平原河网水质改善与生态修复成套技术支撑嘉兴市水质改善

污水处理厂尾水净化示范工程

浙江省嘉兴市为太湖流域杭嘉湖东部平原水网区，区内地势低平，河湖密布，全市河、湖、荡总面积311.15平方公里，水面率7.89%，是长江中下游太湖流域水系最为发达的区域之一。河网、湖荡承担着供应水源、蓄水防洪、船舶航运、污染物拦截、水质净化、生态旅游等多种功能，是嘉兴市区域生态系统极其重要的组成部分，对维持区域生态安全具有重要作用。根据嘉兴市《水十条》要求，到今年，市控以上(含)断面水质好于Ⅲ类(含)的比例达到50%以上。然而，2015年，嘉兴市区22个市控以上河流水质考核断面中，21个断面水质均为Ⅳ类到劣Ⅴ类，距离嘉兴市《水十条》考核要求存在巨大差距，水质型缺水已经成为嘉兴市主要水问题之一，达到《水污染行动计划》目标要求、实现“五水共治”面临巨大压力。此外，嘉兴市北部湖荡湿地面积锐减，底泥淤积严重，水体生态环境严重退化，生物多样性降低，水环境容量减小，自净能力降低，亟须生态修复，恢复健康的河网湖荡生态系统。

为贯彻执行削减污染和改善水环境任务，多年来嘉兴市投入大量的人力物力，着力改善水环境。近几年，随着“五水共治”工作的开展，高污染企业关停转迁、生活污水和园区废水收集管网建设、污水处理厂提标改造、农村分散式污水处理设施建设等方面的实施力度不断加大，点源污染控制得到加强，面源和内源污染对污染负荷贡献凸显。据测算，城镇地表径流、农田径流、内源污染负荷总量在嘉兴市辖区内化学需氧量、氨氮、总氮、总磷入河负荷中分别占67%、43%、56%、28%。因此，要实现嘉兴市《水十条》提出的2020年水质目标，在农业面源、城镇径流和内源污染控制等方面污染负荷削减潜力巨大，是区域水环境质量改善的重要抓手。

为支撑嘉兴市水环境改善，中国环境科学研究院联合中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司、嘉兴市规划设计研究院有限公司、同济大学、浙江大学、嘉兴市水务投资集团有限公司、上海交通大学等单位，在“十三五”水专项“嘉兴市水污染协调控制与水源地治理改善项目”下申请“平原河网水质改善与生态修复成套技术综合示范课题”，以嘉兴市北部湖荡水源涵养区和城市河网区为重点研究区域，以研究区河网—湖荡生境改善和水质提升为核心目标，研发疏浚底泥高效减量化技术、河道浚后底泥分类处理与资源化技术、重金属污染底泥生物淋滤技术、基于城市海绵体—河网的面源污染拦截与净化技术等4项关键技术，综合集成河道—河网—湖荡淤泥减量化与资源化、源头分离—过程削减—生态净化多级屏障水质改善等两项成套技术。选择嘉兴市北部湖荡水源涵养区和城市河网区开展综合示范，将形成的核心成套技术在示范工程中进行推广应用，实现研究区生境改善和水环境质量提高的目标，最终为实现嘉兴市水环境质量全面满足国家和浙江省考核要求发挥重要作用。

1 河道—河网—湖荡淤泥减量化与资源化成套技术支撑内源污染治理

嘉兴市地势平坦，河道水力坡度小，流速缓慢，河道、湖荡普遍淤积严重，一方面，导致河床、湖盆升高，有效蓄滞水容积减少，水环境容量降低;另一方面，淤泥中的污染物易向水体释放造成内源污染，内源积存已成为制约区域水环境质量改善的重要因素。底泥环保疏浚是治理内源污染的有效手段，据了解，“十二五”以来，嘉兴市区清淤量已超过1.2亿立方米，仅2016年嘉兴市城区就完成清淤量980万立方米。疏浚底泥具有产生量大、含水率高、重金属及持久性有机污染物含量较高且浸出风险较大等危害，亟须及时、安全、有效的处理处置。然而，现有的疏浚底泥处理处置技术普遍存在技术不完善，规模化、装备化水平低，经济性差等缺点，难以进行推广应用。

针对平原河网地区地形平坦、河道—河网—湖荡密集且类型多样的现状，污染底泥点多、面广、多源，对底泥疏浚和处理装备移动性和自动化操作水平要求高的特点，以及现有技术存在的不足和规模化、装备化水平低，经济性差等问题，课题组通过对嘉兴城市河网区和北部湖荡区底泥进行加密调查采样，摸清底泥淤积现状、污染特征和底泥特点。集成和评估国内外底泥减量化和资源化成熟技术和新技术，研究分析相关技术对嘉兴市河道底泥疏浚与处理处置的适用条件及其产业化、装备化方案。针对嘉兴市特点，开展自主研发和重点技术论证，突破疏浚底泥处理处置关键环节规模化应用的技术瓶颈问题，研发集成了河道—河网—湖荡淤泥减量化与资源化成套技术。技术适用于百万吨级底泥规模化脱水减量和资源化利用，可实现脱水减量后底泥含水率低于50%、资源化利用率90%、处置费用不超过80元每吨。

河道—河网—湖荡淤泥减量化与资源化成套技术由疏浚底泥高效减量化技术、浚后底泥分类处理与资源化技术两项关键技术组成，其中，疏浚底泥高效减量化技术重点包括高有机质底泥联合调理脱水技术、疏浚底泥负压直排脱水干化技术、规模化底泥机械脱水减量工艺优化与集成控制技术、移动式模块化底泥脱水减量设备集成技术、疏浚底泥旋流分离器结构优化技术等，浚后底泥分类处理与资源化技术包括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和重金属污染底泥同步脱水脱毒生物淋滤技术。

疏浚淤泥的高含水率问题是制约河道底泥资源化利用的瓶颈，目前的淤泥脱水减量工艺存在着占用土地多、成本高、处理能力小、能耗多、处理后的干化土利用率不高等缺点，课题组开发的淤泥高效减量化技术大大克服了以上缺点，取得了较好的效果。

疏浚底泥高效减量化技术通过旋流器分离出约56%的固体颗粒，底流浓度达到65%左右，有机质分选去除率达到78%以上，溢流中水回收率达到88.6%;浅层深约40厘米以内的底泥含水率有明显降低，45天左右基本沉降到位。优化了机械脱水工艺，改进了调理剂配方，自动化水平提高，底泥处理能力提升，使脱水后含水率<50%。

移动式模块化脱水减量设备集成技术主要针对城市土地紧张、缺乏疏浚底泥处理作业场地，现有机械脱水工艺难以适应大流量、高浓度、强脉冲、多杂质等工况特点和单个工程处理量小、装备移动性要求高的要求等问题，将淤泥除杂、浓缩、均化搅拌、脱水固化及水处理等全套工艺系统集成于集装箱式钢结构内，部分系统突破扁平化的布设方式改为立体式布局，且各个系统之间无缝连接，形成一套即插即用便于转运的淤泥快速脱水减量处理设备。据介绍，该设备具有集成化、自动化程度高，占地面积小，安装调试时间短，处理效率高，模块可替代等特点，日处理淤泥量约为400～600立方米，占地面积约240平方米，安装调试时间仅为10天左右，突破了由于淤泥来源分散、处理时间紧、处理场地有限等制约因素带来的淤泥处理困境。

以疏浚淤泥资源化利用为出发点，解决巨量疏浚淤泥处置难、成本高、二次污染风险等问题。研究了绿化用土资源化利用技术、路基用土资源化利用技术、建材用土资源化利用技术，取得了显著的效果。

氮磷含量较高的浚后底泥，可以改良底泥作为绿化土，分别进行了室内盆栽种植实验和现场种植实验，结果显示浚后底泥改性绿化土种植植物的生长状况良好，技术具备规模应用的成熟度;从经济性上分析，每立方米浚后底泥改性绿化土的平均处理价格不超过35元，具有显著价格优势。现场试验进一步论证了氮磷营养盐污染型底泥脱水减量后改性可规模化用作绿化种植土。

针对我国全面禁止使用实心黏土砖后资源型建筑材料总体匮乏，而现有淤泥高温烧结制备建筑材料的方法能耗过高、对大气造成污染的问题，课题组通过开展大量试验，不断改良配方和制备条件，研发了疏浚底泥免烧发泡制备新型建材技术。该技术以底泥为原料，以粉煤灰、粗砂、石灰、石粉、石膏等为调理剂和固化剂，经过压制或注模成型、蒸压养护、冷却降温等一系列工序，将高硅质河网—湖荡底泥制成免烧砖与加气混凝土，具有低能耗、低污染的优点。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。

2 源头分离—过程削减—生态净化多级屏障水质改善成套技术助力面源污染治理

海绵城市能实现雨水自然积存、自然渗透、自然净化，是从源头控制城镇面源污染的重要手段。嘉兴市是国家海绵城市建设的首批试点城市之一，目前嘉兴市海绵城市示范区内海绵设施大部分已建设完成。然而，与海绵城市建设技术较为成熟的国家相比，目前海绵城市示范区内的海绵设施建设费用较高、对径流污染的削减效果较差，同时，国内尚缺乏完备的海绵设施运行管护技术体系与实践经验，难以保证海绵设施长期稳定运行。另一方面，嘉兴市具有河网湖荡密布的自然条件，利用河流与湖荡湿地污染净化能力，以自然方式实现雨水输移过程中污染物削减，是减小雨水径流对受纳水体的影响、提高区域水生态系统安全的有效措施。然而，目前嘉兴市河网湖荡水体污染与生态退化严重，污染净化功能难以有效发挥，亟须进行生态修复。

为解决上述问题，课题组研发集成源头分离—过程削减—生态净化多级屏障水质改善成套技术，将城市区域、城乡结合部和城郊生产生活因为地表径流形成的面源污染采用特色城市海绵体单元设计和运行管理方法进行陆地阻滞、存蓄、拦截、净化和回用，然后充分利用河网水系和大量湖荡湿地的生物生态净化能力，将进入水体的面源污染从河网到湖荡逐级去除。

源头分离方面，课题组系统调查了嘉兴海绵城市示范区内典型海绵设施的运行管理现状和运行成效，利用调查数据对海绵城市水量和水质模型进行校核和验证，形成适应于嘉兴本地的模型参数。根据嘉兴市海绵设施特点，将建筑与小区、市政道路海绵设施系统进行分类，采用模型模拟结合实验验证的方法，对每类系统内海绵设施的布置和规模以及生物滞留设施的填料和植物、侧石开口、下凹式树带、预处理设施等海绵设施细节进行优化，形成7套建筑与小区或市政道路海绵建设系统优化方案，可实现海绵设施单位集雨面积的投资额下降20%。同时，课题组对嘉兴市常用的生物滞留设施、下沉式绿地/植草沟、绿色屋顶、透水铺装等7类海绵设施开展定期巡查、检测和养护，对不同养护技术进行技术比选和实际论证，确定了7类海绵设施养护标准、方法、频率等，形成涵盖养护级别分类划分技术、日常养护技术、定期养护技术、问题诊断分析技术、恢复性修复技术等方面的海绵设施运行管理集成技术体系，编写了《嘉兴市海绵城市设施运行管理技术指南》，填补了平原河网区海绵设施运行管理技术的空白。利用该技术对海绵设施进行养护，可实现与刚建成相比，对雨水径流中总氮与总磷的削减率降低不超过20%。

过程削减与生态净化方面，课题组详细调查了嘉兴市城市河网区和北部湖荡水源区水文、水质、底质、水生态等生态环境现状，结合嘉兴市社会经济发展、技术条件和环境需求，诊断识别河网区和北部湖荡区水质污染与生态破坏的原因和主要影响因素。以加强河流沿程的水生态修复和水质改善措施、改善河网水系断头浜生态环境、构建平原河网水系生态景观、治理湖荡内源污染、修复与重建湖荡湿地健康生态系统为重点，提出适用于嘉兴平原河网区和北部湖荡水源区水质改善和生态修复的关键技术、工程措施及管理机制，编制《城市河网区水质达标方案》《北部湖荡水源区生境改善方案》。研发、优化、集成河道堤坝漫流技术、纤维生物毯生态拦截技术、多介质雨水生物渗蓄净化系统技术、浮动净水厂技术等系列技术，结合海绵建设系统优化集成技术与海绵城市设施运行管理技术，综合集成河网—湖荡区农田径流氮磷拦截与净化技术、基于城市海绵体—河网的面源污染拦截与净化技术，可实现常规雨量下对城市地表径流和农田径流中总磷削减率大于20%，总氮削减率大于15%。

例如，针对现有土壤渗滤系统对城市径流净化能力低、渗透性能差、水力负荷低、易堵塞等问题，课题组将生物滞留净化技术与水环境净化模式相结合，优化集成多介质雨水生物渗蓄净化系统。该系统由土壤层、填料介质层和砾石排水层构成，介质层填充改性沸石、多介质生物陶粒、α铁基改性火山岩、改性生物炭和硫铁矿复配材料四种功能性材料，土壤层种植水生植物，通过植物根系吸收和干湿交替作用促进填料吸附再生。该系统作为蓄水池等雨水储存设施的配套设施，能够在收集雨水的同时进行雨水土壤渗滤和净化，降雨强度较大时，流经系统表层的雨水可经过水生植物初步过滤后排放，实现对降雨径流水质、水量的多功能控制。课题组介绍，该系统对降雨产生的地表径流中总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、总悬浮物的去除率达50%~98%，处理后的雨水能达到回用水水质要求，适用于水系周边绿地，净化效果好，易与景观结合。

此外，针对嘉兴市污水处理厂尾水氮磷含量较高，难以达到城市河网水质考核要求的问题，课题组开展了人工湿地水生植株筛选、系统构型以及工艺参数优化，研究不同流态人工湿地的适用性以及湿地分区组合匹配，研发人工湿地滤料功能强化与新型固定化技术，提高组合湿地对污水处理厂尾水的深度处理性能，形成基于植物根系微生物强化的复合流人工湿地集成技术，揭示复合流人工湿地基质—微生物—植物协同强化机制，集成污水处理厂尾水深度净化与城市景观建设相协调的湿地构建技术体系。

3 三大示范工程初见成效

截至2019年底，课题的三个示范工程均已建成，所示范的关键技术的实际应用效果已初步显现。

浚后底泥处理处置与湖荡生境改善示范工程

选择嘉兴市北部西千亩荡和沉石荡开展100万立方米底泥疏浚，对疏浚淤泥进行高效脱水减量，并结合工程实际需要，开展脱水底泥资源化应用和示范。截至2019年底，西千亩荡底泥疏浚量为64.7万立方米，利用课题研发的配备有底泥脱水减量集成优化控制系统的移动式模块化脱水减量集成设备进行脱水，已全部完成，脱水后底泥含水率小于50%。沉石荡疏浚量为26.5万立方米，采用课题研发的负压直排脱水干化技术全部完成脱水。西千亩荡和沉石荡两处工程共计完成91.2万立方米(大于100万吨)底泥脱水减量，以湿地建设用土、护岸路基用土、低洼区回填土等方式完成88.8万立方米底泥资源化利用，资源化利用率达97%。

平原河网区面源拦截与净化运行管护示范工程

选择嘉兴市海绵城市试点示范区内包括城中片、南湖核心区、中央公园在内的10.2平方公里区域，将课题研发集成的海绵设施运行管理技术体系应用于区域内海绵设施的日常管理，同时，选择秀洲区绿城柳岸禾风小区，对海绵建设系统优化集成技术与多介质雨水生物滞留净化系统技术进行工程示范。2019年，完成了示范区内海绵设施养护方案的编制，对海绵设施养护单位开展了海绵设施养护管理培训，并签订了技术服务协议，进行了海绵设施运行管理技术的示范。绿城柳岸禾风小区示范工程已完成建设，目前正在进行第三方监测，初步结果显示，该示范工程对雨水径流中总氮削减率为61.9%，总磷削减率为49.8%，年径流总量控制率为85%，单位面积造价比传统海绵系统降低34%。

污水处理厂尾水生态净化示范工程

在嘉兴市三环东路以东约600米，老07省道以南、平湖塘以北、嘉兴市平湖枢纽毗邻范围内建设占地约240亩的污水处理厂尾水生态净化示范工程，对嘉兴市城东再生水厂一期每日排放的4万立方米尾水进行生态净化。该示范工程由湿地核心处理区和后置稳定塘区两部分组成，湿地核心处理区采用水平潜流人工湿地组合表面流人工湿地工艺，对尾水进行深度净化，稳定塘区作为后置强化处理区，起到景观修饰、水质净化及雨水蓄存的作用。示范工程已完成建设并稳定运行，2019年3月~12月开展了第三方监测，监测结果表明：示范工程出水的NH3-N、CODCr、BOD5、TP浓度稳定达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅱ类至Ⅳ类标准。

4 全力支撑地方治水，编写《南湖水质提升与生态修复总体方案》被政府采纳

南湖位于嘉兴市区，湖体南北长、东西狭，常年水面面积为0.42平方公里，是嘉兴市各主要河流蓄泄的枢纽，是海盐塘、平湖塘、嘉善塘等多条河流的起点、终点交汇处。近年来，随着城市化和人为干扰的加剧，加之嘉湖平原土壤主要以细颗粒的黏土为主，导致南湖水体透明度不足30 厘米，且氮磷含量较高。2013年以来，虽然水质有所好转，但代表感官指标的悬浮物和透明度仍然居高不下，总磷仍超过水环境功能区考核的Ⅲ类标准。

课题组在南湖及周边河网共设置了112个采样点，进行了两次全区域采样和湖内月度采样，同时采集水样和沉积物样品，对南湖及周边河网的水质、底质、水生态等进行了全方位的调查，在此基础上解析南湖主要水环境问题并提出解决策略。

课题组针对南湖的主要问题，以提升南湖水体透明度和水质改善为核心目标，以降低水体悬浮物为重要抓手，全面、深入研究了污染源发生机理、输移规律、入湖通量及其对南湖水质影响机理;根据生态学原理，分析并协调湖泊水环境系统各组成要素之间的关系，通过现场中试获取重要工程参数。并提出采取区域清水廊道构建→河口强化净化→湖体生态改善等工程措施，实现水清、岸绿、景美的“人—城—河—湖和谐”的江南水乡景观，有力支撑嘉兴市生态文明市创建。

课题组编写的《南湖水质提升与生态修复总体方案》已经通过专家论证并已经被嘉兴市政府采纳。