王凯军：国家溢流污染控制战略与实施路线图探讨
王凯军：国家溢流污染控制战略与实施路线图探讨
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城镇溢流污染控制高峰论坛系列报道
2022年12月24日，在三峡集团与清华大学环境学院联合举办的“2022城镇溢流污染控制高峰论坛”上，清华大学环境学院教授、国家环境保护技术管理与评估工程技术中心主任王凯军，以“国家溢流污染控制战略与实施路线图探讨”为主题，讲述了国外溢流污染控制的政策与技术，介绍了清华-中持绿色基础设施研究中心在溢流污染控制方面的研发技术成果。最后王凯军教授还分享了他对于我国溢流污染控制的思考，提出了适用于我国国情的解决方案和路线图。
一、国外溢流污染控制政策与技术
生态环境部总工程师、水生态环境司的张波司长在一个采访中将我国下一步水环境问题总结为“一个转变”和“做好三篇文章”。“一个转变”是指新时期水生态环境保护由水污染防治为主向“三水统筹”转变，同时在三个关键领域做好工作。一是面源污染治理，国家已经开展汛期污染强度考核；二是建立水生态考核机制，目前在长江流域进行试点；三是保障生态用水，开展再生水利用。
王凯军指出，国际上很早就发现溢流污染（CSO）是个重大问题。从美国的基本数据上看，合流管长22.5万公里，比中国的多一倍。美国1972年颁布《清洁水法》，将CSO纳入排污许可管控；1989年提出六项基本控制措施，明确提出严禁旱季溢流，同时要控制雨季溢流中的悬浮物、颗粒物，甚至是大肠杆菌；再到2000年，更是发布了《清洁水法》的修正案——《雨季水污染控制法》，九项基本控制措施要求合流制区域首先要充分利用管网和污水处理厂的CSO控制能力。美国直到2007年才提出要推广绿色基础设施。
美国溢流污染控制政策
美国污水处理厂在控制CSO中主要有三种方法，一是雨天存储，等到旱天再输送至污水处理厂处理；二是超越排放，污水只经过一级或一级强化处理后跨越生物处理单元直接排放；三是建立单独的一级或一级强化处理。由此可见，尽管生物处理单元的处理量是恒定的，但雨天一级或一级强化处理的量往往是旱季的3~4倍。
主要采用的技术是初沉，通过新的技术提高初沉的负荷，比如苏伊士的DensaDeg ® 、威立雅的Actiflo ® 和滤布滤池。在这些一级或一级强化技术的基础上，也有快速生物处理技术，比如威立雅的BioActiflo ® 和日本的3W法，利用活性污泥的快速吸附能力，类似AB工艺的A段，快速处理超量污水。剑桥水务的BioMag ® 技术利用磁粉提高沉淀池的表面负荷，增大生化池的污泥浓度，从而提高2~3倍的处理量。不同于其他技术以降低出水水质为代价来提高处理量，BioMag ® 是唯一能达到排放标准的技术。
国外溢流污染控制技术
二、清华-中持绿色基础设施联合研究中心的工作
如前所述，在回顾完国外的CSO控制政策与技术后，王凯军分享了清华-中持绿色基础设施联合研究中心在CSO控制方面的研发技术成果。
王凯军介绍，自联合研究中心成立以来，CSO一直是重要方向之一。2019年，在河北沧州建立了中试研究基地，对砂加载、磁加载、磁分离、纳米絮凝原位扩容技术等工艺进行了深入的研究，并取得了很好的成果。2022年先后有3项技术通过产业协会的鉴定，同时技术成果也快速应用到工程中。
多效澄清和生物吸附多效澄清技术
首先是“多效澄清技术”，实质是砂加载，目前已有较多的工程应用。在砂加载前加一个生物吸附的是“生物吸附多效澄清技术”，通过增加活性污泥快速吸附池，大幅提高了处理效果，对BOD 5 的去除率可达80%以上。王凯军表示，这两项技术后续会由中持子公司温华环境总经理华英豪详细介绍。
磁分离技术
王凯军介绍，在水专项的支持下，课题组也做了磁分离技术的研究。通过投加粉末活性炭作为吸附剂，形成以磁种为核心的高密度絮体，可快速处理超量污水。在100 m 3 /d和300 m 3 /d的中试中均取得了非常好的效果。与高负荷活性污泥法和化学强化一级处理技术比较，在能耗、药耗和占地面积上有显著的优势。磁分离技术目前已经应用到了20 000 m 3 /d的工程中。
纳米絮凝原位扩容技术
王凯军表示，尽管国外CSO控制由来已久，但始终未解决雨季超量污水的生物处理问题。从设计规范和反应动力学上看，在一定体积的生物处理构筑物中，处理水量和进水浓度呈反比。我国污水处理厂进水浓度普遍偏低，而且雨天在雨水的稀释下，进水浓度更低，因此污水处理厂生物处理单元完全有能力处理2~3倍的雨污水。这类似于人吃干饭和喝粥的区别，干饭吃一碗就饱了，但至少能喝下三到四碗粥才能饱。针对雨季低浓度污水污染削减能力有保障，提高系统处理流量的限制性因素是沉淀。基于此，王凯军课题组研发了一种纳米絮凝剂，通过强化沉淀很好地解决了生物处理的雨季超负荷处理问题。在太原进行生产性试验时，严重跑泥的二沉池在投加纳米絮凝剂一小时后出水变清澈。继太原之后，先后与兴泸水务等合作，目前已成功应用于20余座污水处理厂。
以与中持在河北某污水处理厂的应用为例，该厂一期30 000 m 3 /d，2条各15 000 m3/d的氧化沟，二期为1条15 000 m 3 /d的氧化沟，均有单独的二沉池。该厂应要进行提标改造，面临的现实问题是改造需要减产/停产，大量污水直排将导致污染问题。通过分析该厂的历史运行数据，发现该厂是典型的低进水浓度情况，尤其在雨季，COD、氨氮、总氮的污染削减能力冗余均达到60%以上，完全可以通过轮流1条氧化沟2倍进水量运行、1条氧化沟停产改造的方式实现该厂整体不减产不停产改造。正式采用前，进行了反复的生产性试验，包括1.5倍、2倍和3倍进水量的短期实验。结果表明，确如预期，出水水质仍能稳定达到一级A标。这一试验很好地模拟了雨季超量雨污水对生物处理系统的冲击情况，3倍进水量运行24小时能够涵盖大雨暴雨的情况，而2倍进水量运行7天则涵盖了连绵的中小雨情况。
连续流好氧颗粒污泥技术
好氧颗粒污泥技术是世界范围内备受瞩目的技术之一。国外采用SBR型好氧颗粒污泥技术，即Nereda ® 工艺。通过调整运行模式，缩短运行周期，能够实现雨天处理旱天3~4倍的水量。但SBR工艺与现有污水处理厂的连续流运行模式不兼容，难以在现有构筑物上推广应用，连续流好氧颗粒污泥技术则提供了更好的解决办法。王凯军介绍，清华大学与华益德公司合作，成功在连续流污水处理厂培养出了好氧颗粒污泥，并在雨季验证了其CSO控制潜力。设计流量是25 000 m 3 /d的系统，雨季实际处理量在25 000~50 000 m 3 /d之间，最大处理量50 000 m 3 /d是设计值的2倍，出水水质仍然能够稳定达到一级A标。
综上所述，CSO控制技术谱图包括一级物化处理、快速生物处理和二级强化生物处理技术，而清华-中持联合研究中心在一级物化处理上有多效澄清和强化磁分离技术，快速生物处理上有生物吸附-多效澄清技术，二级强化生物处理上有纳米絮凝原位扩容技术和连续流好氧颗粒污泥技术，实现了CSO控制技术的全覆盖。王凯军强调，国际上的CSO控制技术以去除悬浮物为主，未能解决超量雨污水的生物处理问题，但这个问题在联合研究中心研发的技术中得到了很好的解决，能满足我国污水处理厂一级A，甚至IV类水的出水标准。
三、我国的解决方案和路线图
王凯军介绍，2019年，我国管网达到72万公里，形成固定资产2万亿；污水处理厂5000多座，处理能力达到将近2亿方每日，形成固定资产约5000-6000亿。管网的投资和污水处理厂的是4:1，今后这个比例也会更大。在这样投资的情况下，如果借鉴国外经验，污水处理厂采用一级强化处理超量雨污水，则有两个约束条件：土地资源和出水标准。我国实行断面考核标准，一级处理很难达到断面考核的要求。
如果建立完全的雨污分离系统，目前我国还差50%的管网建设，建成这些管网预计投资3万亿以上，投资巨大。而且建成至少需要三个五年计划，时间成本太高。海绵城市是一个方式，要求达到80%的径流控制率，国家16+14个示范工程，统计平均每平方公里投入0.5-1.2亿，而一个地级市或县级城市面积为几十平方公里和几百平方公里，投入太大。王凯军强调，我国CSO控制不论是采用合改分，还是海绵城市，都必须要考虑这些约束条件。
王凯军表示，近二十年来，我国污水处理行业迅速发展，从2010年开始污水处理能力超过污水排放量，到2021年达到785亿立方米，污水处理率甚至超过了欧美国家，我国具有世界最新最全面的污水处理设施。但管网系统覆盖率只有50%不到，加上大量的外来水，使得污水处理厂实际处理负荷仅为46%，只有60%左右的污水得到了处理，可以说我国具有最差的污水管网系统。
整个污水处理系统存在四大系统问题：一是污水处理工艺存在系统性的缺陷，在能源、资源利用上先天不足；二是从建设开始就没有考虑合流制污水和雨水处理的问题，到现在为止还没有解决排水体的问题；三是低浓度进水问题；四是管网系统性问题多，部分城市一公里管道有几百个缺陷，可以说局部地区都是崩盘的状态。我国CSO问题的解决需要考虑这些实际困难。
王凯军介绍，滇池的治理就是一个很好的范例。昆明是最早考虑CSO系统控制的城市之一，2018年发布了《滇池保护治理三年攻坚行动实施方案（2018-2020年）》，采用“生态调蓄+水质提升处理”的方法，在主城区建设19个调蓄池，62个调蓄坑塘，调蓄能力达到200万方，要求收纳7-10 mm的初期降雨。这些措施使得到2020年，滇池水质30年来首次达到IV类水。
但从水质上看，7-10 mm后的径流污染物水平仍然很高，总氮达30 mg/L左右，总磷2.6 mg/L，进入河道后仍然会造成严重的污染问题。
在污水处理厂利用方面，昆明首开先河，发布雨季污水处理厂处理量达到设计处理规模1.1倍时的E级地标。但统计结果表明，滇池流域内22座污水处理厂的进水浓度均远低于设计值，导致污水处理厂的污染削减能力冗余，其中14座污水处理厂的COD削减能力冗余率超过了50%。而雨天在雨水稀释作用下进水浓度更低，污水处理厂至少能处理3倍设计流量的短期合流制污水。如果在保留调蓄池和坑塘的基础上，污水处理厂雨天3倍流量运行，则至少可以控制36 mm的径流，对应径流总量控制率为92%，足以系统解决一个城市的面源污染问题。
滇池流域内污水处理厂运行状况
王凯军表示，从国家层面上看，CSO控制的各种措施中首先要考虑最大程度地利用污水处理厂，其次是在线和末端的储存，最后才是绿色基础设施。从发展路线图上看，我国已经完成第一阶段的黑臭治理工作；下一步是雨污控制的问题，要达到断面考核的要求，这个阶段应该以末端治理为主；第三阶段是管网修复及绿色基础设施完善之后，才能实现雨水资源的充分利用。如果单一追求完善管网，投入大量的资金，但效果甚微。我国需要从实际需求出发，规划发展路线图。照搬国外的一级处理，无法满足我国断面考核的要求。CSO控制技术的第一优先序一定是充分利用我国现有污水处理厂和扩能。
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