城市水体系统化治理技术与管理体系研究及应用_孙永利.pdf

44 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）城市水体系统化治理技术与管理体系研究及应用孙永利1 田永英2 刘静1 郑兴灿1 高晨晨1 程彩霞3 黄鹏1 王金丽1 张维1 秦海春4 吴宝利1 石春力2 薛重华2 李家驹1 田腾飞1（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 3 0 0 0 7 4；2.住房和城乡建设部科技与产业化发展中心，北京 1 0 0 8 3 5；3.中国城市规划设计研究院，北京 1 0 0 8 3 5；4.住房和城乡建设部信息中心，北京 1 0 0 8 3 5）摘要 项目针对高速城镇化背景下，我国特有的城市水体黑臭治理难题与快速见效的现实挑战和行业管理需求，揭示了多要素叠加影响下，城市水体黑臭和污水收集管网低效能等系列工程问题的科学原理，在行业监管、治理技术和绩效评价三个方面取得重大技术突破与创新，提出基于黑臭控制的城市水体重构与治污技术路线，形成淤积控制、冒溢调控及降雨净化等排水管网效能提升与污染控制成套策略，构建河道底泥生态清污、再生水补水及沉水植物生态恢复成套工程技术体系，创建监管评估成套工具方法，支撑系列行业政策出台，在全国范围内完成了技术政策的宣贯推广，全面助力我国城市黑臭水体治理与污水处理提质增效工作的科学推进。关键词 城市水体；系统化治理；提质增效；生活污水集中收集率；评估体系Research and Application on Systematic Remediation Technology and Management System of Urban WaterbodySun Yongli1，Tian Yongying2，Liu Jing1，Zheng Xingcan1，Gao Chenchen1，Cheng Caixia3，Huang Peng1，Wang Jinli1，Zhang Wei1，Qin Haichun4，Wu Baoli1，Shi Chunli2，Xue Chonghua2，Li Jiaju1，Tian Tengfei1（1.North China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin,300074;2.Center of Science and Technology&Industrialization Development,Ministry of Housing and Urban-Rural Development,Beijing,100835;3.China Academy of Urban planning and Design,Beijing,100835;4.Information Center of Ministry of Housing and Urban-Rural Development,Beijing,100835)Abstract:The project aimed at the unique problems of urban water black and odor control as well as challenging requirements and industry management needs of quick effect under the background of high-speed urbanization,revealed the mechanism of black and odor of urban water and low collection rate of sewage system under the influence of multiple factors,and gained great innovative breakthroughs in industry regulation,governance techniques,and performance evaluation.A technical route for urban water reconstruction and pollution control based on black and odor control was proposed and a complete set of strategies for improving sewage network efficiency and pollution control,such as siltation control,overflow regulation,and rainfall purification was formed.Complete engineering and technical systems of reclaimed water replenishment,ecological deconsolidation of river sediments,and ecological restoration of submerged plant were established,as well as complete tools and methods for supervision and evaluation are proposed.All the achievements support the introduction,publicity,and promotion of industry policy well,and comprehensively help with the urban water black and odor control as well as quality and efficiency improvement of wastewater treatment in China.Keywords:urban water body,systematic management,quality and efficiency improvement,centralized collection rate of municipal sewage pollut-ants,evaluation systemDOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.008建设科技 45一 等 奖城市水体是城市生态环境的重要载体，党的二十大报告再次将“基本消除城市黑臭水体”作为深入推进环境污染防治工作的重要内容。与发达国家相比，我国城市水体治理面临特有的问题和挑战：（1）城镇化高速发展引发的城市水体黑臭治理难题与短期内快速见效的要求构成重大挑战。（2）我国城市市政基础设施建设运维水平远远滞后于城镇化发展速度，高污水处理率、高黑臭水体比例的“两高”问题，以及低污水处理厂进水浓度和低污水收集率的“两低”问题突出。（3）复杂的排水管网环境和水体雨后返黑返臭频发问题对排水行业的科学认知和系统治理提出了重大挑战。（4）新时代绿色低碳高质量发展理念强调行业发展从理论、技术与管理全链条进行统筹，对城市水环境系统化治理提出了更高要求。因此，需要围绕我国城市水体治理与污水处理提质增效的现实需求与挑战，构建符合高质量发展的行业监管指标与技术评价体系，揭示多要素叠加影响下的生活污水污染物迁移转化特征、水体黑臭响应机制，形成工程治理成套技术，创建成套工程绩效监管评估工具方法，全面支撑我国城市水体系统化治理，助力排水行业管理效能提升和高质量发展。1 构建行业监管指标与技术评价体系1.1 构建以生活污水污染物为基准的城市生活污水收集效能评价指标针对排水行业由“水”处理向“污染物”处理转型的高质量发展战略需求，构建以污水厂生活污水污染物收集量和居民生活污水污染物排放量比值为基准的绩效考核指标，建立与国际接轨、以服务人口占比为基准的核算方法及核算模型。图1 城市生活污水污染物收集效能评价基准指标遴选研究确认BOD是反映我国排水管网污染物流失衰减问题的基础指标，可客观反映工业企业低B/C比废水排入对污水管网收集效能的影响（见图1）。系统甄别污水管网污染物沉积、稀释、中和等引发的污染物衰减问题，揭示并验证了清水掺混对污染物的稀释降低和氧化还原衰减影响，给出理想状态下生活污水转输过程BOD衰减系数可按20%核算的取值建议。1.2 构建以黑臭控制和安全保障为核心的城市水体黑臭诊断评价指标体系揭示了城市树木、绿植等植物落叶和水生植物枯落物沉积腐败过程的污染物释放特征及其对城市水体水质的影响，提出以COD、氮、磷为基准的地表水质量标准不宜作为城市水体水质的直接表征指标，而ORP是最佳表征指标。根据水生植物光合-呼吸作用交替下的DO变化特征，确认植物光合-呼吸作用会导致DO昼夜波动，水生植物生态水体不宜将DO和ORP作为夜间和阴天监管指标。耦合水体感官效果与水质安全保障，形成了安全高效、经济合理、目标可达、技术可行的城市水体黑臭识别与监管指标体系，支撑了系列政策及评估办法发布。1.3 构建基于城市水体治理工程技术分类方向的工程技术评价指标体系基于多层次模糊综合评价模型，构建统筹治理效果、技术适用性、生态友好性、环境安全性、经济合理性的城市水体治理工程技术评价指标体系，见图2，完成了100多项黑臭水体治理工程技术的评估评价，突破城市水体治理技术选择及工程技术效果评价无据可依的行业难题。图2 城市黑臭水体整治技术评估指标体系2 形成城市水体系统化治理工程理论与技术体系46 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊2.1 形成城市水体黑臭形成机理与治污技术体系揭示了不同深度城市水体的分层反应特征及黑臭物质产排机理。从理论角度，城市水体水位偏高不利于黑臭生成及释放环境控制；从工程角度，高于管道水位的城市水体很容易导致河湖水倒灌；从服务角度，城市水体水位过高无法为公众提供亲水娱乐等服务。提出了融合污染控制与排水防涝功能提升、休闲娱乐功能营造、水体生境生态修复等多重功效于一体的系统化治理技术体系，确认治理目标和工程优先序（见图3）。提出了基于城市水体生态维持的透明度、DO、ORP、NH3-N黑臭关键控制指标快速改善的技术方案和整体应对策略，支撑城市水体系统化治理与监管。图3 城市水体重构模式与治理工程优先序2.2 构建城市污水管网效能提升与污染控制技术体系系统揭示了引发我国污水收集效能低下和城市水体普遍黑臭等工程问题的科学原理：明确清水掺混是造成污水管网满管流、低流速、阶段性污水冒溢、污水厂进水浓度偏低的重要原因；揭示了我国特有的污水管网旱季颗粒物携带大量有机物沉积是污水厂低碳高氮磷的根本原因；明确高流速雨水冲刷管网沉积物造成污染物直排并在城市河湖二次沉积是生活污水集中收集率偏低和水体返黑返臭的核心根源。图4 入河排口快速净化设施应用策略通过工程问题与机理剖析，创新提出了系列化管网效能提升和污染控制成套技术（见图4）：形成排入、排出水量与调蓄空间平衡的污水管网旱季冒溢调控技术策略，以较少成本投入实现污水冒溢难题治理；耦合污染物沉积、冲刷特征和总污染物排放量平衡关系，提出入河排口快速净化是解决降雨冲刷导致雨后水体返黑返臭的有效举措；结合污染负荷特征，构建污水厂雨季超量处理工艺方案，提出基于强化泥砂去除的污水厂生物活性和整体效能维护策略。2.3 构建城市水体生态恢复技术体系基于大量测试与结果分析，揭示底泥有机质占比与底泥可释放N、P含量呈正相关的工程现象，创新构建了以有机组分含量为基准的城市黑臭水体底泥生态清污评估与清污标准。明确了河道清淤对原有水生态系统自净能力的削弱作用，提出以有机污染物原位分离清除为核心的底泥生态清淤技术策略。揭示江河湖库外调水引入的藻种，叠加城市水体营养物、滞缓流特征，导致外调水引入城市水体后水质恶化的核心机理；剖析了再生水中硝酸盐等“氧化性”物质对水体黑臭形成的抑制作用机理，提出再生水补给城市水体抑制黑臭现象的水生态修复技术策略（见图5）。图5 再生水“氧化性”物质对黑臭抑制作用机理全面验证了沉水植物净化城市水体的供氧+净化+抑藻+吸附作用机理，明确光合供氧和根系微生物代谢是水质改善的关键；确认沉水植物具有高效的生物脱氮除磷，以及溶解性和胶体物质吸附净化能力，具有典型的连续流间歇式SBR工艺特征；揭示了沉水植物可持续改善底泥环境，避免底泥黑臭的工程效果，助力城市水体雨后生态恢复。3 构建城市黑臭水体治理和污水处理提质增效实施综合绩效评价体系响应工程效能和制度建设落实情况考核的国家政策导向，制定城市黑臭水体治理考核制度的评估细则和不同阶段的考核要点，形成城市黑臭水体治理评价体系。构建以城市生活污水集中收集率和污水处理厂进水BOD浓度为核心指标的污水处理提质增效评估指标体（下转51页）建设科技 51一 等 奖（a）玻璃结构工程技术规程（T/CECS 1099-2022）（b）结构装配用建筑密封胶试验方法（GB/T 37126-2018）（c）建筑幕墙用硅酮结构密封胶（JG/T 475-2015）图 5 标准编制 （a）论文 （b）发明专利 （c）软件著作权图 6 相关成果解决了玻璃构件面外稳定问题；“玻璃多板件组合构件技术”的应用，合理预测了组合玻璃构件的承载力和稳定性，保证了玻璃结构的整体安全性。工程应用验证了项目研究成果的实用性与可行性，获得用户的一致好评，取得了良好的经济效益和社会效益。（上接46页）系，形成了量化与定性相结合的评估方法。融合并实现污水处理、水体治理、污水处理提质增效等多源数据互相支撑，提高城市水体治理和污水处理提质增效行业管理与绩效评价工作效率，保障数据的准确性和可信度，支撑国家环保督察核查与城市黑臭水体治理长效监督管理。4 城市水体系统化治理技术与管理体系的推广应用项目从工程现象、机理剖析、评价体系、技术体系和管理政策等多个维度开展技术创新与集成应用研究，创新构建了适合新发展阶段的水环境治理新理念、行业绩效管理新指标和治理成效考核新方法。构建的“城市生活污水集中收集率”已纳入国家和行业统计指标体系并被系列政策文件和行业规划引用；形成与功能定位和污染控制需求相适应的城市水体治理工程理论和技术体系，指导城市水体治理与污水处理提质增效工作的科学推进；构建的工程技术与治理成效考核评价体系，全面支撑系列政策的出台（见图6）。基于项目成果，已完成全国范围内政策与技术宣贯培训30余次，录制宣贯视频数次，全国受众超过5万人次，指导全国设市城市2900多条黑臭水体治理工程的科学、高效实施，支撑296个地级及以上城市污水处理提质增效评估。引领行业以“增效”促“提质”，以“效能”促“质量”，以“管理”助“工程”，对实现“清水绿岸、鱼翔浅底”的水生态改善目标具有重要指导意义。图6 城市水体系统化治理技术与管理体系技术突破与应用支撑CC