2020年堿式氯化鋁BAC生產(chǎn)廠家城市水環(huán)境綜合整治工程原理與系統(tǒng)方法

　　2020年堿式氯化鋁BAC廠家城市水環(huán)境綜合整治工程原理與系統(tǒng)方法。研究背景：城市水環(huán)境綜合整治是我國水環(huán)境保護領(lǐng)域的重要工作，也是許多城市面臨的重大問題。我國2015年出臺的《水污染防治行動計劃》(“水十條”)就明確提出治理城市黑臭水體的目標，要求到2020年，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體控制在10%以內(nèi);到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。習近平總書記在2018年全國生態(tài)環(huán)境保護大會上強調(diào)：“要深入實施水污染防治行動計劃，基本消滅城市黑臭水體，還給老百姓清水綠岸、魚翔淺底的景象”。為促進城市黑臭水體治理工作全面推進，2018年，生態(tài)環(huán)境和住房與城鄉(xiāng)建設部聯(lián)合開展專項督察工作;財政部、住房與城鄉(xiāng)建設部、生態(tài)環(huán)境部共分三批確定了60個城市為黑臭水體治理示范城市;同時，在推進我國海綿城市建設的任務中，也明確提出了關(guān)于城市水環(huán)境整治的具體目標要求。上述行動都表明了我國開展城市水環(huán)境綜合整治工作的迫切性和重要性。

　　一般而言，城市水環(huán)境整治任務總體可以分為3類：污染治理、水質(zhì)改善和生態(tài)恢復，三者各有側(cè)重又有關(guān)聯(lián)，也可以說是代表了城市水環(huán)境管理的3個階段。污染治理主要是針對城市高強度、超負荷的污染排放引起的城市水體嚴重污染問題，通過控源減排等工程措施實現(xiàn)減輕水體污染狀況的目的，這類任務以城市黑臭水體治理為典型;水質(zhì)改善是在開展污染治理的前提下，輔以水體凈化、補水活水等技術(shù)手段進一步改善水質(zhì)，以期達到較好水環(huán)境質(zhì)量的目標，這類任務目前多以滿足一定水環(huán)境質(zhì)量標準為特征;生態(tài)恢復則是在實現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量改善的基礎上，借助水生態(tài)修復和重構(gòu)等綜合方法，逐步恢復水生態(tài)系統(tǒng)和提升城市水環(huán)境的景觀效果，實現(xiàn)城市水體的親水、娛樂功能，這類任務則以創(chuàng)建城市水生態(tài)文明為標志。

　　通過解析城市水體污染的原因，探索城市水環(huán)境整治的工程原理和技術(shù)路線，梳理水環(huán)境整治技術(shù)的實用性和有效性，進而提出城市水環(huán)境綜合整治的系統(tǒng)方案編制方法和適用技術(shù)體系，可為科學、合理、客觀地編制城市水環(huán)境綜合整治系統(tǒng)方案提供參考。

　　一、摘 要

　　通過對城市水環(huán)境綜合整治目標與需求的梳理，從宏觀尺度上分析了城市水環(huán)境整治的工程原理，提出了解決城市水環(huán)境整治的工程途徑和技術(shù)方法，根據(jù)各類治理技術(shù)的對象和功能，構(gòu)建了城市水環(huán)境整治技術(shù)體系，為不同適用技術(shù)的選擇提供了理論指導，并基于工程原理與解決途徑提出了城市水環(huán)境綜合整治系統(tǒng)性方案的編制方法。

　　二、城市水體污染治理工程原理

　　城市水體污染主要問題

　　城市水體作為城市生態(tài)空間的構(gòu)成要素和城市水循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵載體，也是城市污染物排放的主要受納體。引起城市水體污染的主要問題有：

　　高密度的人口聚居、高速度的城市發(fā)展、高強度的城市生活與工業(yè)生產(chǎn)是產(chǎn)生高通量污染負荷的根本來源。

　　城市水環(huán)境基礎設施的規(guī)劃與建設滯后于城市發(fā)展的需求，導致城市污水收集與處理的能力不足，部分污水未經(jīng)處置直接排放。

　　城市雨污水管網(wǎng)長期疏于維護管理，管網(wǎng)功能性和結(jié)構(gòu)性缺陷問題嚴重，導致污水實際收集效能遠低于表觀數(shù)據(jù)，同時也大大降低了污水處理設施的實際減負效果。

　　城市雨水徑流排放缺乏合理有效的組織和管理，未能充分發(fā)揮綠色設施的減排作用，致使城市面源污染問題未得到有效控制。

　　城鄉(xiāng)結(jié)合部和城中村的生活污染問題未引起足夠的重視，缺乏有效的管理和處置而成為分散式污染源，而且負荷通常都很高。

　　寬水面、大水深的傳統(tǒng)型城市河道整治和水景觀建設方式，導致水體流動性差、生態(tài)基流嚴重不足，致使水體自凈能力大幅減弱。

　　河床和堤岸硬化以及梯級閘壩攔截阻斷了水生和陸生生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)系，導致水體生態(tài)功能嚴重退化甚至喪失。

　　水體流動遲緩甚至滯流，水動力條件極差，局部水域易產(chǎn)生污染累計，同時導致淤積問題嚴重，是水體內(nèi)源污染的來源。

　　上述問題在我國許多城市中是普遍存在的，也是困擾城市水環(huán)境綜合整治的難題。這些問題的交織并存也決定了城市水污染控制和水環(huán)境整治工作的復雜性和長期性。

　　水體治理工程原理與解決途徑

　　從本質(zhì)上說，城市水體遭受污染而引起水質(zhì)惡化的根本原因是域內(nèi)進入水體的污染負荷總量超過了水環(huán)境的現(xiàn)狀承受能力，即剩余環(huán)境同化容量(residual water environmental assimilative capacity，本文中簡稱“環(huán)境余量”)，因而治理城市水體污染問題進而恢復良性水環(huán)境狀況的工程原理則是保證輸入水體的污染物負荷量不超過水體的環(huán)境余量，從而使得水體的水質(zhì)狀態(tài)保持平衡，并維持健康而穩(wěn)定的水環(huán)境質(zhì)量。那么，當輸入的污染物負荷總量超出水體環(huán)境余量時就會導致水體的水質(zhì)惡化，根據(jù)式(1)所提出的物質(zhì)平衡原理，城市水體整治的實施的3種途徑的平衡狀態(tài)示意圖見圖1所示。

　　圖1 城市水環(huán)境整治工程原理與解決途徑示意

　　三、城市水環(huán)境整治適用技術(shù)

　　根據(jù)城市水環(huán)境整治工程原理與實施途徑分析，適用于城市水體整治工作的技術(shù)方法可以分為兩類：能夠削減污染物輸入負荷量的控源減負技術(shù)和可以提升水體環(huán)境余量的提質(zhì)增容技術(shù)。

　　2015年8月，由住房城鄉(xiāng)建設部和生態(tài)環(huán)境部(原環(huán)保部)聯(lián)合發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》中列舉了4大類12項適用技術(shù)，其中的控源截污和內(nèi)源治理2大類為控源減負技術(shù)屬性，而生態(tài)修復和其他(活水保質(zhì))2大類則為提質(zhì)增容技術(shù)屬性。

　　控源減負技術(shù)

　　輸入城市水體的污染物可以根據(jù)其來源分為點源、面源和內(nèi)源三類，而控源減負技術(shù)削減水體污染物輸入負荷的方式則可以分為在源頭控制污染物的產(chǎn)生和在過程中阻止污染物排放進入水體兩種。針對污染物產(chǎn)生的來源和污染負荷削減的方式，城市水環(huán)境整治控源減負技術(shù)匯總?cè)绫?所示。

　　表1 城市水環(huán)境整治控源減負技術(shù)

　　提質(zhì)增容技術(shù)

　　水體環(huán)境同化容量的核算是一項復雜而困難的任務，受到水體水文特征、水力學特性、水生態(tài)環(huán)境、地理和氣候因素、季節(jié)變化、人工干擾以及水體控制目標設定等因素的影響，通常會因某些因素的變化而發(fā)生變化;而環(huán)境余量是指水體針對某類污染物在現(xiàn)狀濃度水平之上達到與目標控制濃度相平衡狀態(tài)還可合理容納多余該類污染物輸入的量值。

　　因此，提量增容技術(shù)實現(xiàn)提升水體環(huán)境余量可以有兩種方式：1)通過水體凈化、旁路處理、補水換水等措施降低現(xiàn)狀本底濃度以增加靜態(tài)余量;2)通過生態(tài)修復、曝氣增氧、水動力改善等措施提升水體自凈能力以增加動態(tài)余量。城市水環(huán)境整治提質(zhì)增容技術(shù)匯總?cè)绫?所示。

　　表2 城市水環(huán)境整治提質(zhì)增容技術(shù)

　　城市水環(huán)境整治技術(shù)體系

　　城市水體控源減負和提質(zhì)增容兩大屬性的技術(shù)類型構(gòu)成了城市水環(huán)境整治的技術(shù)支撐體系，結(jié)合整治技術(shù)應用的對象和實施功能進行分類，形成城市水環(huán)境整治技術(shù)體系如圖2所示。

　　圖2 城市水環(huán)境整治技術(shù)體系示意

　　四、城市水環(huán)境整治系統(tǒng)方案

　　城市水環(huán)境整治方案編制思路

　　在《城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)實施方案》提出了“系統(tǒng)治理、有序推進，多元共治、形成合力，標本兼治、重在治本，群眾滿意、成效可靠”的整治方案編制的基本原則，較為全面地詮釋了城市水環(huán)境整治方案編制的目標、思路、方法和實施方式。

　　通過分析工程原理和解決途徑，城市水環(huán)境整治的技術(shù)途徑有3種，但通常都采用控源減負和提質(zhì)增容協(xié)同作用的方式(即途徑3)來實現(xiàn)城市水環(huán)境整治目標。如何確定合適的平衡點作為水體整治方案的設計基準，就成為城市水環(huán)境綜合整治系統(tǒng)方案編制的關(guān)鍵。

　　城市水環(huán)境整治方案系統(tǒng)策劃

　　通過對城市水體污染物輸入負荷與環(huán)境余量平衡狀態(tài)的討論以及解決途徑的分析，獲得了城市水環(huán)境整治系統(tǒng)方案的編制方法，但在實際應用過程中仍有若干問題需要厘清。

　　首先是計算時間的選取，許多案例在編制系統(tǒng)方案時，以年均值計算污染物輸入負荷和環(huán)境余量，這種方法是不科學的。因為無論是污染物輸入負荷、還是水體環(huán)境余量都是呈現(xiàn)季節(jié)性變化的，甚至于每日都有波動。因此美國在《清潔水法》中采用最大日負荷總量(TMDLs，total maximum daily loads)法作為水體水質(zhì)目標管理的方法，其核心就是在滿足水質(zhì)標準的條件下，水體能夠接受的某種污染物的最大日負荷量，同時要考慮安全臨界值和季節(jié)性變化，采取適當?shù)奈廴究刂拼胧﹣肀ＷC目標水體每日均能達到相應的水質(zhì)標準。目前，我國的大多數(shù)城市在基礎信息的掌握、監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累以及設計參數(shù)的選取等方面都難以支持參照TMDLs的方式對城市水體做出按日計算污染輸入負荷和環(huán)境余量，可以選擇幾種典型狀況(例如旱季晴天、雨季晴天、雨季雨天等)代表時段(日)，采用情景設計的方式計算污染輸入負荷和環(huán)境余量，并選取最大差值情景(最不利狀況)作為系統(tǒng)方案設計的依據(jù)，這樣可以保證水體在常態(tài)情況下全年滿足水質(zhì)目標要求，見圖4a。

　　其次是控制斷面的確定，水體(尤其是河流性水域)控制斷面的位置對污染輸入負荷和環(huán)境余量的計算結(jié)果影響很大，若要保證全域水體滿足水質(zhì)目標要求，可以選擇幾類特征斷面(例如水體流態(tài)最差點、距離控制措施最遠端、最大污染負荷輸入點等)分別計算污染輸入負荷和環(huán)境余量，取最不利位置作為設計依據(jù)。若水體過大過長、或是條件差異性過大，則應考慮分段計算和設計，再綜合形成水體整治系統(tǒng)方案，見圖4b。

　　圖4 城市水環(huán)境整治方案動態(tài)變化示意

　　五、討論與展望

　　城市水體是一類受到人類活動強烈影響、甚至是完全人工化的水生態(tài)系統(tǒng)，同時又會對城市環(huán)境和人類活動空間產(chǎn)生重大影響，因此城市水環(huán)境整治必然是一項復雜而艱巨的長期任務，在實踐過程中不僅要遵循科學規(guī)律，還要兼顧社會影響，要堅持系統(tǒng)理念的統(tǒng)籌和做好頂層設計的謀劃。在目標上做好水質(zhì)管理和社會需求的兼顧，在推進上做好消除污染和長制久清的結(jié)合，在方案上做好系統(tǒng)策劃和因地制宜的統(tǒng)一，在方法上做好控源減負和提質(zhì)增容的協(xié)調(diào)，在措施上做好工程治理和運維管理的銜接，以保障城市水環(huán)境整治方案的系統(tǒng)性、科學性、針對性和可操作性。

　　城市水環(huán)境綜合整治系統(tǒng)方案是城市水體污染治理工作的依據(jù)和基礎，目前對于其科學編制方法還缺乏足夠的的技術(shù)支持，后續(xù)還應開展相應的基礎性研究工作。

　　1)加強基礎理論研究，規(guī)范環(huán)境余量計算方法。

　　環(huán)境余量的計算是水體整治系統(tǒng)方案設計的核心和關(guān)鍵，目前我國上缺少相應的理論研究和方法支持，也缺乏有關(guān)環(huán)境條件影響的定量分析和相關(guān)計算參數(shù)選取與復核的方法，難以保證計算的可靠性和準確性，也直接影響到系統(tǒng)方案的科學性和有效性。

　　2)加強基礎信息的積累，提高污染物輸入負荷計算的準確性。

　　當前關(guān)于污染物產(chǎn)生和輸入水體的負荷量計算方式繁多，隨意性也較大，關(guān)鍵在于基礎條件和數(shù)據(jù)信息的掌握不夠系統(tǒng)全面和客觀真實，計算方法不夠科學規(guī)范，計算參數(shù)大多采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，計算結(jié)果也缺乏實際驗證。應推薦科學規(guī)范的計算方法，提出水質(zhì)水量監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)獲取的規(guī)范性要求和質(zhì)量保證措施，推薦適宜的參數(shù)獲取方法和率定要求，力求水體輸入負荷量計算的準確性;同時加強對現(xiàn)有整治工程案例的監(jiān)測和績效評估，核定典型工程措施削減輸入負荷量與設計參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，從而保證工程措施設計的合理性和可靠性。

　　3)加強動態(tài)調(diào)整的探索，提升系統(tǒng)方案設計的精準度和合理性。

　　分析比較典型情景日輸入負荷量及環(huán)境余量的變化特征，在選取最不利狀況作為系統(tǒng)方案設計依據(jù)的基礎上，針對幾種典型情況提出整體系統(tǒng)方案的典型運行工況，在保證滿足水質(zhì)目標管理要求的前提下優(yōu)化運行管理、降低運行成本，以提升城市水環(huán)境整治的精準度和合理性。

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