水環(huán)境品質(zhì)提升與水生態(tài)安全保障叢書--水環(huán)境設(shè)施功能提升與水系統(tǒng)調(diào)控

本書以建立城市水系統(tǒng)安全高效運行和水設(shè)施精細化智能化管控技術(shù)體系為主線，選擇印染廢水處理廠、城市污水處理廠和城市管網(wǎng)等典型設(shè)施，重點論述設(shè)施排水的生態(tài)安全性評價與監(jiān)控、印染廢水處理廠毒害污染物與毒性控制、城市污水處理廠數(shù)字化全流程優(yōu)化運行與節(jié)能降耗、城市排水系統(tǒng)多設(shè)施協(xié)同調(diào)控與高效運行技術(shù)、城市污泥處理處置對水環(huán)境影響的綜合評價、水環(huán)境設(shè)施效能動態(tài)評估等核心技術(shù)突破,旨在為我國全面增強城市水設(shè)施效能以提升環(huán)境品質(zhì)和保障生態(tài)安全提供支撐，為實現(xiàn)水行業(yè)運營技術(shù)進步和推動監(jiān)管能力建設(shè)提供指導。
本書內(nèi)容豐富，注重理論與實踐結(jié)合、技術(shù)先進性與實用性結(jié)合,可供從事城市污水處理處置、水污染控制與管理等的工程技術(shù)人員、科研人員和管理人員參考，也可供高等學校環(huán)境科學與工程、市政工程、生態(tài)工程及相關(guān)專業(yè)師生參閱。

曾思育，清華大學環(huán)境系統(tǒng)分析教研所副教授，專業(yè)特長為環(huán)境系統(tǒng)分析，長期從事城市水系統(tǒng)領(lǐng)域研究，在水環(huán)境設(shè)施規(guī)劃設(shè)計與優(yōu)化運行方面積累了大量研究與實踐經(jīng)驗，主持科研項目課題十余項，多次獲得省部級科技進步獎，發(fā)表科技論文百余篇，擁有軟件著作權(quán)30余項。

1.專業(yè)性，本書重點關(guān)注設(shè)施運行中的提質(zhì)增效，尤其是工業(yè)廢水設(shè)施的毒性減排、市政污水設(shè)施的雨季減排；強調(diào)設(shè)施運行中的全系統(tǒng)優(yōu)化、子系統(tǒng)協(xié)同理念與相關(guān)技術(shù)工具研發(fā)。 2.實用性，本書所介紹的城市水設(shè)施精細化高效運行和水系統(tǒng)智能化安全管控技術(shù)體系，可供城市水環(huán)境設(shè)施規(guī)劃設(shè)計與運行維護相關(guān)的決策者、設(shè)計人員、研究人員和工程技術(shù)人員參考，對于進一步提升和全面增強城市水環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施效能具有重要的作用。 3.先進性，本書強調(diào)了大數(shù)據(jù)、智能化等新技術(shù)在環(huán)境設(shè)施運營領(lǐng)域的應(yīng)用。

隨著水環(huán)境治理工作的不斷深入和水環(huán)境質(zhì)量不斷改善，我國城市水環(huán)境治理逐漸進入轉(zhuǎn)型期，對水環(huán)境品質(zhì)提升與水生態(tài)安全保障提出了更高的要求。在轉(zhuǎn)型期城市水環(huán)境治理工作面臨著“5個轉(zhuǎn)變”：環(huán)境質(zhì)量改善目標從常規(guī)污染物達標向構(gòu)造親水環(huán)境和實現(xiàn)水生態(tài)安全轉(zhuǎn)變；污染物控制從COD和氨氮負荷削減向多種污染物協(xié)同減排和微量污染物毒性控制轉(zhuǎn)變；工程技術(shù)措施從治理設(shè)施建設(shè)規(guī)模擴張向強調(diào)設(shè)施安全穩(wěn)定高效運行轉(zhuǎn)變；污染治理模式從粗放治理向精準化靶向治理轉(zhuǎn)變；監(jiān)管手段從以人工經(jīng)驗半自動為主向智能化轉(zhuǎn)變。
蘇州作為我國率先進入城市水環(huán)境治理轉(zhuǎn)型期的代表性城市，具有實現(xiàn)蘇州水環(huán)境品質(zhì)持續(xù)提升、保障太湖東部區(qū)域水生態(tài)安全的迫切需求。在此背景下國家水體污染控制與治理科技重大專項于2017~2021年實施了“蘇州區(qū)域水質(zhì)提升與水生態(tài)安全保障技術(shù)及綜合示范項目”研究。該項目由清華大學牽頭，設(shè)置三個課題，分別針對水設(shè)施功能提升與全系統(tǒng)調(diào)控、水源地生態(tài)環(huán)境安全保障、河道水環(huán)境品質(zhì)提升與水生態(tài)健康維系技術(shù)開展了系統(tǒng)研究和工程示范?！八h(huán)境品質(zhì)提升與水生態(tài)安全保障叢書”就是本項目三個課題研究成果的系統(tǒng)提煉和總結(jié)。
本書依托“望虞河東岸水設(shè)施功能提升與全系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)研究及示范”科研項目成果，結(jié)合筆者及其團隊多年的經(jīng)驗總結(jié)編寫而成。水環(huán)境設(shè)施是支撐城市水環(huán)境治理的重要基礎(chǔ)，而我國在經(jīng)歷了大規(guī)模設(shè)施建設(shè)之后逐步進入推動設(shè)施提質(zhì)增效運行的階段。本書面向城市關(guān)鍵水環(huán)境設(shè)施運行效能提升需求，以“三水三泥系統(tǒng)”（指工業(yè)廢水-城市污水-雨水、市政污泥-管網(wǎng)淤泥-河道底泥相關(guān)的收集處理與資源化利用設(shè)施系統(tǒng)）為對象，涉及多項關(guān)鍵技術(shù)和成套技術(shù)研發(fā)，以及在技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)上開展的工程示范與管理實踐成果等內(nèi)容。所建立的城市水設(shè)施精細化高效運行和水系統(tǒng)智能化安全管控技術(shù)體系，對于進一步提升和全面增強城市水環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施效能具有重要的科技支撐與引領(lǐng)作用，對推動我國城市水污染削減從傳統(tǒng)總量控制走向多種污染物和生態(tài)毒性協(xié)同控制、水系統(tǒng)運行從靜態(tài)粗放模式走向動態(tài)精準模式、水環(huán)境治理從常規(guī)污染管控走向水生態(tài)安全保障具有突出的應(yīng)用價值。
全書共分為7章，第1章為緒論；第2章~第7章分別介紹了設(shè)施排水的生態(tài)安全性評價與監(jiān)控技術(shù)、印染廢水處理廠毒害污染物與毒性控制技術(shù)、城市污水處理廠數(shù)字化全流程節(jié)能降耗優(yōu)化運行技術(shù)、城市排水系統(tǒng)多設(shè)施協(xié)同調(diào)控與高效運行技術(shù)、城市污泥處理對水環(huán)境影響的綜合評價技術(shù)、水環(huán)境設(shè)施效能動態(tài)評估與管理平臺一體化建設(shè)等內(nèi)容。
本書是清華大學、同濟大學、清華大學深圳研究生院、蘇州市環(huán)境科學研究所、蘇州市供排水管理處、蘇州市排水有限公司、蘇州科技大學等多家單位的學者專家們共同努力的結(jié)果。全書由曾思育等著，具體編寫人員及分工如下：第1章由曾思育、吳乾元著；第2章由王文龍、田永靜、王純、杜燁、胡洪營著；第3章由吳乾元、吳光學、趙丹、陳曉娟、顧夢琪著；第4章由劉志剛、戴曉虎、尹海龍、沈昌明、周煒著；第5章由曾思育、徐智偉、姚越、王小婷、盛銘軍、姜妮著；第6章由王洪濤、劉建國、陳坦、趙巖、金曦、周可人著；第7章由周煒、尤嵐、王偉、沈良、盛銘軍、王小婷著。全書由姜妮合稿，最后由曾思育統(tǒng)稿并定稿。在此對所有參加編寫的人員表示感謝。書稿編寫過程中參閱并引用了國內(nèi)外許多學者的研究成果，在此向所引用參考文獻的作者致以謝意。另外，本書獲得了國家水體污染控制與治理科技重大專項“十三五”課題“望虞河東岸水設(shè)施功能提升與全系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)研究及示范”的資助，在此一并表示感謝！
限于著者水平及編寫時間，書中難免存在不足和疏漏之處，敬請廣大讀者批評指正。

著者
2023年3月

第1章 緒論 1
1.1　城市水環(huán)境設(shè)施功能提升的必要性和緊迫性 1
1.2　水環(huán)境設(shè)施功能提升與安全高效運行存在的技術(shù)挑戰(zhàn) 2
1.2.1　水環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施排水的生態(tài)安全性評價與監(jiān)控 2
1.2.2　工業(yè)廢水毒害污染物與毒性有效控制 3
1.2.3　城市污水處理廠數(shù)字化運行與節(jié)能降耗 4
1.2.4　城市“三泥”水環(huán)境影響與處理處置技術(shù)優(yōu)化集成 5
1.2.5　城市排水系統(tǒng)多設(shè)施協(xié)同調(diào)控 5
1.3　本書撰寫目的、內(nèi)容與技術(shù)路線 6
參考文獻 9

第2章 設(shè)施排水的生態(tài)安全性評價與監(jiān)控技術(shù) 11
2.1　我國設(shè)施排水安全評價監(jiān)管技術(shù)現(xiàn)狀與不足 11
2.1.1　設(shè)施排水與生態(tài)安全問題 11
2.1.2　水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展 13
2.1.3　設(shè)施排水生態(tài)安全評價及生物毒性檢測技術(shù)發(fā)展 15
2.1.4　工業(yè)廢水排放安全監(jiān)管手段及其發(fā)展趨勢 20
2.2　設(shè)施排水的生態(tài)安全評價指標體系與方法構(gòu)建 21
2.2.1　評價指標體系 21
2.2.2　生態(tài)安全性評價指標監(jiān)測方法 23
2.2.3　生態(tài)風險評價方法 26
2.2.4　毒性因子識別及毒性削減 27
2.3　工業(yè)廢水排水生態(tài)安全評價與風險監(jiān)控技術(shù)研究 29
2.3.1　納管工業(yè)廢水的生物可處理特性 29
2.3.2　達標排放工業(yè)廢水的污染物及風險 31
2.3.3　污水處理工藝對特征污染物的去除特性 32
2.3.4　達標排放工業(yè)尾水毒性診斷與毒性去除特征 35
2.3.5　達標排放工業(yè)廢水的生態(tài)安全風險監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 37
2.3.6　基于仿水生態(tài)系統(tǒng)的工業(yè)尾水生態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā) 40
2.3.7　工業(yè)尾水低濃度復合污染物長期暴露風險評價 43
2.4　城市污水處理廠尾水增效利用與生態(tài)安全評價 53
2.4.1　城市污水處理廠尾水中的氮磷營養(yǎng)鹽及風險 53
2.4.2　城市污水處理廠尾水中的其他污染物及風險 59
2.4.3　城市污水處理廠尾水增效利用潛力分析與安全性評價 67
2.5　城市雨水管網(wǎng)排水的水環(huán)境影響與生態(tài)安全性評價 71
2.5.1　案例城市降雨水文特征 72
2.5.2　雨水管網(wǎng)排水的特征污染物分析 73
2.5.3　雨水管網(wǎng)排水對水環(huán)境質(zhì)量的影響評價 81
2.5.4　雨水管網(wǎng)排水對水生態(tài)安全的影響評價 85
2.5.5　雨水管網(wǎng)排水生態(tài)安全綜合評價 93
參考文獻 95

第3章 印染廢水處理廠毒害污染物與毒性控制技術(shù) 99
3.1　印染等典型工業(yè)廢水毒性及其對處理工藝影響解析 99
3.1.1　印染等典型工業(yè)廢水的生態(tài)毒性危害 99
3.1.2　印染廢水生態(tài)毒性因子解析 100
3.1.3　印染廢水毒害污染物對活性污泥的抑制特性 103
3.2　印染廢水生物強化處理技術(shù) 106
3.2.1　水解酸化-缺氧好氧工藝研究 106
3.2.2　水解酸化-多級AO工藝研究 111
3.2.3　Fe3O4強化染料降解研究 117
3.3 印染廢水混凝絮體優(yōu)化再利用脫毒技術(shù) 133
3.3.1 聚合硫酸鐵混凝去除銻(Ⅴ)的特性研究 133
3.3.2　基于進水銻前饋的混凝精確加藥系統(tǒng) 137
3.3.3　絮體回流對銻的去除效果的研究 139
3.4　催化氧化-生物活性炭深度脫毒技術(shù) 141
3.4.1　強化臭氧氧化對印染廢水有機物及毒性的去除特性 141
3.4.2　強化臭氧-生物活性炭對印染廢水有機物及毒性的去除特性 152
3.5　工業(yè)達標尾水生態(tài)再凈化與水質(zhì)提升技術(shù) 158
3.5.1　適合修復印染尾水銻污染的植物篩選 158
3.5.2　適合修復印染達標尾水銻污染的填料篩選 162
3.5.3 新型陶粒填料的制備與應(yīng)用效果 164
3.5.4　兩種流態(tài)濕地對污染物的去除特性 168
3.5.5　人工濕地系統(tǒng)削減印染達標尾水銻性能評價 172
3.6 印染等廢水毒害污染物削減與毒性控制技術(shù)驗證工程示范 174
參考文獻 176

第4章 城市污水處理廠數(shù)字化全流程節(jié)能降耗優(yōu)化運行技術(shù) 183
4.1　城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造與節(jié)能降耗的雙重目標 183
4.1.1　提標改造與節(jié)能降耗的客觀需求 183
4.1.2　污水處理廠提標改造與節(jié)能降耗的一般方法 184
4.2　城鎮(zhèn)污水處理工藝全過程評估內(nèi)容和方法 185
4.2.1　污水處理廠基本情況 187
4.2.2　進出水水量水質(zhì)特征 187
4.2.3　運行過程及效果 189
4.2.4　運行電耗和藥耗 198
4.2.5　運行管理水平 198
4.3　全流程數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與驗證 199
4.3.1　全流程數(shù)字化系統(tǒng)組成 199
4.3.2　全流程數(shù)字化系統(tǒng)的功能要求 201
4.3.3　機理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的開發(fā)與聯(lián)用 202
4.3.4　生物系統(tǒng)和加藥單元的智能控制 204
4.3.5　基于耗氧速率和生化動力學的優(yōu)化控制技術(shù) 210
4.3.6　AAO工藝中試試驗驗證 212
4.4　污水廠數(shù)字化運行和節(jié)能降耗技術(shù)工程實踐 217
4.4.1　工程全流程評估過程和結(jié)果 217
4.4.2　預(yù)測模型開發(fā) 242
4.4.3　工程優(yōu)化內(nèi)容 255
4.4.4　工藝優(yōu)化運行效果分析 258
4.4.5　工藝節(jié)能降耗效果分析 259
參考文獻 261

第5章 城市排水系統(tǒng)多設(shè)施協(xié)同調(diào)控技術(shù) 264
5.1　多設(shè)施協(xié)同運行需求與挑戰(zhàn) 264
5.1.1　排水系統(tǒng)單元式運行管理存在的問題 265
5.1.2　多設(shè)施雨季協(xié)同運行面臨的技術(shù)挑戰(zhàn) 265
5.1.3　多設(shè)施協(xié)同運行技術(shù)進展與發(fā)展趨勢 268
5.2　典型高外來水量分流制排水系統(tǒng)特征識別 270
5.2.1　排水系統(tǒng)概況與降雨條件 270
5.2.2　年度與季度尺度入流入滲解析 272
5.2.3 單日與小時尺度入流入滲解析 278
5.2.4　外來水入流入滲高時空精度解析結(jié)果 284
5.3　面向運行評估的水環(huán)境設(shè)施機理模型構(gòu)建 285
5.3.1　水環(huán)境設(shè)施機理模型構(gòu)建方法 285
5.3.2　基于雷達數(shù)據(jù)反演的降雨徑流排放模式識別 287
5.3.3　水環(huán)境設(shè)施模型的入流入滲模塊開發(fā) 289
5.3.4　案例區(qū)域水環(huán)境設(shè)施機理模型構(gòu)建 290
5.4　面向?qū)崟r控制的水環(huán)境設(shè)施神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建 296
5.4.1　水環(huán)境設(shè)施神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建方法 296
5.4.2　案例區(qū)域水環(huán)境設(shè)施神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建 299
5.5　基于多目標魯棒優(yōu)化的設(shè)施雨季協(xié)同調(diào)控技術(shù)與應(yīng)用 304
5.5.1　水環(huán)境設(shè)施雨季協(xié)同控制問題概化 304
5.5.2　基于模型模擬的調(diào)控潛力評估 311
5.5.3　面向協(xié)同控制的多目標魯棒優(yōu)化方法 321
5.5.4　案例區(qū)域設(shè)施協(xié)同控制效果 323
參考文獻 331

第6章 城市污泥處理對水環(huán)境影響的綜合評價技術(shù) 334
6.1　城市污泥處理處置技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀 334
6.1.1　市政污泥處理處置現(xiàn)狀與典型模式 334
6.1.2　排水管道淤泥處理處置現(xiàn)狀與典型案例 342
6.1.3　河道底泥處理處置現(xiàn)狀與典型案例 344
6.2　城市污泥處理環(huán)境績效多維度綜合評價技術(shù) 346
6.2.1　全生命周期物質(zhì)流分析方法 347
6.2.2　評價體系構(gòu)建與績效指標選取 347
6.2.3　定量指標的計算方法 348
6.2.4　績效指標的全成本綜合評估方式 352
6.2.5　績效指標計算的不確定性分析 354
6.3　城市污泥處理技術(shù)路線評價與升級優(yōu)化 355
6.3.1　污泥處理不同技術(shù)路線情景分析 355
6.3.2　技術(shù)工藝分析 357
6.3.3　物質(zhì)流和能量流分析 361
6.3.4　污泥處理技術(shù)的綜合環(huán)境績效評估 366
6.3.5　案例城市污泥處理現(xiàn)有技術(shù)路線評價 376
6.3.6　案例城市污泥處理技術(shù)路線優(yōu)化方案 380
6.4　案例城市污泥處理整體解決方案 386
6.4.1　污泥產(chǎn)生處理現(xiàn)狀與未來增量 387
6.4.2　市政污泥處理務(wù)實型技術(shù)方案 401
6.4.3　市政污泥處理引領(lǐng)型技術(shù)方案 405
6.4.4　管道淤泥處理推薦技術(shù)路線 408
6.4.5　河道底泥處理推薦技術(shù)路線 408
參考文獻 413

第7章 水環(huán)境設(shè)施效能動態(tài)評估與管理平臺建設(shè) 416
7.1　區(qū)域水環(huán)境設(shè)施智慧化管理需求 416
7.2　水環(huán)境設(shè)施效能動態(tài)評估方法 417
7.2.1　評估目的與原則 417
7.2.2　評估指標體系 418
7.2.3　評估指標計算方法 419
7.2.4　效能水平綜合分析方法 425
7.3　案例區(qū)排水管網(wǎng)運行效能評估 427
7.3.1　排水管網(wǎng)運行效能評估結(jié)果 427
7.3.2　排水管網(wǎng)運行效能水平綜合分析 440
7.4　水設(shè)施一體化管理平臺建設(shè) 447
7.4.1　平臺的系統(tǒng)架構(gòu) 447
7.4.2　基礎(chǔ)信息管理功能 448
7.4.3　數(shù)據(jù)查詢分析功能 453
7.4.4　效能動態(tài)評估功能 455
7.4.5　設(shè)施智能調(diào)控功能 466
7.4.6　設(shè)施運維管理功能 470
7.4.7　用戶權(quán)限管理功能 472
參考文獻 475