“三位一體”模式改善區域水環境質量
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完達山陽光乳業有限公司污水處理示范工程現場。
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基于生物預發酵的瀝浸污泥好氧發酵集成技術。
編者按
松花江哈爾濱市轄區控制單元（簡稱控制單元）是黑龍江省控制區內的4個控制單元之一。水專項“松花江哈爾濱市轄區控制單元水環境質量改善技術集成與綜合示范”課題圍繞松花江流域國家水污染治理和水環境保護戰略目標，首次從控制單元的角度開展技術集成及綜合示范，著力提高水環境質量改善問題。通過大尺度、多方位的環境整治技術的實施，及區域內水資源的有效調配和綜合管理，實現控制單元主要水質指標(COD、氨氮)總體達到Ⅲ類水質。
課題涵蓋點源、面源等水污染防治典型問題，不僅對松花江流域水環境問題具有很強的針對性，對其他流域從控制單元角度解決水環境問題也具有一定借鑒性。課題兼顧控制單元水污染治理與水環境管理兩大技術體系，提供相應數據與經驗支持，對推動專項目標的順利實現，意義重大。
典型行業廢水污染物深度削減工藝與
示范促進控制單元水質持續改善
按照松花江哈爾濱市轄區控制單元內的環境污染特點以及環境質量改善需求，課題組針對松花江哈爾濱市轄區控制單元流域食品深加工、發酵等行業污染類型復雜等問題，開展高氨氮工業廢水、發酵廢水、城市污水處理廠廢水深度削減技術研究。
針對傳統生物脫氮方法對于高氨氮廢水中的含氮污染物去除效率低及處理過程能耗高等情況，開展了高效、節能低耗的處理技術，研發了生物膜強化自養異養耦合脫氮技術，通過加入具有特殊結構的懸浮填料及對曝氣方式、曝氣量的控制，改善活性生物膜中脫氮微生物種群結構，強化自養及異養耦合生物脫氮過程，實現污染物降解與氨氮同步高效去除。通過技術集成，結合乳品廢水的水質特點，提出了采用以“多介質膜水解——高負荷曝氣泥膜共生——動態膜強化SNAD”為主體單元的處理工藝，該工藝具有良好的處理效果及創新性。將所研發的技術應用于黑龍江完達山陽光乳業有限公司2000噸/日的示范工程，出水達到了《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）中一級標準。相較于企業原有的處理工藝，該工藝大幅降低藥耗和能耗，處理效果穩定，噸水處理成本節省40%以上，具有顯著的經濟效益和社會效益以及很好的應用推廣價值。
針對流域污水處理廠冰封期處理效率低、運行效果差、污水處理廠不同季節變參數運行技術缺乏、污水污泥過程減量技術薄弱、污水污泥資源化能力不足的現狀，課題組研發了基于多點進水深井曝氣工藝復合泥膜共生系統的污染物深度削減工藝，構建變壓力梯度下的高效功能菌群高生物量處理體系，富集變形菌門+擬桿菌門抗壓耐寒微生物，深度削減污染物。此外，課題組通過微型螺旋測流計測得的輻流式初次沉池內速度分布情況，優化進水擋板布水流速及懸浮物濃度等沉淀池參數；提出高壓曝氣強化污染物快速削減方法，通過提升曝氣壓力，提高溶解氧濃度，促進微生物利用氧分子的效率，強化污染物降解能力。該工藝在哈爾濱市朝陽水質凈化廠工程中得到應用，出水穩定達到一級A標準要求。
此外，課題針對污水污泥好氧發酵升溫周期長、調理劑用量大的問題，開發了基于生物預發酵的瀝浸污泥好氧發酵優化技術，通過生物預發酵改善污泥微生物種群結構，調整堆肥調理劑組成結構，優化好氧發酵通風過程，改善篩分和熟料回流方式，促進污泥中有機質的降解和生物熱釋放。建設的污水污泥集中處置示范工程，將好氧發酵升溫周期縮短，減少了調理劑用量，可提高好氧發酵工藝效能。
面源污染監管控制集成體系增強控制單元廢物資源轉化
利用水文模型進行計算機模擬是解決流域水循環過程和污染形式的最有效方法，但是水文模型在北方高緯度寒冷地區應用較少，基于這方面的技術研究迫在眉睫。為解決控制單元內面源污染的來源復雜、影響范圍廣泛、很難定量檢測與分析的特征難題，課題組研發并形成了一套集流域面源污染過程模擬診斷與流域規劃管理政策分析為一體的全流程面源污染監管控制技術體系，構建了流域內的面源污染基礎信息數據庫，彌補了哈爾濱市轄區內面源污染基礎數據零散、數據標準不整齊的不足。課題開發了集人工降雨控制、坡度坡面控制、徑流數字自動傳輸采集為一體的面源污染截留凈化平臺，這個平臺建設具有多條件降雨環境模擬、多條件地面環境模擬、水文及環境信息數字化實時數據傳輸采集的功能，可有效模擬自然條件下面源污染發生過程，科學定量的解析污染過程，為尺度放大和效果驗證提供了技術保障。此外，采用GIS平臺的AVSWAT模型與經驗模型結合的方法，課題開發了基于復雜下墊面地理條件的流域非點源污染模擬技術，可定量解析流域非點源污染的時空異質性分布規律，通過對流域的非點源污染負荷進行定量化計算，完成具有寒冷地區特色的面源污染時空過程模擬，有效解決了面源污染擴散過程復雜、難以有效計算與模擬控制的重要難題。
根據模型計算結果可確定流域內面源污染發生的關鍵路徑和關鍵時間節點，課題依此制定科學、有效的流域面源污染綜合管理方案。這種在定量解析基礎上提出的流域綜合管理方案，實現了數字空間模擬預測技術與綜合管理規劃的有序承接，避免了流域管理過于粗放、與實際情況脫節的問題，因此可指導控制單元內具體面源污染控制工程的科學實施。這個課題的實施一方面解決了流域環境治理工程沒有重點、選址缺乏科學論證的問題，顯著節約環保治理工程成本；另一方面可極大提高政府決策的科學水平，提高現有流域環境污染防治能力與效果，具有顯著的經濟效益。這項技術彌補了我國寒冷地區面源污染系統研究的空白，為相關部門和政府流域整體規劃提供定量化的科學指導，是適應黑龍江省“千億斤糧食計劃”帶來的農業面源污染壓力和滿足環境質量提升需求的重要成果，同時可為全國其他以農業發展為主的流域面源污染防治與綜合管理工作提供參考。
目前，課題組與黑龍江春雨智慧農業科技有限公司簽訂協議進行專利轉讓，依托哈爾濱三安環農肥料有限公司和黑龍江省達豐科技開發有限責任公司開展示范工程建設，改建、擴建和新建場區，在哈爾濱市轄區控制單元海溝河流域建立了綜合示范區和清潔生產基地，展開了一系列如購買設備儀器、辦理有機肥臨時登記證、清理收集露天堆放牛糞，試生產有機肥等有效措施。這一發展進程繼續推動了示范工程配套單位與哈爾濱市阿城區環保局等相關部門的合作。此外，在哈爾濱東日種植專業合作社、哈爾濱市佰億斤水稻種植專業合作社、哈爾濱國家農業示范園區和鑫福成農機合作社示范推行農業面源污染治理技術，農業面源污染治理技術輻射溢出，為松花江流域（黑龍江境內）大慶綏化控制單元畜禽糞污和作物秸稈綜合利用提供技術支撐，為黑龍江省畜牧養殖大縣糞污處理提供培訓和技術指導。
水陸交錯帶生態修復關鍵技術引導控制單元生態系統良性循環
近年來，森林質量下降，天然林面積減少，濕地面積萎縮（約減少30%~50%），生物多樣性降低，整體生態功能減弱。底泥高負荷污染物形成的二次內源污染及采砂產生的廢棄物造成大量土地、林地資源廢棄，加劇了土地、水體、大氣等環境污染。流域自然生態系統受損嚴重，生態景觀缺失，導致降解污染物、保持水土、涵養水源及調節區域氣候等生態功能下降，威脅控制單元的生態安全。
課題針對控制單元存在的生態破壞和底泥內源污染而導致的水生態問題，采用恢復生態學理念與工程技術措施相結合的生態工程設計方法，優先恢復水陸交錯帶系統合理的內部結構，然后通過自組織機理和人為協助調控逐步恢復高效的系統功能，將裸露的庫岸帶恢復為景觀效果好、凈水能力強的健康水陸交錯帶系統。
物候期是植物的生長、發育、活動等規律與生物的變化對季節氣候的反應，通過觀測和記錄一年中植物的生長榮枯，探索植物發育和活動過程的周期性規律。課題研發了植物生活周期優化技術和土壤水分控制技術等水陸交錯帶生態修復關鍵技術，針對15種寒冷地區典型土著植物，篩選出返青期早、枯萎期晚、懸浮物去除率高的濕地植物4種，為蘆葦、香蒲、小葉章、早熟禾，其中小葉章對懸浮物去除率達80%以上，蘆葦、香蒲、早熟禾對懸浮物SS去除率達60%以上。以蘆葦/香蒲+小葉章+早熟禾為主構建水陸交錯帶濕地植被搭配模式，通過水陸交錯帶植物配置，交錯帶植被整體生長周期提前并延長。
濕地植被以水為生存空間，受水分梯度、生物競爭以及營養物質等環境因子的影響。水位的變化會使濕地植物在生理和生態等方面表現出不同的變化特征。隨著濕地水位的變化，植物群落的密度、豐富度都會呈現顯著變化。土壤種子庫是植物潛在種群，土壤種子庫特征對生態系統的恢復和植被的結構、功能、組成與動態等更為重要。土壤水分的空間梯度變化是影響土壤種子庫的特征、空間分布格局、種子庫和地表植被的關聯性以及植物種子結實量等的主要原因之一。對控制單元水陸交錯帶土壤種子庫研究發現，無積水條件下土壤種子庫特種數最高，表層0~5厘米土壤中無積水條件下物種數最多。同時，無積水條件下種子庫密度較高，其中0~10厘米土層種子密度占全部種子密度的80%以上。在確定以激活無積水條件下的0~10厘米土層種子為首要目標后，采用水分灌溉的方式，激活種子庫。這項技術通過不同水分的調控，可激活濕地土壤種子庫中相應水分因子的植物，利用這類植物種子的萌發與生長修復植被組成結構，從而促進植物群落向頂級群落演替。上述技術在哈爾濱市松花江干流陽明灘開展應用，其示范區內生物多樣性、植被覆蓋率及徑流中懸浮物去除率均有所提高。
水環境信息分布式數據響應平臺為水環境管理提供技術支撐
松花江哈爾濱市轄區控制單元位于松花江流域中段。課題組針對控制單元水環境基礎信息尚不完善的現狀，突破傳統單純地面調查的水環境信息獲取方法，采用多源遙感技術與地面實測數據結合的方式，開展控制單元水環境基礎信息采集工作。通過環保管理部門污染源普查、統計、減排、排污申報及排污許可數據，建立控制單元水環境屬性數據庫。結合在線監測獲取的水質動態數據，建立控制單元水環境數據綜合服務平臺，為水環境管理、規劃、治理提供數據支持和數據服務。
以水環境分布式數據庫為基礎，集成物聯網、傳感器技術，建立水環境深度感知系統，實現企業、污水處理廠和流域斷面的三級響應管理。通過GIS系統的可視化動態界面，對企業排水參數和污水處理廠進水參數及時預警預報，以保證污水處理廠水質達標排放，為大頂子山監測斷面的水質目標提供輔助支持。綜合控制單元各示范區采取的污染物削減技術及生態修復手段，對控制單元未來水環境狀況進行大尺度的三維推演與虛擬仿真，為控制單元污染物削減技術的預期效果提供直觀展示，并輔助控制單元的環境規劃和管理決策支持。
針對控制單元水質管理需求，構建由水動力模型、水質模型、污染源與水質空間關系模型和水環境容量計算模型耦合的水質模型系統，解決了控制單元水質模型構建未考慮冰封期、融冰期（桃花水期）、平水期和豐水期不同時間段中污染源（點源、融雪徑流、暴雨徑流和農業面源）動態變化情況，水動力、水質模型不能實現全時空精確模擬等問題，為水環境的可視化虛擬仿真提供計算基礎。通過應用遙感與GIS技術與水質模型相結合，實現控制單元水質模擬預測、水質評價、污染物總量排放管理、水環境容量動態模擬、水質保障措施制定等業務化應用。同時，以保證大頂子山出口斷面Ⅲ類水質標準為前提，為控制單元水環境科學規劃提供預測數據，為區域環評、工農業項目審批提供決策支持。課題成果“水環境生態補償框架”研究對黑龍江省流域水環境補償標準框架等進行了有益探索，為黑龍江省相關政策制度的出臺和落地實施提出了實用性強的設計思路和策略，有效指導了區域內水環境補償工作的具體開展。
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