“水專項(xiàng)”基礎(chǔ)理論探索和創(chuàng)新為治水提供支撐
太湖流域典型示范工程現(xiàn)場技術(shù)交流
鋼鐵行業(yè)焦化廢水深度處理現(xiàn)場調(diào)研
農(nóng)田面源污染研究試驗(yàn)區(qū)
太湖藍(lán)藻水華監(jiān)測及變化趨勢影響分析
15年，突破一批關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)一批核心材料及國產(chǎn)化成套裝備，取得一系列創(chuàng)新成果，“水體污染控制與治理”科技重大專項(xiàng)（以下簡稱“水專項(xiàng)”）自2006年啟動至今碩果累累。
問渠哪得清如許，為有源頭活水來。
在解決流域、區(qū)域水環(huán)境問題之外，“十三五”期間，“國家水體污染控制與治理技術(shù)體系與發(fā)展戰(zhàn)略”課題（2018ZX07701001）設(shè)置水專項(xiàng)理論創(chuàng)新成果的專題研究任務(wù)，在理論上尋求突破，在實(shí)踐中總結(jié)凝練，用基礎(chǔ)理論研究為科技和管理創(chuàng)新提供源頭供給。
由各標(biāo)志性成果牽頭，相關(guān)科研單位系統(tǒng)梳理水專項(xiàng)實(shí)施以來在基礎(chǔ)理論探索和創(chuàng)新方面開展的研究和取得的進(jìn)展，增強(qiáng)技術(shù)成果的原理性和機(jī)理性創(chuàng)新，以期為解決當(dāng)前水污染治理和管理面臨的科學(xué)難題提供決策支撐。
深度解析重點(diǎn)行業(yè)，引領(lǐng)治污技術(shù)發(fā)展
長期以來，工業(yè)廢水對我國污染排放總量的貢獻(xiàn)比重居高不下，因工業(yè)廢水排放導(dǎo)致的水污染問題日趨嚴(yán)峻。尤其鋼鐵、石化、制藥、有色、造紙、皮革、印染和農(nóng)副產(chǎn)品深加工等行業(yè)，既是國家層面和各流域?qū)用嬷攸c(diǎn)關(guān)注的八大行業(yè)，也是工業(yè)水污染治理急需啃下的“硬骨頭”。
謀定而后動。要開展廢水污染處理控制，必須率先明確各行業(yè)特征污染物的貢獻(xiàn)及分布規(guī)律，找出生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵產(chǎn)水產(chǎn)污節(jié)點(diǎn)，分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行負(fù)荷削減和污染治理，才能有效實(shí)現(xiàn)基于全過程控制的行業(yè)水污染治理模式。
按照這個思路，課題首先剖析了相關(guān)成果對各重點(diǎn)行業(yè)內(nèi)部各產(chǎn)污節(jié)點(diǎn)和污染物排放水平的研究，明晰各生產(chǎn)工序、裝置的污染成都。
在重點(diǎn)行業(yè)中，傳統(tǒng)末端無害化水污染控制技術(shù)存在穩(wěn)定性差和成本高的局限性。針對這一問題，課題提出將行業(yè)廢污水末端處理和控制向上游轉(zhuǎn)移的理念，深度揭示了在原料使用、產(chǎn)品產(chǎn)生、廢物處理、排放的全過程中，對不同環(huán)節(jié)特征污染物實(shí)施減排的重要意義和有效技術(shù)手段，明確了基于“問題識別-過程減排-末端無害化-優(yōu)化集成”全過程綜合控污技術(shù)方法在典型重化工行業(yè)水污染控制領(lǐng)域的核心地位，指明了未來全過程控制作為行業(yè)水污染控制技術(shù)體系的發(fā)展方向，以及在推動行業(yè)清潔生產(chǎn)水平和產(chǎn)業(yè)升級改造方面的重要影響及作用。
找到規(guī)律后，課題更進(jìn)一步，集成了各重點(diǎn)行業(yè)的全過程控制技術(shù)原理、技術(shù)突破及控制路線。
在石化行業(yè)，通過剖析廢水排放特征以及污染處理現(xiàn)狀特點(diǎn)，課題提出了集廢水污染物源解析、生產(chǎn)工藝改進(jìn)及管理減排、廢水分質(zhì)處理策略的選擇、廢水預(yù)處理、生物處理和深度處理等技術(shù)為一體的石化行業(yè)水污染全過程控制技術(shù)體系及控制路線，著重闡述了關(guān)鍵工藝單元及技術(shù)突破原理，從石油開采、石油煉制、大宗有機(jī)化學(xué)品生產(chǎn)、高分子合成行業(yè)、高分子合成材料成型全生命周期的視角，實(shí)現(xiàn)石化行業(yè)水污染全過程控制。
而針對當(dāng)前末端污染治理無法根本解決鋼鐵行業(yè)污染問題的嚴(yán)峻形式，課題指出了基于全生命周期的鋼鐵行業(yè)水污染全過程控制的必要性，明確清潔生產(chǎn)審核及關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)、技術(shù)集成與全局優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化與行業(yè)推廣等鋼鐵行業(yè)水污染全過程控制的3個實(shí)施階段，深入闡述干熄焦清潔生產(chǎn)焦化廢水強(qiáng)化處理及回用高鹽廢水電膜制酸堿等8項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)的關(guān)鍵工藝流程及技術(shù)突破。
圍繞制藥行業(yè)，課題集成了優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、清潔生產(chǎn)、分質(zhì)處理及資源回用、強(qiáng)化末端治理四個方面的研究成果，系統(tǒng)闡釋了制藥行業(yè)水污染防治全過程控制的技術(shù)內(nèi)涵和控制路線，并對清潔生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)、分質(zhì)處理及資源回收關(guān)鍵技術(shù)和末端治理關(guān)鍵技術(shù)的原理及關(guān)鍵工藝單元進(jìn)行了解析。
通過對紡織印染行業(yè)廢水產(chǎn)排污特征和當(dāng)前廢水處理技術(shù)特點(diǎn)及局限的剖析，課題明確了包括節(jié)水減排集成技術(shù)和末端處理技術(shù)在內(nèi)的印染行業(yè)水污染全過程控制技術(shù)體系，構(gòu)建了控制路線圖，并系統(tǒng)闡述了印染行業(yè)基于水封法的冷凝水回收技術(shù)、印染廢水的自絮凝技術(shù)、零價鐵強(qiáng)化厭氧處理印染廢水技術(shù)等13項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)原理。
在梳理造紙行業(yè)的總體技術(shù)思路及技術(shù)路線后，課題提出造紙行業(yè)水污染全過程控制方案的3個實(shí)施階段，即清潔生產(chǎn)審核及關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)、技術(shù)集成與工藝包、標(biāo)準(zhǔn)化與行業(yè)推廣，指明清潔生產(chǎn)工藝、廢棄物資源化和污染物無害化與水回用等關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)的3個層面，解析非木漿造紙節(jié)水減排清潔生產(chǎn)集成技術(shù)、基于磁化和仿酶技術(shù)的制漿造紙廢水深度處理減排技術(shù)、楔形高濃度污泥床水解酸化技術(shù)等在內(nèi)的5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)原理，為形成全局優(yōu)化工藝包提供理論支撐。
皮革行業(yè)的水污染全過程控制體系組成構(gòu)架則是基于清潔工藝、廢棄物資源化、污染物無害化與水回用等技術(shù)，課題闡明了清潔生產(chǎn)與廢棄物資源化和污染物無害化與深度處理的技術(shù)原理和集成思路，為提升皮革行業(yè)水污染控制和資源化整體技術(shù)水平奠定基礎(chǔ)。
結(jié)合食品加工行業(yè)的發(fā)展需求和水污染治理需要，課題針對玉米深加工、大豆深加工、果汁深加工、味精深加工和釀造（發(fā)酵）加工等食品加工重點(diǎn)行業(yè)的全過程控制體系構(gòu)建原理及內(nèi)涵進(jìn)行闡述，深入解析了玉米加工、大豆加工、糠醛加工等六大行業(yè)集成技術(shù)原理及技術(shù)突破，為食品行業(yè)水污染低成本有效控制、食品行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興環(huán)保產(chǎn)業(yè)三大目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有力的科技支撐。
闡明農(nóng)業(yè)面源污染特征，助力最佳適用技術(shù)模式研發(fā)
水專項(xiàng)立項(xiàng)以來，針對農(nóng)業(yè)面源污染及其防治對策開展了大量深入的研究。課題基于長期定位實(shí)驗(yàn)監(jiān)測和實(shí)地調(diào)研等相關(guān)研究成果，明確了種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活污水等方面主要污染物的來源、輸出及其組成，識別了重點(diǎn)污染物的產(chǎn)排污特征，量化了產(chǎn)排污及入河系數(shù)，為提出最佳適用技術(shù)模式和技術(shù)推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
課題全面梳理了不同作物系統(tǒng)氮磷的投入、輸出總量及組成，指出了化肥施用對于農(nóng)田氮高投入狀態(tài)的決定性作用，以及徑流氮排放在種植業(yè)面源污染中的突出貢獻(xiàn)，明確了周年氮平衡內(nèi)部組成與結(jié)構(gòu)，以及各項(xiàng)影響因素在不同作物系統(tǒng)中對氮平衡影響作用的差異；獲得了磷的主要損失途徑為徑流輸出、顆粒態(tài)磷是磷損失的主要形態(tài)等重要結(jié)論。由此，進(jìn)一步結(jié)合田間原位監(jiān)測，定量分析了農(nóng)田徑流氮磷的沿程去除與入河率。
通過追蹤辨識種植業(yè)從源頭產(chǎn)生-沿程遷移-入河消納的全過程氮磷流失特征，得出了化肥施用和徑流損失控制是農(nóng)田面源污染減排重點(diǎn)、作物生長前期是徑流攔截控制重要時段的原理性結(jié)論，為農(nóng)田氮磷流失綜合治理的“源頭減量-過程攔截-養(yǎng)分再利用-末端修復(fù)”的“4R”技術(shù)體系構(gòu)建提供指引，為提出源頭減少氮磷排放、全過程攔截系統(tǒng)建設(shè)、全面開展長期定位監(jiān)測和加強(qiáng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和物化研究等農(nóng)田種植業(yè)面源污染控制對策與技術(shù)途徑建議提供依據(jù)。
養(yǎng)殖業(yè)污染排放總量大、污染份額高、治污水平低，對農(nóng)業(yè)面源污染貢獻(xiàn)巨大。基于水專項(xiàng)針對太湖流域養(yǎng)殖業(yè)10年來的監(jiān)測及調(diào)研成果，測算了流域內(nèi)47個養(yǎng)豬場和10個水產(chǎn)養(yǎng)殖場在不同養(yǎng)殖模式、不同糞污收集方式下典型污染物的產(chǎn)排污系數(shù)和入河系數(shù)，總結(jié)了不同養(yǎng)殖模式和糞污處理方式下污染物流失規(guī)律，明確了糞污收集與處理過程中氮揮發(fā)對養(yǎng)殖業(yè)氮流失總量的決定性作用和加大養(yǎng)殖場磷治理力度對于太湖水體水質(zhì)改善的重要意義。
農(nóng)村生活污水來源分散且復(fù)雜、排放量大、增長速度快、處理水平低，已成為我國河流污染的重要驅(qū)動因素。課題以農(nóng)村生活污水產(chǎn)排污調(diào)研數(shù)據(jù)和水專項(xiàng)產(chǎn)出的相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，以太湖和巢湖兩大典型流域?yàn)槔瑥奈鬯a(chǎn)生系數(shù)、產(chǎn)污系數(shù)、折算綜合家庭污水濃度等11個方面，全面測算了兩大流域農(nóng)村生活污水產(chǎn)排污系數(shù)，定量解析了農(nóng)村生活污水產(chǎn)排污特征，得到了經(jīng)由化糞池-污水管網(wǎng)-污水處理設(shè)施后，各項(xiàng)污染物排放系數(shù)削減率均不低于74%的整體結(jié)論。
農(nóng)村生活污水產(chǎn)排污系數(shù)的測定對村鎮(zhèn)分散水源地特征污染物識別、水源地特征污染物控制與水源水預(yù)處理等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義，為相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用推廣提供科學(xué)依據(jù)。
揭示湖泊富營養(yǎng)化機(jī)制，解析控制修復(fù)技術(shù)原理
湖泊富營養(yǎng)化是水專項(xiàng)十分關(guān)注的領(lǐng)域。花費(fèi)巨資卻給人以“越治越污——亂花錢”、“治理無效——白花錢”、“方法不對——錯花錢”的尷尬印象，這是淺水湖泊富營養(yǎng)化治理的世界性難題，也是實(shí)踐中需要解決的問題。
科學(xué)的政策離不開科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。水專項(xiàng)研究首先在標(biāo)準(zhǔn)制定上發(fā)力，系統(tǒng)總結(jié)了重點(diǎn)湖泊水華暴發(fā)營養(yǎng)鹽閾值相關(guān)研究成果，剖析了我國湖泊營養(yǎng)鹽分級標(biāo)準(zhǔn)中缺少湖泊富營養(yǎng)化指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)、湖泊營養(yǎng)鹽基準(zhǔn)缺乏地區(qū)化差異等現(xiàn)存問題，提出了我國中東部平原和云貴高原兩大重點(diǎn)湖區(qū)湖泊富營養(yǎng)化分級控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)建議值。依據(jù)藍(lán)藻水華暴發(fā)國際標(biāo)準(zhǔn)，基于太湖、巢湖、滇池和洱海10年來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，明確了四大典型湖泊基于水華暴發(fā)的氮磷控制閾值。
圍繞太湖重點(diǎn)開展藍(lán)藻水華暴發(fā)與控制機(jī)理研究，明確了2005年~2018年間太湖葉綠素a濃度波動范圍和不同時段內(nèi)葉綠素a濃度的變化趨勢，分析了太湖藍(lán)藻水華10年來時空變化特征，剖析了氣溫和風(fēng)場對太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的重要影響，提出了冬春季溫度對于太湖夏季藍(lán)藻水華強(qiáng)度具有強(qiáng)影響、藍(lán)藻水華面積與風(fēng)速存在顯著負(fù)相關(guān)的整體結(jié)論。進(jìn)一步，解析了太湖2016年~2017年藍(lán)藻暴發(fā)對總磷的貢獻(xiàn)，明確了太湖多數(shù)湖區(qū)藍(lán)藻水華與總磷含量的因果關(guān)系，指出了內(nèi)源在水華暴發(fā)期對水體磷負(fù)荷的顯著貢獻(xiàn)。
如何恢復(fù)湖泊的水生態(tài)，促進(jìn)植被的生態(tài)演替,是水專項(xiàng)研究的另一個重點(diǎn)。
藻型-草型生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化理論是湖泊水生態(tài)植被恢復(fù)的基本原理。通過對湖泊水生態(tài)植被恢復(fù)原理的解析以及對我國富營養(yǎng)化湖泊治理和生態(tài)恢復(fù)歷史進(jìn)程的回顧與總結(jié)，明確了湖泊富營養(yǎng)化治理和生態(tài)恢復(fù)“控源截污—生境改善—生態(tài)恢復(fù)”的戰(zhàn)略路線，為典型湖泊水生植被恢復(fù)技術(shù)途徑建議的提出提供指引，為進(jìn)一步推動湖濱帶生態(tài)修復(fù)、湖內(nèi)水華藍(lán)藻控制與水質(zhì)改善以及水生態(tài)調(diào)控與管理等方面的技術(shù)研發(fā)奠定基礎(chǔ)。
集成流域管理理論，指明技術(shù)突破方向
長期以來，在流域水環(huán)境管理領(lǐng)域，水環(huán)境本土化基準(zhǔn)、水質(zhì)與污染控制響應(yīng)關(guān)系和水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制缺失問題一直存在。同時，在水專項(xiàng)啟動之初,我國尚未形成面向水質(zhì)目標(biāo)的環(huán)境管理技術(shù)體系,從根本上限制著流域水環(huán)境管理技術(shù)的突破性和有效性，極大地制約了流域水環(huán)境管理對我國水環(huán)境保護(hù)的貢獻(xiàn)作用。
課題系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外流域水質(zhì)目標(biāo)管理的原理及發(fā)展進(jìn)程，突破了我國當(dāng)前以水化學(xué)目標(biāo)為主的管理要求,明確水質(zhì)目標(biāo)的設(shè)定主要是針對水生態(tài)系統(tǒng)完整性的保護(hù)和恢復(fù)，結(jié)合我國當(dāng)前水環(huán)境現(xiàn)狀，搭建具有我國特色的水質(zhì)目標(biāo)管理指標(biāo)體系，在水化學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，延展至水生態(tài)、水化學(xué)、水風(fēng)險(xiǎn)和水文水量等目標(biāo)。以水環(huán)境目標(biāo)改善為核心，以水環(huán)境基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)和功能分區(qū)為基礎(chǔ)，按照“目標(biāo)制定、問題診斷、管理方式”為主線，形成了適應(yīng)我國水環(huán)境管理需求的關(guān)鍵管理技術(shù)手段。
科學(xué)確立目標(biāo)才能精準(zhǔn)施策。就像系扣子，如果“第一顆扣子”出現(xiàn)偏差，后面一系列的決策都將失去根基。水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)是水質(zhì)目標(biāo)的依據(jù),針對我國水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)主要是依據(jù)國外基準(zhǔn)研究成果指定,存在過保護(hù)和欠保護(hù)的問題,明確了水環(huán)境基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)涵及分類，建立了我國水環(huán)境基準(zhǔn)技術(shù)體系,解決了我國水環(huán)境基準(zhǔn)本土化關(guān)鍵技術(shù),解析了水質(zhì)基準(zhǔn)向水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化原理和關(guān)鍵技術(shù)，闡明了水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的內(nèi)涵，集成突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)和累積性風(fēng)險(xiǎn)管理的原理及方法。
針對不同環(huán)境問題實(shí)施分類管理模式，在水質(zhì)目標(biāo)管理原理梳理集成的基礎(chǔ)上，課題重點(diǎn)突破基于水質(zhì)的排污許可管理技術(shù)、流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、水生態(tài)健康分區(qū)管控、重點(diǎn)行業(yè)最佳可行技術(shù)評估、生態(tài)流量管控、流域水環(huán)境監(jiān)測與大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)和水環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策工具包建設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)、政策和平臺，明確了水質(zhì)目標(biāo)的組成、確定方式及制定標(biāo)準(zhǔn)，形成了流域水質(zhì)目標(biāo)管理的四大模式，即容量總量控制模式、水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理模式、生態(tài)流量保障模式和水生態(tài)管理模式，系統(tǒng)闡述了四大模式的內(nèi)涵、核心組成、重要作用及戰(zhàn)略意義，并梳理了四大模式在全國重點(diǎn)流域的應(yīng)用案例。
太湖流域就是容量總量控制模式的典型示范區(qū)。太湖流域是全國河道密度最大的地區(qū)，也是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，是容量總量控制模式的典型示范區(qū)。近年來，太湖流域氮磷污染負(fù)荷居高不下，藍(lán)藻暴發(fā)仍未得到有效控制，流域水生態(tài)系統(tǒng)受損嚴(yán)重。針對氮磷污染控制要求，課題研究提出了太湖富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)，核定太湖流域（江蘇）70個控制單元的水環(huán)境容量，對流域內(nèi)1024個重點(diǎn)污染源主要水污染物初始許可量進(jìn)行分配，并配套制定了太湖流域水污染排放許可證的政策，并通過蘇州常熟、常州武進(jìn)、無錫宜興3個示范區(qū)，開展基于水環(huán)境質(zhì)量要求的排污許可制度應(yīng)用示范，取得良好的運(yùn)行效果，極大地改善了流域環(huán)境。針對太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)退化，劃定了太湖流域水生態(tài)功能區(qū)，制定了太湖流域包括水化學(xué)、水生物完整、物種保護(hù)和土地利用等水生態(tài)目標(biāo)體系，提出了水生態(tài)健康監(jiān)測、評估和考核辦法。
作為水專項(xiàng)實(shí)施10多年來成果總結(jié)凝練的重要出口，課題突出系統(tǒng)性和科學(xué)性，集成流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)理論，突破水環(huán)境基準(zhǔn)本土化、水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、水生態(tài)健康管理、大數(shù)據(jù)平臺等關(guān)鍵技術(shù)，形成了面向水生態(tài)健康、容量總量控制、水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理和生態(tài)流量保障的分類技術(shù)模式，引領(lǐng)了我國水環(huán)境管理核心技術(shù)突破方向。
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