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为守护嘉兴碧水提供科技支撑

——水专项“嘉兴市水污染协调控制与水源地质量改善”项目研究成果初现

2020年02月13日作者:童克难来源:中国环境报第4版

 

  污水处理厂尾水生态净化工程 

 

  海绵城市雨水花园 

 

  嘉兴市水环境综合监控平台 

  “三山云海几千里,十幅蒲帆挂烟水。吴中过客莫思家,江南画船如屋里。”元代诗人萨都刺将浙江省嘉兴市这个江南水乡的美景描写的淋漓尽致。

www.5911.com_【官方首页】-九五至尊  在古代,水赋予了嘉兴财富,现如今,水成为了嘉兴保护的资源。www.5911.com_【官方首页】-九五至尊资料显示,嘉兴市是太湖流域受水区水环境问题最为严重、复杂,治理任务最为紧迫、艰巨的典型城市,其辖区内河网水系密布发达,每平方公里的河道长度达3.5公里,在立项之前的2015年,以“水十条”2020年目标为标准,嘉兴市水质考核中不达标断面达85%。

  针对平原河网区地势平坦,水体流动性差、城镇污水收集和处理设施难以满足发展需求、农村生活污染负荷高但去除成效不佳和河网—湖荡湿地生态功能退化,导致区域内清水产流少,城市面源污染拦截与净化效果不稳定等问题,国家水专项“嘉兴市水污染协调控制与水源地质量改善”项目组就如何治理该区域水环境污染、构建生态安全格局、提升生态功能、实现区域水环境质量根本性改善,科学谋划、系统治理、分期实施,成果将为太湖流域受水区的典型河网型城市水质提升提供借鉴。

  突破工业、混合污水处理关键技术 助力平原河网区污染源深度削减 

  嘉兴市位于长三角腹地,印染造纸行业废水排放量占全市工业废水排放量的55%以上,污染负荷深度减排压力大。从特征污染物来看,嘉善北部印染产业特征污染物锑对太浦河水源地及下游上海地区水源地水质安全构成重大风险。同时,嘉兴城镇污水处理厂20余座,总处理规模达130万m3/d,均为工业生活混合污水处理厂,进水中工业废水比例高、可生化性差,稳定达标难度大。因此,突破印染造纸行业废水深度处理回用技术,开发经济、高效、稳定的锑污染物控制技术,确保城镇混合污水处理厂稳定达标需要相应的科技支撑。

  为此,项目研发了基于均匀布水与专性功能微生物的印染废水新型复合水解酸化工艺技术、生化出水高效混凝吸附脱色深度处理技术、膜浓缩液四相催化氧化—多级膜组合近零排放技术、深度处理出水“初级回用+双膜法产水高品质回用”印染废水分质回用技术体系、强化混凝和铁基改性复合材料吸附对特征污染物锑的有效去除及控制技术等关键支撑技术的印染废水深度处理回用及特征污染物锑综合控制成套技术,通过工程示范达到印染行业废水污染负荷深度削减目标。

  其中,复合水解酸化技术使污水可生化性平均提高20%左右,最大提高33%;色度去除率50%左右。www.5911.com_【官方首页】-九五至尊生化出水深度处理适用技术制备了以活性炭为原材料的复合改性吸附剂,CODCr和色度去除率可分别达到64.2%和59.4%。以四相催化氧化处理工艺处理印染废水膜浓缩液,出水CODCr稳定达到GB 4287-2012《纺织染整工业水污染物排放标准》中的直接排放标准(小于100 mg/L)。

  对高浓度含锑废水,利用现有反应池、初沉池等原有构筑物,将原有混凝剂(FeSO4)通过钙强化FeSO4、PFS/FeSO4、曝气PFS/FeSO4混凝三种复配方案改变混凝沉淀物中铁氧化物的形态和性质,增强混凝对锑的去除性能,减少处理成本。对低浓度含锑废水,开发新型铁锰复合吸附材料,提高无定形铁的产率、稳定性及对锑的吸附能力。

www.5911.com_【官方首页】-九五至尊  针对造纸废水资源化利用过程中钙离子的累积问题和技术体系的模式化、标准化及成套化等问题,课题组率先研究了厌氧控钙、好氧除钙、深度脱钙为核心降钙控钙技术,从资源循环利用理念出发,系统整合设计废水、污泥、生物质能三条循环利用路线,形成造纸废水资源化利用成套技术并进行工程示范,保证了造纸废水资源化利用的长效稳定运行,大大提高了废纸造纸企业的资源化利用水平。

  针对污水处理厂中混合污水工业废水占比高、碳源品质不佳,传统生物处理工艺难以保障出水稳定达标,混合污水处理系统借助模型调节优化稳定运行等方面的问题及技术需求,项目研发了碳源挖掘与品质提升技术、碳源优化配置与工艺性能强化、粉末载体对混合污水处理协同性能、多级生物膜—活性污泥耦合高效脱氮、高效脱氮微生物菌剂强化生物脱氮、混凝吸附功能新型载体强化性能、惰性组分对污水生物处理参数及过程影响以及基于ASM模型优化工艺参数及运行机制等关键支撑技术,并对5万m3/d及以上的混合污水处理进行工程示范。

  其中,基于磁铁矿强化的剩余污泥发酵产酸供碳技术使短链脂肪酸(SCFAs)浓度提高30%以上、磷素回收率达到10%以上、污泥减量10%以上。开发的两种镁盐、铁盐改性氮磷专性固定功能材料和多级活性污泥—生物膜耦合污水处理技术可实现对混合污水中难生物降解CODCr的去除率提高10%以上。优化制备了低C/N比反硝化菌制剂,活菌含量109 CFU/ml、反硝化负荷0.5kg/m3·d以上,并开发了基于磁性载体高效回收和循环投加的载体混凝高密度沉淀工艺。开发了基于生活和工业废水混合污水水质特征的ASM模型,对AAO工艺进行模拟优化、运行诊断与智能控制系统,实现对DO、内回流、外回流、污泥浓度和碳源优化控制。

  构建多级屏障水质拦截净化系统 增加区域内清水来源 

  河网、湖荡湿地是嘉兴市城市生态系统极其重要的组成部分。城市河网区是嘉兴市水环境质量改善的核心区域之一,15个考核断面,2015年除了石臼漾水源区水质满足Ⅲ类水质要求外,其余监控断面都不满足考核要求。

www.5911.com_【官方首页】-九五至尊  项目通过“多级屏障水质拦截净化”系统的建立,有效拦截城市地表径流污染,加强城市海绵体人工湿地的储水与净化,同时通过河道疏浚降低污染底泥内源污染,增加水体自净能力,最终达到增加区域清水来源的目的。

  针对平原河网地区地形平坦、河道密集且类型多样的现状,嘉兴市河网地区城市建设、河道治理进展及对底泥处理处置工艺的管理要求,现有疏浚底泥处理处置技术存在的不足和规模化、装备化水平低、经济性差等问题,项目研发了高有机质底泥调理分选联合负压脱水减量技术、规模化机械快速脱水减量优化及集成控制技术、移动式模块化脱水减量集成装备、疏浚底泥缓释固持改良作绿化土技术、疏浚底泥固化改性作路基土技术、疏浚底泥免烧发泡制备新型建材技术以及重金属污染底泥生物淋滤技术,从污染底泥疏浚、减量化及资源化各方面支撑河网地区河道疏浚增容的要求。

  其中,快速脱水减量化技术中溢流中水回收率达到88.6%;浅层深约40厘米以内的土含水率有明显降低,45天左右基本沉降到位。通过集成控制技术及移动式模块化脱水减量集成装备,使机械脱水站建设满足点多、面广、多源、装备移动式模块化要求高的要求。www.5911.com_【官方首页】-九五至尊氮磷污染型疏浚底泥通过优选出的以生物质粉末为主要添加剂的绿化用土改良剂改良后,各指标均符合《绿化种植土壤》(CJ/T340-2016),种植植物长势良好。疏浚土经技术固化改性后用作路基土,距路基底0~2.75m,CBR为7.82%~34.58%,压实度为92%~97%。免烧蒸压情况下通过疏浚底泥制备的免烧砖强度等级在25MPa以上,可达到MU20水平;加气混凝土砌块强度达到3.9MPa,满足A3.5B06级强度要求。采用炭负载硫(S-C)与单质硫(S),提高酸化速度和Cu/Zn淋出效率,尤其S-C比传统法多处理两倍底泥,缓解了后酸化的问题,经污泥源混培物强化后,重金属淋出速率增加、淋出率提高;重金属残渣态比例提高,再利用风险降低。

  针对平原河网地区城镇地表径流中氮、磷和SS等污染物浓度高,部分城市支浜水体污染严重,城中片暴雨季节的溢流污水给河道造成了较严重的污染,海绵城市设施污染物削减效果不稳定等问题,研发了高效旋流分离装置、屋面雨水滞留净化技术、智能排口技术、多介质土壤层生态拦截技术、纤维生物毯生态拦截技术、折流式水平潜流人工湿地水质净化技术、城市海绵体人工湿地储水与净化技术等关键支撑技术,对农田面源和城镇地表径流进行拦截和净化,稳定海绵城市设施的污染物削减效果。

  针对城镇地表径流,首先基于LID理念,建立了“源头减量—过程减排—生态净化”的多级屏障水质改善技术体系,高效旋流分离装置采用一体三级分离室集成设计,对75~2000μm范围内颗粒物的去除率可达74%~95%;绿色屋顶能够有效地延缓产流时间和削减径流量;由分流池(沉淀池和处理池)、智能控制系统、管网、技术运维服务等四部分组成的智能排口,通过减少雨水排口的污染物入河,从而提高河道水质和周边整体环境;由种植土层、填料介质层和砾石排水层构成的多介质土壤层生态拦截生物滞留池,对降雨产生的地表径流中的TN、TP、NH3-N、COD和SS的去除率分别达到50%、94.1%、88%、59.4%和98.1%;由复合纤维层、吸附填充层、草种肥料层及木浆纤维构成的纤维生物毯生态护坡模,对TN、TP、COD和SS的去除率分别达到25.4%、30.1%、60%和86.6%;折流式水平潜流人工湿地出水不断流经好氧区和厌氧区,实现在整个处理区的流动,强化对NH3-N、COD等的处理效果,同时在后置稳定塘区域丰富水生生物系统,作为后置强化处理区,起到景观修饰、水质净化及雨水蓄水区的作用。

  软件、硬件、管理机制三管齐下 实现农村污水处理设施智慧运维 

  嘉兴市高度重视农村生活污水治理,“十二五”期间建设了数千座联户式农村分散式生活污水处理设施。这些设施装置数量庞大,分布分散,规模小,技术处理模式多样,工艺技术和运管模式各异,其运维和与监管费人费力,存在很大难度。要想对量大分散的农村污水处理设施实施高效监管,亟待从设施监管的硬件、软件和管理机制方面取得创新性突破。

  针对农村生活污水处理设施数量庞大且分布分散、缺少高效的运维监管手段、运维体制政策和标准不完善等问题,课题从硬件、软件和管理机制三方面着手开展技术研发,通过处理设施信息化、设备运行智能化、维护管理互联网+专业化,推进设施的长效运维监管。研发了适合农村生活污水处理设施的低价耐用水量在线监测设备、多参数水质在线监测设备以及小型移动式巡视监测设备等关键设备;将物联网与大数据分析技术紧密结合,深度挖掘设施各监测数据之间的关联关系,开发建立了设施运行状态分析判别和智慧控制的逻辑算法。特别是创新性开发出用低价耐用的电导率仪和SVM模型实时预测进水负荷、设施运行和出水超标的模型算法,提高了设施故障判断、运行参数调整、远程报警等自主控制的智慧化程度,大幅度降低了运维监管成本。上述技术被应用于农村生活污水处理设施智慧监控运行管理平台,同时制定了《嘉兴市农村分散生活污水处理设施运行管理技术指南》,从硬件、软件及管理机制全方位支撑农村分案污水处理设施的智慧运维监管。

  其中,研制的多参数水质在线监测设备已经投入量产,除应用于本项目的工程示范外,还用于雄安、常州等地地表水及污染河道的水质监测中。生活污水处理设施智慧控制技术研发了基于进水电导率的设施运行负荷的预警及调节方法,运用“二八”原则,将农村生活污水处理设施进行分级监管,建立了具有基础信息、智慧监控、标准化运维、运维监督、资料库、专题分析、公众参与、系统管理八大功能模块的农村生活污水处理设施智慧监控运行管理平台。目前,平台的静态、动态数据包括2656座站点基本信息,覆盖市域范围内的农村生活污水处理设施;海宁市、秀洲区1000多座站点的实时数据,运维公司水质自检数据每月自动上传,移动巡检数据3个批次486条数据;第三方抽检水质9207条数据。监管平台目前已经进入业务化运行阶段。

  构建区域水环境质量综合调控平台 全面支撑水环境质量改善 

  随着智慧环保的建设,现有系统已经不能完全满足嘉兴市政府、生态环境局等职能部门的工作需要。嘉兴市生态环境局信息化系统现有数据分布在各个业务系统中,关联性较弱且数据分析能力无法满足水环境质量预警预测的要求,现有系统间业务协同能力有待提高。

  针对工业废水排放波动、雨天外来水量冲击造成污水处理厂进水水质水量不稳定的问题,在对污水网厂运行水量水质进行调查的基础上,研发了管网稳定运行的适用性评价方法和管网工业污染源排放溯源技术、污水管网破损与地下水入渗解析方法、污水管网雨污混接来源解析技术、污水管网诊断监测技术、污染源—污水管网—污水处理厂耦合模型系统、旱天工业/生活污水混合排放优化调控技术、雨天管网系统截污效能提升等优化调控技术。并通过技术集成,建立了嘉兴市工业污染源—污水管网—污水处理厂联合调控与监管平台并已业务化运行。

  平台利用成熟可靠的MIKE系列水力学软件,建立污染源—污水管网—污水处理厂耦合的网厂联合调控数学模型,通过在管网关键节点布设在线的快速监测传感器(电导率等),集成污水管网—污水处理厂耦合数学模型,实现管网中水质异常时工业污染排放的快速溯源定位和对下游污水处理厂冲击影响的实时预警。目前已经完成了工程示范区18家工业污染源和7处污水泵站共计25处的在线电导率等指标在线监测系统安装工作,完成了与源网厂综合调控平台的对接调试,以及工业污染源排放在线溯源预警模块的业务化运行,对工业排放污染溯源预测的准确度在70%以上。

  基于多目标优化(工业废水、外来水量、上下游泵站启闭和流速调节规则等)的污水管网—污水处理厂水质水量实时预测、自动校正和反馈控制技术,提升网厂一体化的协同调度能力制,实现污水处理厂进水水量水质稳定。基于工业污染源、污水管网、污水集中处理设施等信息的可视化表征,构建离线与在线相结合的污水管网水质监管策略方法,结合污水管网水质模型,为污水管网与污水集中处理设施的综合运行与调控提供技术支持,实现嘉兴市联合污水处理厂今年进水稳定运行率与2015年相比提高10%以上。

  针对嘉兴市内河水流不畅、自净能力弱、闸泵调控方式单一的问题,应用MIKE软件,开发了降雨径流模型(水量+水质)、排水管网模型(水量+水质)和河网模型(水量+水质),自主研发了入河负荷评估模型、基于响应面函数的排水系统演算方法、河网水动力水质实时校正技术及模型模式匹配动态耦合接口等关键支撑技术,形成降雨径流—排水管网—河网动态边界耦合模拟关键技术。研发了在线水文水质测报系统、基于分布式结构的多源信息融合技术、水量水质实时校正技术、河网水质水量优化调控技术准则、离线调度方案数据库等关键支撑技术,形成基于闸泵调度的水量水质动态实时调控优化关键技术。

  其中,降雨径流—排水管网—河网耦合模型模拟24小时的计算时间不超过两分钟;以实测值的30%作为许可误差,内河水系污染物浓度的模拟准确率达到86.7%。基于闸泵调度的水量水质动态实时调控优化关键技术,实时调度方案生成时间不超过10分钟。调度平台于2019年6月26日完成所有功能和用户界面的研发。经过3个月的调试和试运行,于9月28日正式投入业务化运行。目前系统运行稳定,达到预期效果,可实现实时水文水质、闸泵运行状态展示与报警,并可进行联合调度情景方案的在线模拟分析,以及调度技术准则与优化调度方案库的编辑与查询。

  针对嘉兴市区域水环境,以嘉兴市整个行政区为研究单元,编制嘉兴市水环境质量改善综合调控方案,开展嘉兴市水环境质量历史现状规律研究,充分展现社会经济、水土资源利用、水污染治理等水环境质量主要驱动因子变化过程,采用GIS空间分析、数理统计、输出系数、模型模拟等分析方法分析不同情景下区域污染负荷变化特征,从而构建嘉兴市水环境质量综合调控平台,并业务化运行。

  嘉兴市水环境质量综合调控平台由嘉兴市水环境质量综合调控系统、水环境监控网络平台、源网厂联合调度系统、闸泵联合调度系统、水环境综合监管系统组成。其中,水环境质量综合调控系统可实现区域概况、压力评估、趋势预测、决策分析等功能;水环境综合监管系统主要功能包括全市水质分析、全市断面水质监管、各区达标状况分析和功能区水质达标分析;源网厂联合调度系统可实现综合GIS地图监管、嘉兴污水排放年度变化统计分析、污水处理厂进水稳定率(集中度)、泵站实时监控、河道实时监控、外来水量占比实时监控、工业污染源排放超标预警实时监控等功能;闸泵联合调度系统实现闸泵实时监测报警、信息查询统计、情景方案分析、调度规程等功能;水环境监控网络平台实现对站点基本信息、水质监测、站点详情、水量监测、通量监测、数据可视化分析等功能。

  通过接入嘉兴市“智慧环保”水环境监管系统的在线监测数据,在平台上进行数据的展示与分析功能。同时平台通过单点登录方式集成水环境综合监管系统,实现对全市水质分析、全市断面水质监管、各区达标状况分析、功能区水质达标分析等功能。

  目前,嘉兴市水环境质量综合调控平台已实现全时在线不间断服务,运行可靠性超过99%。平台在水环境质量在线监测及综合监管、水环境质量综合调控方案管理、成果可视化、决策支持等方面全面支撑嘉兴市水环境质量改善。


编辑:姚伊乐

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