植物、浮水植物、浮叶植物及有益微生物提供良好的生活环境。微生物着床技术以及水下森林修复净化技术是针对季节和水质的状况,在河床选择性地种植特有的浮游植物,包括抗污染、前沿性、冷水性沉水植物、冷水性观赏植物、夏季营养掠夺性沉水植物,构建出水下草皮、水下森林,以建立河流生态平衡,恢复自净能力。二代技术体系由微生物纳米曝气唤醒技术、底泥修复和消减运行技术、工程微生物引导的水生态修复技术、生态水景观的设计技术等共同构成。在不断排污的背景下,治理的效果仍可达到地表三类水标准,水体透明度达到2 m以上,效果可观。

第三代技术是正处于研发中的生物酶激活技术,其将含有多种工具酶以及营养物质的生物促生剂撒入水体中定向刺激污染河道中的土著微生物,让它们以集团形式暴发,使水体自净修复,加速对污染物的分解。目前生物酶激活技术在上海已有成功实践的案例[45]:试验对徐汇区上澳塘黑臭水体投放美国Probiotic Solutions公司的水体净化促生液。结果表明:该促生液能够有效保持水体好氧洁净状态,促进生态系统各类微生物的生长及生态区系的良性演替,同时还能够加速水体中有机物的降解,消除水体黑臭,强化水体自我修复能力。

总体而言,末端治理生物技术的第二代及第三代技术有三大效益:① 提高水体透明度,让阳光照进水体,使水里固有的植物孢子发生光合作用,促进植物生长并自主重建水生生物系统。② 曝氧加上生物体、益生菌本身释放氧气,以及被激活的微生物在新陈代谢过程中不断释放氧气,使水中的溶解氧饱和度提高,进而使浮游植物、低栖生物、鱼类均有显著增加。③ 清理底泥及厌氧菌包膜,消除黑臭,同时生物清淤也将极大降低工程清淤成本。

3.3.2 黑臭河道污泥处理及资源化利用

黑臭河道污泥的处理和处置是目前各地在治理过程中面临的普遍难题。污泥处理和处置的原则主要包括稳定化、减量化、无害化和资源化,但由于在污水处理厂建设中长期存在“重水轻泥”的现象,导致污泥处理资金投入、配套技术和基础处理设施建设严重滞后,相应造成了污泥处理工艺落后、资源化利用效果不佳等问题。2015年实施的《污水处理费征收使用管理办法》首次将污泥处理处置费用纳入污水处理费的征收中[46],收费标准制定要考虑污水处理设施正常运营和污泥处理处置成本,污泥处理处置逐渐得到重视。

污泥的处理首先是预处理,包括浓缩、脱水,然后是污泥本身的处理,包括厌氧消化和耗氧消化的同步进行,完成减容、减量、稳定、无害化的过程。其中污泥脱水是一个关键步骤。由于污泥中有机质含水较多,难以进行资源化利用,需要使用水体淤泥深度脱水技术进行脱水处理。

目前主要有五大类污泥脱水技术:

① 纳米金属盐复合调理剂,可以强化剩余污泥的脱水性。

② 基于同步氧化絮凝的多功能复合絮凝剂。

③ 过氧化物遇氧化和重絮凝强化活性污泥脱水。

④ 复合酶溶解和重絮凝强化相结合的活性污泥的脱水。

⑤ 污泥快速固结。通过以上技术实现污泥的深度脱水,为后续利用打下基础。

污泥的处置也有多种方式,可以农用、填埋、堆肥、干化、焚烧,还可以碳化[47-48]。随着城市格局的调整,工业性污泥主要集中在开发区,城市中的污泥重金属成分较低,一般都低于国家规定的排放标准。规范地利用污泥可有效对污泥资源进行循环可持续利用。相较于干化与焚烧等处理方式,污泥碳化技术具有更高的应用价值。污泥碳化是在一定温度及强度下,通过裂解的方式将生化污泥中细胞的水分强制脱出,从而使污泥中碳含量比例大幅提高的过程。

该技术具有剩余产物含碳量高,发热量大的特点,可用于发电[49]。整个过程可在污水处理厂外进行处理且能够达到长期的稳定,对人类的身体健康和环境不产生任何影响。含重金属的污泥可以应用于水泥混凝土工业。按照现行混凝土配方,由于配比缺乏细颗粒,所以制作出的混凝土内有很多超细的小孔洞,而孔洞的存在将导致混凝土在受压后微裂缝扩展。将污泥应用于混凝土制作,可以通过凝硬反应所生成的晶状体物质填充微小孔隙,提高产品的强度和耐久性,同时反应所形成的水合物胶体能够截留污泥中的重金属[50],降低对外部环境的危害,是污泥资源化利用的一个好方法。

4 结 论

城市黑臭河道治理是一项艰难而复杂的系统工程。本文提出:目前黑臭河道治理工作首先应转变治理思路,摒弃依赖单项技术突破进行治理的狭窄思维。

充分理解黑臭河道问题本质成因,以流域为治水基本单元推动一体化治理。通过源头减排、过程阻断、末端治理进行水污染全过程的防控,层层阻断污染物进入自然水循环过程,最后进行河道的生态修复以及污泥的资源化利用,通过系统设计打通循环链条,形成治理闭环。

本文指出了目前我国水污染防治传统解决方案的不足:需要从排污标准的科学制定开始重新构建水环境管理基石,将超标收费作为杠杆促进进一步减排,提高污水处理效率及城镇管网建设质量,最后通过推动总量控制的系统设计来打通水污染全过程防控链条。并在此基础上介绍了水污染治理的相关理论及基本原则,提出应以流域为治水基本单元,以“自然-社会”二元水循环为理论基础,分块分单元治理,同时从经济、社会、环境等多方面出发进行系统均衡治理。

本文还从水污染全过程防控角度,分源头减排、过程阻断、末端治理3部分介绍了黑臭河道治理关键技术与实践。源头减排即采用清洁生产的技术和工艺,调整产业结构和产品结构,同时科学制定排放标准,从源头减少污染物的产生,涉及到水环境目标倒逼核算技术、污染源调查和产排污规律识别技术、水污染迁移转化的模拟技术等。过程阻断包括工业污水、农业污水和生活污水污染过程的阻断,强调要构筑闭路循环系统,促进物质的再循环利用,实行再生水的利用,层层设防阻断污染物进入水体的过程。

最后到黑臭河道的末端治理,介绍了三代末端治理技术。使用物理、化学、生物、生态方法进行水生态修复及河流自净能力的激活,还包括了污泥的处理处置以及资源化利用,整体形成治理和利用闭环,将污染物排放控制到最低的水平。

通过以上分析论述可以进一步总结出解决我国水污染问题的整体防治策略:① 基于流域水循环和污染物总量控制,建立环境倒逼机制;

② 要建立以流域为单元的系统治理体系;

③ 要建立全过程的污染防护模式,降低对流域自然水循环的干扰;

④ 要提高污染排放标准,加大超标惩罚力度;

⑤ 城市污水处理厂要向小型化、分散化、生态化转型;

⑥ 要开始关注非常规的污染物;

⑦ 要加强智慧水务的建设,提高突发性水污染和治理的应急能力;

⑧ 要与水生态文明建设、海绵城市建设及水景观水文化的建设结合在一起,形成大的系统解决方案。

在不断探索新技术的过程中,对治理思路进行革新,对现有框架进行突破,对防治过程进行系统设计和调度,从而真正实现治理效果的稳定长久,水体的长治久清。

文章来源 |《人民长江》2020年第11期

特别说明 | 此处未列出英文摘要及参考文献，详见原文