老城水污染防控技术集成对策
前言：本站为你精心整理了老城水污染防控技术集成对策范文，希望能为你的创作提供参考价值，我们的客服老师可以帮助你提供个性化的参考范文，欢迎咨询。
本文作者：刘翔1管运涛2王慧1蒋建国1作者单位：1.清华大学环境学院2.清华大学深圳研究生院
0前言
城市化是我国未来50年内社会经济发展的必然趋势。然而，20多年来，快速的经济发展和城市化，使城区不断扩展的同时，原有老城区也面临着人口激增和市政设施滞后所带来的一系列水环境污染，成为社会经济可持续发展的重大挑战。苏锡常地区经过上千年的沿革与变迁，特别是近20多年来的飞速发展，已建成了传统的南方河网地区傍河民居和现代化城市建筑相互交错融合的老城区。目前老城区的水生态和水环境严重恶化，河水发臭、水色发黑，成为苏锡常经济区中水环境污染控制的“难点区”。苏锡常地区水环境污染若得不到彻底的控制与治理，则太湖的水质改善难以有重大和显著的突破。苏锡常城市群水环境安全保障体系的建立对我国今后其他区域城市群的可持续发展具重要的示范和借鉴意义。本文是在分析环太湖城市老城区特点的基础上，总结了老城区水环境综合整治相关技术，提出了针对老城区水环境污染控制和水质改善的“控源－截污－原位处理”技术集成方案。
1老城区水环境污染现状及其成因
苏锡常地处长江三角洲平原，总面积17651km2，占江苏省总面积的17．07％，人口的19％左右，是构成环太湖河网地区城市的主体和江苏省经济核心地区。由于其特定的地理和经济位置，成为影响太湖流域的重要因素。随着流域社会经济的快速发展，污染物排放速度远大于治理速度，污染物的排放量远超过水域纳污能力，大量的污染物经过各种渠道流入水体，加重了水体的污染负荷，导致水环境承载能力急剧下降。作为环太湖最重要的城市地区，苏锡常地区水环境污染的有效控制将切断太湖的污染源输入，对于太湖流域的治理具有重要作用。以该区域某市老城区为例，城市中心老城区面积约180km2，主要为居民和商业区，人口约100万（包括暂住人口）。区内有42条主要河道，多数河流水体本身流动性差、绝大部分水体为劣V类和V类。造成水体污染的来源可分为分散点源、城市面源、河道内源及区域外源四类，主要现状与成因包括以下几方面因素：（1）管网不完善导致的点源污染入河负荷［1］。以示范河道为例，在其长2．1km的周边区域管网不完善导致河道污染负荷增加，经管道流入河道的污水量达6000～8500m3／d，入河COD负荷200～350kg／d、氨氮负荷25～50kg／d、总氮45～100kg／d、总磷3．5～9kg／d。究其成因，老城区由于城市化进程受历史和城市建设等影响，市政基础设施较为薄弱，管网相对不完善，表观截污率为84％左右，存在着雨污水混排、错接或混接、管网覆盖不等问题。其中以雨污水混排为主，其入河负荷占管网不完善所致入河负荷的60％～70％、占区域内总负荷的25％～30％；其次是错接或混接所致入河负荷，排污口较多且分散，推算总量可达管网不完善所致入河负荷的27％。（2）老城区特征点源污染入河负荷。在各类点源中垃圾屋、垃圾转运站、公厕以及餐饮等污染物排放浓度高、强度大，是需要特别关注的重要污染点源。其中，公厕废水溢流进入污水管网，由于存在雨污混排而最终进入老城区水环境。垃圾屋、垃圾站由于自身建设不全面导致存在直接溢流排放。餐饮废水是经由路面进入合流制管道或雨水管道，雨天形成溢流进入河道或直接进入河道造成污染。比较不同污染源可知，垃圾站废水的COD污染最突出（60t／a），公厕废水的氮磷污染最突出（氨氮3．6t／a、总氮4．5t／a、总磷0．35t／a），垃圾屋与餐饮废水污染物浓度稍低；比较同一污染源中不同污染物可知，垃圾站废水以COD超标为主，公厕废水以氮污染超标为主，餐饮废水中以COD、总氮为主，垃圾屋废水以总磷超标为主。餐饮废水尽管污染物浓度稍低，但由于在雨季每天都有8～10h的排放，对COD年均入河负荷贡献最为明显。垃圾转运站存在渗滤液排入河道的现象，而且与公厕废水类似，其废水浓度高、排放时间集中，排放时COD入河负荷可达180～270kg／h，显著高于点源负荷平均水平，对河道COD将产生明显影响；排放时氨氮负荷为0．1～0．5kg／h、总氮为2～3kg／h、总磷为0．2～0．4kg／h，对河道氮磷污染物浓度的影响不如对COD的影响明显。（3）城市面源。主要包括降水径流入河负荷与河面直接降尘负荷两类。从来源看，面源入河污染以降水径流入河为主，河面直接降尘所占比例显著低于降水径流。从污染构成上，按照在区域内总负荷中贡献比例分，依次为COD、总磷、总氮、氨氮。（4）河道内源。河道内源污染主要是底质中的污染物释放至上覆水体产生的。示范河道底质释放的污染物以氨氮和含磷污染物为主，不同区段底质的污染物释放速率差异显著，在水温、溶解氧、底泥分布、清淤程度等多种因素影响下，河道单位面积底质的氨氮释放速率可达85～770mg／（m2•d），磷释放速率可达7～86mg／（m2•d），氮、磷年均释放总量分别可达1．3t／a、0．35t／a。（5）区域外源。尽管示范河道滞流现象明显，但仍有流量较为明显的时期，而且还有人工调水，因此从上游进入的污染物量仍然不容忽视。依据2010年的监测结果分析，调水时由上游河道引入的污染物负荷量分别可达COD50～310kg／h、氨氮5～70kg／h、总氮18～72kg／h、总磷1．2～17kg／h，年均COD约96t／a、氨氮约19t／a、总氮约33t／a、总磷约2．6t／a。不调水时，示范河道常常滞流，流动时日均流量0．4～2m3／s，相应负荷量为COD24～110kg／h、氨氮3～25kg／h、总氮4．5～52kg／h、总磷0．3～4．3kg／h，年均COD约460t／a、氨氮约85t／a、总氮约180t／a、总磷约12t／a。
2老城区水环境整治单元技术
综上所述，区域内源中，管网不完善所致入河负荷是示范河道区域内污染的主要来源，特征点源污染是COD入河负荷的首要来源、对氮磷污染的贡献率仅次于管网不完善所致负荷；以降水径流为主的面源污染对COD、总氮、总磷入河负荷有一定贡献，在点源污染消除后将成为COD、总氮负荷的主要来源；以底泥污染物释放为主的河道内源污染对氨氮、总磷负荷有一定贡献，在点源污染消除后将成为氨氮、总磷负荷的主要来源。针对以上问题，课题组开发完善了老城区管网诊断与适宜性截污、初期雨水收集与处理、重点特征污染源处理及河道水质净化与生态修复等单元技术。各种技术都具有不同的技术、经济特点及适用条件，对老城区水环境问题的解决具有重要的实用价值。
2．1排水管网改造及截污
2．1．1老城区管网诊断与适宜性截污技术
老城区排水系统建设因受条件约束，存在着合流制、分流制并存的状况，局部地区雨污混接甚至管网状况不明，致使对污水截流效率判别不清，而现行基于流量的污水截流率表征方法不能反应对污染负荷的截控效果，影响了对混流区域管网改造工程实际截污效果的提升和投资绩效。以基于水量水质的管道收集效能评判方法为判断手段，以示范河道入河重点排放口为起点，通过确定重点错接节点，建立“调研—评价（基于水量水质的管道收集效能诊断）—验证—管网改造／真空截污”体系，然后根据截污目标要求，确定管网改造对象［2］。该体系的运用，可以在保证截污目标的前提下，实现工程量最小，投资最省；或者在一定的投资前提下获得最大的污染物削减效能。在管网诊断结果的基础上，利用传统的重力截污—动力截污，将大部分混接错接污水进行有效截污。但是，江南水乡滨河而居，部分居民生活污水分散直排河道；建筑过于密集或出于文化保护等原因难以实现雨污分流和管道入户改造；市政设施建设和维护的景观协调性要求高。传统的由重力排水系统改造的截污工程无法满足上述要求。沿河设置真空管的真空截污技术，可以避免管网改造的难题，满足景观要求。首先真空管管道敷设不需坡度，适用范围广，不受河岸走向和坡度的限制；其次真空管道管径相对普通重力管管径较小，通过合理选材，可以较好地避免障碍物，提高整个系统的安全性；再次整个系统处于密封状态，输送流速较大且持续通风，可以防止污水泄露，防止污染物在管道中沉积，防止异味或臭气产生，系统基本上不需清掏维护。真空排水系统实施方案为：污水重力自流到真空收集井下部的污水储存处，当液位达到一定高度时，真空阀自动开启并响应真空泵站运行，真空泵产生的气压差将污水从收集井抽送到敷设成锯形的真空管网内，直到污水到达真空站的真空罐中。最后污水泵将污水从真空罐底部抽出，送到市政污水管网或就近送至污水处理装置进行处理。示范工程规模300m3／d，配备地下真空泵站1座，真空管道约1km，收集大小排污口28处，有效地截流了传统截污无法完成的入河污染负荷，并且满足欧洲室外真空设计标准（EN1091：1996）［3］。
2．1．2混流区域管网沉积物控制及溢流负荷削减技术
排水管网尤其是老城区内的管网，由于日常维护困难，管道沉积情况普遍存在且比较严重。例如，调研显示北京城区排水管网中，60％的管道存在沉积物，15％管道沉积严重（沉积物占排水管道容积的比例＞15％）［4］。管道沉积物的存在会带来以下问题：降低排水管道的容量，增大排水管道的水力阻力；雨天排水系统发生溢流时，沉积物随溢流进入受纳水体，造成水体污染，文献表明暴雨发生时受纳水体的污染负荷30％～80％来源于溢流排放的管道沉积物［5，6］；沉积物中中含硫有机物发酵产生硫化氢，影响管道工人的下井作业安全，硫化氢经微生物作用能转化为硫酸，腐蚀管道［7，8］。因此，控制管网沉积物是非常有必要的。管网沉积物控制及溢流负荷削减工艺由预埋式穿孔管管道冲洗单元与沉积物水力旋流分离单元两部分组成，通过移动水车供给预埋于管道底部的穿孔管高压冲洗水，沉积物被冲起并随冲洗水向下游流动，经过水力旋流器被分离出来。工作程序简单，人力消耗少，效果好，可以有效地降低雨季的溢流入河负荷。示范工程实施前后溢流污染浓度明显降低，工程实施后溢流污染中SS和COD平均分别降低了23．9％和23．2％［9，10］。
2．2老城区重点污染源控制
2．2．1初期雨水污染拦截及多效快速过滤技术
分流制管网系统中初期雨水面源污染问题最为突出，初期雨水量大势急、悬浮物质多、污染负荷高，同时还含有大量溶解性的碳氮磷污染物。因此，开发具有快速、稳定、兼顾固形物和溶解物去除等功能，而且占地省、维护简便的处理技术是控制老城区初期雨水面源污染的关键。课题开发了快速旋流分离—多效快速过滤技术，实现了初期雨水的快速有效处理。示范工程服务面积1．6hm2，旋流分离设备60m3／h，滤池过滤面积35m2，滤料厚度1．5m，主要由沸石等滤料组成，水力停留时间45min。运行结果表明，旋流分离器对SS的去除效果较为明显，去除率平均为36％，对COD、TN、TP有一定的去除作用，最大时分别达10％、25％、16％，但波动较大；滤池对各污染物的去除效果较为明显，相应去除率约为SS95％、COD50％、氨氮80％、总氮30％、总磷70％。
2．2．2餐饮废水移动式处理技术
经调查，老城区示范区大排档产生的餐饮废水几乎全部排入了雨水管网，通过雨水管网进入河道；固定餐饮的废水排放去向取决于餐饮店的接管方式：并入城市污水管网的固定餐饮，一般排入城市污水处理厂；未接管或接入雨水管网的固定餐饮，一般直接排入雨水管网，然后通过雨水管网进入河道。针对餐饮废水高污染且分散的特点，为实现餐饮废水油脂分离、有机污染高效去除，采用了两级重力隔油—电化学处理工艺，各工艺模块集成于设备中，可方便移动，实现现场处理。设备所采用的工艺核心为电化学处理。电化学法中常用的电极材料为铝和铁，在阳极和阴极之间通以直流电。主要发生的反应为电絮凝、电化学氧化和还原、电气浮等作用。电化学过程中不需要添加任何化学药剂，产生的污泥量少，且污泥含水率低，易于处理；操作简单，只需要改变电场的外加电压就能改变运行条件，且容易实现自动化控制。设备处理能力1．5m3／d，SS和COD的去除效率都在95％以上，氨氮的去除效率则在40％左右，也具备了较好的经济性，可用于各个餐饮企业废水现场处理。
2．2．3垃圾转运站渗滤液快速处理技术
转运站渗滤液快速处理工艺为生化调节—快速处理技术，包括厌氧折流板形式的生化调节池和基于混凝沉淀—高级氧化技术的快速处理设备。厌氧折流板形式厌氧反应器占地面积小，运行过程中不需要动力，操作方便，适应转运站渗滤液处理的实际情况需求，其进水COD15000mg／L，出水COD8000mg／L，处理水量30L／h。快速处理单元工艺流程如下：转运站渗滤液通过投加复合絮凝剂并沉淀后，调节pH至酸性，以满足化学氧化反应的需要；污水酸化后投加氧化剂并保证充分的水力停留时间进行氧化反应，实现高浓度有机污染物的氧化去除；向经过氧化的处理出水投加碱液中和，以调节溶液pH为微碱性，未反应完全的药剂将发生沉淀，沉淀过程在后接的斜板沉淀池中完成。通过以上处理单元后即可出水。快速处理水力停留时间仅4～5h，能够在转运站现场快速完成渗滤液处理；也可以设计为移动式设备，在各转运站之间流动处理，实现快速处理。示范工程运行效果表明，COD去除率在90％以上，色度去除率在98％以上，恶臭得以消除，实现了较好的处理效果。
2．3河道水质原位改善及维持
2．3．1多元生态构建技术
多元生态构建技术是指利用生态浮岛、人工湿地、人工水草、生物栅、沉水植物及底栖动物投放等多种方式，建立微生物—植物联合净化体系，增强水体自净能力、促进水生生态系统恢复的各类技术。该技术直接引入多样的大型水生植物，提供适合动物生存繁衍的生境，成为污染河道中的绿洲。以示范河段生态工程为例，在圆币草、聚草浮岛的植物根际、人工载体中、植物水上部分，可发现螺类、昆虫类（水蜘蛛、蝶类及其幼虫）、蛙类、鱼类（以餐条、鲤鱼为主）、鸟类、鼠类等动物。在示范河道多元生态构建技术措施实施后，河道的景观改善、臭味抑制效果十分明显，群众满意度较高。示范工程经验表明，种植覆盖率达到15％时，景观效果和对异味的抑制能达到较好的效果。
2．3．2河道底质污染释放控制技术
针对河道底质氮磷污染控制研发制剂，综合成分比较并考虑目前目标河道底质污染控制需求及价格因素，选择沸石与聚硫酸铁（95∶5）作为复合制剂的配比方案，所研发的复合制剂对氮磷污染控制能力已经达到现有制剂中的最佳水平，而单位去除能力的成本却显著低于市售制剂，具有较为明显的技术经济优势。底质改良制剂主要成分为改性黏土絮凝剂、微生物制剂（硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等），按0．1kg／m2的浓度，在柴支浜投放底质改良剂1000kg，以粉剂形式投放均匀泼洒，监测分析表明，效果达到预期。
2．3．3城区河道充氧造流技术
城市河道功能缺失，黑臭现象严重，直接的原因就包括水体溶解氧的不足。因此，河道充氧技术是保障河道水质的重要手段之一。课题开发的河道充氧造流技术利用车棚式太阳能光伏发电装置发电并形成峰值发电量4kW的并网发电系统，供充氧工程使用。在示范河段布置浮筒式潜水双向推流曝气机（3．7kW）8台、浮筒式潜水单向推流曝气机（7．5kW）2台，设置景观假山式跌水曝气1处，装机1．5kW。监测结果表明，充氧工程有效保障了溶解氧水平，经过曝气河道后，溶解氧增量可达3mg／L，在流量为0．2～0．8m3／s的条件下对下游溶解氧影响范围超过650m。
2．4重污染河水快速净化技术
城市重污染河道表现出有机质、氨氮、总磷、溶解氧、浊度等多项指标同时恶化、相互影响的特征，因此快速净化需要具有短时间快速改善多项主要指标的能力。此外，由于快速净化主要用于应对污染河道的初期净化、应急净化或景观补水需求，运转周期较短，若固定在一个场地，使用效率太低，制成一体化、可移动的成套装置较为合适，因此需要采用单位容积处理能力较高的净化技术方案。重污染河水快速净化设备的工艺流程为：重污染河水经取水系统进入设备，与加药系统中净化剂以设定比例混合后，通过自动反冲洗的微滤机过滤。微滤机反冲洗所产生的浓液进入城市污水处理系统。出水则进入高压溶气系统，溶解了制氧机生成的纯氧后，成为溶解氧过饱和的河水，通过排水系统从重污染河道的另一端排入河道。该系统包括：供电系统，加药系统，微滤机，充氧系统，取水系统，自卸系统。示范河段经该设备处理后，河水溶解氧可由原来的0．5mg／L以下升至9mg／L以上，氧化还原电位（ORP）明显提高，有效抑制黑臭的发生；浊度下降80％，色度明显降低，透明度不断提高；总磷在加药周期之后持续降低，去除率超过60％；COD、氨氮恶化被完全遏制，浓度维持在未处理前平衡浓度水平的40％～50％；原本暴发性生长的藻类受到有效控制。综上，快速净化设备能够对严重黑臭的重污染河水实现快速充氧、除浊、去磷。
3老城区水环境综合整治技术集成与示范工程评估
环太湖城市河网地区老城区内河普遍面临污染负荷重、水动力条件差、景观功能丧失、自净能力退化、水生生态破坏、易发生黑臭甚至长期处于黑臭状态，不仅损害居民的健康及生活质量，也威胁着环太湖水域的生态安全。课题在系统的污染源识别、负荷响应及水环境演化特征研究的基础上，通过分析不同污染源和污染负荷排放，结合各项污染控制单元技术的遴选和比较，提出了针对老城区水环境污染控制和水质改善的控源—截污—原位处理技术集成方案，并进行了示范工程及配套工程的实施。工程措施全面实施后，市政设施得到改善，示范区内管网表观截污率由2007年的84．3％提升至96％；实际截污率由2007年的62．1％提升至89．6％；错接率由2007年的22．2％下降至6．5％；重点源采用截污＋分散预处理各单元技术后，2010年COD、氨氮、TN、TP负荷分别削减至2007年的6．1％、31．2％、31．8％以及25．9％；示范河道区域内污染负荷显著降低，河水水质与对照断面比较有明显好转（见图1），其中2009年是指2009年2月至2010年2月，2010年是指2010年3月至2011年2月。COD、氨氮、总磷、溶解氧达标率明显上升，黑臭现象得以遏制，河道景观显著改善，水生生物中浮游植物多样性及清洁水体指示种增加、浮游动物由原生动物为主转为轮虫为主、鱼类、底栖生物数量明显增多。柴支浜生态工程实施后，河道景观显著提升，黑臭得以遏制，河水COD、氨氮、总氮、总磷浓度逐步下降，相关污染指数下降50％以上。
4结语
城市水环境污染问题随着城市化的进程日益严重，老城区水环境问题也存在更多的特点。水环境污染的解决是一个区域性的系统工程，无法通过一个或几个单元技术就实现，它必须是一个多技术的集成系统。老城区课题在各类关键技术突破的基础上，通过技术集成与应用示范，创新了老城市水环境综合整治体系与模式，初步建立老城区水污染控制与水环境综合整治的技术体系，为环太湖流域的水环境整治提供了技术与工程支持。综合改善区域性水环境问题，要逐步放大到城市尺度，对水体污染关键元素迁移演化特征进行总体把握和系统优化的控制。“十二五”期间，如何将“十一五”期间的成果推广应用，适应城区尺度的综合集成和创新，将是面临的新挑战。同时，要摒弃那些重技术轻管理的思维惯性，要加强市政设施的管理和维护，加强公民环保意识的教育和宣传，做到管理和技术两手抓，将城市水环境污染控制和水质改善的技术体系绩效达到最高。
