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湖南大学教授左健:日本下水道体系建设—制度、技术和思考

时间: 2020-06-23 15:43

来源: 中国水网

作者: 左健

日本的下水道体系从上世纪70年代起,以流域水环境改善为目标进行建设和发展,形成了现今的流域下水道设施和管理体系。在论坛上,左健博士从目标、课题、对策几个方面,对日本的下水道体系建设的对比研究成果进行了分享。

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“不以事小而不为,不以事小而为之,在水环境治理上,不论事情多小,只要是有益的,就要全力以赴,同样,不论事情多小,只要是有害的,就要尽量避免。如何判断方向的正确与否?各种措施的先后顺序?是需要科学方法定量推算的。” 湖南大学公共管理学院教授左健博士在“2020(第十八届)水业战略论坛”上表示。

同样作为人口密集的东亚国家,日本在水环境治理方面的经验一直为我们关注。日本的下水道体系从上世纪70年代起,以流域水环境改善为目标进行建设和发展,形成了现今的流域下水道设施和管理体系。在论坛上,左健博士从目标、课题、对策几个方面,对日本的下水道体系建设的对比研究成果进行了分享。

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左健

以水环境改善为目标的日本下水道体系建设

1、完善法律法规,发展流域下水道

1958年,日本修订《下水道法》,以“改善城市环境,促进城市健全发展和改善公共卫生”为目标,将城市内涝防治和环境改善定位为下水道系统(含污水处理厂、泵站等)的重要机能。该法案是以日本当时的下水道系统暨合流制,为前提而制定的。同年,《公共水体水质保护法》颁布,将污染河流作为城市河流污染防治计划的对象,是日本下水道体系发展上的里程碑,标志着下水道系统不只是服务于城市卫生环境,还必须服务于河流水质保护。

1970年,随着河流污染在1955年后的迅速扩大,《下水道法》再次修订,将“保护公共水域水质”追加为下水道的目标。随着下水道系统保护水质地位的日益提高,流域下水道体制相关法律法规的建立健全,流域下水道整治在1970年以后得以迅速发展,推进了河流水质的不断改善。

1979年,《水污染防止法》修订,规定以人口和产业集中的广域封闭性海域为对象,对流入污染物实行总量控制制度,该制度每五年制定一次(即:每五年为一个执行期),左健表示,“因为有这些法律法规体系作为保障,所以日本做下水道计划时,不是针对某一个城市,而是将日本划分成150个流域,以达成该水域水质环境标准为目标,制定”“流域下水道整治综合计划”。

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日本下水道体系的法律法规建设

2. 各流域下水道综合整治计划

1970年,东京都政府根据所处流域的多摩河和荒川(河)的水质环境标准,制定了“流域下水道整治综合计划”。相比较《水污染防治法》的国家排放标准,东京都政府制定并执行了更为严格的地方排放标准。相对于国家排放标准的BOD≤160mg/L、总氮≤120mg/L和总磷≤16mg/L,东京都辖区内的8个排河污水处理厂执行BOD≤25mg/L、总氮≤20或30mg/L、总磷≤2或3mg/L的地方排放限值,其中具有深度处理工艺的两个污水厂执行更严格的总氮和总磷排放标准(注:日本的河流水质环境标准考察BOD,海域水质环境标准考察COD,相应地,排河污水处理厂执行BOD排放标准,排海污水处理厂执行COD排放标准)。

1980年,东京湾、伊势湾开始执行污染物总量控制制度。新建污水处理厂和已建污水处理厂分别从2017年和2019年开始执行第8次污染物总量控制计划的要求。为了保护海洋的丰产,根据季节调节氮、磷的去除率目标,比如在海苔生长的冬天,可以降低营养盐类的去除率,以保证海湾里养殖海苔的正常生长。

左健介绍,自1970年开始,日本的流域下水道整治迅速推进,整个体系具备三个优势:

一是水质保护一体化:不受行政区划限制。根据河流流域的自然条件和产业布局等,可在更广泛的地域范围内规划,不受行政区域划分的限制,使流域内的水质保护一体化;

二是集约化:规模效益。通过流域内处理设施的集约化,获得规模效益降低建设和维护费用;

三是帮扶市镇村政府:由都道府县政府负责流域下水道系统的核心设施,有助于市镇村政府解决因技术力量不足难以独立整治的难题。

3、 流域下水道系统的运营组织(以东京为例)

为促进东京都流域下水道系统的整治,其对应的行政管理级别不断提高。左健介绍,在1971年,东京都成立了局级的流域下水道总部,在对干线管道、泵站和处理厂进行一体化管理的同时,与管理公共下水道的市镇村政府协同,对区域内下水道系统进行高效管理。

1) 广域化

日本是地震多发国,1995年兵库县南部地震时导致污水处理厂受损而无法运行,下水道很长时间处于无法使用的状态。因此,东京都流域下水道系统为了确保地震灾害时污水处理厂的互备,将多摩川两岸的六所污水处理厂分别用管道进行了连通,可调运污水和处理水,相互调节。”

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东京都的污水厂通过管道连通互为备用

2)加强东京都和市镇村的合作

左健表示,除了以上针对硬件的措施,东京都政府还通过“下水道信息交流会”和“下水道台账统合”进行了软实力建设。如多摩地区的下水道,是由各市町村的公共下水道、东京都流域下水道的干线管渠、以及污水处理厂共同组成一个系统来发挥机能的,多摩地区的30个市镇村为了加强合作从2012年开始定期召开下水道信息交流会。此外,按照流域下水道总部的台账系统(GIS公共下水道台账系统 Sewerage Mapping and Information System),将流域内各行政机构独立建立的不同下水道台账全部统合,将流域下水道和公共下水道一体化,保障整个系统的高效调动。

日本流域水环境改善的两大课题:减污、除污

实现流域水环境改善目标,需要面对两大课题,一是通过合流制下水道的改善减少污染物的排放,二是通过污水处理厂改造提高污染物的去除水平。

左健简单介绍了日本的“合流制”与“分流制”。从1970年开始,出于改善流域水环境质量的目标,日本规定所有的新建区域采取分流制下水道。但日本最大人口规模的12个直辖城市因历史原因中心城区均为合流制,从面积占比来看,12个城市的合流制区域占全部城市区域41%,东京地区由于发展早,合流制区域的面积占比达到82%。针对合流制下水道整治,日本设定了消减总排污负荷到与分流制下水道等同的目标。

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合流制下水道在城市中的分布示意图

左健表示,因为财政资金的限制,日本在过去几十年并没有在污水处理厂进行传统的深度处理(能耗提高增加财政支出)改造来提高污染物去除率,而是更加注重合流制下水道整治带来的减污效果,在夹杂物去除、高速过滤、絮凝分离、消毒等各个方面开发和实施了诸多技术,取得了良好的效果。未来,节能型的污水污泥污泥资源化利用将成为下水道领域的重要课题方向。”

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流域水环境水质改善两大课题

水环境改善的管理和技术措施

日本制定了关于合流制下水道改善的综合措施,涵盖从控源,到管网以及清洁卫生的方方面面。左健列举了其中几个具有代表性的措施。

1、下水道光缆水位控制系统

下水道光缆水位控制系统用于下水道管渠、河道、检查井的水位监控,优点是不需要电源,通过设置该光缆水位计系统,东京都排水管网系统的73%实现了远程监控。

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下水道光缆水位控制系统示意图

2、污水厂节能型深度处理技术

污水厂节能型深度处理技术工艺原理为:好气槽的前半和后半分别进行风量控制;前半风量用硝酸计进行控制,维持消化开始的状态;后半风量用氨氮计进行控制,确保脱氮环境,节省不必要风量。

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污水厂节能型深度处理技术工艺原理示意图

3、活用现有污水处理厂大量处理初期雨水(3W处理法)

在雨天,将超过1Q的2-3Q的合流制下水道的雨水直接送入污水厂标准活性污泥处理工艺的最末端通过活性污泥处理雨水,这种方式不会大幅增加最终沉淀池的固形物负荷,对出水水质没有明显影响。3W处理法是活用污水处理厂进行初期雨水处理的高性价比方式,作为减污的最早对策,大阪的全部12个污水处理厂通过改造可实施3W处理。

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4、雨水高速过滤技术

雨水高速过滤技术最大的优势是过滤速度快并且不需要药剂,通过物理性吸附除去污染物。

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雨水高速过滤技术特点

5、雨水排口无动力除杂技术

雨水排口无动力除杂技术不需要用电,只需将现有排放口简单改造,并且容易维持管理,解决排口用电难的问题。

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雨水排口无动力除杂装置示意图

6、非开挖管道修复技术

日本在管网的更新和修复上花费了很大的精力。东京下水道局在2012年花费了约13亿元人民币更新了总长117公里的下水道管线,其中,54%是通过非开挖方式对老管线进行修复(修复后寿命同样可达到50年),22%是采用开挖方式用新管替换老管,16%是活用已有的健全管线,8%是采用盾构方式铺设的大口径排水管。

左健指出,日本大力开发非开挖方式管道修复的背景是:下水道管处于更换高峰期,财政压力很大,非开挖修复方式的单位管道更新费用,大约是传统开挖换管方式的38%。同时非开挖技术还有一个极大的好处,就是避免了在高度城镇化区域进行开挖作业时导致的交通妨碍和环境污染。

7、非开挖管道再生法(SPR工法)

SPR工法是日本认可的非开挖修复技术之一,在需修复管道的内侧粘合一层氯化乙烯树脂材料的内衬,构成与现有管道一体化的复合管,寿命和新管相同,该技术特点是可以带水作业,适用于不同形状的管道。

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非开挖管道再生法(SPR工法)介绍

关于中日水环境治理的几点思考

“做比较研究的过程是一个既开心又痛苦的过程”,左健表示:“开心的一方面是可以借鉴他人的经验,痛苦的一方面是发现我们可能在走弯路”。左健分享了她在比较研究过程中的五点思考:

第一,水环境改善的底层问题不是技术问题,而是管理水平的问题。

第二,政策是技术发展方向和深度、以及商业模式的重要驱动力,政策方向和细节的把握至关重要。

第三,政策制定需要以系统最优为目标。日本有流域水环境管理制度,中国的黄河办、长江办、上海的一江一河办也是系统最优为目标的管理组织体现,三峡集团也提出了系统最优、系统解决的水环境质量的目标和方法。今后,需要更多的以系统最优为目标的政策制定、规划和实施方案。

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管理目标:系统最优

第四,管理决策的优化:以环境系统学、环境经济学等科学方法保障或优化管理决策。首先,需要系统边界设定合理,确保目标正确。只是污水处理厂或者一个城市搞好了,是解决不了流域的水环境质量问题的;其次,决策优化的基础是定量分析,通过定量分析,计算出最佳综合解决方案,以及方案中各措施的投资效益,在资金有限的情况下(常态),通过最佳方案的采纳,以及各措施依据性价比高低依次执行,从而采用最少资金最短时间达成某一目标,或者一定资金一定时间达到最大目标。

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用“摘苹果”的案例说明“以投入、效果高低为执行顺序”

最后左键表示,“不以事小而不为,不以事小而为之,在水环境治理上,做哪些事不做哪些事,先做什么事后做什么事,需要科学方法上的管理决策,管理决策不仅是水环境治理规划和方案的底层依据,也是技术发展方向和深度的最重要驱动力”。

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全部评论

  • E20网友 2020-07-15 13:52

    水环境治理,目前处理爆发期,特别是乡镇污水和农村污水处理设施建设,建议深入思考投资效率和目前管理能力和水平在做决策,避免过度投资、低效投资。

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网友评论 3人参与 | 1条评论

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