淺析城市綠色排水系統(tǒng)對(duì)碳達(dá)峰的作用

葉偉武 仝武剛

（杭州銀江環(huán)?？萍加邢薰?浙江杭州 310000）

引言

碳排放與經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要消耗能源?！疤歼_(dá)峰”就是我們國(guó)家承諾在2030 年前，二氧化碳的排放不再增長(zhǎng)，達(dá)到峰值之后再慢慢減下去。我國(guó)政府也提出要繼續(xù)打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”要堅(jiān)持系統(tǒng)觀念[1]，如何在建設(shè)生態(tài)文明的同時(shí)，又能在國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)中發(fā)揮協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)一石雙鳥(niǎo)的目的，是政府關(guān)注的重點(diǎn)。因此需要建設(shè)低碳城市，遵循低碳經(jīng)濟(jì)理念，以低能源消耗、低污染、低廢物排放作為城市發(fā)展的前提，是繼農(nóng)業(yè)文明與工業(yè)文明之后的全新的發(fā)展理念。低碳經(jīng)濟(jì)需要對(duì)碳排放量進(jìn)一步減少?gòu)亩軌驅(qū)崿F(xiàn)城市和國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展。低碳經(jīng)濟(jì)不但能夠提高資源的利用效率，也可以讓城市能源結(jié)構(gòu)從高碳化向低碳化進(jìn)行轉(zhuǎn)型，利用最少的環(huán)境代價(jià)以及資源的消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益，最終將成為實(shí)現(xiàn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要推力[2]。本文提出一種綠色低碳排水系統(tǒng)，在建設(shè)生態(tài)文明同時(shí)又助力碳達(dá)峰行動(dòng)，主要是從城市系統(tǒng)角度分析，降低政府整體投資，獲取雙重收益。

中國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展四十多年，走過(guò)了發(fā)達(dá)國(guó)家上百年才走過(guò)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程。以人的城鎮(zhèn)化為核心，以綜合承載能力為支撐，提升城市可持續(xù)發(fā)展水平。城市發(fā)展出現(xiàn)的規(guī)劃沒(méi)有實(shí)現(xiàn)多歸合一、建設(shè)質(zhì)量不高、維護(hù)管理經(jīng)費(fèi)不足等一系列問(wèn)題，城市地下管線(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，排水系統(tǒng)不完善，污水直排河道，成為河道水體黑臭重要來(lái)源。

1 傳統(tǒng)城市污水排水系統(tǒng)的瓶頸

1.1 排水系統(tǒng)合流制與分流制體系混亂影響排水系統(tǒng)效率

排水體制一般分為合流制和分流制兩種。前者為污（廢）水和雨水合一的系統(tǒng)；后者為分流系統(tǒng)。在分流系統(tǒng)中還可以有污水和潔凈廢水的獨(dú)立系統(tǒng)，以便于處理或回用。合流制系統(tǒng)施工方便、總投資低，但排水系統(tǒng)管理不方便。分流制系統(tǒng)維護(hù)方便，有利于污水處理。合流制最大優(yōu)點(diǎn)是只有一個(gè)排水系統(tǒng)，投資小，地下管位空間需求小。如果考慮河道水質(zhì)問(wèn)題，合流制排水系統(tǒng)不存在雨污混接、管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有初期雨水污染問(wèn)題。然而，合流制的弊端就是降雨強(qiáng)度大時(shí)，未經(jīng)處理的雨污混合水，有可能通過(guò)溢流口溢流到河道、湖泊等受納水體，從而污染水環(huán)境。

另一種分流系統(tǒng)是將污（廢）水和雨水分開(kāi)的系統(tǒng)，污水經(jīng)過(guò)污水管網(wǎng)收集后進(jìn)入集中污水處理廠(chǎng)，雨水徑流經(jīng)過(guò)雨水管網(wǎng)收集就近排放受納水體。因此分流制最大優(yōu)點(diǎn)就是旱季河道水質(zhì)比較干凈，但是下雨時(shí)，尤其是初期雨水，經(jīng)過(guò)雨水的浸泡沖洗，地面的、管道里面的污染物都會(huì)進(jìn)入雨水系統(tǒng)，再進(jìn)入受納水體，直接污染水環(huán)境，這就是城市降雨徑流污染問(wèn)題。

不管是合流制還是分流制，需要根據(jù)城市實(shí)際情況進(jìn)行合理分析，不能搞一刀切，因?yàn)槿魏闻潘w制都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，排水系統(tǒng)必須符合綠色低碳特征才真正有意義。

1.2 傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)維護(hù)管養(yǎng)困難

城市排水管網(wǎng)是地下工程，日常維護(hù)只能依靠檢查井，而污水管網(wǎng)本身施工質(zhì)量不高，經(jīng)過(guò)城市的迅速發(fā)展，管網(wǎng)老化很快，各種問(wèn)題凸顯。污水管路堵塞、管道變形位移甚至破裂事故屢屢多見(jiàn)[3]，致使污水未及時(shí)排放，不僅影響生態(tài)環(huán)境，情況嚴(yán)重下直接擾亂居民正常生活。而我國(guó)很多城市已經(jīng)進(jìn)入中年或者老年期，需要進(jìn)行有機(jī)更新，舊城改造，未來(lái)社區(qū)建設(shè)都是城市更新的一部分，而城市更新難點(diǎn)就在地下管網(wǎng)。

由于地下管網(wǎng)不僅有排水公司的污水管道，還有自來(lái)水公司的供水管道，既有三大通訊公司的通訊光纜，又有燃?xì)夤镜娜細(xì)夤芫€(xiàn)，各自維護(hù)各自的管線(xiàn)，污水管線(xiàn)難免被破壞。很多城市污水排水系統(tǒng)受制于經(jīng)濟(jì)條件、發(fā)展意識(shí)認(rèn)識(shí)等影響因素，并未有效且合理應(yīng)用管道分流，亂排放問(wèn)題普遍存在，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，國(guó)家大力推進(jìn)河長(zhǎng)制，也是希望從政府系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)推動(dòng)整個(gè)水環(huán)境質(zhì)量的提高，另外，管網(wǎng)運(yùn)維費(fèi)用比較低，必要的檢修、維護(hù)以及保養(yǎng)不到位，也需要政府加大對(duì)排水系統(tǒng)管網(wǎng)的投資力度。

1.3 排水管道施工開(kāi)挖難度大

通常情況下，污水管網(wǎng)施工作業(yè)于地下開(kāi)展，位于燃?xì)夤?、給水管、通訊管下方，施工作業(yè)較為復(fù)雜、難展，施工作業(yè)較為復(fù)雜、難度較大且具有高危風(fēng)險(xiǎn)性，且經(jīng)常與其他專(zhuān)業(yè)管路交叉，因此對(duì)污水管道施工人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平提高更高要求。地質(zhì)狀況及土體承載情況是施工順利、高效實(shí)施的核心影響因素。如果土質(zhì)差或其它原因，無(wú)法進(jìn)行開(kāi)挖施工，可以變更為非開(kāi)挖式管道施工的方案，比如頂進(jìn)法施工（頂管），管道水平牽引法（牽引管）。具體的要看管道的類(lèi)型，管徑的大小和所處地段情況來(lái)確定施工方案。頂管一般用于市政工程的污水管，大口徑雨水管，土質(zhì)差深度較深的管道。雖然非開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)日趨成熟，但由于排水管網(wǎng)原先基礎(chǔ)不牢靠，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)第一年管網(wǎng)檢測(cè)，修復(fù)A 點(diǎn)，第二年原先沒(méi)有問(wèn)題的B 點(diǎn)也發(fā)生滲濾，繼續(xù)蛙人下管道封堵、修復(fù)。需要經(jīng)常對(duì)一個(gè)破舊不堪的管道進(jìn)行修補(bǔ)，實(shí)際修復(fù)成本也很高。

1.4 排水系統(tǒng)遇到水環(huán)境與水安全雙重壓力

國(guó)家提出污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)，倒逼城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)需要適應(yīng)更高的城市管理水平要求。在雨季面對(duì)水環(huán)境和水安全雙重壓力下，如何提升城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的可靠性、彈性與可持續(xù)性，對(duì)保障城鎮(zhèn)水系統(tǒng)安全日益重要。城市排水系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性、多目標(biāo)性和不確定性特征，從面向流域治理的角度，在進(jìn)一步削減合流制溢流污染、最大程度發(fā)揮排水系統(tǒng)“源頭-過(guò)程-末端”能力等多目標(biāo)協(xié)同下，系統(tǒng)的運(yùn)行控制日益復(fù)雜且控制難度日益增大。下雨前需要排澇水，而帶有污水的雨水不能直接排，與城市內(nèi)澇安全沖突。最后就成了河道水質(zhì)靠天說(shuō)了算，下雨河道黑臭，旱季河道水質(zhì)良好。

1.5 排水系統(tǒng)需要廠(chǎng)、網(wǎng)、河一體化統(tǒng)籌考慮

隨著城市化的發(fā)展與水環(huán)境質(zhì)量要求的提高，污水處理廠(chǎng)需要不僅是擴(kuò)容的問(wèn)題，而且還要提高排放標(biāo)準(zhǔn)，而很多污水處理廠(chǎng)規(guī)劃用地已無(wú)法滿(mǎn)足新排放標(biāo)準(zhǔn)要求，打造低碳城市，需要建立系統(tǒng)思維，城市污水處理廠(chǎng)是城市發(fā)展的配套基礎(chǔ)設(shè)施，污水處理不能僅僅著眼于點(diǎn)，廠(chǎng)、網(wǎng)、河一體化治理是系統(tǒng)治理思維，在這幾年也得到廣泛認(rèn)可。竇娜莎等對(duì)構(gòu)建廠(chǎng)、網(wǎng)、河一體化運(yùn)維模式的權(quán)責(zé)劃分、考核機(jī)制、推進(jìn)方案等方面進(jìn)行了分析和探討[4]。

全國(guó)推行河長(zhǎng)制后，污水處理廠(chǎng)的擴(kuò)容與提質(zhì)增效速度加快。同時(shí)傳統(tǒng)城市排水規(guī)劃遇到城市生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展瓶頸，污水處理廠(chǎng)十幾年前絕對(duì)是城市的一道傷疤，各種污水處理廠(chǎng)超標(biāo)排放、污水處理廠(chǎng)是城市最大的污染源、污水處理廠(chǎng)臭氣熏天等各種負(fù)面新聞報(bào)道，讓人們敬而遠(yuǎn)之。

2 新技術(shù)、新需求促進(jìn)綠色排水系統(tǒng)的形成

污水處理廠(chǎng)原先因?yàn)樵胍?、臭氣、形象?wèn)題被群眾詬病，而污水處理廠(chǎng)的噪音主要來(lái)自風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)等動(dòng)力設(shè)備。

風(fēng)機(jī)的技術(shù)不斷進(jìn)行提高。過(guò)去污水處理廠(chǎng)普遍采用羅茨風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)，其中羅茨風(fēng)機(jī)為容積式風(fēng)機(jī)，為回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)，屬于恒流量風(fēng)機(jī)。主機(jī)內(nèi)有一對(duì)葉型轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上每一凹入的曲面部分與氣缸內(nèi)壁組成工作容積，羅茨風(fēng)機(jī)靠轉(zhuǎn)子軸端的同步齒輪使兩轉(zhuǎn)子保持嚙合，轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)壓縮、輸送氣體，將氣體輸送到排氣管道中，再送風(fēng)到終端設(shè)備，壓縮空氣過(guò)程形成摩擦，進(jìn)而形成較大的噪音。離心風(fēng)機(jī)屬于恒壓風(fēng)機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪中葉片之間的氣體也跟著旋轉(zhuǎn)，并在離心力的作用下甩出這些氣體，氣體流速增大，使氣體在流動(dòng)中把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為靜壓能，然后隨著流體的增壓，使靜壓能又轉(zhuǎn)換為速度能，通過(guò)排氣口排出氣體，而在葉輪中間形成了一定的負(fù)壓，由于入口呈負(fù)壓，使外界氣體在大氣壓的作用下立即補(bǔ)入，在葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)作用下不斷排出和補(bǔ)入氣體，從而達(dá)到連續(xù)鼓風(fēng)的目的。同等功率下，風(fēng)壓和風(fēng)量一般呈反比。同等功率下，風(fēng)壓高，風(fēng)量就會(huì)相對(duì)低，而風(fēng)量大，風(fēng)壓就會(huì)低些，這樣才能充分利用電機(jī)的有功效率。同樣產(chǎn)生的噪聲有空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲。

目前新的污水處理廠(chǎng)已普遍采用磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)與空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)，它們都屬于單級(jí)離心式鼓風(fēng)機(jī)，核心科技都采用非接觸式軸承、高速永磁電機(jī)、變頻調(diào)速調(diào)節(jié)，都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)油潤(rùn)滑系統(tǒng)，具有節(jié)能高效、低噪音、無(wú)油污染等特點(diǎn)。但是兩者又有明顯的不同之處，他們的非接觸軸承類(lèi)型不同。磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)采用的是磁懸浮軸承，通過(guò)電磁力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸??；空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)則是采用空氣懸浮軸承，原理是空氣在鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)下，會(huì)在轉(zhuǎn)子與箔片軸承表面產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，形成高壓氣膜將轉(zhuǎn)子托浮起來(lái)。但是空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)對(duì)環(huán)境的要求比較高，需要現(xiàn)場(chǎng)無(wú)塵無(wú)污染，需要做好空氣的過(guò)濾工作，防止故障的發(fā)生。

污水處理廠(chǎng)的水泵也在技術(shù)優(yōu)化。技術(shù)改進(jìn)有泵的模具、葉片和重要零件開(kāi)始用數(shù)控機(jī)床加工，從而可以提高泵的制造質(zhì)量；泵水力設(shè)計(jì)與繪型軟件逐漸代替人工計(jì)算和繪圖；泵內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算近年計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD 為流體機(jī)械流場(chǎng)計(jì)算提供了新的思路；以?xún)?yōu)秀模型統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)的速度系數(shù)優(yōu)化法；以水力損失最小為目標(biāo)的損失極值優(yōu)化法；以某一指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)的準(zhǔn)則篩選優(yōu)化法。

污水處理廠(chǎng)會(huì)用到空壓機(jī)，而空壓機(jī)過(guò)去多用活塞式空壓機(jī)，儲(chǔ)存空氣較慢，效率較低，噪音大，維護(hù)成本高，壓縮氣體油分較多，連帶工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)效率較慢；而螺桿空壓機(jī)采用成套配置螺桿式空氣壓縮機(jī)只需單一的電源連接及壓縮空氣連接，內(nèi)置冷卻系統(tǒng)，令安裝工作大大簡(jiǎn)化，因此螺桿式空壓機(jī)有較大的替代空間?，F(xiàn)在新建污水處理廠(chǎng)基本都用螺桿空壓機(jī)。

為了解決傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的問(wèn)題，各種相關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而發(fā)展，圍繞排水管網(wǎng)檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)、修復(fù)、信息平臺(tái)等，研發(fā)各種不開(kāi)挖管道修復(fù)技術(shù)、搭建智慧管網(wǎng)模型，指導(dǎo)排水系統(tǒng)調(diào)整優(yōu)化方案，形成一張地圖、一個(gè)平臺(tái)，對(duì)于各類(lèi)涉水進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，利用算法進(jìn)行預(yù)警提醒，準(zhǔn)確快速預(yù)測(cè)流量和溢流點(diǎn)位。污水管網(wǎng)與雨水管網(wǎng)系統(tǒng)利用各類(lèi)管網(wǎng)模型進(jìn)行優(yōu)化后，有利于城市排水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)地下管網(wǎng)的安全。

排水管網(wǎng)最終是將污水輸送到污水處理廠(chǎng)處理，而十幾年前，污水處理是一個(gè)臭氣熏天、噪聲嚴(yán)重的一個(gè)工廠(chǎng)，經(jīng)過(guò)十幾年的技術(shù)迭代發(fā)展，在污水處理穩(wěn)定達(dá)標(biāo)、污水廠(chǎng)除臭技術(shù)已非常成熟，生物除臭技術(shù)不僅應(yīng)用于地上污水處理的臭氣收集處理，而且在地下污水處理廠(chǎng)的臭氣收集處理應(yīng)用也比較廣泛。污水處理廠(chǎng)噪聲最大的羅茨鼓風(fēng)機(jī)已被磁懸浮風(fēng)機(jī)、空氣懸浮風(fēng)機(jī)逐步替代。同時(shí)城市的土地價(jià)值越來(lái)越高的同時(shí)，城市污水處理廠(chǎng)占地常常有幾十畝，也促使污水處理廠(chǎng)與城市綜合體打造逐步結(jié)合。污水處理廠(chǎng)也慢慢從遠(yuǎn)離人們視線(xiàn)的荒郊野外，以一種新的面貌展現(xiàn)在人們面前。

大集中式地下污水處理廠(chǎng)與景觀結(jié)合項(xiàng)目全國(guó)各地如雨后春筍、遍地開(kāi)花。地下污水處理廠(chǎng)與地面商業(yè)、農(nóng)業(yè)、體育休閑、人工濕地等功能結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)生態(tài)價(jià)值轉(zhuǎn)化，比如溫州市中心片污水處理廠(chǎng)屋頂?shù)谋┻\(yùn)動(dòng)中心開(kāi)業(yè)后，年?duì)I業(yè)額已可回補(bǔ)污水運(yùn)行的費(fèi)用。

雖然很多污水處理廠(chǎng)有了美麗的外衣，但城市內(nèi)河缺少生態(tài)補(bǔ)水的問(wèn)題依然存在。隨著群眾對(duì)生活環(huán)境要求的提高，河長(zhǎng)制的不斷深化推進(jìn)，內(nèi)河缺水問(wèn)題凸顯，建立中水管網(wǎng)系統(tǒng)成為城市河道補(bǔ)水的重要工程。傳統(tǒng)方法是在集中污水處理廠(chǎng)出水端建立再生水廠(chǎng)并通過(guò)補(bǔ)水管道進(jìn)行河道補(bǔ)水，但由于大部分集中污水處理廠(chǎng)位于城市中心下游20 公里的距離，遠(yuǎn)距離輸送能耗高，而且回用管道鋪設(shè)成本高，在推行過(guò)程中難度很大。

因此在輸送污水管道沿線(xiàn)，可以設(shè)置多個(gè)分散凈化站，減少污水輸送成本，同時(shí)分散凈化站處理出水達(dá)到地表水標(biāo)準(zhǔn)，可以作為內(nèi)河補(bǔ)充水，減少傳統(tǒng)排水系統(tǒng)大循環(huán)的資源浪費(fèi)。

結(jié)語(yǔ)

（1）建設(shè)低碳城市，遵循低碳經(jīng)濟(jì)理念，繼續(xù)打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同效應(yīng)，需要大力推進(jìn)城市綠色排水系統(tǒng)。

（2）排水系統(tǒng)需要廠(chǎng)、網(wǎng)、河一體化統(tǒng)籌考慮，綠色排水系統(tǒng)較傳統(tǒng)排水系統(tǒng)節(jié)約50%投資，能耗節(jié)省約30-50%。

（3）分散污水處理是城市集中污水處理廠(chǎng)的有益補(bǔ)充，減少排水系統(tǒng)管網(wǎng)的擴(kuò)容壓力以及泵站的擴(kuò)容壓力，可以加快城市綠色排水系統(tǒng)的形成。