除污見清蕩碧波
來源：科技日報(bào) 2016-6-27
這兩年，家住北京青塔附近的居民發(fā)現(xiàn)自己家門前的涼水河變了模樣，水清了、樹綠了、景美了。“以前門口的這條河挺清的，還下去摸過魚，但后來水黑了，也變臭了。之前看見工人在河里施工作業(yè)，沒想到?jīng)]多久水就變清了，周邊景色也漂亮了，傍晚我們經(jīng)常在附近遛彎。”附近的一位居民說。
涼水河是北京市北運(yùn)河水系的支流，也是北京城南的主要排水河道。隨著城市的發(fā)展，很多污水未經(jīng)處理直接排入其中，讓涼水河逐漸失去昔日美景。這幾年，經(jīng)過治理，涼水河實(shí)施完成了干流長22.5公里河道清淤工程，干流長39.5公里水下結(jié)構(gòu)工程以及6處除臭工程，實(shí)現(xiàn)了城市段基本還清，消除黑臭現(xiàn)象，全線基本建成濱水綠道。如今的涼水河岸畔綠樹成蔭，不再是臟臭的代名詞，沿河段還能欣賞“源起荷香”“水關(guān)凈月”等水色美景。
與涼水河一樣，這幾年北京的多條河流都已大變樣：清河波光粼粼，野鴨棲息，居民們愉悅漫步；筒子河重現(xiàn)水清岸綠……京城的河湖水系一天比一天潔凈、美麗、容光煥發(fā)，市民更愿意親水、游水、依水。
讓京城水系“變臉”的“魔術(shù)師”是來自清華大學(xué)和北控水務(wù)集團(tuán)有限公司等單位的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)。經(jīng)過幾年研究及實(shí)踐，清華大學(xué)劉翔教授帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在北京市重點(diǎn)科技項(xiàng)目和國家重大水專項(xiàng)課題的支持下開發(fā)出“城市面源污染控制與景觀水體改善成套技術(shù)”，針對城市面源污染控制、非常規(guī)水資源（雨水徑流、再生水）安全利用、以再生水為主要補(bǔ)充水源的景觀水體水質(zhì)改善等需求，研發(fā)了12類核心技術(shù)，形成了城市面源污染全過程控制和景觀水體水質(zhì)綜合整治的技術(shù)思路和成套技術(shù)，對北京市乃至全國的城市水體環(huán)境治理做出了積極貢獻(xiàn)。為此，該項(xiàng)目榮獲2015年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
“有水皆污”已成城市頑疾
河水清澈，水草飄搖，魚翔淺底，是每一位百姓心向往之的生動(dòng)圖景。然而，我國城市河流有90%左右受到污染，出現(xiàn)河水滯流、水體厭氧、生態(tài)退化、淤積嚴(yán)重、透明度差，甚至發(fā)生黑臭等問題。
“由于水體污染負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過城市受納水體的環(huán)境容量，導(dǎo)致河水中有機(jī)物、氨氮等污染物嚴(yán)重超標(biāo)，水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞，生物多樣性銳減，城市水體的生態(tài)功能和使用功能日益衰退，水體修復(fù)和水生態(tài)功能恢復(fù)的難度明顯加大，城市河流水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)處于失衡狀態(tài)。”課題組負(fù)責(zé)人，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授劉翔說。
同時(shí)，城市污水中氮磷污染物未經(jīng)有效去除，又成為城市水體發(fā)生富營養(yǎng)化的重要誘因，造成水體生態(tài)功能的衰退甚至喪失，水生生態(tài)環(huán)境的破壞已經(jīng)成為城市生態(tài)文明建設(shè)的主要障礙。“有水皆污”“河道黑臭”已經(jīng)成為許多城市面臨亟待解決的環(huán)境頑疾。
“水是城之韻，質(zhì)是水之魂。”劉翔說，城市水環(huán)境綜合整治和水體修復(fù)技術(shù)是破解上述難題的有效方法。
據(jù)了解，城市水體修復(fù)技術(shù)是指根據(jù)生態(tài)學(xué)和環(huán)境學(xué)的原理，綜合運(yùn)用水生生物和微生物的方法，使污染水體得到改善或恢復(fù)所采用的技術(shù)。其特點(diǎn)是充分發(fā)揮現(xiàn)有水環(huán)境工程的作用，綜合利用流域內(nèi)的濕地、灘涂、水塘、堤坡及水生生物等自然資源及人工合成材料，對城市水域自恢復(fù)能力和自凈能力進(jìn)行強(qiáng)化恢復(fù)或提升。
生態(tài)修復(fù)就是恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)合理的結(jié)構(gòu)、高效的功能和協(xié)調(diào)的關(guān)系，就是重建受損生態(tài)系統(tǒng)的功能以及相關(guān)的物理、化學(xué)和生物特性。“修復(fù)的目的就是要再現(xiàn)一個(gè)自然的、能自我調(diào)節(jié)的生態(tài)系統(tǒng)，使它與它所在的生態(tài)景觀形成一個(gè)完整的統(tǒng)一體。”劉翔解釋說。
基于上述原理，課題組提出，城市水體綜合治理的總體技術(shù)思路為：控源為本，調(diào)配優(yōu)先，多元為輔，強(qiáng)化應(yīng)急，景觀共建。
劉翔告訴記者，大多數(shù)城市水體最主要的問題是污染源控制不徹底、河流生態(tài)基流不足引起的。污染源治理不到位導(dǎo)致水質(zhì)超標(biāo)，生態(tài)基流不足致使水流緩滯，進(jìn)而引發(fā)一系列的水環(huán)境問題。因而水質(zhì)改善最有效的方法就是控源截污、生態(tài)修復(fù)和水流改善，實(shí)現(xiàn)水體的良性循環(huán)。
另外，“還可以通過多元生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建、河水充氧、底質(zhì)控制等輔助技術(shù)促進(jìn)和提升水質(zhì)改善和生態(tài)修復(fù)的效果。”劉翔說。
面源污染不解難有清清小河
要將一個(gè)受損的生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能恢復(fù)到受損前的水平是一項(xiàng)艱巨、困難和漫長的工作。
課題組面臨的首個(gè)挑戰(zhàn)就是城市面源污染的排查。面源污染是指通過降雨和地表徑流沖刷，將大氣和地表中的污染物帶入受納水體，使受納水體遭受污染的現(xiàn)象。隨著我國城市化快速發(fā)展，新舊城區(qū)不同排水系統(tǒng)的交錯(cuò)，污水和雨水管道混接現(xiàn)象普遍存在，大量污染物由地表暴雨徑流排入水體。
通常，河流污染的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;來自于那些偷排廢水的工業(yè)企業(yè)和直接排入河流的生活污水。劉翔告訴記者，來自工業(yè)企業(yè)和生活污水的直排入河這類有固定排放點(diǎn)的“點(diǎn)源污染”的確是重要污染來源，但是那些沒有固定排放點(diǎn)的污染物經(jīng)降雨和融雪沖刷而產(chǎn)生的 “面源污染”，對水環(huán)境的殺傷力其實(shí)也非常大。
這種面源污染包括：建筑工地的積塵與淤泥、汽車灑在馬路上的尾氣沉淀物和漏油、小商販產(chǎn)生的油污泔水等等，它們在降雨后沒有進(jìn)入污水管，而是經(jīng)過雨水管道未經(jīng)處理直接流向了河道，還有一些合流式污水管在雨天的溢流排放。
劉翔指出，特別是在暴雨初期，由于降雨徑流將地表的、沉積在下水管網(wǎng)的污染物，在短時(shí)間內(nèi)，突發(fā)性沖刷匯入受納水體，而引起水體污染。“據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京在暴雨初期污染物濃度超過平時(shí)污水濃度3倍甚至更高。城市面源具有分散性、高流量和重污染等特點(diǎn)。”
顯然，要治理水環(huán)境，只關(guān)注點(diǎn)源污染還不夠，如果不能妥善解決面源污染，水環(huán)境就無法真正改善，即使暫時(shí)性好轉(zhuǎn)了也難以長效保持。
摸清底數(shù)才能理出治水路數(shù)。面源污染往往比較分散、隱蔽、隨機(jī)，研究和防控難度更大，尤其是隨著城市快速發(fā)展，地下管道早已變得錯(cuò)綜復(fù)雜，排查起來十分困難。
在劉翔的帶領(lǐng)下，科研團(tuán)隊(duì)與相關(guān)單位合作，通過投放標(biāo)示物、放煙以及模型模擬等方法，對片區(qū)內(nèi)雨污水管線以及河道各個(gè)排污口的數(shù)量、位置坐標(biāo)、水量、水質(zhì)、時(shí)間段等情況進(jìn)行了全面排查和分析。
經(jīng)過細(xì)致排查，他們對治理片區(qū)內(nèi)的污染來源、構(gòu)成等做到心里有數(shù)。科研團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地開展了城市降雨徑流面源污染控制、非常規(guī)水資源（雨水徑流、再生水）的水質(zhì)凈化與安全利用，以及收納雨水徑流和以再生水為主要補(bǔ)充水源的城市景觀水體的水質(zhì)改善關(guān)鍵技術(shù)和核心設(shè)備的研究。
科研團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)突破了城市面源從源頭產(chǎn)生、輸送過程、到最終排放入河等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制技術(shù)以及入河污染源控制、補(bǔ)水水質(zhì)提升、河道自凈能力恢復(fù)、水體生態(tài)修復(fù)、河水應(yīng)急處理等水體修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)，形成了“源頭削減—過程控制—末端凈化”的城市面源污染全過程治理，以及“補(bǔ)水水質(zhì)提升—水體水動(dòng)力改善—河水水質(zhì)凈化—水體生態(tài)修復(fù)”的景觀水體水質(zhì)綜合改善的技術(shù)體系。
據(jù)了解，科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了管網(wǎng)溢流控制、初期雨水分時(shí)收集、雨水旋流—快濾組合處理等城市面源控制成套技術(shù)和對氮磷有高效截留/去除作用的專用濾料。技術(shù)實(shí)施對城市徑流產(chǎn)生的面源污染SS、COD、NH3-N、TN和TP的去除率分別達(dá)到95%、50%、80%、30%和70%，比現(xiàn)有同類技術(shù)有大幅度的提高。
此外，針對雨水徑流、再生水補(bǔ)水、分散式直排污水、水產(chǎn)養(yǎng)殖等污染源，開發(fā)了堤岸式滲濾、功能型人工濕地、真空截污、旁路凈化槽等污染控制技術(shù)。各項(xiàng)技術(shù)在工程中的實(shí)施效果比現(xiàn)有技術(shù)水平均有較大幅度的提升。
課題組還開發(fā)了濕地恢復(fù)、堤岸生態(tài)修復(fù)、水體多元生態(tài)構(gòu)建、人工增氧造流、底泥消化抑制劑、水體透析等水體凈化與修復(fù)技術(shù)。“該類技術(shù)可以有效控制河水黑臭、能夠適用于不同條件及要求的水體修復(fù)。”劉翔說。
同時(shí)，課題組還研究出了城市垃圾分散收集和封閉管理的實(shí)用技術(shù)，開發(fā)了垃圾滲濾液的收集和快速處理技術(shù)。總有機(jī)負(fù)荷去除達(dá)90%以上，氨氮和總磷也得到了較好的控制，大幅度降低了城市面源產(chǎn)生的污染物濃度和負(fù)荷總量，為后續(xù)面源控制與管理創(chuàng)造了有力條件。
萬頃綠波惠民生
隨著緊鑼密鼓的治理，京城的河湖水系正變得越來越潔凈，越來越靚，越來越宜人。
劉翔告訴記者，課題組在北京市實(shí)施應(yīng)用工程6項(xiàng)，先后在中關(guān)村環(huán)保科技園和海淀區(qū)東埠頭溝開展了城市面源污染控制與雨水再利用、再生水品質(zhì)提升與河道生態(tài)修復(fù)等工程示范，在海淀、懷柔、大興、通州等地的溫榆河、涼水河、雁棲湖和稻香湖等小流域綜合整治與水環(huán)境改善工程中得到推廣應(yīng)用。
其中應(yīng)用了“旋流—快濾”“滲透性堤岸過濾”“功能型人工濕地”“水動(dòng)力調(diào)控”“多元生態(tài)構(gòu)建”等7項(xiàng)核心技術(shù)，整治河道100公里，修復(fù)水體600公頃。工程實(shí)施后城市面源污染得到有效控制、水體消除黑臭現(xiàn)象、水質(zhì)得到顯著改善，為實(shí)現(xiàn)首都“三環(huán)碧水繞京城、十區(qū)清川映新城、萬頃綠波惠民生”的水環(huán)境整治總體目標(biāo)，特別是北京市上游地區(qū)—海淀山后地區(qū)和懷柔區(qū)的水環(huán)境改善提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，取得了顯著的社會(huì)效益和環(huán)境效益。
據(jù)了解，海淀北部新區(qū)水環(huán)境改善技術(shù)集成與示范工程實(shí)現(xiàn)面源負(fù)荷削減30%—50%，河道水質(zhì)由地表水劣Ⅴ類提升至基本滿足IV類標(biāo)準(zhǔn)。稻香湖再生水廠靠近翠湖濕地，是海淀北部的“生態(tài)綠心”，經(jīng)深度處理和濕地處理的再生水作為景觀補(bǔ)水就近回用。雁棲湖位于北京郊區(qū)懷柔城北，承擔(dān)開展包括APEC峰會(huì)在內(nèi)的許多大型活動(dòng)及旅游業(yè)，項(xiàng)目恢復(fù)上游濕地，污染物總量削減30%—70%。
這項(xiàng)成果不僅僅造福北京一方，還在全國各個(gè)地區(qū)，如常州、南寧、沈陽等城市得到了推廣應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益，也為我國城市面源污染治理和景觀水體修復(fù)提供了成套技術(shù)方案和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
【編者注：本文節(jié)選自《激勵(lì)引領(lǐng)創(chuàng)新 共建全國科技創(chuàng)新中心——“2015年北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”獲獎(jiǎng)項(xiàng)目巡禮（二）》】
編輯：苑苑
