純水設備分析美國合流制溢流控制標準 帶給我們什么啟示
【純水設備http://www.kelidi.net】1組合溢流(CSO)具有污水與降雨徑流的雙重特性，受隨機降雨、多污染源、階段數(shù)據(jù)等條件的影響。CSO控制標準是基于年平均溢流頻率、年溢流量控制率和年污染物總減少率。CSO控制標準的確定是以接收水質(zhì)為目標，以數(shù)據(jù)為基礎，采用“流域治理、污染共享”的策略，通過技術經(jīng)濟分析確定。純水設備簡要總結(jié)了政策和監(jiān)管的基礎和方法確定方案控制標準在美國,以中國社會的決心控制提供參考標準,技術路線的“植物和網(wǎng)絡的整合,灰綠色的組合”和支持政策和法規(guī)的制定,如排放許可。
海綿與城市建設、城市黑臭的水治理、城市污水處理質(zhì)量、工作效率等,融合系統(tǒng)溢出(方案)污染已經(jīng)成為一個不可避免的重大問題有待解決,方案控制政策和法規(guī),標準,綜合措施,缺乏設施規(guī)模設計、科學等等,已經(jīng)成為一個重要的瓶頸進行全封閉控制規(guī)劃和設計。
CSO控制標準主要包括年度溢流頻率、純水設備年度溢流量控制率和污染物控制。從海綿城市專項規(guī)劃、海綿城市建設以及近年來各地開展的黑臭水處理方案來看，往往以年均溢流頻率作為指標或標準。海綿城市建設的評價標準(GB / T 51345 - 2018),年均溢出音量控制和處理設施的污染物排放濃度限值提出了作為社會控制效果的評價標準首次在國家標準層面,和具體的評價方法。然而，作為CSO控制規(guī)劃設計方案制定中首先要考慮的問題，如何選擇指標以及如何確定標準仍值得深入探討。
全封閉污染控制政策和法規(guī),基礎研究工作和工程實踐進行了幾十年來,圍繞著社會控制標準這一基本問題,從政策和法規(guī)等方面系統(tǒng)和工程規(guī)劃分析實踐經(jīng)驗在美國工業(yè)純水設備,幫助從降雨徑流控制,城市污水處理和城市水環(huán)境質(zhì)量改善的方面全面了解社會控制,少走彎路。
1 美國CSO控制標準確定的政策法規(guī)基礎
1.1 清潔水法(Clean Water Act，CWA)
CSO作為點源污染，需滿足美國水污染控制的第一大法案——清潔水法的如下規(guī)定：禁止違法排放污染物;滿足基于技術(Technology-Based)和基于水質(zhì)(Water Quality-Based)的排放限值;允許通過頒發(fā)國家污染物排放控制系統(tǒng)許可(NPDES Permits)授權(quán)滿足CWA要求的污染物排放行為;允許州一級管理排放許可。其中，滿足基于技術和基于水質(zhì)的排放限值是CSO控制標準確定的重要依據(jù)。
① 基于技術排放限值
基于技術的排放限值指根據(jù)現(xiàn)有技術的污染物處理能力(負荷或濃度)并考慮對受納水體的影響確定的排放限值。對于污水處理廠，純水設備排放限值一般根據(jù)對二級處理出水的相關規(guī)定或州一級處理標準確定;對于其他處理設施，排放限值根據(jù)美國環(huán)保局(EPA)發(fā)布的排放指南、州一級處理標準或由排放許可撰寫人根據(jù)項目具體條件通過最佳專業(yè)判斷(Best Professional Judgment，BPJ)進行確定。
對于不同類型的污染物指標，CWA給出了具體的基于技術的排放限值確定方法。BOD、TSS、糞大腸桿菌、油脂等傳統(tǒng)污染物(Conventional Pollutants)的排放限值采用最佳傳統(tǒng)污染物控制技術(Best Conventional Pollutant Control Technology，BCT)法分析確定，COD、TOC、N、P等非傳統(tǒng)污染物(Nonconventional Pollutants)和有毒污染物的排放限值采用最佳技術經(jīng)濟可行(Best Available Technology Economically Achievable，BAT)法分析確定。
但EPA發(fā)布的排放指南中，未給出基于BAT、BCT方法的CSO污染物排放限值，許可撰寫人需通過BPJ確定CSO基于技術的排放限值。
基于水質(zhì)的排放限值
基于水質(zhì)的排放限值指根據(jù)水體水質(zhì)標準(Water Quality Standard，WQS)“反推”確定的排放限值，一般比基于技術的排放限值嚴格，純水設備短期內(nèi)較難實現(xiàn)。WQS包括水體設計用途(Designated Uses)及相應的水質(zhì)指標標準(Water Quality Criteria，WQC)，WQS由州一級制定并報EPA審批，若未通過審批而且州不作相應修訂，則由EPA代為制定，此外，州必須每3年對水質(zhì)標準進行復議并提交EPA審批。
水體設計用途體現(xiàn)了民眾對水體功能的基本需求，包括溫水或冷水水生生物棲息、可游泳、可垂釣、可飲用、可灌溉、可觀賞等。水質(zhì)指標標準主要為支撐水體設計用途的化學、物理或生物指標，如重金屬、致病菌、懸浮物、溶解氧、水獺或鳥類數(shù)量等。值得注意的是，水質(zhì)指標標準是根據(jù)水體設計用途從科學性角度制定的，純水設備不受經(jīng)濟和社會因素影響，但WQS很難始終保持達標，從經(jīng)濟因素考慮，在特殊空間或時間內(nèi)，水質(zhì)指標標準可以進行豁免，如允許CSO排放口下游水體的局部區(qū)域(游泳海岸、貝類棲息區(qū)域及其他重要棲息地等區(qū)域除外)不達標，允許雨天超控制標準發(fā)生的CSO導致WQS臨時不達標但水質(zhì)指標值控制在允許的范圍內(nèi)等。
1.2 CSO控制政策
美國具有針對性的CSO控制是從1989年8月10日EPA發(fā)布CSO控制策略(CSO Control Strategy)開始的。該策略的主要目的是：①確保旱天不發(fā)生溢流;②使所有雨天CSO排放口滿足CWA基于技術和基于水質(zhì)的排放限值要求;③最小化對水體水質(zhì)、水生生物、人類健康的影響。
隨后，1991年，EPA開始編制CSO控制政策(CSO Control Policy)來詳細說明CSO控制策略以加快滿足CWA的相關要求，并于1994年4月19日正式發(fā)布。該政策詳細介紹了CSO排放許可持證人與許可撰寫人、NPDES許可管理部門、州水質(zhì)標準部門的責任，為各利益相關方統(tǒng)籌協(xié)作制定和實施CSO控制方案提供了操作指南。2000年，CWA進行修訂，提出2000年12月21日后頒發(fā)的所有NPDES許可證均應符合CSO控制政策的要求。
CSO控制政策指出，許可持證人需制定和實施CSO九項基本控制措施(Nine Minimum Controls，NMC)和CSO長期控制規(guī)劃(Long-Term Control Plan，LTCP)，并納入不同階段或相關的(如污水處理廠排放許可)NPDES許可上報EPA或EPA授權(quán)的州一級NPDES許可管理部門審批，同時還要對各許可周期內(nèi)CSO控制措施的實施、工業(yè)純水設備效果監(jiān)測及達標情況進行報審。EPA或其授權(quán)的州一級NPDES許可管理部門負責配合許可撰寫人、持證人進行許可的編制和報批，并對NMC、LTCP的實施與達標情況進行監(jiān)管。純水設備州水質(zhì)標準部門負責審議和修訂受CSO影響的水體水質(zhì)標準(WQS)，如在特殊空間或時間內(nèi)需對部分情形的CSO排放進行豁免時，州水質(zhì)標準部門需配合持證人編制水質(zhì)達標分析報告并報EPA審批。
1.3 NPDES許可
CSO NPDES許可分為3個階段，第1階段(Phase Ⅰ)只有1個周期，時限為5年;第2階段(Phase Ⅱ)有若干個周期，每個周期為5年，直至CSO控制項目全部實施完成后，進入第3階段(Post Phase Ⅱ)，即運行期。每個階段的內(nèi)容如表1所示。
由表1可知，NPDES許可的第1階段和第2階段，未給出定量的基于技術的排放限值，而是定性的要求，即實施NMC，原因在于，CSO控制政策指出NMC符合基于BPJ的BAT和BCT要求，即滿足CWA基于技術的排放要求，至于為何未給出定量的基于技術的排放限值，是基于對造成CSO的降雨徑流基本特征的認識——降雨徑流及其所攜帶污染物的類型、濃度、總量具有很大的隨機性，該特征決定了很難有徑流控制技術能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的水質(zhì)處理能力。
NPDES許可的第1階段，也未給出定量的基于水質(zhì)的排放限值，原因在于第1階段通過監(jiān)測與模擬獲得的CSO及相應受納水體污染特征分析數(shù)據(jù)不足以支撐基于WQS反推確定CSO排放限值。而且，NPDES許可的第2階段初期及CSO控制措施實施過程中獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)仍難以支撐制定較為準確的排放限值，直至進入第3階段，全部CSO控制措施實施完成后，才能獲得直接且充分的數(shù)據(jù)證明能否達到WQS要求，故第2階段同樣未給出定量的基于水質(zhì)的排放限值，而是采用定量的基于CSO控制效果的標準代替，即年均溢流頻次、年溢流體積削減率、年污染物總量(如BOD、TSS)削減率等。
2 美國CSO控制標準確定方法
如前文所述，受數(shù)據(jù)不充分等條件所限，為滿足CWA基于技術和水質(zhì)的控制要求，CSO控制政策指出基于水質(zhì)的排放限值可通過效果標準進行表達，為指導許可撰寫人根據(jù)WQS及對CSO特征、受納水體污染特征等的監(jiān)測與模擬數(shù)據(jù)確定效果標準，并據(jù)此確定最佳的CSO控制方案，CSO政策進一步給出了效果標準的確定方法——推定法和實證法。
2.1 推定法
之所以稱為推定法，是依據(jù)該方法確定的CSO控制水平并不能確保WQS達標，但基于LTCP及NPDES第1階段和第2階段對CSS運行情況、CSO及其受納水體污染特征的監(jiān)測和模擬分析，采用該方法確定的CSO控制效果標準是經(jīng)濟合理的。
年均場次控制率是基于監(jiān)測與模型模擬得到的各CSO排放口的多年平均溢流頻次，年溢流體積控制率指多年通過雨污分流、截流、調(diào)蓄、純水設備處理等措施削減或收集處理的雨天溢流雨污水體積與總溢流體積的比值;年污染物總量削減率指通過年溢流水量控制與水質(zhì)處理實現(xiàn)的特定污染物的削減量與污染物總量的比值。為制定3個控制標準，首先需要對CSO控制前的CSO體積、頻次、歷時等特征進行評估，得到現(xiàn)狀條件下的基準值(Baseline)。
CSO控制政策指出，工業(yè)純水設備以場次或體積作為控制標準時，得到控制的溢流雨污水必須進行污水處理廠一級處理或與之相當水平的處理、對懸浮物和垃圾等漂浮物進行處置、消毒并對化學殘留物(如余氯)進行處理;對仍未得到控制的溢流雨污水，應最大限度參照以上要求進行處理，或做進一步深度處理后排放。
非常重要的是，參照污水廠一級處理工藝進行CSO雨污水處理并確定出水標準時，需注意CSO與污水明顯不同：CSO流量和污染物濃度受降雨徑流影響是變化的、處理設施雨天旱天交替運行、CSO雨污水中大顆粒物較多;此外，為最大程度利用或通過提升污水廠一級處理能力處理超過截流倍數(shù)的CSO雨污水，美國法規(guī)專門針對CSO提出污水處理廠可以超越二級處理(Bypass)對這部分雨污水進行一級處理及后續(xù)凈化后排放的規(guī)定。
需明確的是，場次控制標準是基于WQS，通過體積或進一步通過污染物控制分析確定的。而且，雖然推定法以效果標準代替基于水質(zhì)的排放限值，但許可證撰寫人仍需要基于對CSS、CSO及受納水體的監(jiān)測和模擬，分析CSO體積控制對污染物總量排放的影響，評估是否滿足受納水體WQS，并通過“費用–效果”分析，得出最優(yōu)的CSO控制方案。若不能滿足WQS，還需基于WQS，在“費用–效果” 純水設備最優(yōu)基礎上，確定仍需進一步采取的CSO控制措施及相應投資。
如果數(shù)據(jù)分析表明，推定法確定的CSO控制標準不能實現(xiàn)WQS達標，則需要采用實證法分析確定CSO控制標準。
2.2 實證法
采用實證法時，許可證撰寫人必須基于已有監(jiān)測和模擬數(shù)據(jù)，明確達到以下要求：①足以實現(xiàn)WQS達標，除非由于水體本底條件或其他非CSO污染源導致不能滿足WQS，也就是說，即使完全消除CSO也不能實現(xiàn)WQS達標;②如果其他污染源得到控制，制定的CSO控制方案足以實現(xiàn)WQS達標，此情形下，需在流域內(nèi)實施TMDLs(Total Maximum Daily Loads)方案，需滿足分配給CSO的污染負荷量削減要求;③確保CSO控制方案滿足“費用–效果”最優(yōu);④不排除在“費用–效果” 工業(yè)純水設備最優(yōu)基礎上進一步采取其他控制措施的可能。
無論推定法還是實證法，許可證撰寫人均需要確定投資與年溢流體積或污染物總量控制效果的關系曲線，確定最優(yōu)的CSO控制方案。由于實證法的要求較為嚴格和復雜，美國各州多采用推定法確定基于水質(zhì)的CSO排放限值，總結(jié)美國部分城市的CSO控制效果標準如表2所示。
表2 美國部分城市CSO控制效果標準
3 對我國的啟示
3.1 控制標準的確定以效果為導向、數(shù)據(jù)為基礎
年均溢流頻次、年溢流體積控制率、污染物控制標準雖然是基于CSO控制效果的標準，但最終目標是受納水體功能達標，即目標是“水質(zhì)”，因此，無論選用哪個指標作為控制標準，均需要以水體水質(zhì)為目標，以CSO溢流水量控制為手段，通過“費用–效果”分析確定標準取值及相應控制方案。實踐中，從便于監(jiān)管角度考慮，可選擇年均溢流頻次作為控制標準，但仍需評估相應的溢流量、溢流污染物總量控制效果以及水體水質(zhì)達標情況。
根據(jù)美國做法，規(guī)劃設計階段CSO控制方案的制定要以現(xiàn)狀基準監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，以模型評估為手段，純水設備并采用CSO控制項目實施過程中的階段性監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷對模型進行校正和完善，直至全部項目完成后才能通過水體水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定CSO控制規(guī)劃方案的最終效果，故監(jiān)測貫穿始終，數(shù)據(jù)是基礎。
此外，雖然美國多采用推定法確定效果標準，但由于我國城市水體污染的整體狀況相對較差，除CSO外的多種污染源較多，因此，工業(yè)純水設備可綜合采用實證法，參照TMDLs“流域治理、污染分擔”的方法開展水體治理(但需注意，美國的TMDLs需要以復雜的流域模型做支撐，周期和數(shù)據(jù)要求很高)。
3.2 充分認識CSO控制的特殊性和長期性
CSO具有污水與降雨徑流的雙重特性，降雨徑流最大的特點就是其隨機性，故美國以基于技術的NMC、基于控制效果的指標作為基本控制標準;而且，在處理措施上，并未直接采用高標準的二級處理，工業(yè)純水設備而是最大限度采用適應性更強、投入產(chǎn)出更優(yōu)的一級處理與消毒等物化措施，出水水質(zhì)指標則抓影響水體功能的核心指標并且以總量、均值或范圍值為主;此外，還對超控制標準的溢流所導致的受納水體不達標進行適度豁免，這些簡化或概化的做法均較好地考慮了CSO的規(guī)律或特征，可操作性更強。
我國的水體環(huán)境質(zhì)量底子相對發(fā)達國家要差，大力開展黑臭水體治理與水環(huán)境質(zhì)量綜合提升工作更應該從基礎工作做起，摸清底數(shù)，扎扎實實把廠管網(wǎng)問題解決好，把旱天直排解決好，從美國CSO長期控制規(guī)劃及各階段NPDES許可的內(nèi)容可以看出，在相當長的時期內(nèi)，美國仍然會抓廠網(wǎng)運行調(diào)度這一CSO控制基本措施，并積極通過“灰綠結(jié)合”進一步提升CSO控制效果，同時也在量力而行地“合改分”，多條腿走路。我國的海綿城市建設、黑臭水體治理、污水處理提質(zhì)增效正齊頭并進，一定要高質(zhì)量協(xié)同，發(fā)揮綜合效益，這必然是一場硬仗和持久戰(zhàn)。
3.3 CSO控制政策法規(guī)先行
關于水體水質(zhì)標準制定?？紤]CSO的特殊性、不同地方氣象水文特點、既有基礎設施情況、經(jīng)濟水平、受納水體情況等，美國并沒有采取一刀切的水體水質(zhì)標準，而是授權(quán)地方制定，國家負責審核并抓基本要求，工業(yè)純水設備在基本功能滿足的前提下，水質(zhì)標準可能一河一標準;重要的是，建立起了由下及上的反饋機制，水質(zhì)標準并非一成不變，根據(jù)具體條件，經(jīng)過公眾評議、技術經(jīng)濟分析，水質(zhì)標準是允許進行合理調(diào)整的，值得我國借鑒。
關于排放許可制度。我國針對污水已建立排放許可制度，然而雨水排放、CSO作為重要的“點源污染”仍未納入，純水設備海綿城市建設試點城市均在探索建立雨水排放許可制度，建議借鑒發(fā)達國家經(jīng)驗盡快予以完善并納入既有許可體系。此外，非常重要的是，以污水處理廠為例，針對CSO的污水處理廠一級處理達標排放合法化等問題均要從制度法規(guī)層面予以解決，才能形成真正有效的合流制排水系統(tǒng)，并最大限度發(fā)揮“廠網(wǎng)一體”控制CSO的經(jīng)濟效益。除政策法規(guī)外，我國現(xiàn)行標準規(guī)范在CSO控制標準、設施規(guī)模設計方法、設計參數(shù)等方面也存在較大不足，在此不再贅述。工業(yè)純水設備,實驗室水處理設備.
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