太湖流域苕溪农业面源污染河流综合整治技术集成与示范工程

太湖流域苕溪农业面源污染河流综合整治技术集成与示范工程内容摘要：

度禽畜养殖废水实现节能显著、成本低廉、出水优良的深度处理。 15 2）技术工艺与技术参数 以 “厌氧 缺氧 /微氧 ”循环技术模式代替传统 SBR 的 “厌氧 好氧 ” 曝气技术，通过分步进水法两次串联 “厌氧 缺氧 /微氧 ”组合，形成了独特的 DNPAOsSBR 双循环技术运行工艺。 显著提高废水氮磷及有机质的脱除率，在典型 HRT3 天、 SBR18天运行参数下，微动力双循环反硝化聚磷 SBR 组合技术可实现猪场废水 TN、 TP、BOD5 去除率分别高达 %、 %和 %。 在 “厌氧 缺氧 /微氧 ”运行工艺以及功能菌反硝化聚磷 DNPAOs 作用下，高浓度畜禽废水处理出水 NO3浓度（ 20 mg/L）和输出负荷 “双低 ”。 主要通过智能化微动力精准曝气技术与 pHORP 反馈式智能调控技术，与传统 SBR 技术比较，节省运行成本 1/3—1/2。 图 3 微动力双循环同步脱氮除磷技术工艺基本流程 3）技术设计： 本项目开发的 智能化微动力精准曝气技术主要通过通过 ORP、 pH 数字反馈式传感器在线（时间间隔设定为 13 分）记录反应体系氧化还原势能及酸碱度变化，以反应相水体溶解氮 DO 不超过 ，自动地发出继续或停止曝气指令。 在此基础上，通过二次分步进水法，诱导并强化同步脱氮除磷及有机质降解的反硝化聚磷功能菌 DNPAOs 生长与代谢活动，从有实现在不同的反应阶段高效低能耗地处理高浓度氮磷有机废水。 4）主要技术经济指标 显著提高废水氮磷及有机质的脱除率，在典型 HRT3 天、 SBR18 天运行参数下， 微动力双循环反硝化聚磷 SBR 组合技术可实现猪场废水 TN、 TP、 BOD5 去除率分别高达 %、 %和 %。 在 “厌氧 缺氧 /微氧 ”运行工艺以及功能菌反硝化聚磷 DNPAOs 作用下，高浓度畜禽废水处理出水 NO3浓度（ 20 mg/L）和输出负荷 “双低 ”。 主要通过智能化微动力精准曝气技术与 pHORP 反馈式智能调控技术，与传统 SBR 技术比较，节省运行成本 1/3—1/2。 厌氧 缺氧 厌氧 微氧 处理水排放 首次废水排入 二次废水排入 过剩污泥排放 曝气 曝气 一个运行周期 16 5）主要技术创新点 ( 若为原创，说明主要原创点 ) （ DNPAOsSBR）采用 “厌氧 缺氧 /微氧 ”运行模式，通 过分步进水法两次串联 “厌氧 缺氧 /微氧 ”组合与微动力曝气技术，形成了独特的 DNPAOsSBR 双循环技术运行工艺。 (部分亚硝酸盐 )而不是自由氧作为电子受体的独特功能，聚磷的同时进行硝酸盐的还原作用。 （ 3） 小流域空间数据库的构建及小流域面源污染管理系统研制 1） 西山小流域基础数据库建设 西山小流域数据库包括空间数据库和属性数据库，空间数据库包括利用 2020年年底 米分辨率 Worldview 遥感影像解译的土地利用现状图，矢量化 1:5 万土壤图， 90 m和 30 m分辨率 DEM，小流域水系图和道路图，各水质监测点空间分布图等估算小流域径流和污染物总量的空间数据。 属性数据包括近 30 年的气象数据（日降雨、日均温）， 2020 年不同时期各监测点的水质数据，主要类型土壤的理化分析数据等。 在这些基础数据基础上完成土地利用及土壤数据库、水文及水质数据库、气象及农业管理数据库、社会经济统计数据库的建设。 此外还建立了西山小流域图库，包括西山流域边界图、西山小流域土地利用图、西山小流域土壤图、西山小流域水系图、西山小流域道路图、西山小流域 DEM 图、西山小流域及其周边遥感影像图以 及考察图片等。 2） 小流域面源污染管理系统 采用 Visual Basic 和 ESRI ArcEngine 的控件开发了小流域面源污染管理系统。 该系统除了具有常用 GIS 地图浏览功能，同时还可进行流域径流计算与污染迁移物计算。 该系统根据国内外常用的径流及污染物源解析计算方法，结合西山小流域特点，在基于基础数据库支持下，根据不同断面水质监测数据，计算小流域径流量，并提供可以进行模型参数灵活修改的接口。 既可以进行次降雨产流的计算，也可以进行一段时间的产流计算；同时结合水质采样点的数据，可以同时计算径流产 生的总氮、总磷、 CODcr、 BOD5 以及 SS 悬浮物总量等。 17 图 4 主窗体界面 图 5 径流与迁移物计算操作界面 该系统除了可以进行污染物总量现状估算，还可以通过设定各种面源污染控输入次降水量 (mm) 设定降水日期，根据该日期可以自动计算土壤前期湿度。 当降水日期未知时，需要人工设定土壤前期湿度。 设置是否计算径流造成的迁移物 当已知降水日期，可以选择三种方式之一计算迁移物量；当未知降水日期仅可以选择自定义日期计算迁移物量 水质观测点 工具条 菜单栏 图例区 鹰眼区 状态条 显示坐标 显示标注 水系分布 18 制措施方案，进行小流域污染物排放情景估算，从而实现小流域污染管理。 图 6 方案设置界面 3） 小流域水质水量耦合模型构建 通过点击工具条上的径流计算按钮 ，出现如图 2 的界面，完成各 种参数设置后便可进行径流、迁移物的估算。 该模块包括径流估算、不同污染物估算两大模块。 径流估算以美国水土保持局 (Soil Conservation Service) SCS 径流模型为基础，首先把小流域土地利用和土壤类型划分为不同的水文响应单元，采用 SCS法提出一个 径流曲线数 (runoff curve number，记为 CN )指标，再利用历史降雨资料或者实测获取前期土壤含水量，通过估计不同水文单元土壤的潜在入渗量 S ，结合考虑土壤基流，和降雨结合起来进行小流域径流量估算。 污染物总量估算主要针对面源污染部分，利用径流结合分布在小流域内的 10 个断面水质观测结果进行各污染负荷量估算。 总污染负荷估算则是结合野外调查结果，将面源污染负荷、畜禽养殖污染负荷、水产养殖以及生活污水污染负荷进行加和获得。 西山小流域污染负荷估算结果如下表： 19 表 1 西山小流域污染源解析 污染源 类型 年污染物排放量（ kg） 各类污染源所占比例 % COD TN TP COD TN TP 生活污水 畜禽养殖 水产养殖 农林系统 总量 对于西山小流域污染源解析发现， COD 中畜禽养殖和农林系统最高，各约占1/3，全氮中農林系统最高，超 50%，其次为畜禽养殖占 1/4，而全磷则主要来自于畜禽养殖和水产养殖，分别占 2/3 和 1/5。 由此可知，对于农林 养殖混合小流域来说，污染源主要来自于农林系统和畜禽及水产养殖部分，农村生活污水并非主要来源。 4） 小流域管理措施效果预测 参照各课题组减量施肥及管理措施的野外实测结果，对小流域污染进行了情景模拟。 模拟参数如下表 2 所示： 表 2 各种处理措施对于氮和磷削减量数据来源 处理名称 常规施肥量 全氮削减量 % 全磷削减量 % 雷竹林 太湖源 常规施肥 优化施肥 SSNM 微生物肥 20 生草带植物篱 灌木带植物篱 粗放雷竹带 毛竹园 四岭水库 FFP SSNM 茶园 四岭水库 FFP SSNM+C 早稻 径山 对照 减量处理20% 晚稻 径山 对照 15 减量处理20% 单季稻 径山 对照 18 减量处理20% 21 图 7 治理措施情景设置 通过参数设置 ， 根据各种措施综合使用进行情景模拟 ,西山小流域内的农林系统全氮污染负荷可以下降到 1595 kg/a, 平均削减比例可以达到 20%, 全磷负荷可以下降到 kg/a, 平均削减比例也可以达到 20%。 配合畜禽及生活垃圾处理措施，可以减除全氮 %，全磷 %，如果再配合氧化塘技术，全氮和全磷污染负荷削减率超过 50%。 （ 4）立式发酵技术及设备 1）技术概述： 本技术综合已有的达诺筒（ Dano）等发酵技术、和托马斯发酵塔、约翰－汤姆森发酵塔及其它泽西法塔式发酵技术的优点，创造性的 采用自落式与抄板搅拌相结合，物料在塔体内部以 S 型路线行进，分散、传热、暴氧均匀，能耗明显降低，而且该设备具有自组装功能，可串联使用。 22 应用该技术（系统）可在 24h 内实现畜 禽粪便的无害化和基本腐熟， 无害化达到 GB8172 要求 ，盆栽实验表明其对作物生长无不良影响。 单套设备日处理畜禽粪便等有机物料 3~10t，可满足养殖规模在 5000 头生猪及以下的 中小型养殖场所用，也可用于有机肥生产企业，本设备占地面积小，操作简单，人力成本低，且无二次污染。 已申请国家发明专利 1 项。 （ 黄光国，林先贵，王一明。 固体有机物立式发酵塔。 申请号： ，公开号： CN 101456764A，申请日： 2020 年 12 月31 日。 ） 2）技术工艺与主要参数： 技术原理： 本技术物化为立式发酵塔，其设计原理为采用固定的立式塔体（圆柱型），上部设进料口，下部设出料口，内部交替设置有多层两种不同直径的平台，其中的大直径平台构成固体有机物内走料通道，并设内走料拨耙；小直径平台构成固体有机物外走料通 道，设外走料拨耙；物料从上而下，次第经过各平台，行进路线呈 S 形，物料被充分搅动，暴氧均匀。 主要参数： 大直径平台的外径比筒体内径小 40mm~60mm；平台内孔直径为 290 mm~310 mm；小直径平台的外径比筒体内径小 140mm~160mm；平台内孔直径为 110 mm~130 mm。 平台内走料拨耙的叶片采用渐开线，物料旋转方向与该渐开线方向相同；外走料拨耙的叶片也为渐开线，但物料旋转方向与该渐开线方向相反。 23 图 8 内外走料拨耙示意图 立式发酵工艺流程： 图 9 立式发酵框架示意图 3）技术设计： 立式发酵塔塔身采用固定的立式筒体，上部设有进料口，下部设有出料口，立式发酵塔塔身下部还设置有循环出料口和空气进口；塔身上部设有循环进料口；立式筒体内交替设置有多层两种不同直径的平台；大直径平台内孔直径大，构成固体有机物内走料通道；小直径平台内孔直径小，构成固体有机物外走料通道；大直径平台上设有内走料拨耙；小直径平台上设有外走料拨耙；内走料拨耙的设置方向和旋转方向使固体有机物做向心移动；外走料拨耙的设置方向和旋转方向使固体有 机物做离心移动；循环出料口处设有螺旋提升机；该螺旋提升机的出料口接立式发酵塔塔身上部的循环进料口。 24 图 10 立式发酵设备结构式意图 如图 7 所示，固体有机物经物加入口（ 2）加入到立式发酵塔（ 1）的第一层内走料平台（ 10），内走料拨耙（ 5）旋转将固体有机物驱动翻滚，混合，耙向内走料通道（ 3），自由落体运动落入第二层外走料平台（ 11），外走料拨耙（ 6）旋转将物料驱动翻滚，混合，耙向外走料通道（ 4）自由落体运动落入第三层内走料平台（ 10），以此类推直到最后一层平台。 物料在 各层平台间作 S 形路线行进，被拨耙驱动翻滚，混合，并自由落体运动，处在有氧氛围中发酵。 已分解的有机物料运动到发酵塔底部时，经循环出料口（ 9）入螺旋运输机（ 12）提升到发酵塔顶部的循环加料口（ 13），进行连续的发酵过程。 螺旋提升机（ 12）不单起运输发酵固体有机物作用，它还使被分解固体有机物的翻滚，混合运动轨迹得到了改变，在相同氛围下，发酵仍然在活跃进行。 当规定的发酵过程完成后，完成发酵的固体有机物由卸料口（ 8）排出。 设备具有自组装功能，可串联使用（图 8）。 25 图 11 立式发酵设备串连排列形成快速发酵系统 4）主要技术经济指标： 以发酵温度、种子发芽指数、病原菌杀灭率、盆栽植物生长情况等为指标，考察了 物料进入速度、输送搅龙转速、发酵塔搅拌速度、物料水分、菌剂接种量等参数对物料腐熟度的影响。 结果发现，（ 1）物料进入速度过快（输送搅龙转速 r/min）都将导致物料在进料口及塔体上部的堆积，物料在塔体各层分布不平衡，起温慢；物料进入速度过慢，也会导致物料在塔体各层分布不平衡，升温缓慢；进料时输送搅龙转筒转速 ，发酵塔搅拌速度 ；发酵稳定后输送搅龙转筒转速 ，发酵塔搅拌速度 ，料层分布均匀，起温快，发酵效果较为理想。 （ 2） 物料水分对于物料的发酵温度和腐熟效果具有较大影响， 50%左右的物料水分比较理想。 优选的操作流程和参数为：（ 1）进料时：输送搅龙转筒转速 ，发酵塔搅拌速度 ；（ 2）进料完成 2h后，输送搅龙转筒转速 ，发酵塔搅拌速度 ；（ 3）物料水分控制在 50％左右；（ 4）微生物菌剂接种量 6％左 右。 应用该技术可在 24h 内实现畜禽粪便的无害化和基本腐熟， 无害化达到GB8172 要求。