城市污水處理設(shè)施空間格局優(yōu)化研究

1、城市污水處理設(shè)施空間格局優(yōu)化研究以江蘇省淮安市為例趙海霞1, 蔣曉威2, 董雅文1, 崔建鑫1 摘要關(guān)鍵詞: 廢污水排放; 治污能力; 空間匹配; 淮安市中圖分類號(hào):P95 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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 Y

2、awen1, Cui Jianxin1 AbstractKeyword: Sewage discharge; Sewage treatment capacity; Spatial match; Huaian city.Show Figures污水處理廠建設(shè),作為城鎮(zhèn)重要的基礎(chǔ)設(shè)施,已成為目前國內(nèi)外用以防治污染、保護(hù)城市水環(huán)境的重要措施之一,在保障城鎮(zhèn)生活污水及部分工業(yè)廢水得到處理、改善河湖水體水質(zhì)、控制水環(huán)境污染方面起到了積極的作用1,2。然而,隨著城市建設(shè)的發(fā)展、工業(yè)區(qū)的開發(fā)及新區(qū)住宅建設(shè)速度的加快,城鎮(zhèn)廢污水排放總量日益增長(zhǎng),而廢污水的實(shí)際處理率和水

3、平仍較低,是當(dāng)前流域河、湖、水庫污染嚴(yán)重的主要原因之一3,4。由此,城市污水處理廠的規(guī)劃建設(shè)就成為其建設(shè)與管理的一個(gè)關(guān)鍵問題5。然而,在加強(qiáng)城鎮(zhèn)廢污水處理能力方面,普遍做法是擴(kuò)大并加快城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)和管網(wǎng)配套,從而增強(qiáng)截污治污效果。國內(nèi)外研究也大多傾向于污水處理技術(shù)和工藝611及環(huán)境影響1215等相關(guān)研究,對(duì)污水處理廠與區(qū)域治污需求的空間匹配研究尚處于空白階段。而在城市規(guī)劃實(shí)踐中,污水處理廠選址考慮的因素主要包括與污水處理工藝相關(guān)的風(fēng)向、地形、工程地質(zhì)條件、擴(kuò)建可能性,以及運(yùn)輸成本和少拆遷、少占耕地1620等。這些因素主要針對(duì)污水處理廠個(gè)體而言,未考慮污水處理廠之間、污水處理廠與廢污水排放

4、需求的空間關(guān)系,使得目前污水處理廠的空間安排呈現(xiàn)無序性和盲目性,極大地浪費(fèi)了城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資源。因此,為提高城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施在數(shù)量、規(guī)模、建設(shè)時(shí)序以及空間格局的方向性和有序性,應(yīng)將治污需求的空間格局納入城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施供給的時(shí)空安排考慮因素中。江蘇省淮安市城鎮(zhèn)污水集中處理設(shè)施縣級(jí)以上城區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了全覆蓋,但目前污水處理廠建設(shè)一方面脫離了污染治理需求,導(dǎo)致污染排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于治理能力,據(jù)統(tǒng)計(jì),2011年,全市廢污水排放總量已達(dá)2.7億t,而實(shí)際治理能力只有1.2億t,區(qū)域污染治理力度不夠;另一方面,由于管網(wǎng)配套不夠,污水處理廠實(shí)際運(yùn)行效率低下,目前全市平均只有70%。為此,在分析污染源格局影響及

5、其對(duì)污水處理設(shè)施需求的基礎(chǔ)上,根據(jù)廢污水排放與治理能力的空間匹配格局,探討污水處理設(shè)施空間優(yōu)化導(dǎo)向,可為經(jīng)濟(jì)、高效的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)選址與空間布局優(yōu)化提供理論與方法依據(jù)。1 研究區(qū)概況淮安市位于江淮平原東部,江蘇省中部偏北,地處以上海為龍頭的長(zhǎng)江三角洲地區(qū),位于32°43'0034°06'00N,118°12'00119°36'30E之間,北接連云港,東毗鹽城,南連揚(yáng)州和安徽滁州,西鄰宿遷,包括清河、清浦、楚州、淮陰4區(qū)和金湖、盱眙、漣水、洪澤4縣,面積10 072 km2,占江蘇省總面積的9.82%。境內(nèi)有淮河和沂沭

6、泗兩大水系、洪澤湖湖體及十余條出入湖河流,水網(wǎng)密布(圖1)。近年來,該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,地區(qū)生產(chǎn)總值由2000年的291億元增加到2011年的1 690億元,增長(zhǎng)4.8倍。2011年總?cè)丝谶_(dá)到543.24萬人,人口密度539人/km2,高出全國平均人口密度139人/km2的4倍多。與此同時(shí),污水處理設(shè)施建設(shè)不斷加快,截至2011年底,全市共建有污水處理廠13座,設(shè)計(jì)處理能力1.7億t/a,但相對(duì)廢污水排放現(xiàn)狀,處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而且淮安市正進(jìn)入快速工業(yè)化和新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展階段,必然導(dǎo)致廢污水排放量大幅增加,合理規(guī)劃建設(shè)污水處理設(shè)施、提高污水處理率對(duì)城市河流水環(huán)境保護(hù)意義重大。2 研究方法與數(shù)據(jù)來

7、源2.1 廢污水排放量與處理能力2.1.1 廢污水排放量的預(yù)測(cè)方法I:采用人均用水量及廢污水產(chǎn)排系數(shù)法,公式如下:式中: a1, a2分別為中心城區(qū)廢污水、鄉(xiāng)鎮(zhèn)廢污水收集率; X1, X2分別為中心城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)人均用水量; R1, R2分別為中心城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù); b為供水損失率; c為廢污水排放系數(shù)。根據(jù)城市給水工程規(guī)劃規(guī)范(GB50282-98)和淮安市城市總體規(guī)劃20092030年, a1, a2分別取60%和50%, X1, X2分別取800 L/(人·d)和

8、400 L/(人·d), b為10%, c為0.8。方法II:采用單位建設(shè)用地用水量及廢污水產(chǎn)排系數(shù)法,公式如下:式中: a為建設(shè)用地面積, b為廢污水收集率, X為單位建設(shè)用地綜合用水量, c為供水損失率, d為重復(fù)利用率, e為廢污水排放系數(shù)。根據(jù)城市給水工程規(guī)劃規(guī)范(GB50282-98)和淮安市城市總體規(guī)劃20092030年, X取10 000 m3/(km2·d), b為60%, d為60%,c為10%, e為0.8。根據(jù)預(yù)測(cè),2020年全市廢污

9、水增量為46.43萬t/d,其中,市區(qū)為29.01萬t/d,占62.48%;4縣為17.43萬t/d,占37.52%。2.1.2 污水處理能力的確定在已有的污水處理廠設(shè)計(jì)能力下,決定污水實(shí)際處理能力的因素主要有城鎮(zhèn)污水處理廠的運(yùn)行負(fù)荷率及集中處理率。其中,根據(jù)建設(shè)部關(guān)于加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行監(jiān)管的意見,城鎮(zhèn)污水處理廠投入運(yùn)行后的實(shí)際處理負(fù)荷3年以上不低于設(shè)計(jì)能力85%的要求,確定2020年處理廠平均運(yùn)行負(fù)荷率為85%;同時(shí)參考淮安市城市污水處理和雨水排放規(guī)劃,確定2020年廢污水集中處理率為90%。2.2 污水處理設(shè)施匹配格局研究基于廢污水排放量、污水處理廠實(shí)際處理能力和設(shè)計(jì)處理能力之間的比較

10、,采用ArcGIS 9.3的空間分析模塊對(duì)污水處理廠相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理20,調(diào)用Zonal Statistics等空間分析命令,將廢污水排放量與設(shè)計(jì)處理能力、實(shí)際處理能力等信息切分至鄉(xiāng)鎮(zhèn)評(píng)價(jià)單元,劃分為治污潛力釋放類型區(qū)、治污增強(qiáng)類型區(qū)和維持現(xiàn)狀類型區(qū)(表1)。表1 空間匹配類型區(qū)劃分依據(jù)Table 1 Types of space matching between sewage discharge and treatment capacity2.3 評(píng)價(jià)單元、數(shù)據(jù)來源與處理以鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為評(píng)價(jià)單元,通過實(shí)地調(diào)研和問卷訪談,收集到研究區(qū)2011年含123個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)單元的行政區(qū)劃圖、轄區(qū)內(nèi)

11、污水處理廠相關(guān)屬性數(shù)據(jù)、廢污水排放與處理情況數(shù)據(jù)。其中,污水處理廠的數(shù)據(jù)主要包括經(jīng)緯度坐標(biāo)、建設(shè)時(shí)間、設(shè)計(jì)處理能力、實(shí)際處理能力、廢污水排放量;河流現(xiàn)狀水質(zhì)數(shù)據(jù)取自2010年淮安市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書,目標(biāo)水質(zhì)數(shù)據(jù)來自江蘇省地表水環(huán)境功能區(qū)劃;廢污水排放情況數(shù)據(jù)根據(jù)2011年環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)整理分析獲得,主要包括各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)單元的工業(yè)廢水排放量、生活污水排放量及廢污水排放總量。其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來自2012年淮安市統(tǒng)計(jì)年鑒。3 研究結(jié)果從時(shí)空2個(gè)層面,綜合分析污染源的影響、污水處理設(shè)施的需求、污水處理設(shè)施空間匹配格局,并提出優(yōu)化建議。3.1 地表水環(huán)境特征及污染源分布全市地表水環(huán)境總體質(zhì)量較好,2

12、010年全市38個(gè)地表水監(jiān)測(cè)斷面中,33個(gè)斷面水質(zhì)優(yōu)良;水質(zhì)較差、污染較為嚴(yán)重的斷面主要分布在清安河、潯河和入海水道上(圖2)。全市10余處納污水體中,以清安河污染最嚴(yán)重,為類水體,2010年接納廢污水量達(dá)1 945.8萬t,污染物主要來自中心城區(qū)及開發(fā)區(qū)的生活污水和109家重點(diǎn)污染企業(yè)的工業(yè)廢水。其次是洪澤縣的潯河,為類水體,呈輕度污染,接納廢污水1 828.1萬t,污染物來自洪澤縣和鹽堿產(chǎn)業(yè)集聚園區(qū)的生活污水以及27家重點(diǎn)污染企業(yè)的工業(yè)廢水。鹽河、入江水道、洪澤湖等現(xiàn)狀水質(zhì)基本達(dá)地表水功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn),但受周邊城鎮(zhèn)生活污水和重點(diǎn)污染企業(yè)廢水排放的影響,納污量也較大(圖3),特別是淮河化工和洪澤有

13、機(jī)化工對(duì)洪澤湖東部水質(zhì)影響較大,金蓮紙業(yè)的工業(yè)廢水和金湖縣城的部分生活污水對(duì)入江水道西偏泓水質(zhì)影響較大(圖4)。全市400多家重點(diǎn)污染企業(yè),集聚分布在各區(qū)縣中心主要河流沿線地區(qū),由于經(jīng)處理的工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)水平較低,污染物排放對(duì)河流水體水質(zhì)環(huán)境影響較大,從等標(biāo)污染負(fù)荷看,潯河影響最大,其次是清安河,洪澤湖第三(表2)。從行業(yè)類別看,造紙、紡織、食品制造、石油化工4類行業(yè),工業(yè)廢水、化學(xué)需氧量(COD)和氨氮排放量分別為8 351.8萬t、0.99萬t和812.2 t,占重點(diǎn)污染企業(yè)排放總量的89.0%,90.9%和94.1%,而工業(yè)總產(chǎn)值只有47.6%,是全市污染監(jiān)管的重點(diǎn)企業(yè)。隨著工業(yè)化進(jìn)程的不

14、斷加快,工業(yè)廢水排放量還將持續(xù)增加,除了進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化外,加快污水處理工程建設(shè)是削減主要污染物排放總量、改善河湖水體環(huán)境的重要手段。表2 主要納污水體水質(zhì)及其納污情況Table 2 Quality of main pollutant-receiving water environment and quantity of received pollutants3.2 污染排放狀況及未來態(tài)勢(shì)3.2.1 總量變化全市廢污水排放總量持續(xù)增加(圖5),20002010年年均增長(zhǎng)8.6%,2010年總量為26 565.7萬t,其中工業(yè)廢水和生活污水排放量年均增長(zhǎng)分別為5.1%和11.8%

15、,目前約占廢污水總量的39.5%和60.5%。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快,工業(yè)廢水與生活污水排放量還將持續(xù)增加。3.2.2 空間變化廢污水排放空間分布較為集中(圖6),從工業(yè)污染源看,淮安經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、淮安經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、淮陰經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、淮安工業(yè)園區(qū)、清浦工業(yè)園以及漣水、洪澤、金湖、盱眙4縣的省級(jí)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)集聚著占全市排放量74%的310家污染企業(yè),生活污染則主要集中在中心城區(qū),其廢污水排放占全市的75%。隨著產(chǎn)業(yè)功能板塊的重新整合以及城鎮(zhèn)人口的配置,東部拓展區(qū)、南部?jī)?yōu)化區(qū)的鹽堿產(chǎn)業(yè)集聚園區(qū)及北部產(chǎn)業(yè)與城鎮(zhèn)集聚區(qū)的漣水重化工業(yè)園是未來工業(yè)廢水增量較多的地區(qū),中心城區(qū)尤其是新城區(qū)是城鎮(zhèn)生活污

16、水排放增量較多的地區(qū),全市廢污水排放總量的空間變化將呈現(xiàn)出更為集中的趨勢(shì)(圖7)。· Figure Option·圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Location of the study area· Figure Option·圖2 主要河流水質(zhì)分布Fig.2 Distribution of river water quality3.3 污水處理設(shè)施的總量和空間需求分析3.3.1 總量分析近年來污水集中處理設(shè)施建設(shè)加快,截止2011年底,全市共建有13座污水集中處理廠(2萬t/d以上),在縣級(jí)以上城區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了全覆

17、蓋。污水處理率大幅度提升,由2001年的4.1%持續(xù)提升至2010年的56.7%,但總體處理水平不高,目前仍有1.2億t廢污水未經(jīng)集中處理。根據(jù)預(yù)測(cè),2020年全市城鎮(zhèn)廢污水排放總量約4億t,按處理率90%、運(yùn)行負(fù)荷率85%的目標(biāo),處理能力缺口約2億t;周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活污水排放約1.5億t,目前污水處理能力只有0.5億t,缺口接近1億t。· Figure Option·圖3 主要水體納污量分級(jí)Fig.3 Grading of major water pollutant· Figure Option·圖4 重點(diǎn)污染企業(yè)分布Fi

18、g.4 Distribution of key polluting enterprises· Figure Option·圖5 20002010年廢污水排放及處理變化Fig.5 Trends of wastewater discharge and treatment· Figure Option·圖6 2010年廢污水排放量分布Fig.6 Distribution of wastewater discharges3.3.2 空間需求分析從空間分布看,廢污水排放量高于污水處理設(shè)計(jì)能力的區(qū)域主要包括老城區(qū)、新

19、城區(qū)、四縣城區(qū)、漣水重化工業(yè)園等區(qū)域;廢污水排放量低于污水設(shè)計(jì)處理能力,高于設(shè)計(jì)處理量的區(qū)域主要包括南部的鹽堿產(chǎn)業(yè)集聚園區(qū)、新材料和裝備制造園區(qū)。此外,馬壩、高溝、戴樓等重點(diǎn)鎮(zhèn)生活污水與工業(yè)廢水排放量高于鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理設(shè)計(jì)能力,其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)廢污水排放增加量不大,污水處理能力基本滿足治理需求?？傮w上,以工業(yè)廢水治理為主的園區(qū)污水處理廠負(fù)荷率低,加強(qiáng)工業(yè)園區(qū)污水處理廠管網(wǎng)建設(shè),提高運(yùn)行效率是重點(diǎn);以城市生活污水與工業(yè)廢水治理為主的市區(qū)污水處理廠多處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),急需改擴(kuò)建,而且尾水排放以周邊單一功能水體為主,污染物排放執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)需進(jìn)一步提高。· Figure Option·圖7&#

20、160;2020年廢污水增量分布Fig.7 Distribution of wastewater discharges increment3.4 污水處理設(shè)施的空間需求匹配格局及其優(yōu)化基于廢污水排放量的預(yù)測(cè)以及污水處理廠實(shí)際處理量和設(shè)計(jì)處理能力之間的關(guān)系,將全市劃分為維持現(xiàn)狀、潛力釋放和治污增強(qiáng)(圖8)3種類型區(qū)。維持現(xiàn)狀類型區(qū)。包括淮安區(qū)的流均鎮(zhèn)、南閘鎮(zhèn)、復(fù)興鎮(zhèn),漣水縣的石湖鎮(zhèn)、唐集鎮(zhèn),盱眙縣的桂五鎮(zhèn)、河橋鎮(zhèn)等46個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),陸域總面積3 874.92 km2,占全市的38.64%。該類型區(qū)主要分布在市域邊緣,廢污水排放量較小,2020年預(yù)測(cè)廢污水增量為0.69萬t/d,僅占全市的1.

21、5%,而且遠(yuǎn)小于實(shí)際處理能力,因此在維持現(xiàn)有污水處理廠正常運(yùn)行的前提下,無需新建或改擴(kuò)建。潛力釋放類型區(qū)。包括清浦區(qū)城區(qū)、南馬廠鄉(xiāng)、徐楊鄉(xiāng)、黃集鎮(zhèn)、和平鎮(zhèn)、范集鎮(zhèn)、東湖街道等10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道),陸域總面積384.06 km2,占全市的3.83%。該類型區(qū)多為工業(yè)企業(yè)聚集區(qū),工業(yè)廢水排放需求旺盛,2020年預(yù)測(cè)廢污水增量為8.77萬t/d,占全市的18.9%。隨著經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和鹽化工區(qū)企業(yè)的相繼投運(yùn),現(xiàn)有污水處理設(shè)施將無法滿足廢水排放需求,應(yīng)加快淮安經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠、鹽化工新區(qū)污水處理廠及洪澤縣清澗污水處理廠污水管網(wǎng)及相關(guān)基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè),提高污水處理設(shè)施運(yùn)行效率,釋放現(xiàn)有污水治理潛力。&

22、#183; Figure Option·圖8 污水處理需求空間匹配類型區(qū)劃分Fig.8 Types of space matching治污增強(qiáng)類型區(qū)。主要包括淮陰區(qū)的王營鎮(zhèn)、新渡鄉(xiāng),清河區(qū)的新城,楚州區(qū)的淮城鎮(zhèn)、城東鄉(xiāng),漣水縣的漣城鎮(zhèn)、朱碼鎮(zhèn)、陳師鎮(zhèn),洪澤縣的高良澗鎮(zhèn),盱眙的眙城鎮(zhèn)、馬壩鎮(zhèn)等67個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道),陸域總面積4 729.73 km2,占全市的47.16%,2020年廢污水預(yù)測(cè)增量為36.97萬t/d,占全市的79.6%。該類型區(qū)多分布在中心城區(qū)及未來城市拓展區(qū),僅有小部分散布在周邊不發(fā)達(dá)的鄉(xiāng)鎮(zhèn),現(xiàn)有的處理設(shè)施已不能滿足未來廢污水尤其是生活污水處理的需求。排污量大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)可根據(jù)自身?xiàng)l件新建或改擴(kuò)建污水處理設(shè)施,而污水排放量不大且同相鄰鎮(zhèn)可以聯(lián)建或共建污水處理設(shè)施;除此之外,農(nóng)村人口集中、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化程度高、又有河湖濕地分布的鄉(xiāng)鎮(zhèn)