下水道系统渗漏对黑臭水体和污水厂运行的影响：北京、上海、广州、新加坡四地的对比分析研究

中国在水污染治理问题上已经取得了显著的进步。中国住房和城乡建设部2018年第二季度全国城镇污水处理设施建设运行情况通报显示，截至2018年6月底，全国设市城市、县（以下简称城镇，不含其它建制镇）累计建成污水处理厂3,802座，污水处理能力达1.61亿立方米/日，成为全世界单日污水处理量最大的国家。然而，消除黑臭水体依然是巨大挑战，同时中国污水厂面对日益严格的排放标准，也有很多问题尚待解决，其中一大问题是进水COD往往异常的低。中国城镇供水排水协会（CUWA）2017年发布的数据显示，市政污水厂的进水COD平均值仅为267mg/L，南方地区的一些污水厂COD甚至低于100mg/L，而欧洲污水厂的进水COD一般在400-1,000mg/L。

 表1. 中国各地区污水厂进水水质和新加坡的对比（单位：mg/L）

中国大多数城市污水厂进水COD的C/N为7.5-8.8，属于中等偏低的水平，而且有大量惰性固体组分。为了保留更多碳源用于脱氮除磷，许多污水厂都略去初沉池，而且有厌氧消化工艺的污水厂占比不到10%，因此大部分污水厂都要通过外加碳源满足一级A的总氮标准（TN<10mg/L）。

进水COD浓度低也可能是由于污水管网存在渗漏问题，包括了外渗和内渗。黑臭水体问题很大程度跟管网渗漏有关。专家认为，要解决黑臭水体问题，先要解决污水厂进水低浓度的问题，并且要对管网渗漏情况进行量化。国内外水务专家就此进行了联合研究，目的是开发出一套简易的量化方法，探讨管网渗漏对黑臭水体和污水厂运行的影响，最后提出相关建议。专家团包括新加坡PUB前首席专家的曹业始博士、荷兰TU Delft的Mark van Loosdrecht教授，国际水协会前主席Helmut Kroiss教授和Glen Daigger教授、上海城市建设设计研究总院总工唐建国、中国水协排水委员会杨向平主任、甘一萍秘书长、江南大学李激教授、中国土木工程学会水工业分会张悦理事长等。他们的报告发表在国际水协会的期刊《Water Science & Technology》上。

研究方法

研究人员将污水厂进水的氮磷浓度分解为三个来源，第一是人们日常生活用水产生的负荷，第二是污水管网的内渗和外渗，第三是少量进入管网的工业废水。此外，还有部分污水在管网里发生生物降解，这都会影响进水COD的浓度。

图1. 污水下水道的内渗外渗过程示意图

研究团队首先以新加坡为例，计算人均污水负荷值。结果显示，新加坡的人均用水量为200L/天，假设内渗率约10%（旱天），没有外渗现象，COD在管网的降解率为10%，可以算得COD、氮和磷的个人负荷人别为121、9.7、1.0g/人/天。这些数值和奥地利、德国等欧洲国家几乎一模一样。

初步计算反映了中国污水管网存在严重的渗漏问题。在这次研究里，他们专门考察了北京、上海和广州的情况，并和新加坡进行对比。下表是人均用水和渗漏对比的概况，统计的都是处理量在10万m³/天以上的污水厂。

表2. 人均用水、处理率和渗漏率的对比

表3.污水厂进水氮、磷和外渗情况的对比

渗漏对水环境的影响

上表2统计显示，中国污水管网的整体外渗率达39%，考虑到南方水位较高，他们认为外渗情况主要发生在北方，而南方以内渗为主，致使进水浓度便低。但总的来说，这些外渗的COD和氮磷进入地下水或者地表水，导致黑臭水体的形成。这种扩散污染很难控制，而且其中形成的硫化物、硝酸盐或亚硝酸盐会进一步消耗可降解的COD。

图2. 管网系统的COD去向统计

另外，数据显示上海污水厂COD的惰性颗粒组分超过30%，欧洲只为8-20%，VSS/SS比范围在30-60%之间，低于欧洲的70%。具体参数见下表4。

表4

作者认为，上述结果说明合理设计和运行下水道系统，对于保护水生环境、消除黑臭水体，以及确保污水厂可持续运行至关重要。北京的案例证明了“厂网一体化”管理策略的有效性。最近住房和城乡建设部、生态环境部、发展改革委印发《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》对下水道的修复技术做出了指示，应该能加快污水管网系统的修复和完善。

对污水厂运行的影响

管网的渗漏问题使污水厂的运行表现偏离其设计能力。下水道系统的COD生物去除率高，使得进水COD/N比值偏低，平均在7.7-8.8之间，低于新加坡的11.2(表 4)。许多污水厂测得的进水VSS/TSS比率很低，约为30-60%，这表明固体的生物降解性较差。这是由于内渗引入的许多细砂和黏土（直径小于200µm）造成的，这些物质来自土地开发和城市化发展。进水碳源短缺、生物降解性差，为了满足氮磷的出水要求，必须外加碳源才能达标排放。这些细砂也占据了活性污泥池和厌氧消化管的空间，降低了处理效率和沼气产量。作者认为目前移除初沉池和厌氧污泥消化的常规做法过于简单，管理者需要根据当地具体情况，对污水厂运行进行优化。

七点建议

研究团队的比较分析方法对中国下水道管网的渗漏进行了初步量化，总的来说40%的水量流失和50%的COD和氮磷外渗量十分惊人。这也反应了管网问题确实和黑臭水体密切相关，同时也降低了污水处理厂的运行效率。他们指出，修复下水道管网的完整性，消除渗漏问题，能帮助中国从根本上解决黑臭水体的问题，实现城市可持续水管理的目标。对于日后应该采取怎样的措施，作者们列出了以下七点建议：

有四点建议是关于对管网渗漏调查的优化：

1. 开展全国范围的调查，评估对目前下水道 (以及部分雨水系统) 的渗漏情况。要达到量化的目的，调查要考虑旱天和雨天天气、时间/空间条件的变化情况（例如一年里地下水位的变化），这样有助了解表面现象背后的复杂机制；

2. 研究在当地条件下，渗漏对水环境和黑臭水体的影响;

3. 研究内渗地下水/河水与污水的相互作用、以及外渗污水和地下水/河水的相互作用，以及这些相互关系对水环境和COD在管网里的生物降解的影响;

4. 根据成本效益分析, 制定任务清单和替代方案，并列明优先级，最终制定下水道系统的修复计划，并予以执行。

另外三点建议是关于如何在现有进水水质条件下改善污水厂的运行表现：

5. 结合当地情况，评估当前污水水质，尤其是可生物降解和惰性固体的组成比，因为了解进水特性是污水厂设计和运行必不可少的首要任务。

6. 评估现有工艺单元的运行效率，特别是沉砂池和生物处理单元。分析并确定对污水厂进行升级或改造会遇到的瓶颈问题。

7. 根据目前的进水特性，对各单元/工艺开发一套合理的、一体化的设计指南，尤其是那些渗漏情况严重的地区。