水生態(tài)技術(shù)在淮安國家農(nóng)科園建設(shè)中的應用研究

董翔　李靜　宋雨賢

摘要：以水生態(tài)關(guān)鍵技術(shù)為支撐，通過在國家級農(nóng)業(yè)科技園區(qū)的研究應用與示范，助力園區(qū)打造科技支撐、資源循環(huán)利用、村民參與、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)村綠色發(fā)展的鄉(xiāng)村振興樣板，建設(shè)“海綿城”+“海綿田”新型美麗鄉(xiāng)村水生態(tài)發(fā)展模式。特別是先進的污水處理技術(shù)在園區(qū)水生態(tài)保護與水環(huán)境優(yōu)化的研究與應用，構(gòu)建具備生態(tài)自我修復和保育的鄉(xiāng)村生產(chǎn)生活模式;采用水循環(huán)利用等技術(shù)進一步促進漁業(yè)、特色農(nóng)業(yè)等園區(qū)耗水產(chǎn)業(yè)節(jié)能綠色循環(huán)形成新的發(fā)展體系。

關(guān)鍵詞：水生態(tài);綠色水產(chǎn);智能管理;環(huán)境保護。

Research on the Application of Water Ecological Technology in the Construction of Huaian National Agricultural Science Park

DONG Xiang LI Jing SONG Yuxian

（Huaian High Technology Institute of Lanzhou University， Huaian， Jiangsu Province， 223100 China）

Abstract：Supported by the key technologies of water ecology， the research， application and demonstration in the state-level agricultural science and technology park will help the park create a rural revitalization model of science and technology support， resource recycling， villager participation， ecological livability and rural green development， and build a new beautiful rural water ecological development model of "sponge city" + "sponge field".Especially the research and application of advanced sewage treatment technology in water ecological protection and water environment optimization in the park， to build a rural production and life model with ecological self-repair and conservation;Water recycling and other technologies will be adopted to further promote energy conservation and green recycling of water-consuming industries such as fishery and characteristic agriculture in parks to form a new development system.

Key Words：Water ecology; Green aquatic; Intelligent management; Environmental protection

1 淮安市國家農(nóng)業(yè)科技園發(fā)展現(xiàn)狀

淮安國家農(nóng)業(yè)科技園核心區(qū)位于馬頭鎮(zhèn)，地處淮河下游、蘇中大平原北部腹地，為沖積平原，無山多水，大部分地面海拔在 8-12米之間，年均降水量為 893.5mm，境內(nèi)水網(wǎng)密布，湖塘星列，生態(tài)本底優(yōu)渥，有淮沐河、二河、京杭大運河、古黃河、張福河等河道橫亙。以水為稟賦優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)發(fā)展是馬頭鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)振興的首要選擇，如種植業(yè)、漁業(yè)是馬頭鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)振興中重要支撐。作為長江經(jīng)濟帶和大運河文化帶上的重要城市，淮安市堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，自覺遵循“共抓大保護、不搞大開發(fā)”戰(zhàn)略導向，主動策應江淮生態(tài)經(jīng)濟區(qū)建設(shè)，高標準打造江蘇綠色發(fā)展先行區(qū)。

基于大數(shù)據(jù)、水信息、水智能等相關(guān)技術(shù)，探索水資源智能管理體系，推動鄉(xiāng)村資源信息化、智能化管理;依托三個方面的水生態(tài)技術(shù)構(gòu)建“水污染處理+水資源高效利用+水資源智能管理+產(chǎn)業(yè)支撐”可復制、可推廣的科技示范模式，打造“海綿城”+“海綿田”新型美麗鄉(xiāng)村水生態(tài)發(fā)展樣板。

2 相關(guān)技術(shù)研究

隨著科技水平不斷提高，社會智能化管理日益受到重視，并在實踐運用中不斷創(chuàng)新。水資源的管理必然也離不開信息技術(shù)的支撐，水生態(tài)智能化發(fā)展并將成為重要的發(fā)展趨勢。本研究對水生態(tài)技術(shù)的探索主要體現(xiàn)在三個方面^[1]。

2.1 水生態(tài)治理和保護環(huán)境技術(shù)方面

生活廢水目前主要采用活性污泥系列工藝：吸附-生物降解（AB）工藝、厭氧折流反應器（ABR） 工藝、序批式反應器（SBR）工藝、A/O A²/O脫磷除氮工藝，以及各種氧化（OD）工藝等，但活性污泥生物絮體處理效率低、耐沖擊性能不佳，難以適應國家日益嚴格的排放標準。傳統(tǒng)的生物處理工藝在處理的多功能性、高效穩(wěn)定性和經(jīng)濟合理性方面已難滿足不斷提高的要求。

聚氨酯泡沫載體作為一種水處理材料，在廢水處理中的應用正受到廣泛關(guān)注，并且聚氨酯泡沫塑料具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，可以為微生物提供較大增殖生長空間，單位體積生物量大，并且還可以通過改變原料組成、配方比例、合成條件等方法制備多功能、不同的硬度、不同比表面積，不同孔徑、不同密度、耐化學性以及機械強度良好的泡沫塑料材料，但單一的聚氨酯泡沫用作固定化微生物載體填料時，存在生物相容性和穩(wěn)定性方面不足。本研究以環(huán)境工程高效微生物菌群和生物酶制劑的固定化技術(shù)為核心，通過新材料制備和新技術(shù)的集成開發(fā)，將固定化微生物技術(shù)及其組合工藝應用于污水處理實際工程中，開發(fā)出高效、穩(wěn)定、節(jié)能及對污染物去除的多功能性的污水處理工藝，將我國污水處理效果提升至世界先進水平^[2]。

2.2 水生態(tài)循環(huán)水處理技術(shù)方面

循環(huán)水處理系統(tǒng)是工廠化養(yǎng)魚的關(guān)鍵設(shè)施和技術(shù)核心， 循環(huán)水處理系統(tǒng)是由功能性濾料+人工濕地+復合菌組成的生態(tài)型循環(huán)水處理系統(tǒng)。目前大多數(shù)人工濕地使用的是石英砂、凹凸棒土等作為人工濕地的材料，存在易于堵塞、難維護、不能穩(wěn)定運行等缺點。而玻璃輕石內(nèi)部和表面布有密集的連通孔隙，本身具有良好的吸附和過濾特性，并有一定的絮凝、沉淀和降解水體污染物的能力^[3]。

玻璃輕石處理養(yǎng)殖水的原理：玻璃輕石是較好的微生物菌吸附載體。玻璃輕石表面和內(nèi)部均有密集的氣泡和微孔，玻璃輕石的孔徑一般為數(shù)微米到5毫米以內(nèi)，微生物的大小約為0.5-5微米，原生動物約5-250微米，后生動物大小在數(shù)毫米以下，通過這些生物共存，形成生物鏈，可以達到促進水質(zhì)凈化的作用。

玻璃輕石在生態(tài)循環(huán)水處理中既可用于反濾池的過濾材料，又可用于人工濕地的建設(shè)。過濾材料可以用玻璃輕石為主要原料，玻璃輕石作為細菌載體用于養(yǎng)殖水處理的優(yōu)勢：①細菌吸附在玻璃輕石上，易保存，運輸方便，易于投放; ②投放于養(yǎng)殖水后，可使細菌附著增值，可減少換水時細菌的流失;③于傳統(tǒng)的細菌吸附載體（沸石粉和膨松土粉）相比，玻璃輕石吸附細菌的量更大;④無需粉碎工藝;⑤可設(shè)計為150目-50毫米之間各種規(guī)格。⑥可加工成不同的顏色。

研究過程中發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)殖系統(tǒng)中引進玻璃輕石充當功能性的過濾材料和用玻璃輕石作為基質(zhì)建立人工濕地具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。玻璃輕石作為微生物的載體，可保持優(yōu)勢菌群、將微生物吸附在玻璃輕石上，可避免有時水中一些高濃度污染物和有毒物質(zhì)對微生物的毒害，從而提高系統(tǒng)抗沖擊負荷的能力，在處理養(yǎng)殖廢水方面具有優(yōu)勢^[4]。

2.3 水生態(tài)智能管理技術(shù)方面

長期以來，我國鄉(xiāng)村水環(huán)境保護意識薄弱，水排放隨意，進出水質(zhì)監(jiān)測缺失，水源污染嚴重。在鄉(xiāng)村振興建設(shè)中水生態(tài)智能化管理非常迫切和必要。其中，最根本的和核心的是水質(zhì)監(jiān)測的智能化管理。我國水體污染主要以重金屬和有機物等為主，水質(zhì)檢測也是以這兩個方面為主進行。根據(jù)我國國家和環(huán)境行業(yè)標準，水質(zhì)檢測主要指標包括：重金屬（鉛、鉻、汞、鎘、砷、鎳等）、化學需氧量（COD）、氨氮、總氮、總磷等。

水生態(tài)技術(shù)領(lǐng)域研究的運用目前主要集中在江河湖泊流域較大區(qū)域范圍的運用，而在城市發(fā)展建設(shè)中也偶有從生態(tài)城等視角考慮水生態(tài)技術(shù)。但是在鄉(xiāng)村發(fā)展中，著力水生態(tài)修復、水生態(tài)循環(huán)利用、水生態(tài)智能化管理的研究和運用還非常少。相比城市和較大水流域而言，鄉(xiāng)村有其獨特的特征，在我國大力推進鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略進程中，鄉(xiāng)村水生態(tài)技術(shù)的研究與創(chuàng)新亟待予以重視。

3 水生態(tài)技術(shù)研究內(nèi)容

3.1水生態(tài)技術(shù)的應用創(chuàng)新

將水污染治理與水循環(huán)利用相結(jié)合，將生產(chǎn)生活污水利用污水處理先進技術(shù)進行達標處理，將處理好的水用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)綠化，甚至可以在適宜區(qū)域打造景觀。達到水資源充分高效循環(huán)利用。

將玻璃輕石（工業(yè)廢棄物）用于漁業(yè)養(yǎng)殖的水過濾凈化處理，降低漁業(yè)生產(chǎn)成本，同時結(jié)合其他濕地、浮島等建設(shè)，構(gòu)建成本低廉，生態(tài)環(huán)保，景觀優(yōu)美的漁業(yè)宜漁宜游的漁業(yè)發(fā)展新模式。

通過開發(fā)適宜馬頭鎮(zhèn)鄉(xiāng)村水質(zhì)檢測監(jiān)測要求的水質(zhì)檢測監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備，構(gòu)建水生態(tài)智能管理系統(tǒng)，將水質(zhì)檢測監(jiān)測貫穿于鄉(xiāng)村發(fā)展的生產(chǎn)生活全程，把握好水質(zhì)情況，保駕鄉(xiāng)村居民生產(chǎn)生活水安全，呵護周圍水域水生態(tài)安全。

以鄉(xiāng)村為模板，利用水生態(tài)相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建居民生活的“海綿城”，開墾農(nóng)村居民生產(chǎn)的“海綿田”，打造“海綿城+海綿田”鄉(xiāng)村水生態(tài)新模式。

3.2 新型生物載體的制備和應用關(guān)鍵技術(shù)試驗方法與技術(shù)

3.2.1新型生物懸浮載體配方與制備技術(shù)研究

針對馬頭鎮(zhèn)廢水，選擇對各種污染物具有強吸附性能的無機吸附劑，對聚氨酯泡沫載體進行復合改性，通過表觀密度測定、比表面測定、孔隙率測定、吸水率測定、IR-FT、元素分析、熱失重、SEM測定等系統(tǒng)研究復合聚氨酯生物載體的原料篩選、組成、配比等條件對生物載體的關(guān)鍵性能參數(shù)，如比表面積、密度、親疏水性、表面功能等的影響;通過在不同的環(huán)境因素條件下：如溫度、pH值、污染物濃度、吸附時間等對廢水中污染物濃度的監(jiān)測，評價所制備載體對廢水中污染物的吸附性能;通過不同環(huán)境下（酸、堿、熱）的老化試驗，評價載體的物理化學穩(wěn)定性;利用活性細胞平板計數(shù)法、顯微鏡觀察法、比好氧速率測定等方法分析載體上上的生物數(shù)量和呼吸活性，評價所制備的系列化復合聚氨酯生物載體對固定化微生物的生物量和活性的影響，優(yōu)化并確定復合聚氨酯生物載體的最佳配方與工藝技術(shù)參數(shù)，形成性能良好的生物懸浮載體生產(chǎn)制備的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，進行復合聚氨酯生物載體的中試放大試驗，為其工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)參數(shù)^[6]。

3.2.2新型生物載體的應用技術(shù)研究

以最優(yōu)配方的復合聚氨酯泡沫載體為懸浮生物載體，構(gòu)建新型污水處理移動床反應器，通過對反應器進出水水質(zhì)分析監(jiān)測，詳細研究復合聚氨酯生物載體生物移動床工藝參數(shù)如：水力停留時間、溫度、pH值、污染物濃度、溶解氧、載體填充率、反應器的容積負荷以及反應器內(nèi)部構(gòu)造等對有機物去除、硝化或反硝化等的影響，獲得最佳工藝條件。在此基礎(chǔ)上，進行400m³/d的實際廢水中試試驗，進行水力停留時間、容積負荷等工藝參數(shù)及相應的數(shù)學模型研究，確定該工藝參數(shù)，期間利用16SrDNA擴增-變性梯度凝膠電泳（DGGE）、熒光原位雜交（FISH）等分子生態(tài)學方法，定期對復合聚氨酯生物載體生物移動床中的生物膜進行監(jiān)測，詳細分析生物膜上的微生物生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)變化，通過聚類分析等分析方法，了解在不同水質(zhì)條件下，微生物的種群結(jié)構(gòu)和生態(tài)學變化規(guī)律，為復合聚氨酯生物載體生物移動床在工程應用中的提供理論指導。

3.2.3 新型生物載體的生產(chǎn)與應用技術(shù)的工程示范

在新型生物懸浮載體配方與制備技術(shù)中試研究基礎(chǔ)上，研究開發(fā)新型復合聚氨酯生物載體的規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備，，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，獲得新型復合聚氨酯生物載體生產(chǎn)最佳工藝條件，建立2000m³新型復合聚氨酯生物載體能力的生產(chǎn)線;建立新型復合聚氨酯生物載體產(chǎn)品的企業(yè)標準，進行新型復合聚氨酯生物載體的技術(shù)經(jīng)濟性能評估。

在復合聚氨酯生物載體生物移動床中試的基礎(chǔ)上，進行2000m³/d的以上污水處理工程的設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試及及運行考核。通過在線測試獲取裝置運行數(shù)據(jù)，考察工程的運行的可靠性，解決裝置運行過程中出現(xiàn)的問題、優(yōu)化裝置運行的工程參數(shù)，并進行運行成本核算與分析，確立可靠的污水處理技術(shù)參數(shù)。最終形成的新型復合聚氨酯為載體的生物移動床工藝。與此同時，復合聚氨酯生物載體生物移動床現(xiàn)場實際廢水中試處理的基礎(chǔ)上，進行新型復合聚氨酯生物載體的工程應用研究，建立污水處理示范工程，提出以新型復合聚氨酯為載體的生物移動床工藝設(shè)計原則與技術(shù)規(guī)程，完成污水處理工藝設(shè)計工具包。

參考文獻

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