1、城市污水處理設施空間格局優(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 摘要關鍵詞: 廢污水排放; 治污能力; 空間匹配; 淮安市中圖分類號:P95 文獻標志碼:A 文章編號: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,作為城鎮(zhèn)重要的基礎設施,已成為目前國內外用以防治污染、保護城市水環(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、控制水環(huán)境污染方面起到了積極的作用1,2。然而,隨著城市建設的發(fā)展、工業(yè)區(qū)的開發(fā)及新區(qū)住宅建設速度的加快,城鎮(zhèn)廢污水排放總量日益增長,而廢污水的實際處理率和水

3、平仍較低,是當前流域河、湖、水庫污染嚴重的主要原因之一3,4。由此,城市污水處理廠的規(guī)劃建設就成為其建設與管理的一個關鍵問題5。然而,在加強城鎮(zhèn)廢污水處理能力方面,普遍做法是擴大并加快城鎮(zhèn)污水處理廠建設和管網配套,從而增強截污治污效果。國內外研究也大多傾向于污水處理技術和工藝611及環(huán)境影響1215等相關研究,對污水處理廠與區(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的風向、地形、工程地質條件、擴建可能性,以及運輸成本和少拆遷、少占耕地1620等。這些因素主要針對污水處理廠個體而言,未考慮污水處理廠之間、污水處理廠與廢污水排放

4、需求的空間關系,使得目前污水處理廠的空間安排呈現無序性和盲目性,極大地浪費了城鎮(zhèn)基礎設施建設資源。因此,為提高城鎮(zhèn)污水處理設施在數量、規(guī)模、建設時序以及空間格局的方向性和有序性,應將治污需求的空間格局納入城鎮(zhèn)污水處理設施供給的時空安排考慮因素中。江蘇省淮安市城鎮(zhèn)污水集中處理設施縣級以上城區(qū)基本實現了全覆蓋,但目前污水處理廠建設一方面脫離了污染治理需求,導致污染排放量遠遠大于治理能力,據統(tǒng)計,2011年,全市廢污水排放總量已達2.7億t,而實際治理能力只有1.2億t,區(qū)域污染治理力度不夠;另一方面,由于管網配套不夠,污水處理廠實際運行效率低下,目前全市平均只有70%。為此,在分析污染源格局影響及

5、其對污水處理設施需求的基礎上,根據廢污水排放與治理能力的空間匹配格局,探討污水處理設施空間優(yōu)化導向,可為經濟、高效的城鎮(zhèn)污水處理設施建設選址與空間布局優(yōu)化提供理論與方法依據。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,水網密布(圖1)。近年來,該區(qū)經濟發(fā)展迅速,地區(qū)生產總值由2000年的291億元增加到2011年的1 690億元,增長4.8倍。2011年總人口達到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,污水處理設施建設不斷加快,截至2011年底,全市共建有污水處理廠13座,設計處理能力1.7億t/a,但相對廢污水排放現狀,處理能力遠遠不夠。而且淮安市正進入快速工業(yè)化和新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展階段,必然導致廢污水排放量大幅增加,合理規(guī)劃建設污水處理設施、提高污水處理率對城市河流水環(huán)境保護意義重大。2 研究方法與數據來

7、源2.1 廢污水排放量與處理能力2.1.1 廢污水排放量的預測方法I:采用人均用水量及廢污水產排系數法,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; b為供水損失率; c為廢污水排放系數。根據城市給水工程規(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:采用單位建設用地用水量及廢污水產排系數法,公式如下:式中: a為建設用地面積, b為廢污水收集率, X為單位建設用地綜合用水量, c為供水損失率, d為重復利用率, e為廢污水排放系數。根據城市給水工程規(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。根據預測,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計能力下,決定污水實際處理能力的因素主要有城鎮(zhèn)污水處理廠的運行負荷率及集中處理率。其中,根據建設部關于加強城鎮(zhèn)污水處理廠運行監(jiān)管的意見,城鎮(zhèn)污水處理廠投入運行后的實際處理負荷3年以上不低于設計能力85%的要求,確定2020年處理廠平均運行負荷率為85%;同時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 污水處理設施匹配格局研究基于廢污水排放量、污水處理廠實際處理能力和設計處理能力之間的比較

10、,采用ArcGIS 9.3的空間分析模塊對污水處理廠相關數據進行處理20,調用Zonal Statistics等空間分析命令,將廢污水排放量與設計處理能力、實際處理能力等信息切分至鄉(xiāng)鎮(zhèn)評價單元,劃分為治污潛力釋放類型區(qū)、治污增強類型區(qū)和維持現狀類型區(qū)(表1)。表1 空間匹配類型區(qū)劃分依據Table 1 Types of space matching between sewage discharge and treatment capacity2.3 評價單元、數據來源與處理以鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為評價單元,通過實地調研和問卷訪談,收集到研究區(qū)2011年含123個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)單元的行政區(qū)劃圖、轄區(qū)內

11、污水處理廠相關屬性數據、廢污水排放與處理情況數據。其中,污水處理廠的數據主要包括經緯度坐標、建設時間、設計處理能力、實際處理能力、廢污水排放量;河流現狀水質數據取自2010年淮安市環(huán)境質量報告書,目標水質數據來自江蘇省地表水環(huán)境功能區(qū)劃;廢污水排放情況數據根據2011年環(huán)境統(tǒng)計數據整理分析獲得,主要包括各個鄉(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。其他社會經濟數據主要來自2012年淮安市統(tǒng)計年鑒。3 研究結果從時空2個層面,綜合分析污染源的影響、污水處理設施的需求、污水處理設施空間匹配格局,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)境總體質量較好,2

12、010年全市38個地表水監(jiān)測斷面中,33個斷面水質優(yōu)良;水質較差、污染較為嚴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,以清安河污染最嚴重,為類水體,2010年接納廢污水量達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業(yè)集聚園區(qū)的生活污水以及27家重點污染企業(yè)的工業(yè)廢水。鹽河、入江水道、洪澤湖等現狀水質基本達地表水功能區(qū)標準,但受周邊城鎮(zhèn)生活污水和重點污染企業(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、機化工對洪澤湖東部水質影響較大,金蓮紙業(yè)的工業(yè)廢水和金湖縣城的部分生活污水對入江水道西偏泓水質影響較大(圖4)。全市400多家重點污染企業(yè),集聚分布在各區(qū)縣中心主要河流沿線地區(qū),由于經處理的工業(yè)廢水達標水平較低,污染物排放對河流水體水質環(huán)境影響較大,從等標污染負荷看,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,占重點污染企業(yè)排放總量的89.0%,90.9%和94.1%,而工業(yè)總產值只有47.6%,是全市污染監(jiān)管的重點企業(yè)。隨著工業(yè)化進程的不

14、斷加快,工業(yè)廢水排放量還將持續(xù)增加,除了進行產業(yè)結構調整與優(yōu)化外,加快污水處理工程建設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,淮安經濟技術開發(fā)區(qū)、淮安經濟開發(fā)區(qū)、淮陰經濟開發(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縣的省級經濟開發(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)、南部優(yōu)化區(qū)的鹽堿產業(yè)集聚園區(qū)及北部產業(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出更為集中的趨勢(圖7)。· Figure Option·圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Location of the study area· Figure Option·圖2 主要河流水質分布Fig.2 Distribution of river water quality3.3 污水處理設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施建設加快,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),在縣級以上城區(qū)基本實現了全覆

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廢污水未經集中處理。根據預測,2020年全市城鎮(zhèn)廢污水排放總量約4億t,按處理率90%、運行負荷率85%的目標,處理能力缺口約2億t;周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)農村生活污水排放約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Fig.3 Grading of major water pollutant· Figure Option·圖4 重點污染企業(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計能力的區(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計處理能力,高于設計處理量的區(qū)域主要包括南部的鹽堿產業(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)污水處理設計能力,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。總體上,以工業(yè)廢水治理為主的園區(qū)污水處理廠負荷率低,加強工業(yè)園區(qū)污水處理廠管網建設,提高運行效率是重點;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荷運行狀態(tài),急需改擴建,而且尾水排放以周邊單一功能水體為主,污染物排放執(zhí)行標準需進一步提高。· 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測以及污水處理廠實際處理量和設計處理能力之間的關系,將全市劃分為維持現狀、潛力釋放和治污增強(圖8)3種類型區(qū)。維持現狀類型區(qū)。包括淮安區(qū)的流均鎮(zhèn)、南閘鎮(zhèn)、復興鎮(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年預測廢污水增量為0.69萬t/d,僅占全市的1.

21、5%,而且遠小于實際處理能力,因此在維持現有污水處理廠正常運行的前提下,無需新建或改擴建。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年預測廢污水增量為8.77萬t/d,占全市的18.9%。隨著經濟開發(fā)區(qū)和鹽化工區(qū)企業(yè)的相繼投運,現有污水處理設施將無法滿足廢水排放需求,應加快淮安經濟技術開發(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及相關基礎配套設施建設,提高污水處理設施運行效率,釋放現有污水治理潛力。&

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年廢污水預測增量為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)達的鄉(xiāng)鎮(zhèn),現有的處理設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)可根據自身條件新建或改擴建污水處理設施,而污水排放量不大且同相鄰鎮(zhèn)可以聯建或共建污水處理設施;除此之外,農村人口集中、農業(yè)產業(yè)化程度高、又有河湖濕地分布的鄉(xiāng)鎮(zhèn)