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水专项突破湖泊内源污染治理成套技术 为白洋淀内源污染治理试点提供技术支撑

来源:中国科学报 作者:陈彬 高长安 张美一 人气: 发布时间:2021-11-25 16:10:35

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项目及课题概况

白洋淀与大清河流域(雄安新区)水生态环境整治与水安全保障关键技术研究与示范项目(2018ZX07110)是水体污染控制与治理科技重大专项“十三五”在白洋淀和大清河流域部署的重点项目。项目基于白洋淀生态功能定位,支撑雄安新区生态空间构建,围绕白洋淀生态环境治理12项重点工作,部署系列研究任务和示范工程。为了有效提升白洋淀整体水环境水生态质量,项目设置了“白洋淀生态清淤关键技术研究与资源化工程示范”课题(编号2018ZX07110004)(以下简称课题)。

在项目牵头单位中国雄安集团有限公司和项目技术负责人、河北大学王洪杰教授的支持下,课题突破了白洋淀精准生态清淤关键技术、科学清除围堤围埝关键技术、芦苇平衡收割及管护长效机制构建技术和底泥处理处置及资源化利用关键技术4项技术,形成内源污染削减与水动力提升成套技术体系,并在淀区进行了技术验证与工程示范,建设了3项示范工程,为淀区水质达到地表水III-IV标准和雄安新区“无废城市”的建设提供了技术支撑。

研究目标

针对白洋淀底泥污染问题,以支撑精准生态清淤为目标,开展白洋淀底泥调查,勘测水下地形,确定底泥淤积特征、污染现状与污染物迁移转化规律,摸清白洋淀底泥的“源”“汇”特征,评估底泥污染生态风险,构建底泥污染高生态风险分布BIM数据库。针对淀区围埝垦田、围堤养鱼与生境破碎等问题,开展围堤围埝分布、长度、材质与类型等现状的调查,建立围堤围埝空间数据库,绘制围堤围埝分布图,形成科学清除围堤围埝实施方案,并分析围堤围埝清除过程对淀区水质的影响和评估清除围堤围埝对水质净化的贡献率。

针对白洋淀水体底泥内源污染释放问题,开展基于底泥污染物清除与内源污染控制、水系连通水动力循环优化的精准生态清淤成套技术设计,构建精准生态清淤质量控制与效果评价体系。

通过研究水质与芦苇等水生植物的相互作用规律,建立基于水质的芦苇等水生植物的种植和定量平衡收割模式,开发具有高科技含量和附加值的芦苇等水生植物系列产品生产新技术,形成完善的芦苇等水生植物种、收、用集成技术,并建设可持续资源化处理利用设施及工程示范,构建芦苇等水生植物资源可持续利用的专业化、合作化的模式和政策保障体系。

研究形成适用于白洋淀的内源污染削减与水动力提升成套技术,通过污染清除与底栖生态修复,为淀区水质主要指标COD、NH3-N和总磷基本达到地表水III-IV标准提供技术支撑。

技术开发

针对白洋淀内源释放污染水质的问题,在开展白洋淀底泥及污染物、芦苇及围堤围埝空间分布调查的基础上,研究污染底泥、芦苇与围堤围埝对淀区水质、水动力的影响,突破白洋淀精准生态清淤、原位生态修复、淀区水动力提升、水生植物平衡收割及高值利用,形成白洋淀内源污染削减与水动力提升成套技术。通过该技术体系的形成和应用,实现淀区内源污染削减、水动力和水环境容量提升,保障白洋淀水生态功能稳定和水质达标,实现目标水域生态系统的弹性恢复。

(1)白洋淀精准生态清淤关键技术

基本原理:针对白洋淀水体淀/塘镶嵌分布以及堤埝围隔的特点,建立白洋淀沉积物氮、磷污染分类标准。根据沉积物TP含量垂向分布与上覆水体富营养状态空间耦合相关关系,提出基于水体单元(类型)清淤范围与深度同时确定方法。构建包括水体连通性、水质(富营养状况)和沉积物(底泥)沉积结构与污染特征清淤区划指标体系,并进行清淤分区。针对白洋淀生境破碎和空间异质化的特点,根据清淤分区,提出分区清淤的实施工艺与工程措施,并建立相应清淤过程的二次污染控制技术体系。通过人工强化启动,利用生态系统的自我恢复能力,协助受损的生态系统逐步恢复到较健康状态。

工艺流程:该技术整体流程为清淤精准分区—精准清淤施工—清淤后底栖生态修复。其中,白洋淀清淤分区工艺流程为:水体富营养与沉积物污染时空差异诊断—建立沉积物营养盐深度分布与水体富营养状况空间耦合相关模型—清淤区划指标体系构建与分区。白洋淀精准清淤施工工艺流程为:基于清淤区生态与区域特性的清淤施工工艺选择—基于下垫面条件与污染分层情况清淤深度精准控制—多维度二次污染强化控制。白洋淀底栖生态修复工艺流程为:底栖生物历史现状演变特征—关键生境影响因子识别与改善—大型沉水植物修复—底栖动物恢复与优化。

(2)底泥处理处置及资源化利用关键技术

基本原理:基于生命周期评价系统,评估了白洋淀疏浚底泥处理处置及资源化利用方式的生态环境影响,开发了底泥分质分类处理处置及资源化利用技术体系;在综合研究底泥絮凝调理对脱水性能、余水水质、风险污染物释放规律的基础上,构建了基于层次分析优化法的底泥絮凝调理方法,实现了底泥高效调理脱水与污染物释放阻控的耦合;针对重金属污染底泥,基于水固界面调控机理(水合、固结、沉淀、络合等),研发了底泥调理—板框压滤脱水—固化制备免烧砖技术工艺,同步实现底泥重金属固化与建材化利用;针对低重金属高营养污染底泥,通过高效预脱水、调节营养比例、生物菌剂强化和好氧发酵等过程将其制备成园林绿化土,解决了生物堆肥效率低、有机质稳定化不彻底等问题。

工艺流程:基于生命周期评价,系统评估白洋淀疏浚底泥处理处置路线的环境影响与综合成本,提出了底泥分类处理处置及资源化利用的工艺技术体系,突破了底泥絮凝—调理脱水技术、底泥制备免烧建材技术和底泥好氧发酵制备园林绿化土等关键技术,构建了底泥调理—真空预压脱水—坑塘回填、底泥调理—板框压滤脱水—固化制备免烧砖和底泥调理—土工管袋脱水—好氧堆肥制备园林绿化土等工艺路线,形成了底泥调理脱水减量同步无害化处理与资源化利用的工艺技术体系。

(3)科学清除围堤围埝关键技术

基本原理:由于白洋淀内存在大量鱼塘、藕塘、道路和台田,将淀区分割为大小各异的封闭水体,在降低淀区的防洪、蓄洪能力的同时,也直接导致淀区景观生态破碎化、水体之间连而不通、通而不畅、畅而不流的现状,造成淀区水动力严重受阻和污染多元化。这项关键技术以恢复淀区水动力、提升淀泊连通性为目标,通过地形数据勘测、高精度模型构建与参数优化、淀区水体交换过程研究,确定合理的清除位置、最佳的拆除深度和最优的拆除顺序;根据效果对比研究,总结归纳围堤围埝合理清除位置的分析方法与围堤围埝清除效果评估原则;提出基于水动力提升的围堤围埝科学清除方案。

工艺流程:该技术工艺流程为:围堤围埝空间分布勘测与污染状况调查—清除围堤围埝对水动力与水质模拟—确定合理拆除位置、最佳拆除深度、最优拆除顺序—拆除效果评估原则。具体如下:首先对白洋淀围堤围埝空间分布进行勘测与污染状况调查,了解围堤围埝的地理信息、用途、污染因素和污染程度;基于水动力模型模拟,根据流场、流速和水位差等相关信息,分析淀区围堤围埝合理清除位置;依据围堤围埝空间分布勘测进行白洋淀水动力模型构建,根据设置不同工况,选择合适的参数,对拆除位置、高度和顺序进行模拟分析;通过多种工况模拟分析效果,确定拆除原则,制定拆除方案;总结归纳围堤围埝合理清除位置的判定方法与清除效果评估原则,支撑淀区水体联通提升与水动力修复。

(4)芦苇平衡收割及管护长效机制构建技术

基本原理:白洋淀芦苇等水生植物曾是淀区重要的经济作物,作为可再生天然高分子材料,这些植物不仅含有纤维素、半纤维素和木质素等,可作为建筑装饰等材料,而且在生长过程中吸收水体中N、P营养元素,可有效净化水质。针对目前白洋淀地区因水生植物缺少有效管护产生的生态环境问题,充分研究芦苇等水生植物的生长规律、组成特性、管护现状以及其在白洋淀的分布、产量等,在对水生植物与水质动态关系的研究基础上,结合淀区生态物种结构的改善需求和淀区景观需求,从水生植物的全生命周期角度出发,建立适合淀区水生植物的全链条高值化全综合利用技术体系,重塑白洋淀水生植物的产业链,并基于水生植物的生态意义和经济价值,制定白洋淀水生植物的平衡收割方案,系统研究芦苇等水生植物收割对淀区生态环境的影响,最终实现淀区水生植物的生态和经济的双赢。

工艺流程:这项技术的关键在于实现白洋淀芦苇的生态平衡和产业平衡,在对白洋淀地区水生植物分布和动态变化分析的基础上,调研水生植物分布现状,并对水生植物对白洋淀水质的影响进行动态分析,分析演变规律,指导水生植物的平衡收割;根据雄安新区的建设目标,在芦苇现状调研和水生植物水质关系动态分析工作的基础上,兼顾水生植物高值化、产业化利用技术创新需求,建立并完善了基于氮磷吸收释放平衡与水质改善的芦苇平衡收割试点方案,提升淀区水质及生态环境;研发具有高科技含量及附加值的系列水生植物产品,通过高值化技术—产业应用集成,推动水生植物的收割管护,实现环境效益与经济效益的双赢。

(5)针对中低污染水域的本土微生物原位生态修复技术

基本原理:以白洋淀本土微生物作为先导,通过改良底泥环境,改善水体水质,为后续水生动植物系统的恢复提供前提,从而重建完整、健康的水生态系统,实现泥水共治,营造“水清、水美、水活”的水体。

工艺流程:包括本土微生物底质改良、本土微生物水质调控、沉水植被构建、水生动物生态系统构建和曝气复氧过程。通过投撒白洋淀本土微生物底质改良型复合菌剂,恢复底泥的有益微生物系统,可在不破坏水体底泥自然环境的条件下对底泥进行修复,减少底泥内源污染,并且改善底泥微生态,使底泥中有害微生物减少,有益微生物种类和丰度增多。通过适时适量地投加白洋淀本土微生物水质调控型复合菌剂,迅速改善水体内的微生物环境,改善水体水质、提升水体透明度,促进水生态系统的健康稳定。通过构建沉水植被系统、曝气复氧和丰富完善水体的食物链,利用生态系统的物质循环流来进一步修复水体。

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底泥处理处置及资源化利用关键技术流程图

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本土微生物引导的原位生态修复技术路线图

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