美国合流制溢流污染控制灰绿设施结合的经验_亚英体育官网

本文摘要:铅:控制复合溢流(CSO)污染是我国海绵城市建设和黑臭水体修复中的重点和难点问题,也是一项长期而艰巨的任务。

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铅:控制复合溢流(CSO)污染是我国海绵城市建设和黑臭水体修复中的重点和难点问题,也是一项长期而艰巨的任务。灰色和绿色设施集成作为控制城市污水排放的重要策略之一,在美国应用较早,并取得了良好的效果。

通过分析美国应用绿色基础设施(GI)控制CSO污染的背景,重点介绍了纽约、圣路易斯大都市区和亚历山大市CSO污染控制的实例,并结合其他城市灰绿色设施的整体分析,明确提出了一些值得尊重并结合我国CSO污染控制现状和问题的经验:法律法规和责任部门的控制和指导;CSO污染控制的长期规划提示;不同地区CSO污染控制策略的差异;(4)通过技术经济分析,优化灰绿色设施群;CSO污染控制子系统之间的协商;雨污分流改造有针对性建设;实施主动评估和调整控制策略。作者简介:赵泽坤(1992-),男,河北沧州人,硕士研究生,研究方向为城市雨水控制与管理。混合溢流污染是我国许多城市,尤其是一些大城市水环境管理中亟待解决的根本性问题。

关于合流制排水系统及其溢流污染的控制,近年来国内公布的一些新编制或补充的标准有了小的突破,已经从形式上的“结合与改革”转变为全面完善,开始倡导应用绿色基础设施(GI)控制CSO污染。如2017版《城市排水工程规划规范》 (GB 50318-2017)中,为增加转移,不应在组合区域优先建设源排放系统。国内也有学者从战略与决策、制度建设、技术措施、模型模拟等不同方面开展了综合灰色绿色基础设施控制CSO污染的研究。

在我国早期的CSO污染控制实践中,多探索灰色策略。比如为了改善水环境质量,上海、昆明等城市积极开展截污总管和CSO蓄水池的建设;广州正在建设中国第一个深埋隧道整治和蓄水工程,以减少溢流污染和内涝问题;许多城市制定并实施了雨污分流改造计划;此外,一些大城市也积极开展了储存隧道或存储池的可行性研究及相关规划。近年来,随着海绵城市建设和黑臭水体修复的推进,城市雨水和复合溢流污染的控制任务更加严峻。

池州、常德、嘉兴等城市在综合规划中实施了CSO蓄池和生物停留措施,部分城市逐步积极开展灰绿设施一体化。总的来说,我国专业领域对组合系统改造和溢流污染控制的认识逐渐清晰,技术水平和工程实施能力也在慢慢提高。但是,在制定和实施灰色与绿色设施一体化的CSO污染控制战略的过程中,仍然缺乏有力的支持和保障,仍然存在一定的盲目性,也不存在系统性和科学性不足等诸多问题。

美国几十年来一直积极开展CSO污染管理工作。在国际上,早于推广CSO污染的促进灰绿设施一体化的方法,总体上取得了较好的效果,其中能与我国借鉴的经验较少。1美国CSO污染控制“绿化”的背景美国在20世纪中期开始研究CSO污染控制。美国联邦环境保护署(Federal Environmental Protection Agency)将CSO污染纳入污染物排放许可制度(NPDES)进行控制,并实施了CSO控制政策,明确要求各地实施九项最低控制措施,并编制了CSO长期控制计划。

二十一世纪初岑
随着CSO污染控制的不断推进,取得了一定的效果,但在很多地方也暴露出了一系列问题,如资金支付困难、场地补贴、环境影响等。仅仅依靠灰色设施已经不能满足CSO污染控制和城市可持续发展的市场需求。21世纪以来,地理信息系统的发展和实践经验的积累以其明显的综合效益引起了广泛关注。2007年,美国联邦环境保护署(Federal Environmental Protection Agency)1月发表声明,推动GI减少CSO污染等城市水问题,并希望将GI纳入CSO的长期控制计划。

在接下来的几年里,美国联邦环境保护署相继发布了《绿色长年掌控规划模板:小型社区CSO掌控规划工具》、《绿色化CSO掌控规划:GI掌控CSO的规划与仿真》等一系列文件,进一步推进和引导了GI与CSO的长期控制规划的整合。2012年,美国联邦环境保护署(Federal Environmental)发布了《市政雨污水综合规划方法框架》,其中讨论了CSO污染控制和雨水、污水等水问题,特别强调了GI应用于流域综合管理的重要性。

大多数地方政府通过与联邦环境保护局或州政府协商,签署一份CSO同意决定,这是地方CSO污染控制最重要的法律依据。为了更有效地推进CSO污染控制策略的“绿化”,纽约、费城、克利福德等许多地方都竞相在CSO裁决协议中重新添加GI涉入条款;在某些领域,强制分析拒绝被明确提出用于GI实现。

比如克利夫兰规定,GI年内至少投资4200万美元,控制每年溢出16.7万m3。对比分析不同地区的CSO裁决协议,在早期裁决协议中更好地将GI作为环境补充项目或追加投资项目,而在最近的协议中更好地将GI纳入CSO污染控制规划方案,这反映了美国很多地方在GI应用策略上最重要的变化。2美国CSO污染控制案例研究与分析;2.1美国CSO污染控制典型案例;美国不同地区采用灰绿色设施集成的方法控制CSO污染具有一定的共性和不同的特点。根据城市规模的不同特点,现状及存在的问题,控制策略等。

选取了纽约市、圣路易斯大都市区和亚历山大市三个典型案例进行分析。(1)纽约纽约是美国人口最少的城市,70%的灌溉面积为合流区,其中72%为不透水表面。

人口和发展的巨大压力,以及合流制和硬化区的高比例,在一定程度上反映了许多大城市在CSO污染控制方面面临的广泛问题。纽约在20世纪50年代就开始研究和评价CSO污染,是美国较早积极控制溢流污染的城市之一。

在之前的探索中,纽约市大多采取了建设储存设施和升级改造污水处理厂的方式。1972年,纽约第一个CSO储存设施建成,有效储存能力为45,000 m3,其他CSO储存设施在20世纪90年代积极设计和实施。

70年代中期至80年代中期,纽约投入大量资金对当地污水处理厂的二级处理工艺进行升级改造,有效提高了CSO污染物的处置水平。此外,纽约还大力实施了设施运行系统优化、管道清洗、水体漂浮物控制、河流治理等措施。在CSO污染控制取得一定成效的同时,低廉的建设成本和巨大的环境社会影响给纽约带来了沉重的开支。

为了呼唤国家政策,满足自身发展的市场需求,2008年,纽约开始实施可持续雨水管理计划,推动GI在城市住宅、街道、公园等新建、改建项目中的应用,这是纽约雨水管理“绿化”最重要的转折点。为了更加规范和具体地控制CSO污染,纽约在2010年公布了《绿色基础设施规划》,并制定了灰色和绿色设施整合战略。

计划实施地理信息系统以控制impe上25.4毫米的降雨量
2012年,纽约改变CSO裁决协议,宣布暂停14亿美元的仓储设施、污水处理厂改造等项目,推迟20亿美元的灰色基础设施建设,并计划第一个五年期GI建设1.87亿美元。此外,纽约环保局还承诺将GI纳入CSO长期规划的编制,并细化GI明确实施的区域和技术措施。GI投资24亿美元,占纽约灰色和绿色设施综合实施战略的45.3%。在配方过程中考虑了胃肠道的综合益处。

与前期制定的近乎灰色的设施策略相比,该策略可节省投资15亿美元,每年控制溢流760万m3,产生节能和财产折旧1.39 ~ 4.18亿美元。截至2016年,纽约共有14家污水处理厂、4家CSO储存设施和多达4000项GI资产,每年需要控制80%以上的溢流量。

据纽约《绿色基础设施绩效指标报告》报道,第一个五年计划后,在1.5%不透水区域采用GI措施控制降雨量,可增加年溢流190万m3,约占全市年溢流总量的2.4%。2030年规划期结束后,10%不透水面积的降雨量可由GI控制,年总溢流量增加8.1%。

图1联合系统在纽约的生产情况(数据来源:《SustainableStormwater Management Plan 2008,A Greener, Greater NewYork》 )圣路易斯大都市区的圣路易斯大都市区灌溉区(MSD)为140万人服务,享有美国第四大管道系统,其中联合系统面积194.2km2,约占14%,大部分在20世纪20年代之前完成。MSD在密西西比河及其支流上有199个社区服务组织网点。管网的老化和复杂的出水口是该地区城市污水处理面临的突出问题。

灰色策略在MSD早期主要用于控制二氧化硫污染。为了解决合流污水直接排放的问题,MSD在20世纪60年代和70年代开始建设两座污水处理厂及其设施配洪网络,并完成了污水处理厂的二级处理过程。1988年,MSD分洪改造合流制污水后,开始建设“溢流调节系统”解决溢流污染问题。

通过在CSO出口设置自动控制闸门等措施,可以提高管网的收集和储存能力,每年可增加溢流量1.7亿m3。鉴于分洪和处理能力不确定的问题,MSD在20世纪90年代升级和重建了两个地方污水处理厂,在雨天提高了30多万立方米的污水综合处理能力,并开始重建或完成泵站和其他相关设施。为了进一步增加溢流污染,MSD投资6900万美元修建了一条直径为2m的蓄水隧道,每年可控制溢流128万m3,并整合了当地交通和住宅改造、管网修复等项目,自由选择了制定44个CSO出口和实施雨污分流改造计划。经过几十年的希望,MSD的CSO污染得到了有效改善,但截至2010年,每年仍有5035万m3的混合污水溢出。

为了超过中央统计局每年不超过4次溢流的控制目标,MSD在2011年改变了中央统计局的长期控制计划,并计划在23年内建造3个储存隧道和1个储存池,建造当地的雨水和污水分流和处理设施,并在地理信息系统上投资1亿美元。其中GI主要在密西西比河附近地区实施,主要是因为该地区有大面积的空置或废弃场地,更容易进行绿化改造。

为了更有效地实施地理标志,MSD首先投资300万美元进行为期5年的地理标志试点建设,监测和评估项目绩效,并积极开展公众教育和宣传工作。发现绿色屋顶、绿色街道、绿色驾驶工厂改造、雨斗等GI技术措施更适合局部汇流区,而慢渗技术由于土壤特性不适合局部汇流区。在总结2016年试点经验的基础上,MSD宣布了绿色基础设施综合实施计划
基于简单的CSO污染及其废气特性,MSD在长期规划过程中划分了7个分区,评估了多达70项具体措施在源头控制、分洪、储存和处置4类技术中的适用性,共构建了55个不同组别的控制方案进行比较和选择。

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MSD综合分析了成本、CSO控制效果、财务支付能力、可行性、公众接受度等因素,最终确认GI投资1亿美元,约占CSO控制投资的5.5%。考虑到未来开发过程中可能实施的其他GI项目,MSD模型模拟预测未来GI可以有效控制约9.4%的年溢出总量。

图2圣路易斯大都市区合流制生产(数据来源:《Metropolitan St. Louis Sewer District Combined Sewer Overflow Long-Term Control Plan Update Report》 )弗吉尼亚州亚历山大市亚历山大市,城市小,人口少。合流区位于东部老城区,面积2.2km2,约占城市总灌溉面积的6%。虽然合流制的面积和比例较低,但CSO污染长期以来严重影响了当地水质的达标和改善,成为一类小城镇不容忽视的问题。

在CSO污染控制初期,亚历山大以雨污分流改造为主要策略。1999年,该市实施了CSO长期控制计划,分析研究了CSO的污染特征,细化了被联邦环保局否决的9项基本控制措施,完成了公众参与和监督机制。2005年,该市制定了“合流区削减计划”(ARP),拒绝所有开发商在合流区新建和改建项目中进行导流管网的建设或改建。

实施难度较大时,项目开发商需要向当地政府缴纳资金,政府将牵头进行雨污分流改造。基于雨污分流过程中遇到的一系列问题,市公布的《可持续发展规划2030》认为,短期阶段后将实施“联合面积削减计划”,并随之拒绝NPDES废气排放许可;长期阶段,通过调蓄、LID、雨污分流等技术措施,制定更经济高效的控制方案。

到2014年,由于建设和资金困难,仅完成0.057km2,每年仍有50~70个溢流,严重制约了水环境的改善。2016年,该市修订了原CSO长期控制计划,计划在20年内投资1.3亿-1.9亿美元,建设60万m3的蓄水隧道和1.1万m3的蓄水池,整合GI实施和当地雨污分流改造。

与3-4.5亿美元的雨污分流改造策略相比,灰色与绿色设施一体化策略具有明显的经济效益和较高的可行性。此外,该市还努力从当地居民那里获得雨水斗,积极开展雨水收集和利用项目,并为私人开发商和业主制定了GI鼓励计划。亚历山大公司的控制策略以贮存和处置为CSO污染控制的主要技术,将GI作为辅助措施与灰色设施相结合,占总投资的4%,可进一步减少溢流污染,产生额外的经济、社会和环境效益。这是因为亚历山大城71%左右的地方是不透水的,GI的实施空间有限。

分析表明,在汇流区所有可行空间构建GI,只能增加30%~40%的年总溢流量,不能满足当地CSO控制目标。而且这么大规模的GI实施可能会在2035年达到规划期,通过修建蓄水池、隧道等灰色设施,可以有效地将年溢出频率控制在4倍以下。

图3亚历山大港联合系统生产情况(数据来源:《Alexandria CSS Long Term Control Plan Update》 )2.2美国CSO污染控制灰绿色设施一体化总体分析除上述三种情况外,其他地区CSO污染控制也各有特点。例如,费城将地理信息系统视为控制大气污染的主要技术,并努力建立其“先锋”,并在2011年超过了96%的年溢流控制率的目标拒绝,然后该市制定了约40年的设施规划,重点实施经济高效的GI,以控制额外的CSO污染超过更高的水质水平。笔者结合相关数据,总结分析了灰绿色设施在共10个地区的应用情况(见表1)。虽然足以反映美国的所有情况,但也具有一定的代表性。

表1美国10个地区CSO污染治理灰绿色设施的应用可以看出,美国许多地区的CSO污染治理经历了几十年的希望,投入了上亿的资金,但仍然落后,长期性和艰巨性是显而易见的。2007年,美国联邦环境保护署宣布了推动GI控制CSO污染的政策,这是最重要的节点。在随后的几年里,各地争相补充原计划,并推动实施GI及其与灰色设施的整合,作为一种经济高效的控制策略,超过了CSO控制目标,拒绝了水质标准。

在一些地区,为了更好地推进GI以控制CSO污染,此外,还编制了绿色基础设施规划,细化了GI的实施目标、技术措施和项目决策。从GI规划周期和实施目标来看,自由选择合流区不透水面的面积或比例作为GI分析的实施目标,比长期规划更好,具有更容易统筹布局、监测评估方便的特点;与短期规划相比,以年溢流控制量作为GI分析的实施目标更好,更能直观地反映GI控制CSO污染的绩效水平,且必须经常通过融合模型进行模拟分析。10个地区的GI控制多数在20%以下,说明尽管GI备受关注,但灰色设施仍分担大部分CSO污染控制任务,其重要性不言而喻。GI的合理规划和实施往往可以填补灰色设施的严重不足,增加项目投资,提高整体效益。

在投资方面,除了纽约和费城这两个GI投资比例相对较高的地区,多达一半的地区GI投资在10%以下,大多数城市对GI表现出“更激进”的态度。据笔者分析,这主要与当地CSO控制目标的合格性、早期灰色设施的完备性、GI的可实施性等诸多因素有关。另外,GI作为一种新技术,目前还发展的很好,在很多地方实施的有效性还没有得到充分的证明。

因此,在推进过程中,采用了更具适应性的管理。根据项目监测和实施效果评价,积极进行调整,控制策略逐步优化,未来需要绿色或灰色设施的投资额。此外,密尔沃基制定了GI实施计划,目标是到2035年应用GI控制城市所有不透水表面的降雨量达到12.7毫米;西雅图制定了GI实施战略,到2025年之前,GI控制年雨水量265万m3。

这种在全市推广的GI规划策略,类似于国内的海绵城市建设。虽然不限于合流系统,但在增加雨水径流和整合灰色设施控制CSO污染方面也发挥着重要作用。3.美国CSO污染控制灰色和绿色设施一体化经验总结。结合我国海绵城市建设和黑臭水修复中的CSO污染控制现状和存在的问题,以下经验在我国最为引人注目。

(1)法规、政策及负责部门的控制和指导美国通过公布和修订联邦法规和政策,将CSO污染纳入NPDES废气许可制度,并规定了CSO污染控制的基本拒绝和指导意见等。在此基础上,地方政府制定了完整、适当的政策法规,制定了有效的控制策略,形成了较为完善的管理和推进体系。在某种程度上,联邦环境保护局实施的一系列指导文件
随着相关工作的进展,实践经验的积累和一些问题的暴露,以及GI等新思想、新方法的发展,各地也在大力调整CSO污染控制的理念、方法和策略,及时修订或新编制成长期规划。

不同地区CSO污染控制策略的差异对于不同地区CSO污染的明确控制方案和技术措施的自由选择,联邦环保局并没有做出统一或分析性的规定,各地区往往根据自身的实际情况制定适当的策略。由于发展规模、背景条件、设施水平、资金情况、公众反对程度等方面的差异,不同地区的灰色和绿色设施在定位、规划目标、技术自由选择、投资比例等方面存在一定差异。通过技术经济分析优化灰绿色设施的CSO污染控制体系包括多种灰绿色技术措施,美国很多地方通过详细的技术经济分析进行系统决策。

也就是构建不同技术组的控制方案,通过模型仿真、理论分析计算、会议讨论等方式进行评估比较。最后确定了一个特别高效合理的方案。此外,联邦和地方政府非常重视GI在环境、社会和经济方面带来的综合效益,如纽约、费城、华盛顿等城市,并将其分析纳入规划方案的决策过程,以实现投资效益最大化。

在CSO污染控制子系统之间的谈判实践中,指出美国高度重视不同CSO污染控制子系统之间的谈判。很多地区实施GI后,在满足CSO控制目标的前提下,为了增加投资,适当暂停或推迟灰色设施建设计划;在许多地区,在建设分洪管网和蓄滞洪设施的同时,污水处理厂和泵站也得到了适当的升级和重建。污染控制的子系统,如源头控制、分洪、储存和处置,是相互关联的。合理的设施和交会是优化资源配置、提高系统整体控制效果的关键。

有针对性地实施雨污分流改造。美国很多城市的案例指出,几乎所有的雨水、污水分流改造往往投资成本较高,往往低于其他控制方案,带来很大的环境和交通影响。

此外,雨水和污水分流改造不一定会增加污染物的废气,改造后的雨水系统及其径流污染仍必须得到尊重。因此,在美国大部分地区,雨污分流改造被认为是最适合CSO污染控制的措施之一。自由选择可行性强、投资成本低、实施效果好的目标区域进行改造,其他技术措施针对特殊应用进行充分整合,而不是正式实施。

主动评估和调整控制策略,考虑现有技术和认识水平的局限,行业未来的发展和改革,以及CSO污染控制实践中可能不存在的一系列不确定因素。不合理或“一刀切”的规定或实施计划可能会造成很大的问题和损失。

因此,对于CSO污染控制,尤其是包括GI在内的方案,美国在建设后项目监测评估结果的基础上,积极调整优化控制策略,有针对性地部署下一阶段的灰色或绿色设施建设计划。

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