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以综合整装成套技术改善高速发展的城市湖滨流域水质

更新时间:2018-11-08 09:23 来源:中国环境报 作者: 阅读:499 网友评论0

  

 

 

以无锡城市发展集团有限公司黄晓峰为课题负责人,中国环境科学研究院姜霞为课题技术负责人,无锡市环保局为行政负责单位,并由无锡市环境监测中心站、中科院南京地理与湖泊研究所、江南大学、南京大学、江苏江达生态科技有限公司共同承担的“十二五”水专项《太湖新城湖滨流域水质改善与生态修复综合示范》课题,开展了无锡市太湖新城180km2的水质、水生态调查评估,编制了水质改善综合治理与保护方案,创新了基于固体缓释碳源的地表水强化反硝化脱氮、利用短食物链进行低污染水体的生态恢复与水质改善、浅水湖泊沉水植物修复分区及定植等三项技术,形成了太湖新城湖滨流域生态环境防治总体方案,并提出了太湖新城河网水系生态系统的长效管理机制,获得授权专利31个、申请专利45个,发表论文76篇。  

无锡太湖新城作为“十二五”水专项太湖项目的综合示范区,是太湖流域城乡一体化快速城市化进程中的湖滨河网水系典型代表。课题以解决太湖新城水环境问题为目的,选择了城市化快速进程中不同类型水体小流域开展集成关键技术研发、综合示范和推广应用,实现区域水质改善的目标。  

课题研发了企业退出区湖滨环境生态修复、生态恢复区清水廊道构建与生态改善、退圩还湖区水质改善与生态修复和城市景观湖泊生态系统优化调控等4项关键技术,形成了“高速发展的城市湖滨流域水质改善与生态修复综合整装成套技术”。通过关键技术的工程示范和技术推广,实现了太湖新城水质明显改善,其中河流水网基本消灭了劣Ⅴ类;示范区水质,梁塘河TN、TP消减30%以上、长广溪稳定达到Ⅲ类、蠡河稳定达到Ⅳ类、蠡湖稳定达到Ⅲ类;退圩还湖区湖滨缓冲带生态系统健康、稳定;形成的全方位、立体化、业务化运行的城市河网水生态动态监管平台,为环境管理、政府决策、应急处置等提供了有力支持。  

关键技术1:以固体缓释碳源研发和陆域重金属污染土壤修复为核心的工业企业退出区湖滨环境生态修复  

重点解决了企业退出区陆域污染组成成分复杂、城镇地表径流中氮、磷污染负荷高、直立硬质化堤岸比例达51%、河道上游客水水质(Ⅴ类)与水体目标(Ⅳ类)差距大的问题,形成了“土壤特征污染物筛查→土壤重金属污染修复→城镇地表径流高效生态拦截→重污染河流生态重建和水质改善”的企业退出区面源拦截与生态净化关键技术。  

支撑技术1:土壤重金属污染修复治理技术。针对退出区遗留土地含有大量重金属的问题,研发了逼近式电动修复和曝气式淋洗修复技术。在逼近式电动修复技术中,电极会随着土壤的修复移动,已修复完成的土壤不需耗能,从而节约能耗。研制了曝气式土壤淋洗设备,并筛选了适合工业企业退出区土壤特点的淋洗剂,最优淋洗时间和液土比的条件下,对铜、锌、铬、镍和铅的去除率分别达到27.8%、25.9%、30.0%、39.4%和31.2%。  

支撑技术2:城镇地表径流高效生态拦截集成技术。针对退出区遗留土地中的氮、磷、有机物、重金属污染问题,将直立硬质堤岸改为坡度在3°~6°之间的自然型堤岸;筛选本地高吸收能力植物60余种,构建乔-灌-草立体生态岸带,建设梯形植草沟-渗滤强化减污系统,坡度5:1,深度50cm。拦截面源污染,实现入河降雨径流COD、SS、TN和TP的平均削减率分别为58.5%、89.9%、54.8%和80.9%。  

支撑技术3:污染河流生态重建和水质改善技术。采用固态缓释碳源作为电子供体和微生物生长载体,通过自然挂膜,HRT2h条件下,平均脱氮效率为75.3%,出水TN稳定在0.16mg/L~0.55mg/L。构建沉水植物-生态草-挺水植物的梯级净化系统,氮、磷、CODMn平均脱除效率分别为42.8%、35.1%、27.4%,出水水质稳定在Ⅳ类。  

此项关键技术在蠡河水质改善和生态重建示范工程中得到规模化应用,2016年施工后示范区水体的氨氮、总磷和高锰酸盐指数与2012年相比分别削减52.3%、64.3%和56.2%,各类水质监测指标均达到Ⅳ类水平。  

关键技术2:以短食物链修复为核心的生态型清水廊道构建与生态改善  

重点解决了生态恢复区面源污染、微污染水水质提升和清水再造难题,形成了“园林景观岸带面源拦截与污染负荷消减→微污染河道生境改善与生态恢复→短食物链水体生态系统快速修复与调控”的清水廊道构建与生态改善成套技术。  

支撑技术1:岸带面源拦截与污染负荷消减集成技术。针对湿地建设中重景观轻水质、园林景观施肥污染的问题,构建园林景观岸带面源拦截生态沟技术,填料采用硫磺/石灰/木屑柱式填充床,以厌氧污泥为接种,实现入河径流水质显著改善;针对主河道支浜N、P及COD偏高的特点,研发了生物浮床+附着基+底栖生物复合系统生境改善技术,引入底栖生物纹沼螺,通过刮食附着基与浮床植物根系上的附着生物,提高了营养盐的吸附能力,促进了浮床植物生长。技术成本约100元/m2,示范区河道中TN含量降幅为68.65%,TP含量降幅为53.43%。  

支撑技术2:短食物链水体生态系统快速修复与调控技术。通过合理调控水生生态系统中的滤食性河蚬和牧食性螺类的种类与数量,有效控制内源释放、降低悬浮物浓度和增加透明度,从而达到恢复沉水植物目的。底栖生物合理调控可使水生植被的生长率提高25%~30%。示范工程建成两年,稳定塘水生植被覆盖度始终保持在70%左右,水质稳定在Ⅱ类~Ⅲ类水平。  

此项关键技术在长广溪二期湿地建设中得到规模化技术验证,运行后氨氮削减41.48%;总磷削减34.46%;CODMn削减40%;水质指标稳定在地表水Ⅲ类水平。  

关键技术3:以生态微地形构造与水生植物恢复为核心的退圩还湖区生态重建  

针对亲水河流域围湖造田导致的湖滨带生境丧失和自净功能衰退等问题,通过关键技术突破和系统集成,解决了退圩还湖区域的底泥原位利用、提高水环境生物多样性、水质净化的技术难题,形成了退圩还湖区水质改善与生态修复成套技术。  

支撑技术1:湖滨及水域生态系统结构功能技术。针对湖滨带受水流冲刷,在重力作用下岸坡产生崩落、崩塌和滑坡等问题,构建柳树条扦插型堤岸:将柳条插入岸坡土壤内,岸坡植被种植苔草、麦冬等植被;枝条格栅与湿地结合型堤岸:每隔0.6m~1m打下木桩,再编制柳条格栅,在格栅内用砂石料填充,种植水生植物,构建人工湿地;生态网格石笼型堤岸:用镀锌铁丝扎成笼体,将石料与泥土按3:1比例混合后填入笼中,然后将石笼单元层叠摆放并连成一体。进行堤岸形态设计,设计成凸出滨岸带和凹陷滨岸带两种形态,形成“侵蚀型微生境”和“沉积型微生境”。凸出滨岸带由于风力、水流作用往往容易发生侵蚀,属于侵蚀区域。在此区域岸边及浅滩区种植挺水及浮叶等植物防止侵蚀;凹陷滨岸带属于沉积区域,水流较缓,水中悬浮物容易在此处沉积,适当恢复沼型植被,可有效促进沉积作用,利于营养物质富集,便于污染物的集中处理。  

支撑技术2:湖滨及水域生态系统恢复并稳态维持技术。针对不同污染负荷的来水,通过多级处理单元的逐级净化处理,在植物、基质及微生物的协同作用下,降低水体中的超标指标浓度,实现水质的净化,改善区域水环境。退圩还湖区分别构建前置沉淀塘和复合人工湿地处理单元,其中水力停留时间为12h,水力负荷为0.6m3/m2·d,对BOD、CODMn、TSS去除率可达90%以上,具有高效、低耗、简易的特点,并兼具景观效果。针对水环境生物多样性衰退,通过构建生态缓冲区,研发水生植物生态系统修复技术:①选择生命力强、净化效果好的水生植物作为先锋种,同时少量配置一些伴生种,增加物种多样性和生物量。②沉水植物分上、中、下3个层次布置,一方面符合水生植物生态习性,另一方面形成立体层次。沉水植物以30株/m2~100株/m2的密度种植,避免影响水中倒影及景观透视。③构建单优群落和混合群落,黑藻和穗花狐尾藻是优势种,具有明显的竞争优势,工程实践中,在保持基地稳定条件下综合考虑植株的生物量、成活率、生物多样性等因素。  

此项成套技术在200亩的贡湖湾东、西试验区得到规模化应用,恢复后的水生植被结构完整,生物多样性丰富,覆盖度达到50%,实现了氮磷污染负荷总量削减20%、水质达到地表水Ⅳ类标准的目标。  

关键技术4:以沉水植物修复分区及一体化定植技术为核心的景观湖泊生态系统优化调控  

针对城市景观湖泊透明度低、水生态系统结构单一脆弱、生态自我维持能力低等问题,重点解决了低透明度、高风浪景观湖泊沉水植物恢复优先域划分、逆境生境改善、沉水植物一体化定植的技术难题,形成了“沉水植物恢复适宜区划分→逆境生境改善→沉水植物一体化定指恢复技术”的景观湖泊沉水植物恢复和稳态维持成套技术。  

支撑技术1:沉水植物修复的分区技术。针对沉水植物恢复机制复杂,影响因素众多等问题,根据生态学原理,提出沉水植物分区、分期修复策略。以光补偿深度与水深的比值(Qi)和底泥有机质含量(LOI)为依据,将水域初步划分为“适宜区”(Qi≥1且LOI≤5%)、“过渡区”(Qi≥1且5%  

支撑技术2:逆境生境改善技术。突破了以生态潜坝、多级拦截净化系统和局部高污染底泥改良为重点的逆境生境改善技术。石笼网箱内种植密齿苦草作为生态潜坝系统,具有消浪、固岸和坝基介质-坝体生物附着等功能,通过减缓水体流速和提高底栖生物多样性改善了沉水植物恢复的基础生境条件;利用菹草-菱角组合模块形成悬浮物多级拦截净化立体植物墙,降低了风浪扰动,吸附了悬浮颗粒,进一步提高了透明度,改善生境条件。以可交换态氨氮75mg/kg和150mg/kg为阈值分为重污染区和轻度污染区,利用理化和水生植物联合的局部高氮磷污染底泥改良技术,实现局部黑臭污染底泥微生境的快速修复与改造,确保植被系统景观效应和可自然稳定维持的修复效果。通过逆境生境改善技术,实现水体透明度年均值提高41cm,悬浮物降低16.51mg/L,颗粒态总氮降低0.51mg/L,颗粒态总磷降低0.04mg/L。  

支撑技术3:沉水植物一体化定植恢复技术。创新发展了密齿苦草的水下草坪培育技术,有效解决了传统恢复工艺中点状先锋沉水植物群落稳定性差、极端基底环境成活率低的难题。育苗盘沿竖直方向叠放,第一育苗盘距离水体表面50cm,两个盘间隔30cm~50cm;根据不同水深、底质的生境恢复条件,完成区块化沉水植物的快速定植恢复。利用水下草坪基质的覆盖和吸附作用,设置两株密齿苦草的距离为6cm,固定层厚度为3cm;基质层黄土厚度4cm;氨氮吸附层为沸石粉层,厚度3cm。解决了沉水植物在高有机质和氨氮的半流体状态底泥中不能过夏的问题,逐步形成沉水植物稳定健康的维持机制,促进水生态系统的良性发展。  

这一成套技术在100亩的蠡湖水生植物恢复工程中得到规模化应用,水体中总氮和总磷的年均值由8.82mg/L和0.34mg/L降至0.73mg/L和0.04mg/L,透明度年均值从0.3m提高至1.0m;沉水植物覆盖度达到40%以上。  

标志性成果:高速发展的城市湖滨流域水质改善与生态修复综合成套技术  

针对太湖新城水系类型多样,人口与社会经济压力加大,污染来源复杂,生态环境问题空间异质性大,修复目标高等环境现状,通过四年多的研发和示范应用,在形成快速发展的滨河城市“人-城-河-湖”和谐的水环境综合整治体系和“水优、水活、水清、水美”水生态文明格局的基础之上,从“陆域面源拦截-河道清水廊道构建-湖滨水域生态修复-区域监管评估”等方面集成了4项关键技术,形成了高速发展的城市湖滨流域水质改善与生态修复综合整装成套技术。  

在整装成套工程技术研发、应用和依托工程推广的基础上,编制了太湖新城河网水系生态系统健康管理指南和不同类型水体水质改善与生态修复实施方案,技术支撑了太湖新城180km2水质的整体提升。  

成果应用:为相关水污染治理工程提供技术支撑  

为无锡市水污染治理工程提供了强有力的技术支撑  

课题技术成果全面支撑了太湖新城水污染防治工程项目,太湖新城水环境质量明显改善,为无锡市水生态文明城市建设奠定了坚实的基础。与2011年相比,2016年太湖新城水质显著改善,骨干河道高锰酸盐指数、氨氮、总氮和总磷由8.00mg/L、1.82mg/L、4.46mg/L、和0.18mg/L下降到5.50mg/L、0.67mg/L、2.38mg/L和0.09mg/L,总氮和总磷的降幅分别达到63.27%和51.97%,蠡湖从Ⅳ类为主的水体,改善到Ⅲ类水质可达6个月以上;梁塘河水质基本消除劣Ⅴ类;长广溪河道水质稳定达到地表水Ⅲ类;蠡河河道水质稳定达到地表水Ⅳ类;退圩还湖区湖滨缓冲带生态系统健康、稳定,水质稳定达到地表水Ⅲ类;无锡治水办的监测数据表明,太湖新城区域内各支浜全面消除劣Ⅴ类水质,区域内水质提升了两个等级。  

为其他省市的相关水污染治理工程提供了技术支撑  

相关成果在湖北省丹江口水库生态修复、黑龙江省穆棱河(小兴凯湖)小流域水生植被修复、浙江省湖州南北塘生态修复工程、河南省郑州龙子湖清水型构建工程和四川省成都市锦城湖水生态重建工程中得到了技术应用。  

供稿:“十二五”水专项太湖新城课题组(无锡城市发展集团)  

生态沟渠  

无锡太湖新城河网水系东联京杭大运河,西靠梅梁湖,南通太湖,北接梁塘河和蠡湖,形成一个相对闭合的水系体系。区域内共有大小河道约300条,总长约350km,是“城市型湖滨小流域”的典型代表。南北向主干河道有长广溪、蠡河、尚贤河,东西向主干河道有梁塘河、秀水河、碧水河、清水河,加之蠡湖,形成“一湖、四横、三纵”的空间格局。  

快速城乡一体化进程中的太湖新城在课题设立之初,具有人口与社会经济压力加大、流域污染来源复杂、河道水质差,区域生态环境问题空间异质性大等特点。为解决快速城市化进程中的各种类型的污染问题,提升区域水生态环境质量,为类似区域提供可复制的治理与修复模式和案例,课题以太湖新城3种典型污染类型河流【重污染河流的区域控源减排(梁塘河)、企业退出区的土壤重金属和有机污染拦截(蠡河)、清水廊道构建型(长广溪)】、城市内湖水质提升与优化调控(蠡湖)、退圩还湖区生态重建与结构优化为对象,以水质提升和生态改善为目标,开展成套技术研发与工程应用,实现了“技术比选-集成与示范-工程效果”的有机结合,体现了“政、产、学、研、用”研究思路。课题的实施是对过去示范研究的大集成,一方面为太湖新城的环境综合整治提供技术支撑,另一方面也大大减轻了太湖重要水源地贡湖的环境压力。


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