我國城市黑臭水體治理面臨的挑戰與機遇
本文根據我國城市截污治污基礎設施建設和運行情況的統計分析（不包括香港、澳門、臺灣省等地區），詳細分析了管網高覆蓋率城市水體黑臭、污水高處理率城市水體黑臭、雨天黑臭3類黑臭問題和城市排水管網建設以及管理的對應關系，闡述了治理城市黑臭水體的技術和市場需求。城市污水治理基礎設施建設框架基本形成背景下的水體黑臭問題，不僅在我國存在，在其他發展中國家也普遍存在，但在歐美河流治理范例中，這些問題并不突出。因此，期望我國解決這些問題的技術方法和管理體系能為發展中國家水污染治理提供借鑒，對推進水環境治理和城市可持續發展具有重要意義。
0引言
城市水體黑臭是當今我國最突出的環境問題之一。2015年4月《水污染防治行動計劃》發布，將城市黑臭水體治理作為一項重要任務，要求到2020年，全國地級及以上城市建成區黑臭水體控制在10%以內，到2030年，城市建成區黑臭水體總體得到消除。2018年5月，生態環境保護大會把消滅城市黑臭水體作為實施水污染防治行動計劃的重要內容。2018年6月《關于全面加強生態環境保護，堅決打好污染防治攻堅戰的意見》發布，對城市黑臭水體治理等“五大水相關戰役”作出詳細規定。
城市黑臭水體治理是一項長期的系統性工程，與城市規劃不合理、基礎設施不匹配、監督管理不完善等復雜因素密切相關，導致黑臭水體治理面臨巨大的挑戰。2016年2月，住房和城鄉建設部、環保部正式發布黑臭水體清單，全國220多個地級以上城市黑臭水體高達2100個，64%集中在東南沿海地區，因此，我國城市黑臭水體治理存在巨大的市場機遇。治理是否見到成效不僅取決于技術支撐，也需要強大的社會資本投入，同時，政府的管理體系也亟需完善。
1我國城市水環境基礎設施建設基本情況
改革開放以來，隨著我國城市化進程加快，城市人口比例從1978年不足20%到2018年增長為約60%，城市人口達到8億人，我國城市水系單位面積的污水排放量是歐美城市的3~4倍。自上世紀90年代開始，我國政府大力推動城市污水治理基礎設施的建設，污染治理投資逐年增加。到2016年，我國城市在污水處理工程建設的總投資達到1485.5億元，占GDP比例維持在1.1%~1.8%，我國城市平均污水處理率達到90%，與歐美國家污水處理率相近，東南沿海城市污水集中處理率高達94%以上，達到世界領先水平。我國城市建成區管網密度從1981年的3.17km/km²提高到2016年的10.61km/km²。但是，我國城市重污染水體依然保持在9%左右，大部分集中在經濟發展和污水治理較為領先的東南沿海地區。這個背景下的城市水體污染問題是我國和其他發展中國家普遍存在的共性問題，其成因及對策值得深入剖析和探討，對我國和世界上類似國家的水環境治理以及城市可持續發展具有重要的指導作用和借鑒意義。
2城市排水管網問題是黑臭水體治理面臨的挑戰
經過多年的持續努力，我國城市排水管網架構基本形成，但是，建設規劃不成體系，總管、干管比較完整，支管和收集管網殘缺不齊，施工質量比較粗糙，由此，嚴重影響了污水截污納管，大量污染直排河道。我國城市的管網問題導致的水體黑臭可以分成3類。
2.1污水管網高覆蓋背景下的城市水體黑臭
只重污水總管和干管建設，忽視收集管網建設；強調主要河流污染治理，不按水系截污治污是我國城市污水管網高覆蓋率背景下水體黑臭的根本成因。
2.1.1忽視污水收集管網建設
我國城市排水管網覆蓋率已經達到90%以上，與歐美國家和日本相當，但收集管網不完善，城市排水管網密度遠遠低于日本、美國等城市。日本城市排水管網長度在2004年已達到35萬km，排水管網密度一般在20～30km/km²，高密度城區可達50km/km²；美國城市排水管道長度在2002年約為150萬km，城市排水管網密度平均在15km/km²以上。我國城市排水管網建設過程中，往往只注重總管和干管的建設，忽視了收集管網的建設，這個問題在中國縣級城市更加嚴重。眾多污染源無法納入污水管網，只能直排河道，造成管網高覆蓋率情況下城市河道黑臭。
回顧上海市蘇州河水環境綜合整治一期工程實施之際，雖然當時已經建成了中心城區污水集中處理工程（即合流污水治理一期工程和污水治理二期工程），但是由于污水收集管網建設不同步，污水實際收集處理率只有44%，56%的污水未經處理直接排入河道。針對這個問題，重點實施了收集管網建設，污水收集率提高到90%以上。
2.1.2忽視河網水系截污治污
我國城市水體污染最嚴重的東南沿海地區，河網密布，縱橫交錯，互聯互通。在污水管網設計和建設時，往往重視干流的截污，忽視支流的截污；重視中心城區的截污，忽視按水系截污，導致往復回蕩河流水質相互影響，干流截污效益不明顯。例如，在1993年上海市合流污水一期工程建成后，直接排向蘇州河干流的污染源被全部截流，但是在蘇州河中下游的6支流范圍內，仍有上千個污染源未被截流，每天直排污水量約30萬m³，支流污染嚴重影響了干流水質，這是當時合流污水一期工程竣工后蘇州河干流仍然黑臭的重要原因。隨后開展的蘇州河環境綜合整治工程，重點實施了基于河網水系全面截污的污水管網工程建設，有效實現了全水系截污治污，為蘇州河消除黑臭、改善水質奠定了堅實基礎。
2.2污水高處理率背景下的城市水體黑臭
根據我國城市每年發布的環境公報可以看出，各地污水處理率基本都在90%以上，污水收集處理率和歐美國家接近，但是城市水體水質差距較大。原因是大量地下水和雨水排入污水處理廠，虛高了城市污水處理率，高處理率數字后面隱藏了污水未經處理直接排放的真相，導致河道受到嚴重污染。
2.2.1管道破損導致地下水入滲量較大
截至2015年底，我國城市排水管道長度總量達到54萬km，其中26.1萬km排水管網的使用時間在10年以上。由于污水腐蝕、侵蝕、沖刷、沉積及地面荷載等影響，污水管道破損嚴重的問題在我國城市普遍存在。敷設在地下水水位以下的排水管道，地下水進入污水管網，擠占了污水管網的輸送容量，降低了污水處理廠的進水濃度，我國4000多座污水處理廠中約有1000座進水COD在150mg/L以下，污水處理廠設計生活污水進水COD是350mg/L，兩者相比說明污水處理廠處理的并不全是污水。我國南方城市這個問題更加明顯，南方污水管道地下埋深一般3~5m，深的達到7m，低于地下水位，如果管網不防滲，地下水就會滲入管網，所以解決污水管網滲漏的問題非常關鍵。北京市污水處理廠進水氨氮濃度38.1mg/L，總氮濃度48.8mg/L；南方城市污水處理廠的進水氨氮濃度21.9~24.0mg/L，總氮濃度30.4~35.1mg/L，據此可以推算出我國南方地區污水管道中地下水的比例可高達28%~40%。根據調查，我國南方城市的管道地下水入滲量可達3800~6300m³/(km²·d)，而德國為1296m³/(km²·d)，是德國的3~5倍。
2.2.2大量雨水非法進入城市污水處理廠
圖1a為我國某大型污水處理廠2011~2018年晴天進水量和雨天進水量比較，晴天年平均進水量總體比較穩定，波動較小，年際變化不是十分明顯，但是雨天進水量有逐年增加的傾向。污水處理廠雨天進水量明顯高于晴天進水量，雨天平均進水量超過晴天平均進水量14%~23%，最大值達到同期晴天進水量的1.7~2.2倍。圖1b做了污水處理廠晴天與雨天進水氨氮濃度的比較，從中可以看出，雨天污水處理廠的氨氮濃度明顯低于晴天進水濃度，污水處理廠雨天年平均氨氮濃度為18~25mg/L，而晴天進水的氨氮年平均濃度為21~26mg/L。圖2給出了同一污水處理廠雨季（5~8月）晴天進水量和雨天進水量的比較，從中可以看出，雨天和晴天進水量平均值差異更加明顯，雨天進水量大于晴天進水量16%~35%。雨水進入了污水處理廠，增加了污水處理的水量，降低了進水濃度，侵占了污水管網輸送容量。
這個問題在中小城市更加嚴重，污水處理廠雨天被淹的事件也時有發生。圖3是我國某中小城市污水處理廠晴天和雨天進水量調查結果，雨天時污水處理廠的進水量高達旱天進水量的2倍以上，以致暴雨發生時，污水處理廠溢流嚴重，廠區甚至發生漫流。雨水管道非法接入污水管網可能是因為管網施工監理不到位所致，但是，也有部分地區為了避免雨天溢流污染對河道的影響，故意接入污水管網。
2.3雨天黑臭
隨著黑臭水體治理措施加大，許多城市水體晴天消除了黑臭，但伴隨而來的是雨天河道黑臭，這種現象在我國東南沿海城市尤為嚴重。合流制系統初期雨水排放和分流制系統雨水管網溢流是我國城市河道雨天黑臭的重要成因，也是我國城市黑臭水體治理中最難攻克的難關。
2.3.1我國城市合流制系統污水輸送沿程沉積嚴重
我國大概有10.9萬km的合流制管網，大部分城市的中心城區為合流制系統。我國城市規模較大，污水處理廠通常位于郊區，所以，合流制系統輸送距離較遠，晴天流速較慢，污水管網一定程度上成為顆粒態污染物的蓄存箱，導致末端污水處理廠進水濃度偏低。根據統計分析，超過70%的污水處理廠進水COD濃度低于300mg/L，超過30%的污水處理廠進水COD濃度低于200mg/L（見圖4）。表1為我國典型城市污水處理廠進水水質與部分國家污水廠進水水質的對比。可以發現我國污水處理廠進水NH3-N濃度與美國南加州污水處理廠進水濃度值相當，其平均值甚至高于歐洲的數值，但是，SS濃度卻相差約100mg/L，BOD、SS平均濃度分別為這些國家污水處理廠進水濃度的74.3%、62.6%，說明我國城市合流制排水管網在污水輸送過程中，將近1/3的顆粒態污染被沿程沉積，合流制系統污染沿途沉降也降低了污水處理廠的進水濃度。
2.3.2我國城市分流制系統雨污混接嚴重
我國城市污水管網建設滯后城市發展20余年，率先發展的中心城區在城市排水骨干管網未普及的情況下，為了解決這些區域的污水排放，采取雨污水混接等臨時性措施，將污水接入了城市的雨水管網，暫時滿足了污水的排放需求。由于在較長時間內沒有實施改造，臨時措施變成了永久措施，時至今日，大量污染仍然直接排入雨水管道，雨污混接仍然比較普遍。
根據我國南方部分城市的調查結果，排入雨水管網的污水下雨時發生溢流污染，排放COD高達800~1100mg/L，導致河道雨天黑臭。我國國家水體污染控制與治理科技重大專項課題曾以某個城市為示范，開展了分流制排水系統雨污混接識別與改造的研究。圖5是我國東部城市23個分流制排水系統雨污混接情況的調查結果，非法排入雨水管道污水量占服務范圍總污水量的平均比例約26.2%，最高達70%。
2.3.3分流制系統雨污混接和合流制系統沉積導致雨天水體黑臭
我國城市水體雨天黑臭主要原因是分流制系統和合流制系統雨天溢流污染。表2是我國南方部分城市以及法國、德國和美國雨天溢流污染濃度，可以看出，在我國南方地區，合流制系統雨天排水時，COD高達1200mg/L，均值高達540mg/L；分流制系統的溢流污染濃度，無論是最大濃度或者中值，均比表中所列的國家嚴重，甚至高出2倍以上。
3技術需求和市場展望
我國城鎮化快速發展，城鎮化率已從2000年的36.22%提高到了2016年的57.35%，但地下管網等基礎設施建設卻沒有跟上。長期以來，我國城市管網建設投入不足，排水管網系統破損嚴重。隨著城市黑臭水體治理中出現的頑癥問題的暴露，社會公眾乃至決策層終于認清了一個現實，城市排水體系建設的滯后，正在成為我國城市水環境水質改善的絆腳石，成為一道繞不過去的坎，或遲或早都必須要面對的問題。
3.1技術需求
由于人口密集，交通繁忙，高樓林立，我國城市管網問題的解決非常困難，地下勘察、地下修復、地下施工存在巨大技術需求。在高密度發展的城區修復破舊管網，比新建管網還要困難。這是我國長期以來“重地上輕地下”的發展思路導致的結果。
（1）雨污混接改造。這是解決我國城市水體黑臭問題的關鍵，查明地下管網雨污混接情況是進行改造的前提。迫切需要開發混接污染源的溯源與追蹤技術和地下管網探測與診斷的機器人，確定針對性的工程技術。高度現代化的城區實施地面開挖進行雨污混接改造十分困難，目前，我國城市采取的措施為初期雨水調蓄和旱流污水截流，對于雨天黑臭問題的解決十分有限，溢流污染末端快速凈化和攔截裝置開發十分重要，排水管網自動調度實現在線調蓄很有必要。
（2）管道修復。由于污水的腐蝕、侵蝕、沖刷、沉積及地面荷載等影響，排水管網存在著破損、錯口、滲水、漏水、淤積、堵塞等不同程度的缺陷。地下管網探測儀器設備的開發十分迫切，地下管網診斷和修復技術的需求大大增加，非開挖管網建設和帶水修復技術急需引進。目前，國內市場正在應用的技術是點狀原位固化法、不銹鋼套筒法等局部非開挖修復技術和紫外光原位固化法、管片內襯、短管內襯、脹管法等整體非開挖修復工藝，相關環保產業和工程建設市場也將迎來一輪爆發。
（3）沉積物清理。遠距離輸送的合流管道沉積物清理是控制溢流污染的有效措施。目前，我國基本采用人工疏浚，效率較低，因此，預防管網沉積技術，機械清淤和水力自動沖洗等技術方法有很大的需求空間，清淤污泥無害化與資源化處理處置技術需求非常迫切，隨著對管道沉積污染的重視，相關裝置、結構設計、施工和建設管理將會成為熱點。
（4）低影響開發。通過綠色基礎設施的攔、截、蓄、滲作用，可以有效減少降雨徑流，從而減少合流制管網與分流制雨水管道的溢流污染。已有研究表明，綠色基礎設施可以有效減少溢流頻率，減緩沉積物的沖刷，尤其在中小雨的情形下，效果十分明顯。傳統灰色排水設施和綠色排水設施的耦合設計與優化管理運行將成為我國城市提高排澇能力、減少徑流污染的主流技術。
（5）智慧水務。我國大部分城市，特別是中小城市的排水管網運行管理水平較低，很多城市仍然沿用傳統的、依靠紙圖甚至老工人記憶和經驗的管理模式。盡管隨著計算機技術的普及和發展，不少城市對排水管網數據進行了信息化處理，但信息化和專業化程度比較低，無法體現排水管網的系統性。另外，部分城市采用了基于GIS的管理系統，實現了城市排水管網地理特征的地圖顯示和查詢功能，但無法實現排水管網的網絡分析、動態模擬和優化分析，不能為城市排水管網安全運行提供科學的決策支持。基于傳感器的管網、河網運營監控以及集合數學模型預測、實時數據分析、專家案例庫查詢與推理的智慧水務平臺開發，也具有很大的發展空間。
3.2市場展望
2015年4月，財政部、環保部發布《關于推進水污染防治領域政府和社會資本合作的實施意見》，提出在水污染防治領域推廣PPP模式，完善投融資環境，引導社會資本積極參與、加大投入，提升水污染治理能力。我國黑臭水體治理正由潛在的市場變成現實的市場。我國政府實施依效付費，在黑臭水體治理PPP項目運營過程中定期對社會資本的投資治理和運行效果進行考核，考核結果作為支付項目運營服務費用的依據。社會資本參與城市黑臭水體治理，不僅可以解決政府短期集中投入資金短缺的問題，還可以將環境治理的工程，轉換成一個按效果付費、易于管理的合同。這樣，通過多方協作的方式，將短期整治與長期維護相結合，推動黑臭水體治理，并保障治理方案穩定運行。目前，河道水環境治理PPP項目已經發展到一定規模，截止到2018年7月，財政部入庫河道水環境治理PPP項目共131個，總投資額2259.18億元。
目前，我國城市水環境治理PPP項目基本沒有將現有管網修復與完善包括在內，這也是現有城市黑臭水體治理PPP項目“治理反復、反復治理”的根本原因。PPP項目只有將排水管網的完善與修復納入其中才能見到長效。但是，我國城市管網資料跟實際情況差距較大，排水管網普遍存在地下水入滲、異物穿入、管道錯接、管道淤積、管網破裂等問題，國內參與PPP項目的運營企業多為綜合性環保服務企業或是具有雄厚資本實力的跨界者，專攻黑臭水體治理的企業不多，缺乏管網修復的專業技術，面對高密度城市排水管網修復與完善這道難題，無論是技術上還是工程建設上，他們都顯得無能為力。
根據圖6所示，我國城市污水管網僅為供水管網的2/3，意味著城市污水收集管網約有1/3的缺口。表3是我國某設計院承接的排水系統的造價分析，排水管網建設成本720~1899萬元/km²，據此計算分析，我國城市污水收集管網建設還需投資近萬億元。據國內目前已經開展的排水管網的勘察情況，大城市已建地下管網的破損率將近30%，中小城市的情況可能更加嚴重，據此估算，我國城市管網修復的工程投資將超過數萬億元。據公開資料報道，僅“十三五”期間，我國污水管網建設和改造的投資將超過3000億元。目前，我國有關城市管網的話題明顯增多，與管網相關的許多企業業績良好，過去并不受重視的城市污水管網，逐漸迎來產業風口。
目前，我國城市排水管網運行基本上由各級政府下屬的城市投資建設集團的子公司運營，專業化運營維護水平不高。城市排水管網的運行管理也應該探索新的運營模式，引進專業化的運行管理隊伍，采取合同管理或PPP等新運行模式，利用專業隊伍的專業人才、新技術、新工藝，為政府提供涵蓋“調查、診斷、治理、維護”4個階段的管理服務，負責城市排水管網運行的全過程管理，解決排水管網的現有問題。政府實施城市排水管網運行管理結果考核，實現管理方式由“以建為主”向“監督管理”轉變，相應的市場費用估計也將超過數千億元。
城市排水管網修復完善和后續管理與PPP項目結合，會從根本上改變城市排水管網的現狀問題，有助于實現城市黑臭水體治理的目標，并推動環保市場的蓬勃發展，新技術、新裝置和新的運營管理模式將催生一批專業從事管網修復與管理的企業，我國巨大的市場將給其帶來巨大的收益。2018~2020年將是我國黑臭水體治理市場發展的關鍵時期，市場和政策整合力度將進一步加大，服務模式也將進一步創新，以治理技術為基礎，打通產業鏈的服務新模式將成為未來市場的重要方向。
4總結
城市排水管網完善與修復是城市黑臭水體治理重點，迫切需要新技術和新產品，包括雨污混接識別、溢流污染快速處理、排水管網帶水修復、非開挖建設、綠色排水設施等技術，智慧水務、生物技術、綠色技術、新材料融合應用是我國管網高覆蓋率城市黑臭河道治理的關鍵技術手段。要提高城市排水管網的服務質量與效率，不僅要加快城市排水管網的全覆蓋，更要保障排水管網的健康運行，才能實現城市排水管網對污水的全收集、全輸送。
我國黑臭水體治理已經到了中期“復盤”的關鍵時刻，今后3~5年的路該如何走，是政府、企業以及社會公眾需要共同面對的課題。此外，除了295個地級城市，還有縣級市、縣城、建制鎮的黑臭水體治理壓力不容小覷。已經治好的河道如何鞏固效果，確保不反彈，也是未來需要面對的問題。
打好城市黑臭水體治理攻堅戰，關鍵在推進城市環境基礎設施建設，督促地方建立長效機制，確保黑臭水體長制久清。我國治理黑臭水體的經驗以及城市排水管網修復技術與管理模式，對發展中國家的水環境治理具有指導和借鑒意義。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
