构建清水修复技术体系 实现水环境持续改善
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课题组工作人员在现场提取水样。
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湿地推流曝气装置。
编者按
入湖河流治理是滇池治理的重点和难点。“十一五”期间，滇池流域开展了涵盖不同类型的34条河流的环境综合整治工程，取得了阶段性效果，但部分河流治理仍存在不足，截至课题启动前，除7条河流达标外，其他河流仍为劣Ⅴ类。这个课题在回顾总结和评估河流综合治理效果后，针对滇池河流治理存在的雨污溢流污染、城郊城区面源污染、回补水低污染等问题，研发形成了稳定固相反硝化脱氮技术、城郊冲击性负荷雨季联动调蓄和旱季旁路净化技术、城区河道沿程沿岸拦截减污技术、河口旁路沟—塘—表湿地净化技术等，构建了城郊城区及河口全过程减污及清水修复治理技术体系，并在类型多样的新宝象河流域开展了综合示范，建设示范工程4项，水处理规模旱季达2.7万m3/d，雨季调蓄净化规模达5.15万m3/d，有效削减COD、TN、NH3-N和TP分别为354.47t/a、61.29t/a、25.70t/a和3.62t/a，与依托工程和配套工程的联合作用，实现了新宝象河2017年入湖断面（无回水影响）达到河流Ⅳ类标准。同时，以这个课题研发关键技术为核心，结合近10年河流治理及水专项成果，开发形成了集治理技术规范、技术导则及流域经济技术政策于一体的高原湖泊入湖河流技术管理体系，在云南省高原湖库河流治理中得到了推广应用。
研究背景
滇池流域河沟众多，常年汇入滇池的河流有34条，流域面积2906km2，年均水量近9亿m3，流域70%以上的污染负荷主要通过河流进入滇池，河流治理历来是滇池治理的重点及难点。“十一五”期间，昆明市全面开展了滇池主要河流的综合整治工作，主要河流基本消除黑臭，取得了阶段性效果。但仍存在诸多问题，如支流和片区截污不彻底，上游达标，下游不达标；入河面源、溢流混合污水未得到控制，旱季达标，雨季不达标；生态用水匮乏，补水水质不达标，缺乏清水入河等。课题启动前，纳入评价的34条河中仅7条入滇河流入湖断面水质达到了阶段保护目标要求，其中入湖水量较大的新宝象河2010年入湖断面仍为劣Ⅴ类。这个课题回顾总结和评估主要河流综合治理效果，针对“十一五”滇池入湖河流治理存在的技术问题、工程实施规范问题，进一步开展不同类型、不同区段入湖河流综合整治关键技术研究，保障河流自上游至入湖河口的水环境质量，并开发形成高原湖泊不同类型入湖河流治理技术管理体系和工程规范，为云南省九大高原湖泊入湖河流治理及全国类似河流治理提供技术支持及实践指导。
主要成果
课题以削减入河污染负荷及全程改善河流水质为目标，在对河流全面污染源解析及水质响应分析的基础上，针对河流城区、城郊及河口不同区段存在的雨污溢流污染、冲击性面源污染、回补水低污染等问题，在“十一五”研究基础上，完善性研发稳定固相反硝化脱氮技术、城郊冲击性负荷雨季联动调蓄和旱季旁路净化技术、城区“三面光”河道沿程沿岸拦截减污技术、河口旁路沟—塘—表湿地净化技术等，构建城郊城区及河口全过程减污及清水修复治理技术体系，在新宝象河中下段长约16km河段建立4项示范工程，水处理规模旱季达2.7万m3/d，雨季调蓄净化规模达5.15万m3/d，有效削减COD、TN、NH3-N和TP分别为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，实现了新宝象河入湖断面达到河流Ⅳ类标准。同时，以课题研发关键技术为主体，总结近10年河流治理及水专项成果，开发形成了集治理技术规范、技术导则及流域经济技术政策于一体的高原湖泊入湖河流技术管理体系，在云南省高原湖库河流治理中得到了推广应用。在课题研究期间，课题组共申请专利技术8项，发表论文49篇，专著3本，研发成套设备4套，形成技术导则和技术管理政策各1项，形成技术规范3项，提出流域环境经济管理政策5项。
成果一
针对“十一五”固相反硝化脱氮存在的释放速率不稳定、成本高等问题，通过“十二五”持续研究，开发形成了稳定经济的固相反硝化脱氮材料及成套关键技术，并在入河农村、农田面源治理示范工程中得到应用，脱氮效果良好。
固相反硝化技术是近10年来这个课题持续研究的重要内容，“十二五”期间，重点针对“十一五”固相反硝化脱氮存在的释放速率过快且不稳定、成本高、材料形式单一等问题，开发形成了稳定经济的颗粒状、杆状、柱状、球状等新型固相反硝化脱氮材料10余种。生物质净水材料的研发与应用有了新的突破（形成专利），反硝化速率稳定达到0.10mgN/(L.h.g碳源)以上，具有良好的控释碳源的能力，释放速率趋于稳定。同时，去除相同氮的情况下，碳源材料价格降低30%~80%。开发形成了多级土壤渗滤系统、廊道式生物滤床、人工湿地系统等成套技术，并采用了柱状添加炭源方式（形成专利），确保固相炭源持续利用。其中（1）BAF+MSL系统组合工艺由(曝气)惰性载体BAF+多级土壤渗滤系统组成。微曝气BAF单元气水比为2~3∶1，HRT0.5~1h，多级土壤渗滤系统，表面水力负荷0.5~1m3/m2.d；（2）构建“微曝气—缺氧”O／A两段式人工湿地系统，在缺氧段人工湿地系统添加生物质固体碳源。微曝气段气水比为2~3∶1，人工湿地系统表面水力负荷为0.5~1m3/m2.d；与传统土壤处理系统、人工湿地系统反硝化脱氮效率20%~40%相比，脱氮效率取得了明显突破，能达到70%以上。这项脱氮技术成功应用于入河农田、农村面源调蓄净化示范工程，对TN、TP和COD的平均去除率达70%、50%、45%以上。这项技术单位投资400元~800元/m3，运行费<0.20元/m3。固相炭源强化脱氮反硝化系列技术从的TRL3提升至TRL7，TN去除率大幅提高，单位投资及运行成本明显下降。
成果二
针对城郊入河（湖）冲击负荷污染问题，首次以湿地—调蓄池—管网—污水处理厂为联动处理单元，开发形成了旱季旁路净化和雨季调蓄治理集成关键技术，通过工程示范大幅削减入河（湖）污染负荷。
雨季冲击性负荷是滇池入湖河流污染的重要因素，也是长期以来滇池污染难以解决的难题。这个课题针对新宝象河最大的城郊入河溢流口，以初期雨水、雨污混流为处理对象，以岸带绿地为处理空间，集成旱季湿地净化和雨季调蓄处理技术，联动截污干管及下游第十二污水处理厂，首次系统开发形成了湿地—调蓄池—管网—污水处理厂联动综合治理技术，实现新宝象河雨季入河冲击负荷的调蓄治理及旱季旁路河水深度净化，达到全年全天候治理河流的效果。
分析溢流口汇水面积约为4.5km2，原有的排污干管按照3倍的截污倍率（3×3500m3/d）计算，取综合径流系数为0.45，则能拦截约13mm降雨。分析昆明市雨型特征，大于1mm的降雨年平均为119次，大于等于13mm的降雨年平均为22次，示范工程能拦截的雨次为90次，拦截率约75%，按每天一次调蓄计，调蓄容积为7500m3，根据调蓄池分层水质差异，上清液（约1/4）浓度COD、TN、TP分别小于80mg/l、10mg/l、0.5mg/l进入湿地系统，高于以上浓度的上清液及中下部较高浓度污水通过干管进入下游第十二污水处理厂，实现混流污水的分质分量处理。同时，为避免处理设施闲置，旱季引河水进入系统，处理规模为0.10万~0.25万m3/d，水力负荷达0.28~0.70m3/m2.d。
示范工程总占地1万m2，其中构建添加自主研发的新型生物质固相碳源净水材料的人工湿地500m2，单位投资600元~800元/m3，单位运行费用0.08元/m3，技术经济指标优于传统土地处理系统，脱氮效率提升40%以上。根据运行监测，雨季COD、TN、NH3-N、TP平均削减率为83.9%、71.2%、61.3%、73.2%，旱季平均为43.0%、44.2%、38.6%、41.1%，全年累计削减COD46.2t、TN2.05t、NH3-N0.88t、TP0.45t。
成果三
集成植被浅沟、壁挂拦截、植生混凝土、原位PCA、原位激活微生物等多种技术，开发形成了城市河流沿岸拦截及沿程减污关键技术。
针对城市散排地表径流污染直接入河及城市河段“三面光”原位自净能力散失等问题，在“十一五”水专项植被带、渗滤沟、河道曝气、填料、菌剂等原位旁路治理技术研究的基础上，提出适合新宝象河降雨特征以及河岸两侧现状特征的沿岸拦截和沿程减污关键技术。包括集成岸带植被浅沟、壁挂式雨水拦截（形成专利）的城市河道岸带散排地表径流沿岸控制技术，集成河床BSC—生物基质生态混凝土、PCA土壤植被互助技术、原位激活微生物净化技术及自动跟踪光伏供能曝气技术（形成专利）等形成硬质河床生境改造原位沿程减污技术。其中针对无植被拦截的陡岸河堤，开发了壁挂式雨水净化技术，形成一体化设备并进行工程示范，对COD、TN、NH3-N、TP、SS的去除率分别为45%、22%、44%、38%、71%；利用沿岸绿化带，形成了植被浅沟岸带拦截技术，并建设了示范工程，对COD、TN、NH3-N、TP、SS的去除率分别为44%、25%、45%、38%、89%；针对硬化河底，采用植生生态混凝土和PCA土壤植被互助技术，恢复了河道沉水植物生长，工程区沉水植物生物量1330.0~3445.0g/m2.FW；开发了自动跟踪光伏供能曝气技术，太阳能利用效率提升35%。城市河流沿岸沿程减污关键技术在新宝象河中下游近2km河段开展工程示范，示范区水生态得到恢复，城区段河道自净能力有效提升，对TN、TP、NH3-N、COD和SS沿程削减率分别达到14%、14%、25%、17%和31%。
成果四
集成水动力改善、植物优化配置、C/N比调整、菌剂强化等技术，开发形成了集净化、生态及适度景观功能于一体的河—沟—塘—表河口湿地构建关键技术，通过大规模工程示范，有效削减入湖负荷。
针对新宝象河低C/N比水质特征，基于中试规模，开展了以表流为主人工湿地对低污染河水的净化研究，确定适宜水力负荷为0.3~0.5m3/m2.d，植物优选香蒲、菖蒲；开展了以多塘为主的人工湿地对低污染河水的净化研究，确定适宜水力负荷为0.2m3/m2.d，植物优选鸢尾、黑藻、睡莲等。
基于中试成果，构建集净化、生态及适度景观功能于一体的河—沟—塘—表河口湿地示范工程460多亩，处理规模为2万~4万m3/d。具体按照多塘系统（沉淀塘、氧化塘和稳定塘）、沟—塘—表系统、生态沟三条工艺路线设计，总体水力负荷为0.2m3/m2.d，示范工程去除率为COD22%~31%，TN11%~47%，NH3-N48%~68%，TP27%~54%，SS51%~63%。同时针对湿地水动力不足，在湿地内布设自主研发太阳能推流曝气装置（APP控制，形成专利），提高湿地水体流速3~6cm/s，有效改善湿地水动力；针对湿地末端C/N失调情况，在湿地内设置固相碳源缓释区，有效调整水体C/N比，提高反硝化脱氮效果约10%。
标志性成果
以关键技术为支撑，构建了城郊、城区及河口全过程减污及清水修复治理技术体系，通过工程示范，确保了示范区入湖河流达到Ⅳ类水质目标，实现了河流水环境的全程持续改善。
课题以削减入河污染负荷及全程改善河流水质为目标，在对河流全面污染源解析及水质响应分析的基础上，针对河流城区、城郊及河口不同区段存在的雨污溢流污染、冲击性面源污染、回补水低污染等问题，集成稳定固相反硝化脱氮技术、城郊冲击性负荷雨季联动调蓄和旱季旁路净化技术、城区“三面光”河道沿程沿岸拦截减污技术、河口旁路沟—塘—表湿地净化技术等，构建了城郊城区及河口全过程减污及清水修复治理技术体系，在其支撑下于新宝象河中下段长约16km河段建立4项示范工程，水处理规模旱季达2.7万m3/d，雨季调蓄净化规模达5.15万m3/d，有效削减COD、TN、NH3-N和TP分别为354.47t/a、61.29t/a、25.70t/a和3.62t/a，配合两岸截污管网及第十二污水处理厂等依托工程的共同作用，根据云南省环境监测中心站数据，实现了2017年新宝象河入湖断面（宝丰村，无回水影响）水质主要指标COD、NH3-N和TP达到了河流Ⅳ类标准。
管理体系
形成了集治理技术规范、技术导则及流域经济技术政策于一体的高原湖泊入湖河流技术管理体系，为云南高原湖库河流治理提供了技术支撑和管理保障。
优化集成高原湖泊城区河道沿程减污技术，统筹了初期雨水源头控制、途径削减及末端处理等研究成果，形成了《高原湖泊城市河道初期雨水拦截技术规范》；集成固相反硝化脱氮技术、旁路净化技术、河口湿地净化技术等，形成了《高原湖泊入湖河流旁路治理技术规范》，两个规范将由云南省质量技术监督局以云南省地方标准的形式发布。综合高原湖泊不同类型入湖河流缓冲带构建、河滨及河口湿地恢复、河内清淤、河流原位旁路治理技术的研究成果，提出不同类型入湖河流全过程控制污染的技术原则、适用范围、技术路线、推广机制及管理措施等，编制了《高原湖泊入湖河流污染防治技术政策》《高原湖泊入湖河流污染防治最佳可行技术导则》，将由云南省环境保护厅推广应用；同时，课题研究提出了5项流域环境经济政策，包括城市污水处理厂季节性分类考核与初期雨水处理补偿政策、总量控制与污染减排的清洁发展机制、基于生态环境事权的滇池流域生态补偿政策、滇池流域产业结构优化调整建议、重污染企业退出政策等。
技术规范、技术导则及流域经济技术政策的形成与实施，有效提升河流治理和管理水平，为云南省高原湖库河流治理提供了技术支撑和管理保障。
成果推广应用
新宝象河治理成果得到了昆明市政府的认可，有效提升了滇池入湖河流治理效果，纳入了滇池“十三五”规划河流治理的相关项目中。城区、城郊及河口全过程减污及清水修复技术，入河冲击负荷旁路调蓄净化技术等得到了昆明市滇管局、环保局、水利局，九湖地区环保局、相关设计院及环保公司的认可，有效指导了九湖流域河流的综合治理，并在异龙湖城河环境综合整治工程、通海杞麓湖国家湿地公园生态建设项目者湾河与大新河前置湿地以及异龙湖多个湖滨湿地项目中得到推广应用。
供稿：云南省环境科学研究院、北京大学、上海交通大学、北京师范大学、中国市政工程西南设计研究总院
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