水环境品质提升与水生态安全保障丛书--水环境设施功能提升与水系统调控

本书以建立城市水系统安全高效运行和水设施精细化智能化管控技术体系为主线，选择印染废水处理厂、城市污水处理厂和城市管网等典型设施，重点论述设施排水的生态安全性评价与监控、印染废水处理厂毒害污染物与毒性控制、城市污水处理厂数字化全流程优化运行与节能降耗、城市排水系统多设施协同调控与高效运行技术、城市污泥处理处置对水环境影响的综合评价、水环境设施效能动态评估等核心技术突破,旨在为我国全面增强城市水设施效能以提升环境品质和保障生态安全提供支撑，为实现水行业运营技术进步和推动监管能力建设提供指导。
本书内容丰富，注重理论与实践结合、技术先进性与实用性结合,可供从事城市污水处理处置、水污染控制与管理等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、市政工程、生态工程及相关专业师生参阅。

曾思育，清华大学环境系统分析教研所副教授，专业特长为环境系统分析，长期从事城市水系统领域研究，在水环境设施规划设计与优化运行方面积累了大量研究与实践经验，主持科研项目课题十余项，多次获得省部级科技进步奖，发表科技论文百余篇，拥有软件著作权30余项。

1.专业性，本书重点关注设施运行中的提质增效，尤其是工业废水设施的毒性减排、市政污水设施的雨季减排；强调设施运行中的全系统优化、子系统协同理念与相关技术工具研发。 2.实用性，本书所介绍的城市水设施精细化高效运行和水系统智能化安全管控技术体系，可供城市水环境设施规划设计与运行维护相关的决策者、设计人员、研究人员和工程技术人员参考，对于进一步提升和全面增强城市水环境基础设施效能具有重要的作用。 3.先进性，本书强调了大数据、智能化等新技术在环境设施运营领域的应用。

随着水环境治理工作的不断深入和水环境质量不断改善，我国城市水环境治理逐渐进入转型期，对水环境品质提升与水生态安全保障提出了更高的要求。在转型期城市水环境治理工作面临着“5个转变”：环境质量改善目标从常规污染物达标向构造亲水环境和实现水生态安全转变；污染物控制从COD和氨氮负荷削减向多种污染物协同减排和微量污染物毒性控制转变；工程技术措施从治理设施建设规模扩张向强调设施安全稳定高效运行转变；污染治理模式从粗放治理向精准化靶向治理转变；监管手段从以人工经验半自动为主向智能化转变。
苏州作为我国率先进入城市水环境治理转型期的代表性城市，具有实现苏州水环境品质持续提升、保障太湖东部区域水生态安全的迫切需求。在此背景下国家水体污染控制与治理科技重大专项于2017~2021年实施了“苏州区域水质提升与水生态安全保障技术及综合示范项目”研究。该项目由清华大学牵头，设置三个课题，分别针对水设施功能提升与全系统调控、水源地生态环境安全保障、河道水环境品质提升与水生态健康维系技术开展了系统研究和工程示范。“水环境品质提升与水生态安全保障丛书”就是本项目三个课题研究成果的系统提炼和总结。
本书依托“望虞河东岸水设施功能提升与全系统调控技术研究及示范”科研项目成果，结合笔者及其团队多年的经验总结编写而成。水环境设施是支撑城市水环境治理的重要基础，而我国在经历了大规模设施建设之后逐步进入推动设施提质增效运行的阶段。本书面向城市关键水环境设施运行效能提升需求，以“三水三泥系统”（指工业废水-城市污水-雨水、市政污泥-管网淤泥-河道底泥相关的收集处理与资源化利用设施系统）为对象，涉及多项关键技术和成套技术研发，以及在技术研发基础上开展的工程示范与管理实践成果等内容。所建立的城市水设施精细化高效运行和水系统智能化安全管控技术体系，对于进一步提升和全面增强城市水环境基础设施效能具有重要的科技支撑与引领作用，对推动我国城市水污染削减从传统总量控制走向多种污染物和生态毒性协同控制、水系统运行从静态粗放模式走向动态精准模式、水环境治理从常规污染管控走向水生态安全保障具有突出的应用价值。
全书共分为7章，第1章为绪论；第2章~第7章分别介绍了设施排水的生态安全性评价与监控技术、印染废水处理厂毒害污染物与毒性控制技术、城市污水处理厂数字化全流程节能降耗优化运行技术、城市排水系统多设施协同调控与高效运行技术、城市污泥处理对水环境影响的综合评价技术、水环境设施效能动态评估与管理平台一体化建设等内容。
本书是清华大学、同济大学、清华大学深圳研究生院、苏州市环境科学研究所、苏州市供排水管理处、苏州市排水有限公司、苏州科技大学等多家单位的学者专家们共同努力的结果。全书由曾思育等著，具体编写人员及分工如下：第1章由曾思育、吴乾元著；第2章由王文龙、田永静、王纯、杜烨、胡洪营著；第3章由吴乾元、吴光学、赵丹、陈晓娟、顾梦琪著；第4章由刘志刚、戴晓虎、尹海龙、沈昌明、周炜著；第5章由曾思育、徐智伟、姚越、王小婷、盛铭军、姜妮著；第6章由王洪涛、刘建国、陈坦、赵岩、金曦、周可人著；第7章由周炜、尤岚、王伟、沈良、盛铭军、王小婷著。全书由姜妮合稿，最后由曾思育统稿并定稿。在此对所有参加编写的人员表示感谢。书稿编写过程中参阅并引用了国内外许多学者的研究成果，在此向所引用参考文献的作者致以谢意。另外，本书获得了国家水体污染控制与治理科技重大专项“十三五”课题“望虞河东岸水设施功能提升与全系统调控技术研究及示范”的资助，在此一并表示感谢！
限于著者水平及编写时间，书中难免存在不足和疏漏之处，敬请广大读者批评指正。

著者
2023年3月

第1章 绪论 1
1.1　城市水环境设施功能提升的必要性和紧迫性 1
1.2　水环境设施功能提升与安全高效运行存在的技术挑战 2
1.2.1　水环境基础设施排水的生态安全性评价与监控 2
1.2.2　工业废水毒害污染物与毒性有效控制 3
1.2.3　城市污水处理厂数字化运行与节能降耗 4
1.2.4　城市“三泥”水环境影响与处理处置技术优化集成 5
1.2.5　城市排水系统多设施协同调控 5
1.3　本书撰写目的、内容与技术路线 6
参考文献 9

第2章 设施排水的生态安全性评价与监控技术 11
2.1　我国设施排水安全评价监管技术现状与不足 11
2.1.1　设施排水与生态安全问题 11
2.1.2　水质在线监测预警系统的发展 13
2.1.3　设施排水生态安全评价及生物毒性检测技术发展 15
2.1.4　工业废水排放安全监管手段及其发展趋势 20
2.2　设施排水的生态安全评价指标体系与方法构建 21
2.2.1　评价指标体系 21
2.2.2　生态安全性评价指标监测方法 23
2.2.3　生态风险评价方法 26
2.2.4　毒性因子识别及毒性削减 27
2.3　工业废水排水生态安全评价与风险监控技术研究 29
2.3.1　纳管工业废水的生物可处理特性 29
2.3.2　达标排放工业废水的污染物及风险 31
2.3.3　污水处理工艺对特征污染物的去除特性 32
2.3.4　达标排放工业尾水毒性诊断与毒性去除特征 35
2.3.5　达标排放工业废水的生态安全风险监控系统设计 37
2.3.6　基于仿水生态系统的工业尾水生态安全监测系统研发 40
2.3.7　工业尾水低浓度复合污染物长期暴露风险评价 43
2.4　城市污水处理厂尾水增效利用与生态安全评价 53
2.4.1　城市污水处理厂尾水中的氮磷营养盐及风险 53
2.4.2　城市污水处理厂尾水中的其他污染物及风险 59
2.4.3　城市污水处理厂尾水增效利用潜力分析与安全性评价 67
2.5　城市雨水管网排水的水环境影响与生态安全性评价 71
2.5.1　案例城市降雨水文特征 72
2.5.2　雨水管网排水的特征污染物分析 73
2.5.3　雨水管网排水对水环境质量的影响评价 81
2.5.4　雨水管网排水对水生态安全的影响评价 85
2.5.5　雨水管网排水生态安全综合评价 93
参考文献 95

第3章 印染废水处理厂毒害污染物与毒性控制技术 99
3.1　印染等典型工业废水毒性及其对处理工艺影响解析 99
3.1.1　印染等典型工业废水的生态毒性危害 99
3.1.2　印染废水生态毒性因子解析 100
3.1.3　印染废水毒害污染物对活性污泥的抑制特性 103
3.2　印染废水生物强化处理技术 106
3.2.1　水解酸化-缺氧好氧工艺研究 106
3.2.2　水解酸化-多级AO工艺研究 111
3.2.3　Fe3O4强化染料降解研究 117
3.3 印染废水混凝絮体优化再利用脱毒技术 133
3.3.1 聚合硫酸铁混凝去除锑(Ⅴ)的特性研究 133
3.3.2　基于进水锑前馈的混凝精确加药系统 137
3.3.3　絮体回流对锑的去除效果的研究 139
3.4　催化氧化-生物活性炭深度脱毒技术 141
3.4.1　强化臭氧氧化对印染废水有机物及毒性的去除特性 141
3.4.2　强化臭氧-生物活性炭对印染废水有机物及毒性的去除特性 152
3.5　工业达标尾水生态再净化与水质提升技术 158
3.5.1　适合修复印染尾水锑污染的植物筛选 158
3.5.2　适合修复印染达标尾水锑污染的填料筛选 162
3.5.3 新型陶粒填料的制备与应用效果 164
3.5.4　两种流态湿地对污染物的去除特性 168
3.5.5　人工湿地系统削减印染达标尾水锑性能评价 172
3.6 印染等废水毒害污染物削减与毒性控制技术验证工程示范 174
参考文献 176

第4章 城市污水处理厂数字化全流程节能降耗优化运行技术 183
4.1　城镇污水处理厂提标改造与节能降耗的双重目标 183
4.1.1　提标改造与节能降耗的客观需求 183
4.1.2　污水处理厂提标改造与节能降耗的一般方法 184
4.2　城镇污水处理工艺全过程评估内容和方法 185
4.2.1　污水处理厂基本情况 187
4.2.2　进出水水量水质特征 187
4.2.3　运行过程及效果 189
4.2.4　运行电耗和药耗 198
4.2.5　运行管理水平 198
4.3　全流程数字化关键技术开发与验证 199
4.3.1　全流程数字化系统组成 199
4.3.2　全流程数字化系统的功能要求 201
4.3.3　机理模型和数据驱动模型的开发与联用 202
4.3.4　生物系统和加药单元的智能控制 204
4.3.5　基于耗氧速率和生化动力学的优化控制技术 210
4.3.6　AAO工艺中试试验验证 212
4.4　污水厂数字化运行和节能降耗技术工程实践 217
4.4.1　工程全流程评估过程和结果 217
4.4.2　预测模型开发 242
4.4.3　工程优化内容 255
4.4.4　工艺优化运行效果分析 258
4.4.5　工艺节能降耗效果分析 259
参考文献 261

第5章 城市排水系统多设施协同调控技术 264
5.1　多设施协同运行需求与挑战 264
5.1.1　排水系统单元式运行管理存在的问题 265
5.1.2　多设施雨季协同运行面临的技术挑战 265
5.1.3　多设施协同运行技术进展与发展趋势 268
5.2　典型高外来水量分流制排水系统特征识别 270
5.2.1　排水系统概况与降雨条件 270
5.2.2　年度与季度尺度入流入渗解析 272
5.2.3 单日与小时尺度入流入渗解析 278
5.2.4　外来水入流入渗高时空精度解析结果 284
5.3　面向运行评估的水环境设施机理模型构建 285
5.3.1　水环境设施机理模型构建方法 285
5.3.2　基于雷达数据反演的降雨径流排放模式识别 287
5.3.3　水环境设施模型的入流入渗模块开发 289
5.3.4　案例区域水环境设施机理模型构建 290
5.4　面向实时控制的水环境设施神经网络模型构建 296
5.4.1　水环境设施神经网络模型构建方法 296
5.4.2　案例区域水环境设施神经网络模型构建 299
5.5　基于多目标鲁棒优化的设施雨季协同调控技术与应用 304
5.5.1　水环境设施雨季协同控制问题概化 304
5.5.2　基于模型模拟的调控潜力评估 311
5.5.3　面向协同控制的多目标鲁棒优化方法 321
5.5.4　案例区域设施协同控制效果 323
参考文献 331

第6章 城市污泥处理对水环境影响的综合评价技术 334
6.1　城市污泥处理处置技术应用现状 334
6.1.1　市政污泥处理处置现状与典型模式 334
6.1.2　排水管道淤泥处理处置现状与典型案例 342
6.1.3　河道底泥处理处置现状与典型案例 344
6.2　城市污泥处理环境绩效多维度综合评价技术 346
6.2.1　全生命周期物质流分析方法 347
6.2.2　评价体系构建与绩效指标选取 347
6.2.3　定量指标的计算方法 348
6.2.4　绩效指标的全成本综合评估方式 352
6.2.5　绩效指标计算的不确定性分析 354
6.3　城市污泥处理技术路线评价与升级优化 355
6.3.1　污泥处理不同技术路线情景分析 355
6.3.2　技术工艺分析 357
6.3.3　物质流和能量流分析 361
6.3.4　污泥处理技术的综合环境绩效评估 366
6.3.5　案例城市污泥处理现有技术路线评价 376
6.3.6　案例城市污泥处理技术路线优化方案 380
6.4　案例城市污泥处理整体解决方案 386
6.4.1　污泥产生处理现状与未来增量 387
6.4.2　市政污泥处理务实型技术方案 401
6.4.3　市政污泥处理引领型技术方案 405
6.4.4　管道淤泥处理推荐技术路线 408
6.4.5　河道底泥处理推荐技术路线 408
参考文献 413

第7章 水环境设施效能动态评估与管理平台建设 416
7.1　区域水环境设施智慧化管理需求 416
7.2　水环境设施效能动态评估方法 417
7.2.1　评估目的与原则 417
7.2.2　评估指标体系 418
7.2.3　评估指标计算方法 419
7.2.4　效能水平综合分析方法 425
7.3　案例区排水管网运行效能评估 427
7.3.1　排水管网运行效能评估结果 427
7.3.2　排水管网运行效能水平综合分析 440
7.4　水设施一体化管理平台建设 447
7.4.1　平台的系统架构 447
7.4.2　基础信息管理功能 448
7.4.3　数据查询分析功能 453
7.4.4　效能动态评估功能 455
7.4.5　设施智能调控功能 466
7.4.6　设施运维管理功能 470
7.4.7　用户权限管理功能 472
参考文献 475