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“水專項”基礎理論探索和創新為治水提供支撐

太湖流域典型示范工程現場技術交流

鋼鐵行業焦化廢水深度處理現場調研

農田面源污染研究試驗區

太湖藍藻水華監測及變化趨勢影響分析

　　15年，突破一批關鍵技術，研發一批核心材料及國產化成套裝備，取得一系列創新成果，“水體污染控制與治理”科技重大專項（以下簡稱“水專項”）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、區域水環境問題之外，“十三五”期間，“國家水體污染控制與治理技術體系與發展戰略”課題（2018ZX07701001）設置水專項理論創新成果的專題研究任務，在理論上尋求突破，在實踐中總結凝練，用基礎理論研究為科技和管理創新提供源頭供給。

　　由各標志性成果牽頭，相關科研單位系統梳理水專項實施以來在基礎理論探索和創新方面開展的研究和取得的進展，增強技術成果的原理性和機理性創新，以期為解決當前水污染治理和管理面臨的科學難題提供決策支撐。

　　深度解析重點行業，引領治污技術發展

　　長期以來，工業廢水對我國污染排放總量的貢獻比重居高不下，因工業廢水排放導致的水污染問題日趨嚴峻。尤其鋼鐵、石化、制藥、有色、造紙、皮革、印染和農副產品深加工等行業，既是國家層面和各流域層面重點關注的八大行業，也是工業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特征污染物的貢獻及分布規律，找出生產過程中的關鍵產水產污節點，分節點進行負荷削減和污染治理，才能有效實現基于全過程控制的行業水污染治理模式。

　　按照這個思路，課題首先剖析了相關成果對各重點行業內部各產污節點和污染物排放水平的研究，明晰各生產工序、裝置的污染成都。

　　在重點行業中，傳統末端無害化水污染控制技術存在穩定性差和成本高的局限性。針對這一問題，課題提出將行業廢污水末端處理和控制向上游轉移的理念，深度揭示了在原料使用、產品產生、廢物處理、排放的全過程中，對不同環節特征污染物實施減排的重要意義和有效技術手段，明確了基于“問題識別-過程減排-末端無害化-優化集成”全過程綜合控污技術方法在典型重化工行業水污染控制領域的核心地位，指明了未來全過程控制作為行業水污染控制技術體系的發展方向，以及在推動行業清潔生產水平和產業升級改造方面的重要影響及作用。

　　找到規律后，課題更進一步，集成了各重點行業的全過程控制技術原理、技術突破及控制路線。

　　在石化行業，通過剖析廢水排放特征以及污染處理現狀特點，課題提出了集廢水污染物源解析、生產工藝改進及管理減排、廢水分質處理策略的選擇、廢水預處理、生物處理和深度處理等技術為一體的石化行業水污染全過程控制技術體系及控制路線，著重闡述了關鍵工藝單元及技術突破原理，從石油開采、石油煉制、大宗有機化學品生產、高分子合成行業、高分子合成材料成型全生命周期的視角，實現石化行業水污染全過程控制。

　　而針對當前末端污染治理無法根本解決鋼鐵行業污染問題的嚴峻形式，課題指出了基于全生命周期的鋼鐵行業水污染全過程控制的必要性，明確清潔生產審核及關鍵技術開發、技術集成與全局優化、標準化與行業推廣等鋼鐵行業水污染全過程控制的3個實施階段，深入闡述干熄焦清潔生產焦化廢水強化處理及回用高鹽廢水電膜制酸堿等8項關鍵核心技術的關鍵工藝流程及技術突破。

　　圍繞制藥行業，課題集成了優化產業結構、清潔生產、分質處理及資源回用、強化末端治理四個方面的研究成果，系統闡釋了制藥行業水污染防治全過程控制的技術內涵和控制路線，并對清潔生產關鍵技術、分質處理及資源回收關鍵技術和末端治理關鍵技術的原理及關鍵工藝單元進行了解析。

　　通過對紡織印染行業廢水產排污特征和當前廢水處理技術特點及局限的剖析，課題明確了包括節水減排集成技術和末端處理技術在內的印染行業水污染全過程控制技術體系，構建了控制路線圖，并系統闡述了印染行業基于水封法的冷凝水回收技術、印染廢水的自絮凝技術、零價鐵強化厭氧處理印染廢水技術等13項關鍵技術原理。

　　在梳理造紙行業的總體技術思路及技術路線后，課題提出造紙行業水污染全過程控制方案的3個實施階段，即清潔生產審核及關鍵技術開發、技術集成與工藝包、標準化與行業推廣，指明清潔生產工藝、廢棄物資源化和污染物無害化與水回用等關鍵技術開發的3個層面，解析非木漿造紙節水減排清潔生產集成技術、基于磁化和仿酶技術的制漿造紙廢水深度處理減排技術、楔形高濃度污泥床水解酸化技術等在內的5項關鍵技術原理，為形成全局優化工藝包提供理論支撐。

　　皮革行業的水污染全過程控制體系組成構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，課題闡明了清潔生產與廢棄物資源化和污染物無害化與深度處理的技術原理和集成思路，為提升皮革行業水污染控制和資源化整體技術水平奠定基礎。

　　結合食品加工行業的發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（發酵）加工等食品加工重點行業的全過程控制體系構建原理及內涵進行闡述，深入解析了玉米加工、大豆加工、糠醛加工等六大行業集成技術原理及技術突破，為食品行業水污染低成本有效控制、食品行業可持續發展和培育發展戰略性新興環保產業三大目標的實現提供有力的科技支撐。

　　闡明農業面源污染特征，助力最佳適用技術模式研發

　　水專項立項以來，針對農業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驗監測和實地調研等相關研究成果，明確了種植業、養殖業和農村生活污水等方面主要污染物的來源、輸出及其組成，識別了重點污染物的產排污特征，量化了產排污及入河系數，為提出最佳適用技術模式和技術推廣應用奠定基礎。

　　課題全面梳理了不同作物系統氮磷的投入、輸出總量及組成，指出了化肥施用對于農田氮高投入狀態的決定性作用，以及徑流氮排放在種植業面源污染中的突出貢獻，明確了周年氮平衡內部組成與結構，以及各項影響因素在不同作物系統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、顆粒態磷是磷損失的主要形態等重要結論。由此，進一步結合田間原位監測，定量分析了農田徑流氮磷的沿程去除與入河率。

　　通過追蹤辨識種植業從源頭產生-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田面源污染減排重點、作物生長前期是徑流攔截控制重要時段的原理性結論，為農田氮磷流失綜合治理的“源頭減量-過程攔截-養分再利用-末端修復”的“4R”技術體系構建提供指引，為提出源頭減少氮磷排放、全過程攔截系統建設、全面開展長期定位監測和加強技術的標準化和物化研究等農田種植業面源污染控制對策與技術途徑建議提供依據。

　　養殖業污染排放總量大、污染份額高、治污水平低，對農業面源污染貢獻巨大。基于水專項針對太湖流域養殖業10年來的監測及調研成果，測算了流域內47個養豬場和10個水產養殖場在不同養殖模式、不同糞污收集方式下典型污染物的產排污系數和入河系數，總結了不同養殖模式和糞污處理方式下污染物流失規律，明確了糞污收集與處理過程中氮揮發對養殖業氮流失總量的決定性作用和加大養殖場磷治理力度對于太湖水體水質改善的重要意義。

　　農村生活污水來源分散且復雜、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動因素。課題以農村生活污水產排污調研數據和水專項產出的相關研究成果為基礎，以太湖和巢湖兩大典型流域為例，從污水產生系數、產污系數、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村生活污水產排污系數，定量解析了農村生活污水產排污特征，得到了經由化糞池-污水管網-污水處理設施后，各項污染物排放系數削減率均不低于74%的整體結論。

　　農村生活污水產排污系數的測定對村鎮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處理等關鍵技術的研發具有重要的指導意義，為相關技術的應用推廣提供科學依據。

　　揭示湖泊富營養化機制，解析控制修復技術原理

　　湖泊富營養化是水專項十分關注的領域?；ㄙM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化治理的世界性難題，也是實踐中需要解決的問題。

　　科學的政策離不開科學的標準。水專項研究首先在標準制定上發力，系統總結了重點湖泊水華暴發營養鹽閾值相關研究成果，剖析了我國湖泊營養鹽分級標準中缺少湖泊富營養化指標分級標準、湖泊營養鹽基準缺乏地區化差異等現存問題，提出了我國中東部平原和云貴高原兩大重點湖區湖泊富營養化分級控制指標標準建議值。依據藍藻水華暴發國際標準，基于太湖、巢湖、滇池和洱海10年來的監測數據，明確了四大典型湖泊基于水華暴發的氮磷控制閾值。

　　圍繞太湖重點開展藍藻水華暴發與控制機理研究，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葉綠素a濃度的變化趨勢，分析了太湖藍藻水華10年來時空變化特征，剖析了氣溫和風場對太湖藍藻水華暴發的重要影響，提出了冬春季溫度對于太湖夏季藍藻水華強度具有強影響、藍藻水華面積與風速存在顯著負相關的整體結論。進一步，解析了太湖2016年~2017年藍藻暴發對總磷的貢獻，明確了太湖多數湖區藍藻水華與總磷含量的因果關系，指出了內源在水華暴發期對水體磷負荷的顯著貢獻。

　　如何恢復湖泊的水生態，促進植被的生態演替,是水專項研究的另一個重點。

　　藻型-草型生態系統穩態轉化理論是湖泊水生態植被恢復的基本原理。通過對湖泊水生態植被恢復原理的解析以及對我國富營養化湖泊治理和生態恢復歷史進程的回顧與總結，明確了湖泊富營養化治理和生態恢復“控源截污—生境改善—生態恢復”的戰略路線，為典型湖泊水生植被恢復技術途徑建議的提出提供指引，為進一步推動湖濱帶生態修復、湖內水華藍藻控制與水質改善以及水生態調控與管理等方面的技術研發奠定基礎。

　　集成流域管理理論，指明技術突破方向

　　長期以來，在流域水環境管理領域，水環境本土化基準、水質與污染控制響應關系和水環境風險管理機制缺失問題一直存在。同時，在水專項啟動之初,我國尚未形成面向水質目標的環境管理技術體系,從根本上限制著流域水環境管理技術的突破性和有效性，極大地制約了流域水環境管理對我國水環境保護的貢獻作用。

　　課題系統總結了國內外流域水質目標管理的原理及發展進程，突破了我國當前以水化學目標為主的管理要求,明確水質目標的設定主要是針對水生態系統完整性的保護和恢復，結合我國當前水環境現狀，搭建具有我國特色的水質目標管理指標體系，在水化學目標的基礎上，延展至水生態、水化學、水風險和水文水量等目標。以水環境目標改善為核心，以水環境基準標準和功能分區為基礎，按照“目標制定、問題診斷、管理方式”為主線，形成了適應我國水環境管理需求的關鍵管理技術手段。

　　科學確立目標才能精準施策。就像系扣子，如果“第一顆扣子”出現偏差，后面一系列的決策都將失去根基。水環境標準是水質目標的依據,針對我國水環境標準主要是依據國外基準研究成果指定,存在過保護和欠保護的問題,明確了水環境基準和標準的內涵及分類，建立了我國水環境基準技術體系,解決了我國水環境基準本土化關鍵技術,解析了水質基準向水質標準轉化原理和關鍵技術，闡明了水環境風險的內涵，集成突發性風險和累積性風險管理的原理及方法。

　　針對不同環境問題實施分類管理模式，在水質目標管理原理梳理集成的基礎上，課題重點突破基于水質的排污許可管理技術、流域水環境風險預警、水生態健康分區管控、重點行業最佳可行技術評估、生態流量管控、流域水環境監測與大數據平臺建設和水環境經濟政策工具包建設等關鍵技術、政策和平臺，明確了水質目標的組成、確定方式及制定標準，形成了流域水質目標管理的四大模式，即容量總量控制模式、水環境風險管理模式、生態流量保障模式和水生態管理模式，系統闡述了四大模式的內涵、核心組成、重要作用及戰略意義，并梳理了四大模式在全國重點流域的應用案例。

　　太湖流域就是容量總量控制模式的典型示范區。太湖流域是全國河道密度最大的地區，也是我國經濟最發達的地區之一，是容量總量控制模式的典型示范區。近年來，太湖流域氮磷污染負荷居高不下，藍藻暴發仍未得到有效控制，流域水生態系統受損嚴重。針對氮磷污染控制要求，課題研究提出了太湖富營養化控制標準，核定太湖流域（江蘇）70個控制單元的水環境容量，對流域內1024個重點污染源主要水污染物初始許可量進行分配，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、無錫宜興3個示范區，開展基于水環境質量要求的排污許可制度應用示范，取得良好的運行效果，極大地改善了流域環境。針對太湖流域水生態系統退化，劃定了太湖流域水生態功能區，制定了太湖流域包括水化學、水生物完整、物種保護和土地利用等水生態目標體系，提出了水生態健康監測、評估和考核辦法。

　　作為水專項實施10多年來成果總結凝練的重要出口，課題突出系統性和科學性，集成流域水質目標管理技術理論，突破水環境基準本土化、水環境風險預警、水生態健康管理、大數據平臺等關鍵技術，形成了面向水生態健康、容量總量控制、水環境風險管理和生態流量保障的分類技術模式，引領了我國水環境管理核心技術突破方向。