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北京市水环境保护问题与形势分析
作者:   时间:2014年09月28日 【字号: 】【打印本页】【关闭】
 王永刚,刘桂中

北京市环境保护科学研究院

1 北京市水环境总体状况

近些年来,北京市以污染物总量减排为抓手,积极推进各项水污染防治工作,水环境质量明显改善,全市河流达标长度比例由200041.6%提高到目前50%以上,城市下游不达标水体断面中化学需氧量、氨氮年均浓度值分别为70.0 mg/L10.1mg/L,总体呈下降趋势。但是,目前北京水环境质量状况与自身的国际大都市地位极不相符,不仅与世界城市、宜居城市标准相去甚远,甚至部分河流依然达不到水环境功能区划要求,2013年全市劣V类水质河长占监测总长度的44.1%。同时,随着北京市社会经济的日益发展和城市规模的不断扩大,水环境保护工作面临的压力和挑战也在不断加大。

1.1超环境容量排污和水资源短缺问题严重制约水环境改善进程

虽然北京市采取各种措施逐年压缩全市水污染物排放总量,但是总体上水污染物排放量仍远远超过水环境容量,以化学需氧量为例,生活、农业、工业、城市径流污染物排放总量是水环境容量的5倍左右。因此,从理论上分析,要彻底改善水环境质量,不仅要进一步减少污染物排放,还需要扩大水环境容量。

水环境容量与河流的生态水量息息相关。而北京恰恰是一个严重缺水的城市,近年来由于连续遭遇枯水年份,以及人口的迅猛增加,人均水资源量不足200m3远远低于国际公认的人均1000 m3的缺水下限,几乎处于世界最贫水地区水平。在这种水资源紧张的局面下,大部分可利用水资源都被用于生活生产,河道生态用水严重不足,据测算,缺口在2.3-6.3亿m3这一点在北运河水系体现得尤为明显,北运河水系上游山区的汇水被各类水库所截留,下游平原区地下水埋深已降至在24.27m,地表水已丧失与地下水的水力联系,除京密引水渠对昆明湖—玉渊潭和三海一线有少量补水外,其他河段几乎没有任何新鲜水水源,但是北运河承接了全市70%人口的生活排水,在非雨季,河道中污水比例占到近100%,严格意义上讲,北运河水系已经成为名副其实的城市排污渠。当我们要求这种排污渠达到地表水功能时,其难度可想而知。

1.2城市发展规模超过规划预期,导致污水处理能力不足

根据《北京城市总体规划(2004-2020年)》,北京市规划2020年全市污水处理能力达到500m3/d,污水处理率达到90%以上。2013年,北京市城镇污水处理厂处理规模约400m3/d,按照目前北京市水务局正在实施的《北京市加快污水处理和再生水利用设施建设三年行动方案(2013—2015)》,2015年全市污水处理能力预计将达到630m3/d左右,将远超北京城市总体规划中2020年的市政污水建设规模

但是,污水处理厂的顺利建设并没有有效缓解城市水环境恶化趋势,一个主要原因是北京市人口规模已远超2020年预定目标。根据规划,北京市2020年人口规模将控制在1800万人左右,而2013年末,全市常住人口已经达到2114.8万人,如果考虑散居未登记、短期来京探亲、就医、旅游等人口,实际一日在京人口则更多。人口规模提早突破规划目标,直接导致了规划基础设施不足问题。庞大数量的人口使北京面临着严峻的资源环境压力,北京市已经患上了相当程度的“城市病”。具体来说,目前,中心城污水处理设施能力明显不足,清河污水处理厂、小红门污水处理厂、卢南污水处理厂都处于超负荷运行状态,每天都有大量污水由于污水处理能力有限而得不到有效处理,尤其是在城乡结合部,生活污水直排现象更为突出,水环境污染问题也更严重。

1.3畜禽养殖业和城市径流污染问题突出且难于解决

从北京市水污染物排放清单来看,工业源排放量占比已经很小,并且随着北京市城市功能疏解和产业结构调整,其排放比重还会进一步降低;生活源排放量虽然比重较大,但是相关治理技术较为成熟,随着城市基础设施建设力度的加大,排放比例会大幅下降。从长远来看,畜禽养殖业和城市径流排放污染问题将日益突出,而且解决难度较大,目前尚缺乏有效的治理技术体系和管理模式。

畜禽养殖尤其是规模化畜禽养殖业粪污产生量较大,而且废水中污染物浓度很高,处理难度和成本都很高。目前,北京市畜禽养殖业水污染物产生量占全市水污染物产生总量比例很高,其化学需氧量产生量占全市产生总量的30%左右。目前常用的畜禽养殖粪污治理模式有厌氧-好氧达标排放模式、厌氧消化(粪污生产沼气,沼液沼渣还田)模式、堆肥+废水处理(厌氧/好氧)模式、发酵床模式。从技术角度分析,采用厌氧-好氧等生化方法处理养殖废水,达标排放难度大,而且成本高,养殖利润不足以支撑达标排放所需的治理成本;采用厌氧消化模式生产沼气,沼气池处理畜禽粪污方式能够回收沼气,但是产生的沼液处理难度较大,实际上产生的沼气,如果没有输送管线,也难以体现价值,而建设沼气输送管线的费用也并非养殖企业能够承受得起;采用堆肥方式将粪污生产成有机肥是一种体现农业循环利用的很好途径,但要求养殖企业都配建一个有机肥厂显然很不现实,而且有机肥在肥力和价格上对于化肥没有竞争力而言,这就需要政府统一规划有机肥厂,并对有机肥生产提供相应补贴;发酵床技术由于卫生防疫、成本等方面原因,加上养殖户心里上不愿意接受,短期内难以大面积推广。从管理上分析,养殖企业一头连着农民致富问题,一头连着居民食品供应问题,两方面都是国家极力保障的事情,所以管理部门对其排污问题一直存在“手软”现象,因此畜禽养殖污染仍然比较严重。

随着城市规模扩张,不透水面积不断扩大,城市径流不仅造成内涝,其携带污染物对地表水体水质的冲击也逐渐显现。根据监测,雨季汛期城市中心区河湖中,长河、北护城河、南护城河、永引下段,以及西海、青年湖氨氮浓度值与非雨季相比升高104~-863%;远郊河流中以门头沟区为例,永定河山峡段和斋堂水库,其沿河城、珠窝水库、雁翅吊桥及斋堂水库库区断面氨氮浓度均出现超标,氨氮浓度与非雨季相比升高103~329%。解决城市径流污染问题的难点不仅在于技术方面,监管主客体的不明确是目前最大的障碍。

1.4 单纯偏重水质管理,忽视水生态系统的完整性

美国《清洁水法》开宗明义,第一条就说明了该法的目标是“恢复和维持国家水域的化学、物理和生物成分的完整性”,这一战略目标从1972年起,一直指导着美国的水环境保护工作全过程。我国的水环境保护工作中侧重于水质管理,从上世纪七十年代起,首先管控工业排放一类污染物,后来很长一段时间,对于生活污水的监管,也都是仅限于化学需氧量,“十二五”期间才增加氨氮考核指标,目前正在计划增加总磷、总氮等其他水质考核指标,但是始终局限在水质管理方面,没有对水体的物理完整性、生物完整性提出具体要求,割裂了水生生态系统的有机性。实际上,河流的物理形态、生物群落结构与水质问题密切相关,河道筑坝、取直、衬底、硬化护岸等行为,以及水体中生物种类多样性及丰度的变化对水质都有很大影响。

目前北京市水体不仅水质较差,河流物理、生物完整性也较差,由于水库蓄水,上游山区河流与平原河流几乎没有联通,不仅导致下游生态水量缺乏,也切断了许多生物的迁徙廊道;城市河道也基本完全渠道化,没有岸边带,河流自净能力大为削弱。2014年北京市环境保护科学研究院依据环境保护部《流域生态健康评估技术指南(试行)》,综合考虑流域陆域、水域生态压力,对北京市中心城区和密云水库的流域生态健康进行了初步评估,根据各流域生态健康评估综合指数(WHI)分值大小和健康状况分级标准,中心城区流域健康综合指数处于较差等级;密云水库汇水区流域健康综合指数处于良好等级,如果将密云水库汇水区水环境生态状况作为北京地区的河流生态健康背景值,北京市中心城区的河流生态健康状况相当于背景值的46%,健康状况很差,因此流域生态健康恢复工作难度很大。

1.5 新兴污染物的水环境风险值得关注

每天世界上都会有新的化学品被合成,人类日常使用的化学品种类上千万,其中部分会随排水进入水环境,对人体健康和生态安全构成直接或潜在风险。以往,人们普遍关注那些环境中持续存在的、能够造成急性中毒或致癌的农药和工业中间品,随着检测技术的不断进步,药物和个人护理品中的污染物逐渐被人们所关注,1999年美国环保署将这类化学物质定义为药品和个人护理品(pharmaceuticals and personal care productsPPCPs),有别于传统关注污染物,故称“新兴污染物”。PPCPs主要包括内分泌干扰物质(endocrine disrupting compoundsEDCs)、药物活性化合物(pharmaceutically active compoundsPhACs)、个人护理品(personal care productsPCPs)、消毒副产物(disinfection by-productsDBPs)等4类物质。这些污染物虽然在环境中浓度不高,但是具有生物毒性不明确、现有水质标准不能涵盖、监测分析方法不确定等特点,严重威胁水环境安全。

北京市人口众多、医院和实验室数量较多,城市排水中新兴污染物普遍存在,根据国内学者的调查研究,城镇污水处理厂排水中磺胺甲基异唑、磺胺吡啶、磺胺甲基嘧啶、磺胺嘧啶和磺胺甲二唑 5 个目标抗生素,其在进水中的平均浓度分别为1.20±0.450.29 ±0.250.048±0.0120.35±0.52 0.33 ± 0.21µg/L,出水中分别为1.40 ± 0.740.22±0.19 0.021±0.0080.22±0.210.01±0µg/L[1]

由于新兴污染物的出现,导致目前水环境复合型污染特征突出。但是目前北京市对水环境风险污染物控制和管理还很薄弱,对有毒有害污染物“家底”不清,优先控制名录尚未建立,监测手段也不完善,总体上没有建立有效的水环境风险防范体系。因此,新兴污染物等有毒有害有机污染物将成为下一阶段水环境保护的重点流域和亟需重点解决的问题之一。

2 国内外研究进展

2.1污染源控制和治理研究进展

在城市污水处理方面,国家和地方政府非常重视城市污水处理,并以国外引入的工艺技术为主导潮流,吸收国外先进的技术和理念,形成了一些适应中国国情的技术,对解决和控制水体污染问题起了重大作用。主要的处理方式和工艺研究包括:活性污泥法、AB法工艺、A2OAnaerobic/Anoxic/Oxic)法工艺、SBRSequencing Batch Reacto)法工艺、UNITANK工艺、Carrousel氧化沟工艺、Orbal氧化沟工艺、生物曝气过滤工艺、膜生物反应器等[2] [3]。针对北京市河湖生态用水匮乏这一问题,北京市一方面启动了中心城区大型污水处理厂的升级改造工作,另一方面发布了《北京市城镇污水处理厂排放标准》,要求城镇污水处理厂出水水质达到地表IV类标准,因此对城镇污水处理厂的脱氮除磷要求较高,主要适用技术包括:膜生物反应器法(主要使用于城中心区部分的污水处理厂)、曝气生物滤池法、膜过滤法、砂过滤法、臭氧氧化消毒法(使用于所有的再生水厂)等[4]

在畜禽养殖污染治理方面,由于缺乏有效的技术体系和管理模式,畜禽粪污已造成了严重的环境污染已成为我国农村水污染的主要原因之一畜禽粪污的处理和资源化利用是目前亟待解决的问题[5]。畜禽粪便的资源化利用研究主要包括畜禽粪便的有机肥化再利用[6] [7] [8]畜禽粪便的饲料化再利用[9] [10]畜禽粪便的能源化再利用[11] [12]等。当前我国对畜禽粪便的利用主要是传统方法,新技术和新方法利用较少,应在思维和技术上结合实际,大胆创新。畜禽养殖污水处理主要集中在自然方法[13] [14]、生物方法[15] [16] [17]和组合方法[18] [19]的研究,但由于畜禽养殖水污染物排放浓度高,污水处理达标难度非常大。因此,如何建立集粪污收集、处理、综合利用于一体的畜禽粪污治理技术体系和管理模式,实现畜禽粪污“零排放”,将是畜禽养殖的重点研究方向。

在城市面源污染治理方面,由于城市面源污染对城市水体具有很大的危害, 国际上对其已经进行了数十年的研究[20] [21] [22] [23]。美国早在 1980 年发现129种重点污染物中约有 50种在城市径流中出现。美国国家环保署 ( USEPA ) 把城市降雨径流列为导致全美河流、湖泊污染的第三大污染源。城市面源污染控制措施中以美国的暴雨最佳管理措施 (BMP )最为系统和全面应用也最广泛,BMP包括非工程措施和工程措施两类。关于城市径流污染控制措施,国外研究的主要领域包括下凹式绿地、透水铺装、缓冲带、生态护岸等源头控制措施;路边植被浅沟、植被截污带、雨水沉淀池、合流制管系溢流污水的沉淀净化、分流制管系上的各类雨水池、氧化塘与湿地系统等中途控制和终端控制措施。我国城市面源污染的研究起步相对较晚,并且基本处于起步阶段,多为不同下垫面污染负荷的监测,距离实际应用还有很大差距[24] [25] [26] [27]

2.2生态用水保障研究进展

国外一直将生态用水作为保障河流水环境质量的至关重要因素,20世纪70年代后美国不少地方将生态环境用水列入地方法案中,规定了河流基流、河道内用水、各类湿地、河口三角洲等生态环境用水量限定值。美国有46个州拥有河道内流量管理权,生态用水管理已经成为水资源管理部门的一项重要工作,尤其是在西部半干旱地区的几个州。澳大利亚高度重视生态用水,以墨累达令河流域为例,2004年政府出资5亿澳元从墨累达令河流域的水权拥有者手中购买5亿m3水用作生态用水,保留在墨累河流域,以解决其水生态环境问题。生态用水优先原则在英国取水许可办理中得以充分体现。英国实施取水许可过程,首先考虑河道生态用水是否得以满足,取水后剩余地表径流量必须大于生态基流量,否则不予批准取水或削减取水许可量,以保证河流生态系统不受损害[28]

国内近年来有许多研究者强力疾呼我国所面临的水资源问题[29],向全社会提出,在水资源配置中,要从不重视生态环境用水,转变为在保证生态环境用水的前提下,合理规划和保障社会经济的用水。汤奇成于19891995年首先提出生态用水是:为了保证塔里木盆地各绿洲的存在和发展,必须要保护各绿洲的生态环境,而生态环境的保护也离不开水,这部分水可统称为生态用水。此后,国内学者在河流生态用水计算方法[30] [31]生态用水现状评价[32] [33]、河流生态系统合理生态用水比例确定[34]、生态用水分配的协调性评价研究[35] [36]等方面开展了大量的研究工作。对于保障生态用水,一方面除了加强水资源内部的合理配置之外,从外区域调水也是一个重要的策略,例如江苏省为治理太湖,从长江引水102亿m3;昆明为治理滇池,实施了牛栏江滇池补水工程,对于改善太湖、滇池水环境质量发挥了重要作用。

2.3 水生态健康评价与水生态修复研究进展

河流水生态系统健康问题越来越受到国际社会的关注和重视,如何维持及恢复河流水生态系统的健康已经成为目前河流管理的重要目标和发展方向[37]美国是最先提出并开展河流生态健康管理的国家,1972年美国制定的《清洁水法》中提出水环境保护的目标是维护水体物理、化学和生物的完整性。近10年来,国际上对河流健康状况的研究日趋重视,除美国之外,澳大利亚、南非、英国等国家都已对此开展研究。1992 年澳大利亚政府开展了国家河流健康计划(National River Health ProgramNRHP),制定了河流健康评价方法。1994年南非水务及森林部(DWAF)发起了河流健康计划RHP)。Boo1998年提出了英国河流保护评价系统(SERCON),该评价系统已经成为一种被广泛运用于英国河流健康状况评价的技术方法。在水生态健康恢复方面,20世纪80年代后期,开始出现以单个物种恢复为标志的大型河流生态修复工程,此时恢复行动的尺度多在河流廊道,代表项目有莱茵河的鲑鱼- 2000计划和美国密苏里河自然化工程。20世纪90年代,开始出现流域尺度的整体生态恢复,例如美国的密西西比河、伊利诺伊河和基西米河等。

国内对河流健康评价进行了较多的案例研究,研究对象有北京市六海、安徽黄山阊江水系、澜沧江、黄河干流、镇江古运河、辽河流城、浑河沈阳段、济南玉绣河、淮河流域、鄱阳湖昌江、白洋淀湿地、浙江省汤浦水库等。政府层面也高度重视流域生态健康评价,2013年我国环境保护部颁布了《流域生态健康评估技术指南(试行)》,这是我国首次在流域生态健康方面提出统一规范的评估技术指南。在水生态修复方面,国内学者开展了太湖[38] [39]、黄河[40]、西丽水库[41]等水生态修复研究工作,桂林、冰城、武汉、合肥、无锡、青岛等地区开展了水生态系统保护与修复试点工作。

2.4 新兴污染物污染防治研究进展

新兴污染物的污染防治已经引起国际社会的普遍关注。199511UNEP召开的保护海洋环境不受陆地活动的影响的全球行动计划会议,强调对POPs采取行动的必要性。19966月,化学品安全国际论坛(IFCS)得出结论:已有充分证据表明需要采取国际行动,包括起草一项全球性法律文书以减少12POPs的排放对人体健康和环境的危害。国外学者对新兴污染物的毒性以及处理技术进行了广泛的研究[42] [43] [44]

我国对新兴污染物的认识相对较晚,关于新兴污染物污染的基础研究和应用研究都比较薄弱[45]赵丽娟阐述了环境中主要持久性有机污染物检测技术研究进展,结果表明目前国家标准中已有的监测标准方法由于方法落后和大量空缺,很难满足监测要求[46]。近年来,研究人员在我国新兴污染物风险评价和控制方面积极开展工作,开展的工作主要包括新兴污染物清单研究、新兴污染物优先性筛选、新兴污染物环境分析、新兴污染物风险评价、新兴污染物风险控制[47]

3 亟待解决的科学问题

目前,北京市水环境保护工作必须实现如下三个转变:一是理念和策略的转变,从传统的水质保护向统筹改善水质和保护水生态系统转变,将水环境污染综合防治、水环境质量改善、水生态系统健康等有机结合,在削减污染物、改善水环境质量的同时,逐步恢复水生态系统健康。二是控制重点的转变,在常规污染物已经不是主要矛盾的情况下,水污染治理的重点应从重点控制常规污染物向控制常规和有毒有害污染物并重转变。三是治理模式的转变,传统的点源污染治理已经无法保障水环境质量的持续改善,必须从点源污染控制向兼顾点源和面源综合控制转变。

针对当前北京市水环境保护的重大需求,确定亟待解决和重点需要突破的科学问题主要可归纳为以下几个方面:

1)生态用水保障基础研究:开展基于河湖生态安全的生态需水量研究,提出北京市河湖的最低生态需水量;开展水资源合理配置及优化研究,研究在水资源短缺的形势下如何进一步优化水资源配置,如何最大程度地保障河湖生态环境用水量;开展城市污水处理厂脱氮除磷深度处理技术及优化研究,研究如何进一步提高污水处理厂总磷、总氮的出水水质,提升生态环境用水品质。

2)流域生态健康恢复和重建关键技术研究:开展水生态功能分区研究,从流域尺度建立与水生态功能分区相适应的水环境综合管理体系;研究建立适合北京地区的流域健康评价指标体系和评价指南;开展典型流域生态健康调查及评估,建立覆盖全北京市五大流域及主要河流的生态健康评价网络;开展河流生境完整性基础研究,开展典型河流生态健康恢复示范研究。

3)污染源治理和管理的重点问题研究:研究建立集粪污收集、处理、综合利用于一体的畜禽养殖污染防治技术体系和综合管理模式,重点突破畜禽养殖传统分散处理和生化治理模式的瓶颈问题;研究建立城市低影响开发技术规范,开展城市低影响开发管理对策研究,对城市低影响开发提出明确要求,并选取典型区域开展城市径流污染控制示范研究;开展北京市水环境优先控制污染物研究,开展痕量有毒有害污染物监测方法研究,开展水环境风险污染物溯源及防控对策研究,开展重点风险源周边水环境风险污染物调查与评估,构建痕量有毒有害污染物的污染防治技术体系、水环境风险评估技术和风险管理体系。

 

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  • · 关于2017年度北京市自然科学基金-三元联合资助项目申报的通知(2017-09-28)
  • · 关于公布2018年度北京市自然科学基金申请项目初步审查结果的通告(2017-09-27)
  • · 关于公布入选《2016年度北京市自然科学基金优秀成果选编》项目名单的通知(2017-09-22)
  • · 关于公布2017年度北京市自然科学基金-交控科技轨道交通联合基金项目初步审查结果的通告(2017-09-20)
  • · 关于2017年度北京市自然科学基金重点研究专题项目申报的通知(2017-09-01)
  • · 北京市财政局 北京市科学技术委员会 关于印发《北京市自然科学基金资助项目经费管理办法》的通知(2017-08-31)
  • · 关于2017年度北京市自然科学基金对外合作交流活动基金项目申请的通知(2017-08-30)
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