流域污染源治理的工程体系构建

陈小刚，叶春，李春华，李锟，王丁明，赵建成

1.中国环境科学研究院湖泊工程技术中心，北京　100012

2.深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司，广东 深圳　518055

3.北京大学深圳研究生院，广东 深圳　518055



流域污染源治理的工程体系构建

陈小刚1,2,3，叶春1*，李春华1，李锟2,3，王丁明1,2,3，赵建成2,3

1.中国环境科学研究院湖泊工程技术中心，北京100012

2.深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司，广东 深圳518055

3.北京大学深圳研究生院，广东 深圳518055

摘要传统的污染源治理往往只注重点源，而在面源及湖泊内源污染治理方面明显存在不足，亟需转变思路与方法，统筹考虑全流域污染源的治理。因此，以流域整体为控制单元，提出科学构建系统的、立体的、多级别的“管、治”并重的流域污染源治理工程体系，并有效涵盖“源头(点源、面源)、途径(地表径流、河道)、末端(湖泊内源与内负荷)”的全过程污染治理及控制，为流域水环境综合整治提供思路。

关键词污染源；流域；全过程；工程体系

Engineering System Construction of Pollution Source Control in the Basins

CHEN Xiaogang1,2,3, YE Chun1, LI Chunhua1, LI Kun2,3, WANG Dingming1,2,3, ZHAO Jiancheng2,3

1.Centre of Lake Engineering & Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China2.IER Environmental Protection Engineering Technology Company Limited, Shenzhen 518055, China3.Shenzhen Graduate School of Peking University, Shenzhen 518055, China

AbstractThe traditional methodology for pollution control usually only focuses on the point source pollution, while ignores the non-point source pollution and endogenous pollution in lake. It is necessary to change the ideas and methods urgently, and consider all kinds of pollution sources in the whole basin. Taking the whole basin as the control unit, a systemic, three dimensional and multi-level pollution control system for a basin was built up scientifically. This system pays attention both to "management" and "treatment", which effectively covers pollution control in the whole process of the pollution sources (point and non-point sources), pollution pathways (surface runoff and river) and terminal pollution (lake endogenesis and internal load). This novel methodology should provide scientific reference for the present comprehensive control of basin water pollution.

Key wordspollution source; basin; whole process; engineering system

尽管流域的概念早已得到科学共识，但将其作为污染源治理的工程单元却不是自然就形成的理念，而是随着水环境问题的日益严重和研究的逐渐深入才逐步得到人们的认可[1-2]。就流域污染源治理而言，传统的污染源治理比较注重点源污染治理，仅控制工业和城镇生活污染物的排放，而在面源污染治理方面明显存在不足[3]。另外，国际上对于浅水湖泊富营养化治理的经验表明[4]，即使湖泊水体的外源污染排放降到历史最低点，湖泊富营养化问题依然突出，其原因与浅水湖泊底泥所造成的内源污染有关，动力作用导致底泥悬浮，影响底泥中营养盐的释放，也影响水下光照和初级生产力。而且，目前的水质标准正逐步从单一的物理化学指标向与生物和生态相结合的综合指标转变。因此，传统的点源污染治理存在严重的局限性，已无法适应和满足当今流域污染源治理的新发展和新要求。

鉴于上述问题，促使我们转变思路，采用以流域思想为基础的研究方法[5]，分析和协调污染源系统各组成因素间的关系，并综合考虑与水质有关的自然、技术、社会、经济诸方面的关系，对排污行为在时空上进行合理的安排，从而有效实施污染源治理，促进环境与经济、社会可持续发展。构建流域污染源治理的工程体系，对于我国流域污染源治理具有重要的现实意义。

1流域污染源分类

湖泊富营养化及水质污染控制应遵循流域污染源控制的技术路线，治理与控制入湖污染物排放源及湖内污染源是湖泊水环境治理和保护的主要关键措施之一[6]。按照流域污染源的治理难度，可将污染源分为可控源与不可控源，不可控源主要是大气干湿沉降等。为了便于污染控制，根据流域污染源的集水区和汇水区特点，将可控污染源分为陆源污染(外源污染)和内源污染。针对陆源污染，可分为点源污染和面源污染。具体流域污染源分类见图1。

图1　流域污染源分类Fig.1　The classification chart of basin pollution sources

2流域污染源治理的工程体系构建

以流域地理格局为基础，根据污染源防治特点和污染物迁移途径，综合运用经济、法律、科技和必要的行政手段，注重发挥市场机制、宏观管理机制和公众参与机制的作用，全面推进流域内经济及农业产业结构调整、城市环境基础设施建设、清洁生产、污染治理、污水资源化、生态保护和建设等各项工作，扎实推进流域污染源综合治理，建立系统的、立体的、多级别的、“工程治理、协调管理”并重的流域污染源治理工程体系，并有效涵盖源头(点源、面源)—途径(地表径流、河道)—末端(湖泊内源与内负荷)的全过程污染治理及控制，其中主要工程包括陆地生态恢复与水源涵养工程、点源污染治理工程、面源污染治理工程、地表径流及河道生态修复与污染控制工程、湖泊内源与内负荷控制工程以及流域水环境协调管理工程等。流域污染源治理的工程体系见图2。

图2　流域污染源治理的工程体系Fig.2　The system chart of basin pollution source control engineering

3流域主要陆源治理工程

3.1点源污染治理工程

与湖泊水环境污染相关的点污染源治理工程主要有2类：即工业废水和生活污水治理工程。

3.1.1工业废水治理工程

由于含氮磷工业废水大量排入湖泊，造成水体出现水华现象，藻类和微生物大量繁殖，水中的溶解氧过度消耗，复氧速率明显小于耗氧速率，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡。另外由于一些工业排放的含氮磷废水成分复杂，毒性强，又具有很强的致癌性，进一步加深水体的污染。针对湖泊污染控制的特点，工业废水的污染治理应加强对氮磷的去除。含氮工业废水脱氮处理工艺主要有吹脱法[7-8]、离子交换法[9]、生物硝化和反硝化法[10]、折点加氯法[11]等；含磷工业废水的处理工艺主要有混凝沉淀法、晶析除磷法、生物与化学并用法、厌氧-好氧法、Phostrip系统等。

3.1.2生活污水治理工程3.1.2.1城镇生活污水集中治理工程

城镇生活污水处理系统的设计要结合地方特点，针对污染源的排放途径及特点，对排水管网健全的城镇宜采用建设生活污水厂集中处理的方法，可显著节省建设投资和运行费用，而且处理效果好，易于管理。目前，城镇生活污水脱氮除磷工艺主要有：

(1)按城市污水处理及污染防治技术政策推荐，处理能力大于20万m3d的污水处理设施，一般采用常规活性污泥法，也可采用其他成熟技术；处理能力在10万～20万m3d的污水处理设施，可选用常规活性污泥法、氧化沟法、SBR法和AB法等成熟工艺；处理能力在10万m3d以下的污水处理设施，可选用氧化沟法[12]、SBR法、水解好氧法、AB法和生物滤池法等工艺，也可选用常规活性污泥法。

(2)按城市污水处理及污染防治技术政策要求，在对氮磷污染物有控制要求的地区，应采用具备较强的脱氮除磷功能的二级强化处理工艺。处理能力在10万m3d以上的污水处理设施，一般选用AO法[13]、AAO法等工艺[14]，也可审慎选用其他的同效技术；处理能力在10万m3d以下的污水处理设施，除采用AO法、AAO法外，也可选用具有脱氮除磷效果的氧化沟法[15]、SBR法[16]、水解好氧法和生物滤池法等。

(3)按城市污水处理及污染防治技术政策许可，在严格进行环境影响评价，且满足国家有关标准要求和水体自净能力要求的条件下，可审慎采用城市污水排入大江或深海的处置方法。城市污水二级处理出水不能满足水环境要求时，在有条件的地区，利用荒地、闲地等可利用的条件，采用土地处理系统和稳定塘等自然净化技术进一步处理。该处理方法费用较低、维护简便，适合于土地条件、气候适宜的中小城镇的污水处理。

3.1.2.2分散式生活污水治理工程

临湖宾馆饭店等分散式点源污染所排污水为生活污水，污水中营养物(N、P)浓度比较高。由于点源位置临湖，对其排污应实行从严治理。可采用单独点源建立分散式污水处理设施的方案。此外，还可以因地制宜采取生物塘、人工湿地、生活污水净化槽等处理方法。

3.2面源污染控制工程

对面源污染的控制与管理可以从“源”和输移途径方面开展工作，主要包括污染源的治理和径流污染的治理。其中，污染源的治理是根本，径流污染的治理是补充。农田面源污染是所有面源污染中较为严重的类型，虽然许多研究表明，改变农田的耕作方式和管理措施，采取不同的农作物对营养元素吸收的互补性，采取合理的间作套种，在一定程度上能减少农药或养分的流失，降低面源污染负荷[17]，但更有效的方法是发展生态农业，直接控制农药和化肥的施用。径流污染的治理是在污染物的输移途径上采取适当的措施，减少污染物排入地下或地表水体[18]。在农田与水体之间建立合理的水源涵养林、草地或林地过滤带，利用田间空地、低洼地、湿地、支浜、河流开展生态工程建设，将会大大减少水体中的氮磷浓度。

3.2.1“源”控制工程

面源污染来源于大量施肥与农药的农田、畜禽养殖、分散村落生活污水以及可被冲入径流的村落固体废物、蓄积滞留在地面上的污染物等[19]。对于不同面源污染源，应采取不同的污染源头控制措施。如农田面源污染，应减少或控制农药、化肥的施用量；对畜禽养殖和农业有机废物的污染控制，应尽量做到资源再利用，发展生态农业，减少废物的产生和污染物的流出，大大降低降水径流对地表或地下水体的污染。

3.2.1.1农田面源污染控制

进行农田面源污染控制，主要是在全流域范围内广泛推行农田最佳养分管理，通过对水源保护区农田轮作类型、施肥量、施肥时期、肥料品种、施肥方式的规定，进行源头控制。农田面源污染的主要控制技术有农田生态培肥技术[20-21]和化学农药污染控制技术。

3.2.1.2农村生活污水治理[22]

农村生活污水处理系统一般由预处理单元、一级处理单元和二级处理单元构成。预处理单元包括化粪池、格栅井、隔油池和沉淀池等。一、二级处理单元包括厌氧池、沼气池、好氧曝气池、自然处理(人工湿地、稳定塘)等。可根据村庄规模、经济条件、土地闲置等其他实际情况，科学合理地形成几套处理模式。

3.2.1.3农业有机废物污染控制

农业有机废物包括畜禽粪便、农作物秸秆等。农业有机废物污染控制以畜禽养殖场粪便和农作物秸秆治理为重点，以粪便无害化处理、农作物秸秆综合利用、沼气厌氧发酵等生态工程技术为主，开发农村新能源和有机肥料、畜禽饲料等，实现有机废物多层次循环利用，减少农业有机废物流失及对环境造成的污染[23]。

3.2.2径流污染控制工程

首先，水源涵养与水土流失的控制可保证源头清水产流[24]，对调节坡面径流、地下径流以及减少径流泥沙含量、净化水质等方面具有重要作用。由于垦荒和坡地种植等原因，使山区、涵养林、面山林地等遭受人为破坏，导致土壤侵蚀与水土流失，不能为下游提供足够的清水。针对不同水源涵养及水土流失退化状况，有必要实施水源涵养生态恢复及水土流失综合治理工程，治理措施布局上，主要在坡面综合治理的基础上沟坡兼治，工程措施、植物措施和耕作措施有机结合，人工治理和生态自然修复相配置，提高乔、灌、草覆盖率，建立完整的水源涵养与水土保持综合防护体系，有效防止水土流失，保证源头清水产流。

其次，在农业或城镇建成区面源污染物产生后，随径流，尤其是暴雨径流流出，进入受纳水体。径流污染的控制就是在径流发生地与受纳水体之间去除径流中污染物的过程。在污染物随径流从发生地到受纳水体的输移过程中，需要经过田边沟渠，穿过水边带，进入湿地、支浜，再汇入河流，最后进入湖泊，充分利用这些有效空间，开展生态工程建设，将会大大减少水体中的氮磷浓度。由于暴雨径流相关的面源污染具有突发性、大流量、低浓度的特点，针对这种污染特征的径流污染治理技术比较经济有效的是生态工程与生态恢复技术，较常用的有生态拦截沟渠技术、人工水塘技术、草林复合系统构建技术、人工湿地技术[25-34]、河道生态修复及污染控制技术等。另外，城市黑臭水体整治已经成为地方各级人民政府改善城市人居环境工作的重要内容，在系统分析城市黑臭水体水质水量特征及污染物来源的基础上，结合环境条件与控制目标，筛选技术可行、经济合理、效果明显的技术方法，一般可按照“控源截污、内源治理；活水循环、清水补给；水质净化、生态修复”的基本技术路线具体实施。其中，控源截污和内源治理是选择其他技术类型的基础与前提。

4湖泊内源与内负荷控制工程

湖泊内源污染主要包括湖内底泥污染、养殖污染、旅游污染、船舶污染等与湖泊水体直接接触，不经过输移等中间过程而直接进入湖泊(水体)的污染源。而湖泊内负荷是指在湖泊富营养化进程中，藻类过度生长，水生植物大量消亡，生态系统稳定性下降，水体生物和理化等性质的改变，促进湖体内源性营养物的释放和无效态营养物向有效态转化等产生的湖泊污染负荷，也就是在湖泊生态系统退化过程中，由泥源内负荷、藻源内负荷和水体内负荷之间复杂的迁移转化过程和正反馈机制所形成的负荷。

因此，对湖泊内源与内负荷的控制需要系统考虑湖泊底泥、水体以及水生态等因素，湖泊内源与内负荷控制主要包括泥源、藻源污染及内负荷控制，水生植物控制，湖内养殖污染源及旅游、船舶等水面污染源控制。

4.1湖泊泥源及内负荷控制工程

底泥是水体中污染物的主要蓄积场所，也是水体二次污染的潜在污染源。在湖泊环境发生变化时，底泥中的污染物会重新释放出来进入水体。即便污染水体的外源得到了有效控制，由于内源污染负荷的存在，仍有可能使水体水质长期得不到改善。因此，对于污染水体的治理措施，一般是外源污染基本得到控制以后，采取工程措施清除污染底泥。对浅水湖泊，尤其是城市附近污染底泥堆积很厚的局部重污染水域，环保疏浚技术的应用最为普遍，效果也最明显[35]。

4.2湖泊藻源及内负荷控制工程

针对大型富营养化湖泊难以在短期内消除蓝藻水华的问题，研发具有高效、低耗特点的蓝藻物理导藻和捞藻技术，以满足大型湖泊在水质未得到明显改善情况下，实现局部水域(如饮用水源地、旅游区沿湖景观区等)应急、快速除藻需要；开展基于鱼类调控的藻源内负荷生态控制技术，形成适合当地湖泊藻类控制的渔业调控模式，有效控制蓝藻水华，削减藻源内负荷。

4.3湖内水生植物生物量调控工程

水生植物在湖泊水体营养盐循环及能量流动过程中担当着重要角色，水生植物生长过程中大量吸收水体和沉积物中的营养盐，尤其是氮磷元素，会大大缓解水体富营养化进程。因而在湖泊富营养化治理工程中恢复水生植物被认为是可取且有效的手段。但随之而来的问题是，吸收了大量营养盐的植物体在其死亡后面临着分解过程。生长过程中吸收的营养盐又会在分解过程中被释放出来。一般水生植物的生长和死亡以及之后的分解阶段会有明显的季节规律，因此从生长阶段的吸收至死亡后的释放，是具有时空特性的营养盐库的积累和释放过程，而不是简单的营养转移。

因此，必须对湖泊内水生植物进行维护管理，通过秋季植物收获时期，对水生植物进行适当收割，调控水生植物生物量，以增加湖泊污染物输出量。研究[36]表明，芦苇(Phragmitescommunis)作为太湖的优势种之一，是分布广泛的多年生禾本科芦苇属植物，生长发育周期为每年的4—11月，是太湖水环境中生长的主要挺水植物之一。通过对太湖芦苇地上地下部分生物量、不同器官氮磷和重金属浓度、芦苇茎杆纤维含量与长宽的动态变化进行系统研究与分析，发现芦苇的最佳收割期为每年10月底—11月初，此时收割能最大限度地移除营养物。

4.4湖内养殖污染控制工程

湖泊围网养殖污染主要来自剩余饵料和养殖物(如鱼类)的排泄物。在湖内养殖中，网箱养鱼的污染尤为突出，应该予以严格控制，在具有水源地功能的水域应取缔网箱养殖。

网箱养鱼所形成的污染物及控制主要注意以下几点：养殖密度、饵料的种类及投放量、鱼种。

综上所述，根据湖泊的水功能要求及水环境状况确定适当的养殖水域，选择合适的鱼种，限制合理的养殖密度，投放适量的难溶性饵料，加强网箱养鱼的管理是网箱养鱼污染控制的关键与核心。

4.5湖内旅游污染控制工程

环湖及湖内岛上旅游污染的控制方案一般可参照城镇污染物控制方案，故湖内旅游污染主要是指湖内旅游、客轮等的污染，污染物主要包括船上人员的生活污水和固体废物、船舶运行过程中产生的含油废水以及散漏的运送物资等，需要对该类污染物进行收集、储存和运输，最后根据含油废水的相关实测指标以及处理成本、排放标准等选择处理工艺，如焚烧法、分离-聚结法等。

5不可控源的管理

不可控源一般是指大气的干湿沉降(即降水、降尘)带来的污染，通过干湿沉降过程将大气中的污染物输送到湖泊中。对大多数湖泊而言该过程不是主要污染源，但是大量、频繁的大气沉降也会引起湖泊污染物浓度的明显升高。该类型的污染源不容易控制，属于不可控源。其污染物构成主要受降尘降水量和大气质量状况2种因素的影响。

因此，对于不可控源的管理主要是控制大气污染物的来源，可以考虑从以下几个方面开展工作：1)减少产生大气污染的工业排放；2)减少农业氨肥的施用量；3)倡导绿色交通，减少汽车尾气；4)控制水上运输量，改善运输方式；5)加强对流域内大气干湿沉降的监控预警。

6结论及建议

(1)贯彻落实流域污染源治理总体目标的指导作用。建立流域污染源治理的工程体系，明确治理工程之间的关系，并通过目标和指标的衔接，建立流域水质预测模型，实施目标可达性分析，提高治理工程之间的指导作用，确保总体目标实现。

(2)建立流域污染源治理的工程体系，理顺各级政府部门之间的责任。各级污染源治理工程中，有详细的干系人分析，明确各级各类干系人职责。通过各级污染源治理工程之间的指导反馈关系，实现各级政府部门之间在流域管理中的相互协调。

(3)工程的实施必须有比较完善的保障手段。包括管理体制、法制体制、环保自身建设和环境监测、资金筹措、环境宣传教育与公众参与等方面工作。

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《环境工程技术学报》入选“中国科技核心期刊”

2015年10月20日，中国科学技术信息研究所在北京国际会议中心召开“中国科技论文统计结果发布会”，发布了《2015年版科技期刊引证报告》。由环境保护部主管、中国环境科学研究院主办的《环境工程技术学报》被收录为“中国科技核心期刊”(中国科技论文统计源期刊)，证书编号为Z550-2015。

创刊5年来，依靠主管单位的行业主管优势，依托主办单位的科研优势，以及新常态下国家注重环境保护的新机遇，《环境工程技术学报》集中报道了国家科技重大水专项、国家大气环境治理专项，国家实施的大气、水、土壤污染防治的三个行动计划成果，最前沿环境工程技术方法、技术规范与标准，为国家环境治理技术体系的构建提供了学术创新和技术支撑交流平台，为引导行业先进技术发展，推动环保行业技术进步做出了重要贡献。

《环境工程技术学报》编辑部

邬娜，傅泽强，谢园园,等.产业布局生态适宜性评价及案例研究[J].环境工程技术学报,2016,6(2):187-192.

WU N, FU Z Q, XIE Y Y, et al.Ecological suitability evaluation of industrial layout and case study[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(2):187-192.

中图分类号:X524

文章编号:1674-991X(2016)02-0180-07

doi:10.3969j.issn.1674-991X.2016.02.027

作者简介:陈小刚(1984—)，男，工程师，硕士，主要从事水环境生态修复研究，574253129@qq.com*责任作者:叶春(1970—)，男，研究员，博士，长期从事水污染控制与生态修复研究， yechbj@163.com

基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101-009)

收稿日期:2015-11-09