水專項(xiàng)“清河流域水環(huán)境質(zhì)量整體提升與功能恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)集成研究與綜合示范”課題成果取得良好示范效果

清河屬淮河流域沙潁河水系，發(fā)源于河南省新鄭市，流經(jīng)許昌市至鄢陵縣陶城閘匯入潁河，流域面積2362平方公里，占沙潁河流域面積近32%，是沙潁河最主要的污染河流之一，清河擔(dān)負(fù)沿河區(qū)域防洪、排澇、納污及城區(qū)景觀水的重要功能。近年來，雖經(jīng)不懈努力，清河水質(zhì)得以改善，但流域天然徑流匱乏、人工干擾嚴(yán)重，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化污染和集約化農(nóng)業(yè)面源污染疊加，典型混合型污染問題依然存在。

為解決清河流域環(huán)境問題，由鄭州大學(xué)主持，聯(lián)合南京大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所、河南師范大學(xué)及河南遠(yuǎn)東生物工程有限公司共同參與的“十二五”水專項(xiàng)“清河流域水環(huán)境質(zhì)量整體提升與功能恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)集成研究與綜合示范課題”（2015ZX07204-002），以流域水質(zhì)改善為目標(biāo)，從水質(zhì)、水量、水生態(tài)、水管理四方面著手，點(diǎn)、線、面三位一體，管控結(jié)合，選擇流域典型發(fā)制品行業(yè)、綜合類工業(yè)集聚區(qū)、高度集約化農(nóng)田和重污染河段（許昌段）河流為研究對象，突破關(guān)鍵技術(shù)4項(xiàng)，形成典型混合型污染河流水環(huán)境質(zhì)量整體提升和功能恢復(fù)整裝成套技術(shù)1套，形成流域污染治理及管理相關(guān)技術(shù)規(guī)范4項(xiàng)、技術(shù)方案7套，申請國家發(fā)明專利70項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利15項(xiàng)，課題研究成果得到了許昌市相關(guān)管理部門及地方企業(yè)的高度重視和認(rèn)可，通過在清河流域1500平方公里范圍內(nèi)開展綜合示范，水質(zhì)得到明顯改善，2018年陶城閘斷面水質(zhì)COD、氨氮、DO全年達(dá)標(biāo)率達(dá)到100%，為許昌市水環(huán)境污染攻堅(jiān)工作與清河流域水生態(tài)文明建設(shè)提供了技術(shù)支撐，成果在河南省流域管理和生態(tài)修復(fù)治理工作中得到了推廣應(yīng)用。

成果一

聚焦特色產(chǎn)業(yè)排污，創(chuàng)新集成了發(fā)制品行業(yè)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水源頭減排梯次削減深度凈化技術(shù)

清河流域（許昌段）發(fā)制品行業(yè)占許昌市工業(yè)總產(chǎn)值的10.8%，為流域的特色產(chǎn)業(yè)和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。發(fā)制品行業(yè)屬“高耗水、高污染”產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品噸耗水量達(dá)225立方米，產(chǎn)生的廢水具有高氨氮、高色度、可生化性差的特點(diǎn)，是清河流域主要污染行業(yè)之一。目前國內(nèi)發(fā)制品企業(yè)內(nèi)部廢水處理工藝五花八門，均無法有效解決發(fā)制品行業(yè)廢水氨氮難達(dá)標(biāo)的問題。鑒于此，課題組以氮污染為問題導(dǎo)向，按照生產(chǎn)環(huán)節(jié)節(jié)水減氮、企業(yè)污水站削氮、集聚區(qū)污水處理廠脫氮的技術(shù)思路，創(chuàng)新集成了發(fā)制品行業(yè)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水源頭減排梯次削減深度凈化技術(shù)，徹底解決了氨氮不能達(dá)標(biāo)排放的技術(shù)難題。

針對企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在的高耗水、高氨氮問題，課題組研發(fā)了非氨中和劑部分取代氨水、多級逆流微納米曝氣沖洗代替?zhèn)鹘y(tǒng)清洗、超濾/反滲透雙膜回收部分染色液等多項(xiàng)技術(shù)，集成了發(fā)制品行業(yè)“氨水替代逆流節(jié)水雙膜回用”節(jié)水減排技術(shù)，并在許昌龍正發(fā)制品廠進(jìn)行了技術(shù)示范，在保障產(chǎn)品質(zhì)量的前提下相比傳統(tǒng)工藝實(shí)現(xiàn)了沖洗節(jié)水44.4%，每噸廢水削減氨氮20.1%、COD46.9%。

針對企業(yè)污水處理站廢水可生化性差的問題，課題組開發(fā)了以天然高分子物質(zhì)淀粉為原料，輔以強(qiáng)陽離子季銨基團(tuán)取代的綠色有機(jī)混凝劑，與傳統(tǒng)的絮凝劑PAC相比，投量從190mg/L減少至20-40mg/L，同時(shí)有效削減氨氮45%、COD25%，大大減輕了后續(xù)生化處理的污染負(fù)荷。

針對產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理廠C/N偏低影響生物脫氮效率的問題，課題組開發(fā)了適用于處理發(fā)制品集聚區(qū)綜合廢水的多模式分段進(jìn)水A/O工藝，根據(jù)來水的水質(zhì)可以在A/O、二級A/O、三級A/O以及A/O等不同模式下切換工作。在小試參數(shù)優(yōu)化、中試可行性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，于許昌市屯南污水處理廠二期工程進(jìn)行了示范應(yīng)用，出水氨氮、COD等相關(guān)指標(biāo)均穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。

成果二

嚴(yán)控園區(qū)混合污染，創(chuàng)新集成了基于“物化生物生態(tài)”協(xié)同作用的高氨氮混合廢水深度脫氨技術(shù)

清河流域企業(yè)數(shù)量眾多，產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)內(nèi)化工、機(jī)械加工、制藥、農(nóng)副食品加工等重點(diǎn)行業(yè)混合廢水成分復(fù)雜、氨氮濃度高、水質(zhì)波動(dòng)大，而產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理廠現(xiàn)行的氧化溝工藝難以保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。鑒于此，課題組從特色企業(yè)內(nèi)部控制、集聚區(qū)污水處理廠強(qiáng)化治理和尾水保障的角度出發(fā)，創(chuàng)新了基于“物化生物生態(tài)”協(xié)同作用的高氨氮混合廢水深度脫氨集成技術(shù)，以保障入河水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

針對產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)內(nèi)屠宰等農(nóng)副食品加工企業(yè)高氨氮混合廢水的處理成本高、出水水質(zhì)差的問題，研發(fā)了A/O+SNAD組合工藝，這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)生物除磷單元與生物脫氮單元的分離，在節(jié)能的同時(shí)高效處理企業(yè)內(nèi)部混合廢水。這項(xiàng)技術(shù)在長葛市某食品企業(yè)進(jìn)行了部分技術(shù)示范，企業(yè)污水站出水穩(wěn)定達(dá)到《肉類加工工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13457-92）行業(yè)一級標(biāo)準(zhǔn)。

針對集聚區(qū)污水處理廠原有氧化溝工藝氨氮難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問題（尤其冬季），研發(fā)了基于強(qiáng)制增氧硝化菌高生物量維持新型氨氮吸附材料的高氨氮混合廢水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)強(qiáng)化技術(shù)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的開啟模式、輔以硝化生物濾池和反硝化生物濾池的優(yōu)化組合，徹底解決了集聚區(qū)污水廠脫氮難的問題，實(shí)現(xiàn)了出水COD、氨氮、TN穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。

針對污水處理廠排水水質(zhì)與受納河流水質(zhì)目標(biāo)之間的差距，研發(fā)了外排尾水人工濕地生態(tài)深度凈化集成技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)集成了人工濕地基質(zhì)組配優(yōu)化耦合、耐寒濕地植物優(yōu)選組合、硫自養(yǎng)反硝化強(qiáng)化脫氮等技術(shù)，并據(jù)此設(shè)計(jì)了基于人工濕地和塘系統(tǒng)的生態(tài)凈化系統(tǒng)布局，在長葛市杜村寺人工濕地（6萬噸/天）進(jìn)行了工程示范，人工濕地出水水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

成果三

防控農(nóng)田面源污染，創(chuàng)新集成了半濕潤地區(qū)高度集約化旱作農(nóng)田“減氮增效控污”技術(shù)

清河流域長年來存在施肥方式粗放、化肥施用量高、氮肥利用率低（僅有30%～35%）等問題，導(dǎo)致大量氮素流失進(jìn)入清河，成為制約清河水質(zhì)持續(xù)改善的重要因素。鑒于此，課題組在全面解析農(nóng)田面源氮污染發(fā)生機(jī)制及對入河水質(zhì)影響的基礎(chǔ)上，從“農(nóng)作物全生命周期氮素調(diào)控氮素流失全過程控制”的角度出發(fā)，創(chuàng)新集成了半濕潤地區(qū)高度集約化旱作農(nóng)田“減氮-增效-控污”綜合技術(shù)體系。

為實(shí)現(xiàn)減氮，課題組研發(fā)了一種土壤有效氮快速檢測方法，在施肥前，指導(dǎo)農(nóng)民快速判斷土壤氮素含量范圍，進(jìn)而確定合理施肥量，減量施肥10%~30%。在施肥后，通過施用以造紙污泥制備的堿性生物質(zhì)、中性秸稈生物質(zhì)碳和篩選的快腐還田纖維素及木質(zhì)素降解菌，以碳控氮實(shí)現(xiàn)對土壤氮素的容留固持。同時(shí)，針對施肥方式粗放的問題，課題組編制了《許昌市建安區(qū)小麥玉米輪作農(nóng)田高產(chǎn)清潔種植技術(shù)規(guī)程》，累計(jì)培訓(xùn)農(nóng)民200人（次），有效地推廣了清潔種植。

為實(shí)現(xiàn)增效，在作物生長期，一方面通過施加脲酶抑制劑和秸稈還田，減少氨揮發(fā)；另一方面，噴灑課題組研發(fā)的以γ-聚谷氨酸為原料的陰離子聚合物，促進(jìn)肥料吸收、阻隔肥料固化、激活土壤已固化肥料、提高肥料利用率。所開發(fā)技術(shù)通過在玉米田對比試驗(yàn)，在減量施肥30%的情況下，平均每畝增產(chǎn)50.11千克。

為實(shí)現(xiàn)控污，針對氮素流失對河道的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，通過溝渠和岸坡生態(tài)阻控、折流濾罐生物脫氮、潛流壩末端削減，實(shí)現(xiàn)對徑流的生態(tài)梯次攔截，對雨季徑流水體中COD、TN和TP的攔截率可達(dá)64%、22%和14%。所研發(fā)技術(shù)在石梁河三張閘上下游河段開展了3公里的技術(shù)示范，實(shí)現(xiàn)了入清河水體氨氮年均濃度在2.0mg/L以下。

以“減氮增效控污”為核心的集成技術(shù)體系，在許昌建安區(qū)蘇橋鎮(zhèn)和長葛市石固鎮(zhèn)建成了5000畝農(nóng)田氮污染控制示范區(qū)，在肥料投入減少 30%的情況下，小麥玉米增產(chǎn)3%~10%，折合肥料利用率提高15%以上，年經(jīng)濟(jì)效益增加 100 元/畝，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展。

成果四

構(gòu)筑河道生態(tài)防線，創(chuàng)新集成了混合污染型河流“調(diào)控強(qiáng)凈恢復(fù)”技術(shù)體系

清河流域水資源匱乏，流域內(nèi)人工水系和天然河網(wǎng)縱橫交織閘壩密集，河流水系不暢流量不足，水系水質(zhì)分化嚴(yán)重。加之河道生境單一生物多樣性低，水環(huán)境功能退化，自凈能力很弱。鑒于此，課題組以河流水質(zhì)改善和生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)為目標(biāo)，研發(fā)集成了混合污染型河流“調(diào)控強(qiáng)凈恢復(fù)”技術(shù)體系。

針對許昌清河水資源不足、高度人工干擾、水流不暢的難題，研發(fā)了基于“水文水動(dòng)力水質(zhì)”模擬的環(huán)境流量調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)提出了城市高度人工干擾區(qū)域和自然區(qū)域滿足不同水功能需求的環(huán)境流量目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了“流域河段節(jié)點(diǎn)”的分質(zhì)、分段水資源優(yōu)化調(diào)配，克服了復(fù)雜河網(wǎng)水系連通性量化的難點(diǎn)。通過短時(shí)脈沖流量調(diào)節(jié)和提升常年環(huán)境流量，有效改善多閘壩控制、水資源匱乏流域水動(dòng)力條件。這項(xiàng)技術(shù)在許昌城區(qū)水系區(qū)域構(gòu)建了380平方公里的環(huán)境流量調(diào)控示范區(qū)，實(shí)施后全流域生態(tài)環(huán)境需水保證率由常規(guī)的 50%提高到90%，整體缺水率低于5%，連通性指數(shù)（CCI）增幅達(dá)40%以上，換水效率提高約20%，各個(gè)河段均實(shí)現(xiàn)了環(huán)境流量目標(biāo)。

針對流域水質(zhì)分化、自凈能力低下問題，研發(fā)集成了河道分段多層次梯級原位生態(tài)強(qiáng)化凈化技術(shù)，將植物攔截與凈化、載體材料吸附、功能微生物降解等有機(jī)組合，強(qiáng)化了河流水污染的綠色生態(tài)治理。針對流域生境單一、生物多樣性低的現(xiàn)狀，重點(diǎn)突破了不同生境條件下水生生物配置與組合技術(shù)，形成全食物鏈型恢復(fù)的微生境改善技術(shù)，為河流生態(tài)水系構(gòu)建及水生態(tài)系統(tǒng)完整性恢復(fù)提供技術(shù)支撐。以上技術(shù)在清河干支流開展了30余公里的河流生態(tài)水系工程示范，其在不影響行洪的前提下，充分利用河道空間結(jié)構(gòu)，對水體污染物COD、氨氮、TP去除率分別達(dá)到20%~45%、10%~20%和15%~40%，水質(zhì)穩(wěn)定保持在Ⅳ類；河道流速增幅近30%，水深變化率62.5%，水生植物、底棲動(dòng)物等生物物種多樣性提高40%以上。

成果五

統(tǒng)籌流域協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，創(chuàng)新構(gòu)建了流域多目標(biāo)多部門綜合管理平臺

隨著信息化技術(shù)的日新月異，環(huán)境信息化建設(shè)日益成為推動(dòng)環(huán)境保護(hù)、促進(jìn)環(huán)境管理科學(xué)決策和提升監(jiān)管效能的基礎(chǔ)保障，但清河流域存在的水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)體系不足、水環(huán)境跨部門協(xié)同管理機(jī)制不完善等現(xiàn)象，導(dǎo)致流域信息資源共享能力、環(huán)境信息化管理水平仍處于較低層次。鑒于此，課題組在對清河流域進(jìn)行深入、詳盡調(diào)研的基礎(chǔ)上，對中小流域水質(zhì)目標(biāo)管理的支撐技術(shù)開展了研究，并構(gòu)建了流域聯(lián)動(dòng)響應(yīng)決策的多目標(biāo)多部門綜合管理平臺。

針對流域存在協(xié)同管理機(jī)制不完善的問題，課題組以研究提出的清潔河流水質(zhì)、水量、水生態(tài)多目標(biāo)為指導(dǎo)，基于協(xié)同理論和研究范式開展了多目標(biāo)多部門協(xié)同管理研究，豐富了水環(huán)境協(xié)同管理內(nèi)涵，構(gòu)建了多部門協(xié)同管理框架，形成了以水環(huán)境質(zhì)量改善為核心的水質(zhì)、水量、水生態(tài)多目標(biāo)及環(huán)保、水務(wù)等多部門在信息共享、監(jiān)測預(yù)警、水污染事故應(yīng)急響應(yīng)等方面的協(xié)同聯(lián)動(dòng)管理機(jī)制。

針對流域污染源與斷面水質(zhì)缺乏響應(yīng)的問題，以水質(zhì)目標(biāo)為核心，依據(jù)分區(qū)、分類、分級、分期的管理要求，結(jié)合清河流域特點(diǎn)，篩選了反映流域自然區(qū)域差異、生態(tài)系統(tǒng)功能差異的指標(biāo)，同時(shí)銜接流域水環(huán)境功能分區(qū)、水功能分區(qū)，提出了兼顧生態(tài)與管理的小流域水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)技術(shù)；針對流域不同區(qū)域人工干擾程度不同，在清河流域水文資料缺失的條件下，利用一維水質(zhì)模型構(gòu)建了適用于北方小流域缺資料地區(qū)動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量核定技術(shù)，建立了流域“水量水質(zhì)容量負(fù)荷”響應(yīng)關(guān)系，為流域?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)管理提供了技術(shù)支撐，促進(jìn)了流域水環(huán)境容量資源的優(yōu)化利用。

針對流域綜合管理決策支持不足的問題，課題組通過綜合運(yùn)用3S、WEB等技術(shù)，整合了環(huán)境、水務(wù)、農(nóng)業(yè)等多部門的水質(zhì)、水量、水生態(tài)等相關(guān)信息，構(gòu)建了多目標(biāo)多部門綜合信息管理數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了對清河流域水環(huán)境的感知；綜合考慮清河流域水資源、水環(huán)境、水生態(tài)管理需求，以環(huán)境、水務(wù)、農(nóng)業(yè)等多部門聯(lián)合響應(yīng)、支撐部門決策為目標(biāo)，構(gòu)建了基于RS和GIS的清河流域多目標(biāo)多部門綜合管理平臺，實(shí)現(xiàn)了對水環(huán)境質(zhì)量與污染源監(jiān)控、水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測預(yù)警決策分析、突發(fā)污染事故應(yīng)急決策處理、環(huán)境流量調(diào)控、水生態(tài)系統(tǒng)觀測等功能，在許昌市生態(tài)環(huán)境局實(shí)現(xiàn)了連續(xù)平穩(wěn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行6個(gè)月以上，系統(tǒng)運(yùn)行期間無故障率達(dá)到95%以上。促進(jìn)清河流域水環(huán)境管理的數(shù)字化、智能化，為環(huán)境保護(hù)管理部門科學(xué)決策提供了支持，在水環(huán)境管理領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。