構建清水修復技術體系 實現水環境持續改善
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課題組工作人員在現場提取水樣。
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濕地推流曝氣裝置。
編者按
入湖河流治理是滇池治理的重點和難點。“十一五”期間，滇池流域開展了涵蓋不同類型的34條河流的環境綜合整治工程，取得了階段性效果，但部分河流治理仍存在不足，截至課題啟動前，除7條河流達標外，其他河流仍為劣Ⅴ類。這個課題在回顧總結和評估河流綜合治理效果后，針對滇池河流治理存在的雨污溢流污染、城郊城區面源污染、回補水低污染等問題，研發形成了穩定固相反硝化脫氮技術、城郊沖擊性負荷雨季聯動調蓄和旱季旁路凈化技術、城區河道沿程沿岸攔截減污技術、河口旁路溝—塘—表濕地凈化技術等，構建了城郊城區及河口全過程減污及清水修復治理技術體系，并在類型多樣的新寶象河流域開展了綜合示范，建設示范工程4項，水處理規模旱季達2.7萬m3/d，雨季調蓄凈化規模達5.15萬m3/d，有效削減COD、TN、NH3-N和TP分別為354.47t/a、61.29t/a、25.70t/a和3.62t/a，與依托工程和配套工程的聯合作用，實現了新寶象河2017年入湖斷面（無回水影響）達到河流Ⅳ類標準。同時，以這個課題研發關鍵技術為核心，結合近10年河流治理及水專項成果，開發形成了集治理技術規范、技術導則及流域經濟技術政策于一體的高原湖泊入湖河流技術管理體系，在云南省高原湖庫河流治理中得到了推廣應用。
研究背景
滇池流域河溝眾多，常年匯入滇池的河流有34條，流域面積2906km2，年均水量近9億m3，流域70%以上的污染負荷主要通過河流進入滇池，河流治理歷來是滇池治理的重點及難點。“十一五”期間，昆明市全面開展了滇池主要河流的綜合整治工作，主要河流基本消除黑臭，取得了階段性效果。但仍存在諸多問題，如支流和片區截污不徹底，上游達標，下游不達標；入河面源、溢流混合污水未得到控制，旱季達標，雨季不達標；生態用水匱乏，補水水質不達標，缺乏清水入河等。課題啟動前，納入評價的34條河中僅7條入滇河流入湖斷面水質達到了階段保護目標要求，其中入湖水量較大的新寶象河2010年入湖斷面仍為劣Ⅴ類。這個課題回顧總結和評估主要河流綜合治理效果，針對“十一五”滇池入湖河流治理存在的技術問題、工程實施規范問題，進一步開展不同類型、不同區段入湖河流綜合整治關鍵技術研究，保障河流自上游至入湖河口的水環境質量，并開發形成高原湖泊不同類型入湖河流治理技術管理體系和工程規范，為云南省九大高原湖泊入湖河流治理及全國類似河流治理提供技術支持及實踐指導。
主要成果
課題以削減入河污染負荷及全程改善河流水質為目標，在對河流全面污染源解析及水質響應分析的基礎上，針對河流城區、城郊及河口不同區段存在的雨污溢流污染、沖擊性面源污染、回補水低污染等問題，在“十一五”研究基礎上，完善性研發穩定固相反硝化脫氮技術、城郊沖擊性負荷雨季聯動調蓄和旱季旁路凈化技術、城區“三面光”河道沿程沿岸攔截減污技術、河口旁路溝—塘—表濕地凈化技術等，構建城郊城區及河口全過程減污及清水修復治理技術體系，在新寶象河中下段長約16km河段建立4項示范工程，水處理規模旱季達2.7萬m3/d，雨季調蓄凈化規模達5.15萬m3/d，有效削減COD、TN、NH3-N和TP分別為354.47t/a、61.29t/a、25.70t/a和3.62t/a，配合依托工程和配套工程的作用，實現了新寶象河入湖斷面達到河流Ⅳ類標準。同時，以課題研發關鍵技術為主體，總結近10年河流治理及水專項成果，開發形成了集治理技術規范、技術導則及流域經濟技術政策于一體的高原湖泊入湖河流技術管理體系，在云南省高原湖庫河流治理中得到了推廣應用。在課題研究期間，課題組共申請專利技術8項，發表論文49篇，專著3本，研發成套設備4套，形成技術導則和技術管理政策各1項，形成技術規范3項，提出流域環境經濟管理政策5項。
成果一
針對“十一五”固相反硝化脫氮存在的釋放速率不穩定、成本高等問題，通過“十二五”持續研究，開發形成了穩定經濟的固相反硝化脫氮材料及成套關鍵技術，并在入河農村、農田面源治理示范工程中得到應用，脫氮效果良好。
固相反硝化技術是近10年來這個課題持續研究的重要內容，“十二五”期間，重點針對“十一五”固相反硝化脫氮存在的釋放速率過快且不穩定、成本高、材料形式單一等問題，開發形成了穩定經濟的顆粒狀、桿狀、柱狀、球狀等新型固相反硝化脫氮材料10余種。生物質凈水材料的研發與應用有了新的突破（形成專利），反硝化速率穩定達到0.10mgN/(L.h.g碳源)以上，具有良好的控釋碳源的能力，釋放速率趨于穩定。同時，去除相同氮的情況下，碳源材料價格降低30%~80%。開發形成了多級土壤滲濾系統、廊道式生物濾床、人工濕地系統等成套技術，并采用了柱狀添加炭源方式（形成專利），確保固相炭源持續利用。其中（1）BAF+MSL系統組合工藝由(曝氣)惰性載體BAF+多級土壤滲濾系統組成。微曝氣BAF單元氣水比為2~3∶1，HRT0.5~1h，多級土壤滲濾系統，表面水力負荷0.5~1m3/m2.d；（2）構建“微曝氣—缺氧”O／A兩段式人工濕地系統，在缺氧段人工濕地系統添加生物質固體碳源。微曝氣段氣水比為2~3∶1，人工濕地系統表面水力負荷為0.5~1m3/m2.d；與傳統土壤處理系統、人工濕地系統反硝化脫氮效率20%~40%相比，脫氮效率取得了明顯突破，能達到70%以上。這項脫氮技術成功應用于入河農田、農村面源調蓄凈化示范工程，對TN、TP和COD的平均去除率達70%、50%、45%以上。這項技術單位投資400元~800元/m3，運行費<0.20元/m3。固相炭源強化脫氮反硝化系列技術從的TRL3提升至TRL7，TN去除率大幅提高，單位投資及運行成本明顯下降。
成果二
針對城郊入河（湖）沖擊負荷污染問題，首次以濕地—調蓄池—管網—污水處理廠為聯動處理單元，開發形成了旱季旁路凈化和雨季調蓄治理集成關鍵技術，通過工程示范大幅削減入河（湖）污染負荷。
雨季沖擊性負荷是滇池入湖河流污染的重要因素，也是長期以來滇池污染難以解決的難題。這個課題針對新寶象河最大的城郊入河溢流口，以初期雨水、雨污混流為處理對象，以岸帶綠地為處理空間，集成旱季濕地凈化和雨季調蓄處理技術，聯動截污干管及下游第十二污水處理廠，首次系統開發形成了濕地—調蓄池—管網—污水處理廠聯動綜合治理技術，實現新寶象河雨季入河沖擊負荷的調蓄治理及旱季旁路河水深度凈化，達到全年全天候治理河流的效果。
分析溢流口匯水面積約為4.5km2，原有的排污干管按照3倍的截污倍率（3×3500m3/d）計算，取綜合徑流系數為0.45，則能攔截約13mm降雨。分析昆明市雨型特征，大于1mm的降雨年平均為119次，大于等于13mm的降雨年平均為22次，示范工程能攔截的雨次為90次，攔截率約75%，按每天一次調蓄計，調蓄容積為7500m3，根據調蓄池分層水質差異，上清液（約1/4）濃度COD、TN、TP分別小于80mg/l、10mg/l、0.5mg/l進入濕地系統，高于以上濃度的上清液及中下部較高濃度污水通過干管進入下游第十二污水處理廠，實現混流污水的分質分量處理。同時，為避免處理設施閑置，旱季引河水進入系統，處理規模為0.10萬~0.25萬m3/d，水力負荷達0.28~0.70m3/m2.d。
示范工程總占地1萬m2，其中構建添加自主研發的新型生物質固相碳源凈水材料的人工濕地500m2，單位投資600元~800元/m3，單位運行費用0.08元/m3，技術經濟指標優于傳統土地處理系統，脫氮效率提升40%以上。根據運行監測，雨季COD、TN、NH3-N、TP平均削減率為83.9%、71.2%、61.3%、73.2%，旱季平均為43.0%、44.2%、38.6%、41.1%，全年累計削減COD46.2t、TN2.05t、NH3-N0.88t、TP0.45t。
成果三
集成植被淺溝、壁掛攔截、植生混凝土、原位PCA、原位激活微生物等多種技術，開發形成了城市河流沿岸攔截及沿程減污關鍵技術。
針對城市散排地表徑流污染直接入河及城市河段“三面光”原位自凈能力散失等問題，在“十一五”水專項植被帶、滲濾溝、河道曝氣、填料、菌劑等原位旁路治理技術研究的基礎上，提出適合新寶象河降雨特征以及河岸兩側現狀特征的沿岸攔截和沿程減污關鍵技術。包括集成岸帶植被淺溝、壁掛式雨水攔截（形成專利）的城市河道岸帶散排地表徑流沿岸控制技術，集成河床BSC—生物基質生態混凝土、PCA土壤植被互助技術、原位激活微生物凈化技術及自動跟蹤光伏供能曝氣技術（形成專利）等形成硬質河床生境改造原位沿程減污技術。其中針對無植被攔截的陡岸河堤，開發了壁掛式雨水凈化技術，形成一體化設備并進行工程示范，對COD、TN、NH3-N、TP、SS的去除率分別為45%、22%、44%、38%、71%；利用沿岸綠化帶，形成了植被淺溝岸帶攔截技術，并建設了示范工程，對COD、TN、NH3-N、TP、SS的去除率分別為44%、25%、45%、38%、89%；針對硬化河底，采用植生生態混凝土和PCA土壤植被互助技術，恢復了河道沉水植物生長，工程區沉水植物生物量1330.0~3445.0g/m2.FW；開發了自動跟蹤光伏供能曝氣技術，太陽能利用效率提升35%。城市河流沿岸沿程減污關鍵技術在新寶象河中下游近2km河段開展工程示范，示范區水生態得到恢復，城區段河道自凈能力有效提升，對TN、TP、NH3-N、COD和SS沿程削減率分別達到14%、14%、25%、17%和31%。
成果四
集成水動力改善、植物優化配置、C/N比調整、菌劑強化等技術，開發形成了集凈化、生態及適度景觀功能于一體的河—溝—塘—表河口濕地構建關鍵技術，通過大規模工程示范，有效削減入湖負荷。
針對新寶象河低C/N比水質特征，基于中試規模，開展了以表流為主人工濕地對低污染河水的凈化研究，確定適宜水力負荷為0.3~0.5m3/m2.d，植物優選香蒲、菖蒲；開展了以多塘為主的人工濕地對低污染河水的凈化研究，確定適宜水力負荷為0.2m3/m2.d，植物優選鳶尾、黑藻、睡蓮等。
基于中試成果，構建集凈化、生態及適度景觀功能于一體的河—溝—塘—表河口濕地示范工程460多畝，處理規模為2萬~4萬m3/d。具體按照多塘系統（沉淀塘、氧化塘和穩定塘）、溝—塘—表系統、生態溝三條工藝路線設計，總體水力負荷為0.2m3/m2.d，示范工程去除率為COD22%~31%，TN11%~47%，NH3-N48%~68%，TP27%~54%，SS51%~63%。同時針對濕地水動力不足，在濕地內布設自主研發太陽能推流曝氣裝置（APP控制，形成專利），提高濕地水體流速3~6cm/s，有效改善濕地水動力；針對濕地末端C/N失調情況，在濕地內設置固相碳源緩釋區，有效調整水體C/N比，提高反硝化脫氮效果約10%。
標志性成果
以關鍵技術為支撐，構建了城郊、城區及河口全過程減污及清水修復治理技術體系，通過工程示范，確保了示范區入湖河流達到Ⅳ類水質目標，實現了河流水環境的全程持續改善。
課題以削減入河污染負荷及全程改善河流水質為目標，在對河流全面污染源解析及水質響應分析的基礎上，針對河流城區、城郊及河口不同區段存在的雨污溢流污染、沖擊性面源污染、回補水低污染等問題，集成穩定固相反硝化脫氮技術、城郊沖擊性負荷雨季聯動調蓄和旱季旁路凈化技術、城區“三面光”河道沿程沿岸攔截減污技術、河口旁路溝—塘—表濕地凈化技術等，構建了城郊城區及河口全過程減污及清水修復治理技術體系，在其支撐下于新寶象河中下段長約16km河段建立4項示范工程，水處理規模旱季達2.7萬m3/d，雨季調蓄凈化規模達5.15萬m3/d，有效削減COD、TN、NH3-N和TP分別為354.47t/a、61.29t/a、25.70t/a和3.62t/a，配合兩岸截污管網及第十二污水處理廠等依托工程的共同作用，根據云南省環境監測中心站數據，實現了2017年新寶象河入湖斷面（寶豐村，無回水影響）水質主要指標COD、NH3-N和TP達到了河流Ⅳ類標準。
管理體系
形成了集治理技術規范、技術導則及流域經濟技術政策于一體的高原湖泊入湖河流技術管理體系，為云南高原湖庫河流治理提供了技術支撐和管理保障。
優化集成高原湖泊城區河道沿程減污技術，統籌了初期雨水源頭控制、途徑削減及末端處理等研究成果，形成了《高原湖泊城市河道初期雨水攔截技術規范》；集成固相反硝化脫氮技術、旁路凈化技術、河口濕地凈化技術等，形成了《高原湖泊入湖河流旁路治理技術規范》，兩個規范將由云南省質量技術監督局以云南省地方標準的形式發布。綜合高原湖泊不同類型入湖河流緩沖帶構建、河濱及河口濕地恢復、河內清淤、河流原位旁路治理技術的研究成果，提出不同類型入湖河流全過程控制污染的技術原則、適用范圍、技術路線、推廣機制及管理措施等，編制了《高原湖泊入湖河流污染防治技術政策》《高原湖泊入湖河流污染防治最佳可行技術導則》，將由云南省環境保護廳推廣應用；同時，課題研究提出了5項流域環境經濟政策，包括城市污水處理廠季節性分類考核與初期雨水處理補償政策、總量控制與污染減排的清潔發展機制、基于生態環境事權的滇池流域生態補償政策、滇池流域產業結構優化調整建議、重污染企業退出政策等。
技術規范、技術導則及流域經濟技術政策的形成與實施，有效提升河流治理和管理水平，為云南省高原湖庫河流治理提供了技術支撐和管理保障。
成果推廣應用
新寶象河治理成果得到了昆明市政府的認可，有效提升了滇池入湖河流治理效果，納入了滇池“十三五”規劃河流治理的相關項目中。城區、城郊及河口全過程減污及清水修復技術，入河沖擊負荷旁路調蓄凈化技術等得到了昆明市滇管局、環保局、水利局，九湖地區環保局、相關設計院及環保公司的認可，有效指導了九湖流域河流的綜合治理，并在異龍湖城河環境綜合整治工程、通海杞麓湖國家濕地公園生態建設項目者灣河與大新河前置濕地以及異龍湖多個湖濱濕地項目中得到推廣應用。
供稿：云南省環境科學研究院、北京大學、上海交通大學、北京師范大學、中國市政工程西南設計研究總院
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