城市污水处理设施空间格局优化研究.doc

城市污水处理设施空间格局优化研究以江苏省淮安市为例赵海霞1, 蒋晓威2, 董雅文1, 崔建鑫1 摘要关键词:废污水排放;治污能力;空间匹配;淮安市中图分类号:P95 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)03-0404-411Optimization of Spatial Pattern of Municipal Sewage Treatment Facilities A Case Study of Huaian City, Jiangsu ProvinceZhao Haixia1, Jiang Xiaowei2, Dong Yawen1, Cui Jianxin1 AbstractKeyword:Sewage discharge;Sewage treatment capacity;Spatial match;Huaian city.Show Figures污水处理厂建设,作为城镇重要的基础设施,已成为目前国内外用以防治污染、保护城市水环境的重要措施之一,在保障城镇生活污水及部分工业废水得到处理、改善河湖水体水质、控制水环境污染方面起到了积极的作用1,2。然而,随着城市建设的发展、工业区的开发及新区住宅建设速度的加快,城镇废污水排放总量日益增长,而废污水的实际处理率和水平仍较低,是当前流域河、湖、水库污染严重的主要原因之一3,4。由此,城市污水处理厂的规划建设就成为其建设与管理的一个关键问题5。然而,在加强城镇废污水处理能力方面,普遍做法是扩大并加快城镇污水处理厂建设和管网配套,从而增强截污治污效果。国内外研究也大多倾向于污水处理技术和工艺611及环境影响1215等相关研究,对污水处理厂与区域治污需求的空间匹配研究尚处于空白阶段。而在城市规划实践中,污水处理厂选址考虑的因素主要包括与污水处理工艺相关的风向、地形、工程地质条件、扩建可能性,以及运输成本和少拆迁、少占耕地1620等。这些因素主要针对污水处理厂个体而言,未考虑污水处理厂之间、污水处理厂与废污水排放需求的空间关系,使得目前污水处理厂的空间安排呈现无序性和盲目性,极大地浪费了城镇基础设施建设资源。因此,为提高城镇污水处理设施在数量、规模、建设时序以及空间格局的方向性和有序性,应将治污需求的空间格局纳入城镇污水处理设施供给的时空安排考虑因素中。江苏省淮安市城镇污水集中处理设施县级以上城区基本实现了全覆盖,但目前污水处理厂建设一方面脱离了污染治理需求,导致污染排放量远远大于治理能力,据统计,2011年,全市废污水排放总量已达2.7亿t,而实际治理能力只有1.2亿t,区域污染治理力度不够;另一方面,由于管网配套不够,污水处理厂实际运行效率低下,目前全市平均只有70%。为此,在分析污染源格局影响及其对污水处理设施需求的基础上,根据废污水排放与治理能力的空间匹配格局,探讨污水处理设施空间优化导向,可为经济、高效的城镇污水处理设施建设选址与空间布局优化提供理论与方法依据。1 研究区概况淮安市位于江淮平原东部,江苏省中部偏北,地处以上海为龙头的长江三角洲地区,位于324300340600N,11812001193630E之间,北接连云港,东毗盐城,南连扬州和安徽滁州,西邻宿迁,包括清河、清浦、楚州、淮阴4区和金湖、盱眙、涟水、洪泽4县,面积10 072 km2,占江苏省总面积的9.82%。境内有淮河和沂沭泗两大水系、洪泽湖湖体及十余条出入湖河流,水网密布(图1)。近年来,该区经济发展迅速,地区生产总值由2000年的291亿元增加到2011年的1 690亿元,增长4.8倍。2011年总人口达到543.24万人,人口密度539人/km2,高出全国平均人口密度139人/km2的4倍多。与此同时,污水处理设施建设不断加快,截至2011年底,全市共建有污水处理厂13座,设计处理能力1.7亿t/a,但相对废污水排放现状,处理能力远远不够。而且淮安市正进入快速工业化和新型城镇化的发展阶段,必然导致废污水排放量大幅增加,合理规划建设污水处理设施、提高污水处理率对城市河流水环境保护意义重大。2 研究方法与数据来源2.1 废污水排放量与处理能力2.1.1 废污水排放量的预测方法I:采用人均用水量及废污水产排系数法,公式如下:式中:a1,a2分别为中心城区废污水、乡镇废污水收集率;X1,X2分别为中心城区、乡镇人均用水量;R1,R2分别为中心城区、乡镇人口数;b为供水损失率;c为废污水排放系数。根据城市给水工程规划规范(GB50282-98)和淮安市城市总体规划20092030年,a1,a2分别取60%和50%,X1,X2分别取800 L/(人d)和400 L/(人d),b为10%,c为0.8。方法II:采用单位建设用地用水量及废污水产排系数法,公式如下:式中:a为建设用地面积,b为废污水收集率,X为单位建设用地综合用水量,c为供水损失率,d为重复利用率,e为废污水排放系数。根据城市给水工程规划规范(GB50282-98)和淮安市城市总体规划20092030年,X取10 000 m3/(km2d),b为60%,d为60%,c为10%,e为0.8。根据预测,2020年全市废污水增量为46.43万t/d,其中,市区为29.01万t/d,占62.48%;4县为17.43万t/d,占37.52%。2.1.2 污水处理能力的确定在已有的污水处理厂设计能力下,决定污水实际处理能力的因素主要有城镇污水处理厂的运行负荷率及集中处理率。其中,根据建设部关于加强城镇污水处理厂运行监管的意见,城镇污水处理厂投入运行后的实际处理负荷3年以上不低于设计能力85%的要求,确定2020年处理厂平均运行负荷率为85%;同时参考淮安市城市污水处理和雨水排放规划,确定2020年废污水集中处理率为90%。2.2 污水处理设施匹配格局研究基于废污水排放量、污水处理厂实际处理能力和设计处理能力之间的比较,采用ArcGIS 9.3的空间分析模块对污水处理厂相关数据进行处理20,调用Zonal Statistics等空间分析命令,将废污水排放量与设计处理能力、实际处理能力等信息切分至乡镇评价单元,划分为治污潜力释放类型区、治污增强类型区和维持现状类型区(表1)。表1 空间匹配类型区划分依据Table 1Types of space matching between sewage discharge and treatment capacity2.3 评价单元、数据来源与处理以乡镇作为评价单元,通过实地调研和问卷访谈,收集到研究区2011年含123个乡镇(街道)单元的行政区划图、辖区内污水处理厂相关属性数据、废污水排放与处理情况数据。其中,污水处理厂的数据主要包括经纬度坐标、建设时间、设计处理能力、实际处理能力、废污水排放量;河流现状水质数据取自2010年淮安市环境质量报告书,目标水质数据来自江苏省地表水环境功能区划;废污水排放情况数据根据2011年环境统计数据整理分析获得,主要包括各个乡镇(街道)单元的工业废水排放量、生活污水排放量及废污水排放总量。其他社会经济数据主要来自2012年淮安市统计年鉴。3 研究结果从时空2个层面,综合分析污染源的影响、污水处理设施的需求、污水处理设施空间匹配格局,并提出优化建议。3.1 地表水环境特征及污染源分布全市地表水环境总体质量较好,2010年全市38个地表水监测断面中,33个断面水质优良;水质较差、污染较为严重的断面主要分布在清安河、浔河和入海水道上(图2)。全市10余处纳污水体中,以清安河污染最严重,为类水体,2010年接纳废污水量达1 945.8万t,污染物主要来自中心城区及开发区的生活污水和109家重点污染企业的工业废水。其次是洪泽县的浔河,为类水体,呈轻度污染,接纳废污水1 828.1万t,污染物来自洪泽县和盐碱产业集聚园区的生活污水以及27家重点污染企业的工业废水。盐河、入江水道、洪泽湖等现状水质基本达地表水功能区标准,但受周边城镇生活污水和重点污染企业废水排放的影响,纳污量也较大(图3),特别是淮河化工和洪泽有机化工对洪泽湖东部水质影响较大,金莲纸业的工业废水和金湖县城的部分生活污水对入江水道西偏泓水质影响较大(图4)。全市400多家重点污染企业,集聚分布在各区县中心主要河流沿线地区,由于经处理的工业废水达标水平较低,污染物排放对河流水体水质环境影响较大,从等标污染负荷看,浔河影响最大,其次是清安河,洪泽湖第三(表2)。从行业类别看,造纸、纺织、食品制造、石油化工4类行业,工业废水、化学需氧量(COD)和氨氮排放量分别为8 351.8万t、0.99万t和812.2 t,占重点污染企业排放总量的89.0%,90.9%和94.1%,而工业总产值只有47.6%,是全市污染监管的重点企业。随着工业化进程的不断加快,工业废水排放量还将持续增加,除了进行产业结构调整与优化外,加快污水处理工程建设是削减主要污染物排放总量、改善河湖水体环境的重要手段。表2 主要纳污水体水质及其纳污情况Table 2Quality of main pollutant-receiving water environment and quantity of received pollutants3.2 污染排放状况及未来态势3.2.1 总量变化全市废污水排放总量持续增加(图5),20002010年年均增长8.6%,2010年总量为26 565.7万t,其中工业废水和生活污水排放量年均增长分别为5.1%和11.8%,目前约占废污水总量的39.5%和60.5%。随着工业化、城镇化进程的不断加快,工业废水与生活污水排放量还将持续增加。3.2.2 空间变化废污水排放空间分布较为集中(图6),从工业污染源看,淮安经济技术开发区、淮安经济开发区、淮阴经济开发区、淮安工业园区、清浦工业园以及涟水、洪泽、金湖、盱眙4县的省级经济开发区集聚着占全市排放量74%的310家污染企业,生活污染则主要集中在中心城区,其废污水排放占全市的75%。随着产业功能板块的重新整合以及城镇人口的配置,东部拓展区、南部优化区的盐碱产业集聚园区及北部产业与城镇集聚区的涟水重化工业园是未来工业废水增量较多的地区,中心城区尤其是新城区是城镇生活污水排放增量较多的地区,全市废污水排放总量的空间变化将呈现出更为集中的趋势(图7)。 Figure Option图1研究区域位置Fig.1Location of the study area Figure Option图2主要河流水质分布Fig.2Distribution of river water quality3.3 污水处理设施的总量和空间需求分析3.3.1 总量分析近年来污水集中处理设施建设加快,截止2011年底,全市共建有13座污水集中处理厂(2万t/d以上),在县级以上城区基本实现了全覆盖。污水处理率大幅度提升,由2001年的4.1%持续提升至2010年的56.7%,但总体处理水平不高,目前仍有1.2亿t废污水未经集中处理。根据预测,2020年全市城镇废污水排放总量约4亿t,按处理率90%、运行负荷率85%的目标,处理能力缺口约2亿t;周边乡镇农村生活污水排放约1.5亿t,目前污水处理能力只有0.5亿t,缺口接近1亿t。 Figure Option图3主要水体纳污量分级Fig.3Grading of major water pollutant Figure Option图4重点污染企业分布Fig.4Distribution of key polluting enterprises Figure Option图520002010年废污水排放及处理变化Fig.5Trends of wastewater discharge and treatment Figure Option图62010年废污水排放量分布Fig.6Distribution of wastewater discharges3.3.2 空间需求分析从空间分布看,废污水排放量高于污水处理设计能力的区域主要包括老城区、新城区、四县城区、涟水重化工业园等区域;废污水排放量低于污水设计处理能力,高于设计处理量的区域主要包括南部的盐碱产业集聚园区、新材料和装备制造园区。此外,马坝、高沟、戴楼等重点镇生活污水与工业废水排放量高于乡镇污水处理设计能力,其他乡镇废污水排放增加量不大,污水处理能力基本满足治理需求。总体上,以工业废水治理为主的园区污水处理厂负荷率低,加强工业园区污水处理厂管网建设,提高运行效率是重点;以城市生活污水与工业废水治理为主的市区污水处理厂多处于高负荷运行状态,急需改扩建,而且尾水排放以周边单一功能水体为主,污染物排放执行标准需进一步提高。 Figure Option图72020年废污水增量分布Fig.7Distribution of wastewater discharges increment3.4 污水处理设施的空间需求匹配格局及其优化基于废污水排放量的预测以及污水处理厂实际处理量和设计处理能力之间的关系,将全市划分为维持现状、潜力释放和治污增强(图8)3种类型区。维持现状类型区。包括淮安区的流均镇、南闸镇、复兴镇,涟水县的石湖镇、唐集镇,盱眙县的桂五镇、河桥镇等46个乡镇,陆域总面积3 874.92 km2,占全市的38.64%。该类型区主要分布在市域边缘,废污水排放量较小,2020年预测废污水增量为0.69万t/d,仅占全市的1.5%,而且远小于实际处理能力,因此在维持现有污水处理厂正常运行的前提下,无需新建或改扩建。潜力释放类型区。包括清浦区城区、南马厂乡、徐杨乡、黄集镇、和平镇、范集镇、东湖街道等10个乡镇(街道),陆域总面积384.06 km2,占全市的3.83%。该类型区多为工业企业聚集区,工业废水排放需求旺盛,2020年预测废污水增量为8.77万t/d,占全市的18.9%。随着经济开发区和盐化工区企业的相继投运,现有污水处理设施将无法满足废水排放需求,应加快淮安经济技术开发区污水处理厂、盐化工新区污水处理厂及洪泽县清涧污水处理厂污水管网及相关基础配套设施建设,提高污水处理设施运行效率,释放现有污水治理潜力。 Figure Option图8污水处理需求空间匹配类型区划分Fig.8Types of space matching治污增强类型区。主要包括淮阴区的王营镇、新渡乡,清河区的新城,楚州区的淮城镇、城东乡,涟水县的涟城镇、朱码镇、陈师镇,洪泽县的高良涧镇,盱眙的眙城镇、马坝镇等67个乡镇(街道),陆域总面积4 729.73 km2,占全市的47.16%,2020年废污水预测增量为36.97万t/d,占全市的79.6%。该类型区多分布在中心城区及未来城市拓展区,仅有小部分散布在周边不发达的乡镇,现有的处理设施已不能满足未来废污水尤其是生活污水处理的需求。排污量大的乡镇可根据自身条件新建或改扩建污水处理设施,而污水排放量不大且同相邻镇可以联建或共建污水处理设施;除此之外,农村人口集中、农业产业化程度高、又有河湖湿地分布的乡镇,可通过建设氧化塘的办法,大大提高区域污水处理率。4 结论与讨论借助ArcGIS空间分析工