以技術集成示范提升流域整體水環(huán)境質量

——水專項“松花江哈爾濱市市轄區(qū)控制單元水環(huán)境質量改善技術集成與綜合示范”課題綜述  

課題背景

松花江哈爾濱控制單元（以下簡稱控制單元）內的主要水系構成為“三溝一河”（即馬家溝、何家溝、信義溝、阿什河）。控制單元水質的全面提升，是實現松花江干流水質在“十二五”規(guī)劃期間達到Ⅲ類標準的重要前提。

“松花江哈爾濱市市轄區(qū)控制單元水環(huán)境質量改善技術集成與綜合示范”課題組針對控制單元水環(huán)境問題，開展技術集成與綜合示范，最終實現控制單元出口斷面(大頂子山國控監(jiān)測斷面)水質全年達到Ⅲ類的總體目標。

以點帶面，提升何家溝典型行業(yè)廢水污染控制與治理科技水平

松花江一級支流何家溝流域兩岸分布100余家工廠，是典型的點源工業(yè)污染區(qū)。其中制藥廢水排放量巨大，是這一流域廢水處理的難點和關鍵。課題針對何家溝典型制藥廢水，開展了制藥廢水高效水解快速脫毒預處理研究，開發(fā)了微生物電輔助強化制藥廢水處理新工藝及裝置，形成了制藥廢水特征污染物深度削減菌群增強關鍵技術。通過技術綜合集成，實現制藥廢水中特征污染物的深度削減與高效穩(wěn)定去除。

制藥行業(yè)生產工藝原料利用率和提煉純度低，導致制藥廢水中殘留著大量高毒性、難降解有機物，對環(huán)境造成嚴重污染。現有制藥廢水以生物處理法為主，但傳統生物處理對制藥廢水的毒性去除能力弱，廢水中的毒性物質可抑制微生物活性，從而影響生物處理單元效能的正常發(fā)揮。此外，制藥廢水具有較強的生物難降解性，廢水中的難降解物質可穿透生物處理工藝而排入水體，其長期存在于環(huán)境中，將會引發(fā)環(huán)境中細菌等微生物出現抗性基因，進而對人群及其他水生生物產生毒害作用。

高效水解-微生物電輔助耦合技術首先在傳統水解酸化技術的基礎上，開發(fā)了污泥循環(huán)型高效水解裝置，實現制藥廢水中難降解物質向小分子揮發(fā)酸的定向水解，使廢水的可生化性大幅提高；其次，微生物電輔助技術通過外加電壓，為反應裝置提供降解污染物所需要的氧化還原電位，打破污染物降解能壘，附著在電極表面的噬電微生物以廢水中有機物質為電子供體，在高效水解裝置產生的大量小分子揮發(fā)酸作為共基質的條件下，快速降解水中難降解及有毒有害污染物。

在理論研究和技術開發(fā)基礎上，課題組采用“高效水解—微生物電輔助—厭氧EGSB—好氧MBBR菌群增強”組合工藝技術，設計中試裝置并處理發(fā)酵類抗生素生產廢水，此工藝可有效降低發(fā)酵類抗生素生產廢水中的COD、氨氮和總氮，實現對特征污染物的深度去除，在滿足制藥廢水達標排放的同時降低了能耗，縮短了廢水停留時間，為流域制藥廢水處理水平的提高提供技術支持。

重點突破，解決馬家溝污水處理廠建設限地瓶頸，改善流域綜合水質

馬家溝上游新增多家企業(yè)及居民小區(qū)，污水量增大，污染物復雜，其斷面水質遠超出地表水Ⅴ類標準，且水質水量波動較大，而馬家溝污水處理廠建設用地僅2.8萬m2，遠小于常規(guī)工藝用地。因此，課題組需要研發(fā)不同季節(jié)、變負荷下穩(wěn)定運行的污水處理技術及高節(jié)地型污水處理工藝。

在此情況下，課題合理調研、設計了以“污水—預處理—厭氧池—缺氧池—深井曝氣池—脫氣池—深度處理—出水”為主體工藝的水質提升工藝。此工藝具有良好的處理效果及抗沖擊負荷能力。且工藝中的深井曝氣技術相比于傳統活性污泥法，不僅能有效減少工藝占地面積達50%以上，而且反應速率和出水效果均有顯著提升。在以實際馬家溝污水為處理對象的實際操作中，課題通過參數調控，確定最優(yōu)的工藝運行參數，達到最佳出水水質，即在保證磷高效去除率的前提下，提高總氮去除率。此工藝為提高低溫變負荷污水的脫氮除磷效率提供了一種新的方式和思路。

示范工程以課題所研發(fā)的污染物深度削減技術為技術支撐，大幅削減了馬家溝流域內的污染物。既解決了馬家溝截流管線在用水高峰期極易發(fā)生的污水溢流問題，又可以為馬家溝提供清水水源。

長遠來講，此技術可用于改善同流域水體水質，達到改善流域水體環(huán)境、保證用水安全的目的。特別是對于北方的特定低溫水體，本課題成果技術前景廣闊，將得到廣泛應用。

同時，針對馬家溝下游的哈爾濱污泥處理廠，課題組研發(fā)了“基于生物預發(fā)酵的瀝浸污泥好氧堆肥優(yōu)化技術”。此技術可以將生物瀝浸深度脫水工藝與好養(yǎng)堆肥工藝有機結合，縮短發(fā)酵單元的升溫周期，降低調理劑用量，減少污泥處理成本，為流域城鎮(zhèn)污水污泥處理水平的提高提供支持。馬家溝高節(jié)地型城鎮(zhèn)污水深度減排示范工程進一步改善了馬家溝水體的水質，改善了居民的生活水平，滿足國家的戰(zhàn)略需要和馬家溝上游地區(qū)的發(fā)展需要。

聚焦重點，突破阿什河流域重金屬及發(fā)酵廢水污染控制及資源回收技術

阿什河是松花江干流南岸支流，近年來，隨著阿什河流域水污染防治規(guī)劃項目的實施，阿什河水體水質逐漸好轉。然而，以重金屬加工及酵母生產為主的工業(yè)園區(qū)的規(guī)劃建設，將顯著增加阿什河流域的入河負荷，進而影響其水體水質。

針對重金屬加工及酵母生產行業(yè)廢水水質特點，課題組有針對性地開展了以污染控制及資源回收為核心的廢水處理技術攻關。結合重金屬生產廢水的有機無機復合污染特點，提出水質分質預處理與生物強化處理相結合的處理對策。針對含鉻廢水波動大、銅鎳廢水沉淀效率差及有機物與重金屬絡合度大的技術難題，研發(fā)出基于ORP控制的高價鉻還原、序批重金屬高效沉淀及微電解/類芬頓聯合破絡的預處理技術；針對含重金屬有機廢水生物單元處理效能低的技術問題，研發(fā)出水解強化的復合水解-PACT膜生物處理技術。

為解決生物處理單元抗沖擊負荷能力弱及生物活性受重金屬影響大的問題，課題組通過解析污泥受重金屬抑制的規(guī)律，研發(fā)出粉末碳及功能菌劑投加的強化處理技術，提出了有機無機復合污染重金屬廢水物化生化協同處理穩(wěn)定運行策略，系統集成了分質預處理、生物強化處理及吸附/多級膜分離單元，形成兩套適應不同水質要求的有機無機復合污染重金屬廢水處理與回用技術體系，分別應用于綏化及哈爾濱的電鍍廢水處理工程。

對于阿什河流域新增工業(yè)園區(qū)內的高濃度發(fā)酵廢水，研發(fā)高濃度發(fā)酵廢液中有用組分的定向分離技術及基于“物化-生物”優(yōu)化耦合的高濃度發(fā)酵廢水有效處理技術，實現其資源化利用及達標排放。研發(fā)的膜蒸餾-納濾/反滲透組合工藝可實現高濃度食品酵母生產廢液有用組分的回收與剩余廢水的凈化，使酵母生產廢液中的蛋白質及其他有用組分（P、K、Fe、Mg等）得到富集濃縮，作為生產單細胞蛋白的原料進行后續(xù)資源化利用，并使膜蒸餾產水得到深度處理，轉化為優(yōu)質凈化水。與國內外常用多效蒸發(fā)來處理高濃度發(fā)酵廢液的傳統技術相比，這一技術可實現酵母生產廢液的全部資源化利用，同時具有能耗低、占地小、操作簡便、易于自動化控制等優(yōu)點，可為目前我國發(fā)酵行業(yè)產生高濃度有機廢水的處理與資源化利用提供重要的技術支撐。同時，針對酵母生產過程中產生的一般性發(fā)酵廢水（如洗灌水等）的水質特點，提出了EGSB+A/O二級MBBR生物組合工藝處理高硫酸鹽、高氨氮發(fā)酵廢水關鍵技術，為有效削減阿什河的污染物入河量提供了有力支撐。

因地制宜，促進農業(yè)面源污染控制與廢物資源化技術應用

海溝河屬阿什河支流，其周邊畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，大量畜禽糞便混入水體，增加了水體的COD及氨氮負荷，給生態(tài)環(huán)境帶來高度壓力，相關化肥替代技術與清潔生長技術的缺乏，亦加重了周邊環(huán)境負擔。因此，哈爾濱市市轄區(qū)優(yōu)控單元水污染防治形勢嚴峻，優(yōu)控單元農業(yè)面源污染防控工作一直受到各級政府的高度重視。

本課題以畜禽糞便高效處置安全和還田技術為核心，通過好氧堆肥發(fā)酵、堆肥環(huán)境因子監(jiān)控以及農田安全高效應用等途徑，將畜禽糞便和農作物秸稈等易造成環(huán)境污染的廢棄資源無害化，轉化為可利用的有機肥。并將有機堆肥與化肥配施，實現化肥替代并解決種養(yǎng)脫節(jié)問題。

課題同步優(yōu)化集成了水土流失與農田退水生態(tài)阻控技術以及農田清潔生產技術，通過農業(yè)綜合示范區(qū)示范推廣，實現海溝河支流水環(huán)境持續(xù)改善及松花江干流水環(huán)境質量達標。

在充分考慮控制單元的資源環(huán)境和農業(yè)產業(yè)化發(fā)展現狀的前提下，項目建設符合國家重點鼓勵發(fā)展的產業(yè)政策，符合新農村建設的發(fā)展方向和趨勢，符合生態(tài)農業(yè)發(fā)展的要求。課題為畜禽糞便和作物秸稈肥料化提供了技術路徑，并持續(xù)改善流域生態(tài)系統，有利地促進了區(qū)域社會、經濟的可持續(xù)發(fā)展。

課題提出了松花江流域農業(yè)面源污染防控理念：種養(yǎng)結合、清潔生產、因地制宜、循環(huán)發(fā)展。并以此理念為指導，聯合養(yǎng)殖企業(yè)、種植合作社、農機合作社、肥料企業(yè)、農資經銷商以及帶地入社農戶，構建事業(yè)發(fā)展共同體，遵照清潔生產導則和技術規(guī)程生產加工，打造水稻生產+加工+品牌銷售一體化產業(yè)鏈，踐行綠色生態(tài)水稻清潔種植，推動農牧循環(huán)發(fā)展。

目前，哈爾濱市市轄區(qū)控制單元海溝河流域建立了綜合示范區(qū)和清潔生產基地，并與黑龍江春雨智慧農業(yè)科技有限公司簽訂協議，進行專利轉讓；依托哈爾濱三安環(huán)農肥料有限公司和黑龍江省達豐科技開發(fā)有限責任公司開展示范工程建設，改建、擴建和新建場區(qū)，購買設備儀器，辦理有機肥臨時登記證；推動示范工程配套單位與哈爾濱市阿城區(qū)環(huán)保局等相關部門合作，清理、收集露天堆放牛糞，試生產有機肥，并在哈爾濱東日種植專業(yè)合作社、哈爾濱市佰億斤水稻種植專業(yè)合作社、哈爾濱國家農業(yè)示范園區(qū)和鑫福成農機合作社等單位示范農業(yè)面源污染治理技術。

同時，農業(yè)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了技術支撐，為黑龍江省畜牧養(yǎng)殖大縣糞污處理提供培訓和技術指導，指導大慶地區(qū)林甸縣碧野農業(yè)開發(fā)有限責任公司生產食用菌基質、苗床營養(yǎng)土和育苗秧盤/缽。

綜合考量，多尺度修復松花江哈爾濱市段周邊生態(tài)系統

近年來，松花江干流哈爾濱市段周邊具有水源涵養(yǎng)功能的林地逐年減少、區(qū)域破碎，且隨著建設用地大幅增加，水陸交錯帶亦隨之減少，由生態(tài)破壞和底泥內源污染而導致的水生態(tài)問題十分嚴峻。

課題以控制單元生態(tài)恢復為著眼點，以生態(tài)工程技術為落腳點，以保護、恢復和提高流域生態(tài)系統水源涵養(yǎng)、水土保持、凈化水質等生態(tài)功能和景觀效能為主要目標，立足技術的自主創(chuàng)新，強化技術的集成和示范，突破控制單元生態(tài)恢復存在的技術瓶頸，提升技術創(chuàng)新能力和科技應用水平，實現控制單元生態(tài)功能顯著增強，區(qū)域水環(huán)境明顯改善，促進區(qū)域經濟和社會的持續(xù)發(fā)展。

課題研發(fā)了植物生活史組裝技術和種子庫水分激活技術等水陸交錯帶擬生態(tài)修復關鍵技術。針對15種寒冷地區(qū)典型土著植物，篩選出返青期早、枯萎期晚、SS去除率高的濕地植物4種（蘆葦/香蒲+小葉章+早熟禾）。通過以上4種植物構建水陸交錯帶濕地植被搭配模式，延長植被生長周期8天~10天，有效提高了植被蓋度，對徑流懸浮物SS的去除率有效提高。

種子庫水分激活技術研究不同水分梯度和不同土壤深度的種子密度，確定不同種子庫密度與水分的關系。通過對優(yōu)控單元水陸交錯帶土壤種子庫研究發(fā)現，無積水條件下土壤種子庫特種數最高，為38種，表層0cm~5cm土壤中無積水條件下物種數最多，為34種。同時，無積水條件下種子庫密度達1284粒/m2，其中0cm~10cm土層中種子密度占全部的80%以上，因此，在濕地生態(tài)修復工程中，確定以激活無積水條件下的0cm~10cm土層種子為首要目標。此技術通過不同水分的調控，激活濕地土壤種子庫中響應水分因子的植物種子萌發(fā)、生長，修復植被組成結構，促進植物群落向頂級群落演替。采用不同時間不同頻次噴灌，控制土壤含水量為50%~70%，逐步恢復退化典型草甸，使其最終含水量為70%；到季節(jié)性積水期，恢復退化沼澤化草甸，控制地表水位4cm~10cm，進一步恢復退化沼澤。

創(chuàng)新引領，驅動控制單元水環(huán)境綜合信息數據庫與管理平臺建設發(fā)展

控制單元水環(huán)境信息獲取技術單一，水環(huán)境數據尚不完善。其中點源在線監(jiān)測數據未有效利用，自動監(jiān)測站覆蓋率及監(jiān)測頻率低，點源管理未與河流水質目標管理建立響應關系；面源污染水體的數據存在不全面、未考慮動態(tài)變化等問題。此外，當前水環(huán)境管理平臺不能同時實現對在線監(jiān)測設備、海量在線監(jiān)測數據、水環(huán)境設備空間數據的共享與應用，這嚴重阻礙了水環(huán)境管理平臺在控制平臺的有效利用與普及。

基于此，課題對控制單元的污染物排放數據進行挖掘、分析并建立重點源排放的時間序列函數。根據控制單元內水容量分析結果，結合農業(yè)灌溉用水、城鎮(zhèn)生活用水、工業(yè)生產用水及生態(tài)環(huán)境用水調查數據，分析控制單元水資源供給及需求，利用水資源信息化技術完成對流域水資源信息的監(jiān)測、數據采集和信息存儲管理，結合GIS空間管理以及水文模型的分析與仿真推演，對流域水資源的時空分布規(guī)律進行有效判別，為控制單元水資源管理相關決策和規(guī)劃制定提供指導。

建立由物聯網監(jiān)測系統、水質智能化軟件、三維虛擬仿真服務集成的，用于專網應用、面向互聯網公眾應用及移動專網發(fā)布的控制單元水環(huán)境發(fā)布系統。從數據服務、模型庫及決策支持3個層次構建控制單元水環(huán)境決策平臺，實現對整個流域環(huán)境信息要素、水環(huán)境演變、水質、水量、排污企業(yè)、污水處理廠、農業(yè)面源污染和生態(tài)修復設施的綜合管理。

針對流域控制單元內水體服務功能惡化以及長效的污染排放管理手段不足的狀況，課題組結合黑龍江省省情，構建了排污權交易和生態(tài)補償框架。針對化學需氧量和氨氮核算排污權交易一級市場分配總量、價格、期限和二級市場，構建了流域排污權交易制度框架設計體系。從頂層設計出發(fā)，開展流域單元框架下的制度設計，構建了控制單元污染補償機制方案。在方案實施過程中，課題組注意將科研成果與黑龍江省環(huán)境管理政策制定緊密結合，為《黑龍江省訥謨爾河和倭肯河流域跨行政區(qū)界水環(huán)境生態(tài)補償辦法（試行）》（黑財建〔2017〕272號）制度的出臺提供了較好的技術支持，課題成果為黑龍江省實行全面的流域生態(tài)補償工作進行了有益的探索。