浅析城市绿色排水系统对碳达峰的作用

2023-01-07叶伟武仝武刚

资源节约与环保 2022年2期

叶伟武仝武刚

（杭州银江环保科技有限公司浙江杭州 310000）

引言

碳排放与经济发展密切相关，经济发展需要消耗能源。“碳达峰”就是我们国家承诺在2030 年前，二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后再慢慢减下去。我国政府也提出要继续打好污染防治攻坚战，实现减污降碳协同效应。实现“碳达峰、碳中和”要坚持系统观念[1]，如何在建设生态文明的同时，又能在国家碳达峰、碳中和行动中发挥协同作用，实现一石双鸟的目的，是政府关注的重点。因此需要建设低碳城市，遵循低碳经济理念，以低能源消耗、低污染、低废物排放作为城市发展的前提，是继农业文明与工业文明之后的全新的发展理念。低碳经济需要对碳排放量进一步减少从而能够实现城市和国家的可持续发展。低碳经济不但能够提高资源的利用效率，也可以让城市能源结构从高碳化向低碳化进行转型，利用最少的环境代价以及资源的消耗来实现最大的经济效益，最终将成为实现我国可持续发展的重要推力[2]。本文提出一种绿色低碳排水系统，在建设生态文明同时又助力碳达峰行动，主要是从城市系统角度分析，降低政府整体投资，获取双重收益。

中国城镇化发展四十多年，走过了发达国家上百年才走过的城镇化进程。以人的城镇化为核心，以综合承载能力为支撑，提升城市可持续发展水平。城市发展出现的规划没有实现多归合一、建设质量不高、维护管理经费不足等一系列问题，城市地下管线系统错综复杂，排水系统不完善，污水直排河道，成为河道水体黑臭重要来源。

1 传统城市污水排水系统的瓶颈

1.1 排水系统合流制与分流制体系混乱影响排水系统效率

排水体制一般分为合流制和分流制两种。前者为污（废）水和雨水合一的系统；后者为分流系统。在分流系统中还可以有污水和洁净废水的独立系统，以便于处理或回用。合流制系统施工方便、总投资低，但排水系统管理不方便。分流制系统维护方便，有利于污水处理。合流制最大优点是只有一个排水系统，投资小，地下管位空间需求小。如果考虑河道水质问题，合流制排水系统不存在雨污混接、管理简单等优点，没有初期雨水污染问题。然而，合流制的弊端就是降雨强度大时，未经处理的雨污混合水，有可能通过溢流口溢流到河道、湖泊等受纳水体，从而污染水环境。

另一种分流系统是将污（废）水和雨水分开的系统，污水经过污水管网收集后进入集中污水处理厂，雨水径流经过雨水管网收集就近排放受纳水体。因此分流制最大优点就是旱季河道水质比较干净，但是下雨时，尤其是初期雨水，经过雨水的浸泡冲洗，地面的、管道里面的污染物都会进入雨水系统，再进入受纳水体，直接污染水环境，这就是城市降雨径流污染问题。

不管是合流制还是分流制，需要根据城市实际情况进行合理分析，不能搞一刀切，因为任何排水体制都有优点和缺点，排水系统必须符合绿色低碳特征才真正有意义。

1.2 传统城市排水系统维护管养困难

城市排水管网是地下工程，日常维护只能依靠检查井，而污水管网本身施工质量不高，经过城市的迅速发展，管网老化很快，各种问题凸显。污水管路堵塞、管道变形位移甚至破裂事故屡屡多见[3]，致使污水未及时排放，不仅影响生态环境，情况严重下直接扰乱居民正常生活。而我国很多城市已经进入中年或者老年期，需要进行有机更新，旧城改造，未来社区建设都是城市更新的一部分，而城市更新难点就在地下管网。

由于地下管网不仅有排水公司的污水管道，还有自来水公司的供水管道，既有三大通讯公司的通讯光缆，又有燃气公司的燃气管线，各自维护各自的管线，污水管线难免被破坏。很多城市污水排水系统受制于经济条件、发展意识认识等影响因素，并未有效且合理应用管道分流，乱排放问题普遍存在，严重影响生态环境，国家大力推进河长制，也是希望从政府系统顶层设计推动整个水环境质量的提高，另外，管网运维费用比较低，必要的检修、维护以及保养不到位，也需要政府加大对排水系统管网的投资力度。

1.3 排水管道施工开挖难度大

通常情况下，污水管网施工作业于地下开展，位于燃气管、给水管、通讯管下方，施工作业较为复杂、难展，施工作业较为复杂、难度较大且具有高危风险性，且经常与其他专业管路交叉，因此对污水管道施工人员的专业技术水平提高更高要求。地质状况及土体承载情况是施工顺利、高效实施的核心影响因素。如果土质差或其它原因，无法进行开挖施工，可以变更为非开挖式管道施工的方案，比如顶进法施工（顶管），管道水平牵引法（牵引管）。具体的要看管道的类型，管径的大小和所处地段情况来确定施工方案。顶管一般用于市政工程的污水管，大口径雨水管，土质差深度较深的管道。虽然非开挖修复技术日趋成熟，但由于排水管网原先基础不牢靠，经常会出现第一年管网检测，修复A 点，第二年原先没有问题的B 点也发生渗滤，继续蛙人下管道封堵、修复。需要经常对一个破旧不堪的管道进行修补，实际修复成本也很高。

1.4 排水系统遇到水环境与水安全双重压力

国家提出污水处理提质增效三年行动，倒逼城镇排水系统需要适应更高的城市管理水平要求。在雨季面对水环境和水安全双重压力下，如何提升城镇排水系统的可靠性、弹性与可持续性，对保障城镇水系统安全日益重要。城市排水系统具有动态性、多目标性和不确定性特征，从面向流域治理的角度，在进一步削减合流制溢流污染、最大程度发挥排水系统“源头-过程-末端”能力等多目标协同下，系统的运行控制日益复杂且控制难度日益增大。下雨前需要排涝水，而带有污水的雨水不能直接排，与城市内涝安全冲突。最后就成了河道水质靠天说了算，下雨河道黑臭，旱季河道水质良好。

1.5 排水系统需要厂、网、河一体化统筹考虑

随着城市化的发展与水环境质量要求的提高，污水处理厂需要不仅是扩容的问题，而且还要提高排放标准，而很多污水处理厂规划用地已无法满足新排放标准要求，打造低碳城市，需要建立系统思维，城市污水处理厂是城市发展的配套基础设施，污水处理不能仅仅着眼于点，厂、网、河一体化治理是系统治理思维，在这几年也得到广泛认可。窦娜莎等对构建厂、网、河一体化运维模式的权责划分、考核机制、推进方案等方面进行了分析和探讨[4]。

全国推行河长制后，污水处理厂的扩容与提质增效速度加快。同时传统城市排水规划遇到城市生态文明建设发展瓶颈，污水处理厂十几年前绝对是城市的一道伤疤，各种污水处理厂超标排放、污水处理厂是城市最大的污染源、污水处理厂臭气熏天等各种负面新闻报道，让人们敬而远之。

2 新技术、新需求促进绿色排水系统的形成

污水处理厂原先因为噪音、臭气、形象问题被群众诟病，而污水处理厂的噪音主要来自风机、水泵、空压机等动力设备。

风机的技术不断进行提高。过去污水处理厂普遍采用罗茨风机、离心风机，其中罗茨风机为容积式风机，为回转压缩机，属于恒流量风机。主机内有一对叶型转子，转子上每一凹入的曲面部分与气缸内壁组成工作容积，罗茨风机靠转子轴端的同步齿轮使两转子保持啮合，转子在气缸内作相对运动压缩、输送气体，将气体输送到排气管道中，再送风到终端设备，压缩空气过程形成摩擦，进而形成较大的噪音。离心风机属于恒压风机，当电机转动带动风机叶轮旋转时，叶轮中叶片之间的气体也跟着旋转，并在离心力的作用下甩出这些气体，气体流速增大，使气体在流动中把动能转换为静压能，然后随着流体的增压，使静压能又转换为速度能，通过排气口排出气体，而在叶轮中间形成了一定的负压，由于入口呈负压，使外界气体在大气压的作用下立即补入，在叶轮连续旋转作用下不断排出和补入气体，从而达到连续鼓风的目的。同等功率下，风压和风量一般呈反比。同等功率下，风压高，风量就会相对低，而风量大，风压就会低些，这样才能充分利用电机的有功效率。同样产生的噪声有空气动力噪声、机械噪声和电磁噪声。

目前新的污水处理厂已普遍采用磁悬浮鼓风机与空气悬浮鼓风机，它们都属于单级离心式鼓风机，核心科技都采用非接触式轴承、高速永磁电机、变频调速调节，都可以实现无油润滑系统，具有节能高效、低噪音、无油污染等特点。但是两者又有明显的不同之处，他们的非接触轴承类型不同。磁悬浮鼓风机采用的是磁悬浮轴承，通过电磁力实现转子悬浮；空气悬浮鼓风机则是采用空气悬浮轴承，原理是空气在鼓风机转子高速旋转下，会在转子与箔片轴承表面产生动压效应，形成高压气膜将转子托浮起来。但是空气悬浮鼓风机对环境的要求比较高，需要现场无尘无污染，需要做好空气的过滤工作，防止故障的发生。

污水处理厂的水泵也在技术优化。技术改进有泵的模具、叶片和重要零件开始用数控机床加工，从而可以提高泵的制造质量；泵水力设计与绘型软件逐渐代替人工计算和绘图；泵内流场计算近年计算流体动力学CFD 为流体机械流场计算提供了新的思路；以优秀模型统计资料为基础的速度系数优化法；以水力损失最小为目标的损失极值优化法；以某一指标为目标函数的准则筛选优化法。

污水处理厂会用到空压机，而空压机过去多用活塞式空压机，储存空气较慢，效率较低，噪音大，维护成本高，压缩气体油分较多，连带工业生产线效率较慢；而螺杆空压机采用成套配置螺杆式空气压缩机只需单一的电源连接及压缩空气连接，内置冷却系统，令安装工作大大简化，因此螺杆式空压机有较大的替代空间。现在新建污水处理厂基本都用螺杆空压机。

为了解决传统排水系统的问题，各种相关技术应运而发展，围绕排水管网检测、养护、修复、信息平台等，研发各种不开挖管道修复技术、搭建智慧管网模型，指导排水系统调整优化方案，形成一张地图、一个平台，对于各类涉水进行实时控制，利用算法进行预警提醒，准确快速预测流量和溢流点位。污水管网与雨水管网系统利用各类管网模型进行优化后，有利于城市排水系统稳定运行，促进地下管网的安全。

排水管网最终是将污水输送到污水处理厂处理，而十几年前，污水处理是一个臭气熏天、噪声严重的一个工厂，经过十几年的技术迭代发展，在污水处理稳定达标、污水厂除臭技术已非常成熟，生物除臭技术不仅应用于地上污水处理的臭气收集处理，而且在地下污水处理厂的臭气收集处理应用也比较广泛。污水处理厂噪声最大的罗茨鼓风机已被磁悬浮风机、空气悬浮风机逐步替代。同时城市的土地价值越来越高的同时，城市污水处理厂占地常常有几十亩，也促使污水处理厂与城市综合体打造逐步结合。污水处理厂也慢慢从远离人们视线的荒郊野外，以一种新的面貌展现在人们面前。

大集中式地下污水处理厂与景观结合项目全国各地如雨后春笋、遍地开花。地下污水处理厂与地面商业、农业、体育休闲、人工湿地等功能结合，可以实现生态价值转化，比如温州市中心片污水处理厂屋顶的冰雪运动中心开业后，年营业额已可回补污水运行的费用。

虽然很多污水处理厂有了美丽的外衣，但城市内河缺少生态补水的问题依然存在。随着群众对生活环境要求的提高，河长制的不断深化推进，内河缺水问题凸显，建立中水管网系统成为城市河道补水的重要工程。传统方法是在集中污水处理厂出水端建立再生水厂并通过补水管道进行河道补水，但由于大部分集中污水处理厂位于城市中心下游20 公里的距离，远距离输送能耗高，而且回用管道铺设成本高，在推行过程中难度很大。

因此在输送污水管道沿线，可以设置多个分散净化站，减少污水输送成本，同时分散净化站处理出水达到地表水标准，可以作为内河补充水，减少传统排水系统大循环的资源浪费。