我国城市水环境综合治理工程的开展可追溯到上世纪九十年代, 如我院参加设计的南宁市朝阳溪环境综合治理工程、海口市美舍河环境综合整治工程等。这些工程在建设前都存在严重的行洪排涝问题, 两岸建筑凌乱, 环境状况恶劣 (见图1) 。工程建成后非常显著地改善了当时的城市环境, 被称为“德政工程”“民心工程” (见图1) 。受历史条件所限, 如果按现在的眼光看, 这一批工程肯定存在这样或那样的问题。首先是经常被诟病的河道“三面光”和“覆盖”问题。造成这一类问题的主要原因是老城区河道两岸建筑密集, 要使河道满足行洪排涝标准和截污的要求, 就需要扩大河道断面和沿河两岸敷设截污管线, 毫无疑问会进行大面积的拆迁工作, 而当时的财力和拆迁安置能力是十分有限的。例如南方某城市的水环境综合治理工程中考虑过3个方案, 即自然生态边坡的“全明”方案、上游覆盖下游敞开的“半暗半明”方案、上下游全覆盖的“全暗”方案。从参数方面分析, 采用1∶3不等的自然边坡设计 (糙率0.025, 边坡稳定) , 河道上口宽度显然要大于采用浆砌块石 (糙率0.025) 或钢筋混凝土 (糙率0.014) 结构的直立挡墙矩形断面宽度, 再加上两岸截污管所占的位置, 造成自然生态边坡“全明”方案中沿河两岸的拆迁量比“半暗半明”方案的增加了接近一倍, 导致其拆迁费用和安置能力无法承受。另一个原因是城市的快速扩张需要大量的土地, 沿河地块最为抢手, 多数已被规划控制, 甚至小区地块的边线就在河边上, 使河道水系没有更多的治理空间;其次是河道水质的问题, 当时水环境综合治理工程的首要目的是解决河道行洪排涝安全和治理沿河两岸脏、乱、差环境等迫切需要解决的民生问题, 而城市的排水管线和污水处理厂都处在持续不断的“补缺”过程中, 污水系统的构建尚不完善, 基本上没有经过深度处理的再生水, 也没有再生水管道系统, 再加上截流倍数低、截污不彻底以及多头治水等原因, 造成缺水城市无水可补、多水城市有水难补、河道水质难有改善、雨后溢流频繁有加, 构建起来的水环境工程系统十分脆弱, 更谈不上生态恢复。

随着我国经济实力的不断增强, “让城市更美好”和改善人居环境的呼声越来越高, 自2000～2010年期间, 解决河道行洪排涝安全、截污和景观亮化工程在水环境综合治理工程中几乎都摆到了同一高度, 治理效果大为改善, 但仍存在补水匮乏、水质不清、水生态难以恢复的情况, 没有真正做到“站在水里看岸上”。

2014～2015年, 国家相继出台了《关于推广运用政府和社会资本合作模式有关问题的通知》《关于推进海绵城市建设的指导意见》《水污染防治行动计划》等一系列相关政策, 站在顶层设计的高度为水环境综合治理工程提出了可供采用的PPP模式和明确的目标要求, 促进了水环境综合治理工程的策划和理念的提升。在这一背景下, 以《南宁市竹排江上游植物园段 (那考河) 流域治理PPP项目工程》为代表的一系列水环境综合治理项目应运而生。

南宁市那考河水环境项目的策划可以说是走了一条与以往水环境综合治理“相反”的路线, 其中突出的一点就是先确定了“末端”, 规定了治理后河道要达到的水质标准, 并制定了严格的、可操作的考核体系。在设定了水质达标这一底线的基础上, 建设、设计、施工、运维各方都要穷尽所能, 系统治理的优势得以充分发挥, 使那考河水环境项目取得了非常好的治理效果, 除了水质持续达标以外, 水生态也得到了恢复, 做到了“水清岸绿、鱼翔浅底” (见图2) 。

随着我国经济实力的不断增强和生态文明建设的大力推进, 水环境综合治理工程也在向更好的方向演变, 其综合治理的理念、技术水平和治理效果都有了跨越式的提高。对于过去受历史条件所限建成的项目应无可厚非, 需要采取积极的态度认真总结经验, 并在可能的条件下进行改造完善。

《水污染防治行动计划》中强调了要强化城镇生活污染治理、整治城市黑臭水体等工作内容, 随着要求的完成时间不断临近 (2020年) , 各地正在积极开展水环境综合治理工作, 在“大干快上”的同时, 也暴露出一些存在的问题。

“沿河而居”“水岸庄园”, 这在城市房地产开发项目中是耳熟能详的引人招牌。沿河开发的项目屡见不鲜, 河岸与建筑几乎是“无缝对接”, 其中包括尚未施工的规划开发项目, 造成水系治理过程中截污、溢流污染控制等工程措施“无处下脚”, 最终只能沿河挂管、河中砌沟、水面绿化、水中曝气, 治理后成为“怪河”, 赋予河道太多的负担, 见图3。

一些明显缺乏天然补水的, 以再生水为补水水源的水环境综合治理项目, 在招标文件或合同协议中规定了治理后河水应该达到严格的水质标准, 其中总氮指标要求不大于2mg/L, 造成再生水厂加药量过大, 运行成本过高, 即便如此, 使用常规工艺组合也不易稳定达标。

在《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》中强调了削减合流制溢流污染。在实施过程中存在溢流污染控制标准不清, 调蓄池存留的“溢流污水”处理方式不明的问题。所谓标准不清, 一是行业规范缺乏溢流频次或降雨毫米数这类设计参数的指导性意见, 二是由于现状管线资料缺失, 沿河排口的水量水质没有长期监测资料, 在工期要求紧张的情况下难以开展模型分析和研究工作, 使设计参数的选取不够严谨;所谓处理方式不明, 就是对调蓄池收集存留的这部分“溢流污水”采取何种程度的处理方法各地掌握的尺度不同, 虽然《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》中说明可以“……采取快速净化措施对合流制溢流污染进行处理后排放……”, 但有的地方不允许这部分“溢流污水”有其他的排放口, 只要求全部送往污水处理厂进行全流程处理, 达到污水处理厂的出水标准后排放, 这将造成新建更多的污水处理厂或现有污水厂规模成倍扩建。

水环境综合治理是复杂的系统工程, 考核体系的制定离不开工程项目的边界条件。有些地方寄希望于一次解决几十年遗留下来的问题, 依靠一些强硬的“霸王条款”当做保障措施。如某项目的考核体系规定工程进入运维期间, 由第三方进行河道水质检测, 在“无论任何时间, 任何取样点”检测合格后方能支付运维管理费用。事实上河道周边大面积的鱼塘或畜牧养殖厂的排水无法控制, 解决起来涉及到复杂的社会问题, 超过设计标准的溢流也会发生, 这些客观存在的情况均会对河道水质产生影响, 也是设计方与合同执行方无法解决的, 因而造成了PPP模式或EPC+O模式的水环境治理项目合同难以执行。

规划蓝线是城市规划七线的其中之一, 一般称河道蓝线, 即城市各级河、渠道用地规划控制线。在水环境综合治理工程中, 沿河两岸一般需要敷设截污管线, 针对合流排口需要设置溢流污染控制的调蓄池, 还有巡河防汛路、海绵设施用地、景观建设用地等, 需要构建一套完整的工程体系。如果仅考虑截污管线的位置, 建议在规划河道上口边线以外至少控制6～10m的宽度, 为工程设施留足空间。

众所周知, 水体中由于过量营养物质 (主要是指氮、磷等) 的排入, 将引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖, 水体溶解氧量下降, 鱼类及其他生物大量死亡, 致使水质恶化, 这种现象称作水体富营养化, 因此控制水体中的氮磷是十分必要的, 尤其是以再生水为补水水源的河道水体。

在自然水体中, 发生富营养化的条件主要有3个:充足的N、P等营养物质, 缓慢的水流流态, 适宜的温度条件。一般认为, 水体形成富营养化的指标包括:水体中TN>0.2～0.3mg/L, TP>0.01mg/L, BOD₅>10mg/L, 细菌总量达到10⁴个/mL, 叶绿素α>10μg/L, 水体透明度小于50cm。因此, 就N、P植物营养盐而言, 无论是以再生水为水源的景观水体, 还是Ⅲ类天然景观水体均存在富营养化的营养物质条件, 当其它条件适宜时, 如缓慢的水流流态、适宜的温度条件等, 景观水体就有发生富营养化的风险。在这种前提下, 就需要充分考虑河道水体中总氮限值的经济合理性。

以10万m³/d的再生水厂为例, 总氮由一级A的15mg/L去除到2mg/L, 甲醇投加当量按3计, 每天的甲醇消耗量为3.9t;如果将总氮限值控制在10mg/L, 则每天的甲醇消耗量为1.5t。按照甲醇3 500元/t的价格, 后者的甲醇投加费用每天可节省8 400元。

另一方面, 就其机理而言, 在地表淡水系统中, 磷酸盐通常是植物生长的限制因素, 在正常的淡水系统中磷含量通常是有限的, 因此增加磷酸盐会导致植物的过度生长。而在海水系统中磷是不缺的, 而氮含量却是有限的, 因而含氮污染物加入就会消除这一限制因素, 从而出现植物的过度生长。这也就是为什么美国坦帕湾Howard F.Curren污水处理厂出水总氮要求≤3mg/L的主要原因, 因为其出水排放的水体是海湾。而我国城市水环境综合治理工程的对象绝大多数是陆地淡水的城市内河, 在以再生水为河道主要补水水源的情况下, 制定严格的水体总氮指标只会起到事倍功半的效果。

结合上述分析和国内常规再生水处理工艺运行情况, 建议以再生水为河道主要补水水源的水体总氮指标控制在5～10mg/L。

在《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) 中规定的集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值中规定的硝酸盐限值为10mg/l, 这就可以理解为集中式生活饮用水地表水源的总氮限值至少为11mg/L (按Ⅲ类) , 而本建议值最大为10mg/L, 已经明显严于集中式生活饮用水地表水源合理类推的总氮限值了。

在工程上, 削减河道溢流污染频次最有效的手段是建设调蓄池, 利用它在降雨期间把合流污水蓄存起来, 雨后按排空时间的要求经处理后排放。构建溢流污染调蓄系统首先需要明确溢流频次的控制标准, 如美国的西雅图要求年均溢流1次, 亚特兰大要求年均溢流4次, 澳大利亚悉尼要求年均溢流2次等, 这些标准的制定取决于河流水体的环境容量允许程度。根据溢流频次的要求, 结合降雨资料的统计分析得出降雨毫米数, 考虑径流系数和雨水汇流面积, 才可以计算出调蓄池的有效容积。而调蓄容积的大小又和投资有直接关系, 溢流频次控制的越严格, 意味着调蓄池要承受更多的降雨场次和更大的降雨毫米数, 再加上合流制管线一般所负担的雨水汇流面积较大, 因此溢流频次标准的确定成为如何经济有效地设计调蓄系统的关键因素。

根据赵泽坤等“中美合流制溢流污染控制概要比较” (《给水排水》杂志, 2018年第11期) 一文所做的总结, 美国是世界范围内较早系统性开展CSO污染控制的国家之一, 围绕CSO污染控制的法律政策体系构建、基础研究与工程实践等已进行了数十年, 总体上在溢流污染物的削减及受损水体恢复等方面取得了良好成效。我国上海、昆明等许多城市已开展研究与实践, 积累了宝贵经验。但总体来说, 我国CSO污染控制在法律法规及政策的支撑与保障、标准规范的约束与指导、规划布局的科学合理性等方面还存在一些问题或缺少一定共识。我国目前暂无专门针对CSO污染控制的专项国家标准规范, 相应内容在部分相关标准中有所涉及, 整体上是一项很大进步, 但其中有些内容还值得商榷或有待完善。

因此, 我国合流制溢流污染控制标准的制定是需要亟待解决的问题, 需要各地结合自身特点系统进行, 到了工程实施阶段再来论证标准为时已晚。

近年来, 我国出台的《水污染防治行动计划》《关于推进海绵城市建设的指导意见》等一系列重要文件加强了对合流制溢流所造成水体污染的重视, 住建部发布的《城市黑臭水体整治工作指南》也将CSO作为点源污染之一纳入到整治方案的编制范围要求中。毫无疑问, CSO污染控制已成为我国现阶段黑臭水体整治与海绵城市建设中一项需要迫切解决的问题。因此建议溢流污染控制标准工作提前在规划研究阶段分析解决。

关于溢流污水的处理方式, 建议允许采用一级强化的处理方式, 而不应“一刀切”式的全部送往污水处理厂进行全流程处理。一是借鉴发达国家经验, 如德国和日本采用一级强化的处理方式, 有的就地处理排放, 有的经污处理水厂初沉池处理后排放;二是水环境综合治理工程所涉及的汇水流域一般较大, 大量的溢流污水在短期排空时间内对污水处理厂产生较大的冲击负荷, 也会造成新建污水处理厂非雨季过多闲置。

考核标准是保障治理效果的有效措施, 尤其对PPP和EPC+O模式十分重要。但水环境综合治理项目属于“线”、“面”工程, 涉及到一定的社会问题, 如农业面源污染问题、补水水源问题、周边渔业和畜牧养殖问题、道路交通问题等等。曾发生过高铁到终点站后将车内粪尿收集后直接排入雨水管道的情况, 引起河道水质恶化。诸如此类的问题均构成了水环境项目的边界条件。建议充分考虑这些因素, 采用合理的打分制, 并允许上述问题发生时予以免责。

事实证明在有条件的地区开展“合改分”的工作可以有效消除合流制溢流污染现象, 还可以同时起到治理管线错接混接的作用, 其投资与建设溢流污染调蓄设施相比大为降低, 是一种行之有效的方法。我国许多城市将“合改分”作为排水事业的一项工作, 有的早在上世纪九十年代就已经开始, 但因现实推进中资金和社会问题等一系列困难逐渐放弃, 转而进行末端大截流, 建设调蓄设施等。建议在水环境综合治理工程中开展此类方案比较工作, 在沿河有条件的地区进行“合改分”工作, 有效降低资金投入。