典型工業(yè)區(qū)水資源高效利用策略研究——以宣化區(qū)為例

水處理網(wǎng)訊:基于“海河北系永定河-洋河段水污染控制與水質改善技術集成與綜合示范”課題的技術研究成果，針對永定河-洋河中游排污壓力大和水資源短缺的現(xiàn)狀，以實現(xiàn)宣化工業(yè)區(qū)水資源高效循環(huán)利用為目標，在分析區(qū)域水環(huán)境問題、污水廠再生水利用潛力及生態(tài)風險的基礎上，提出宣化區(qū)水資源高效利用對策建議。

1 宣化區(qū)概況

宣化區(qū)位于永定河流域洋河段，該區(qū)域為干旱半干旱地區(qū)，人均水資源量不足399 m3，屬于嚴重缺水地區(qū)，水資源缺乏已成為制約流域經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素;同時，永定河流域洋河段位于官廳水庫上游，該區(qū)域是重要的首都水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)[1]，地理位置較為特殊，面臨著既要滿足自身用水又要保證一定出境水量的雙重任務。

原宣化區(qū)有著上百年的工業(yè)文明積淀，形成了以鋼鐵冶金、電力能源、裝備機械制造等行業(yè)為主的工業(yè)體系，不僅是張家口市的工業(yè)核心區(qū)，也是河北省重要的工業(yè)基地。一直以來，在流域內GDP占比最高，工業(yè)產(chǎn)值占比最大，成為了永定河流域洋河段主要的水資源利用和污染物排放區(qū)域[2]。

2 區(qū)域環(huán)境問題

2.1 水源單一，未形成合理的用水結構

宣化區(qū)（區(qū)縣合并，下同）面積2371.7km2，占張家口市范圍內洋河流域總面積的15%。2011-2015年宣化區(qū)累積用水總量為89671.9 萬m3，占流域內總用水量的23.3%;地下水累積用水量為72602.1萬m3，在流域內占比28.7%（數(shù)據(jù)來自張家口市水資源公報，下同），見圖1。

從供水水源來看，2011-2015年宣化區(qū)累計用地下水量占宣化區(qū)總用水量的81.0%，用地表水量占15.3%，用再生水量占3.7%;從用水結構來看，2011-2015年間宣化區(qū)農業(yè)用水量最大，占用水總量的65.8%，其次是工業(yè)用水，占用水總量的25.3%，生態(tài)用水量最低，占用水總量的0.6%（圖2）。

2.2 廢水排放量大，響水鋪斷面不能穩(wěn)定達標

隨著宣化工業(yè)區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，該區(qū)成為張家口市水污染物排放強度最大的區(qū)域。根據(jù)2011-2015年環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，宣化區(qū)年均廢水排放量為3621.3萬m3，占洋河流域廢水排放總量的46.0%，該區(qū)域廢水排放，直接影響洋河水質。響水鋪斷面是洋河宣化下游的省控斷面，它主要反映了宣化區(qū)排放的工業(yè)廢水和生活污水對洋河的污染程度。根據(jù)張家口市環(huán)境監(jiān)測報告顯示，2009-2015年，雖然官廳水庫上游洋河水質有逐漸改善的趨勢，但響水鋪斷面不能穩(wěn)定保持IV類水質（見圖3），對下游官廳水庫水質存在潛在威脅。

2.3 水資源短缺與水資源利用率低并存

綜合水量性缺水指標（Iblue）與水質性缺水指標（Igrey）來評估宣化區(qū)2007-2014年間的水資源短缺現(xiàn)狀及分布特征，分析結果表明[3]：①宣化區(qū)存在明顯的水量性缺水問題，水量性缺水指標Iblue平均值為3.55，最大為3.69，最小為2.21，且均屬于重度缺水（評價指標Iblue>2為嚴重缺水）。②宣化區(qū)水質性缺水指標Igrey均小于1，年平均值為0.51（評價指標Igrey<1表示當?shù)匚廴疚锟梢员痪硟鹊Y源量稀釋到一定的環(huán)境標準）。雖然宣化區(qū)暫不存在水質性缺水問題，但仍需要對其水質保持實時監(jiān)測，避免對下游官廳水庫的水質安全造成威脅。羊坊污水處理廠是宣化區(qū)重要的基礎設施，設計處理能力12萬t/d，目前僅有唯一中水用戶宣化熱電有限責任公司，年均中水用量668萬m2，占全區(qū)總用水量的3.7%。羊坊污水處理廠未經(jīng)利用的出水排入洋河，年均廢水排放量為3621.3萬m3，造成了水資源的巨大浪費。

2.4 水資源管理制度缺失

宣化區(qū)大量的工業(yè)用水及農業(yè)用水來自自備井。全區(qū)自備水源井共計182眼，分布在55個企事業(yè)、部隊、院校等單位，井群遍布于區(qū)內各處。自備水井存在管理不規(guī)范、開采無節(jié)制、缺乏有效計量等現(xiàn)狀，導致企業(yè)或者取水戶用水成本低，水資源浪費比較嚴重。

根據(jù)國內外相關經(jīng)驗，再生水可廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)與河湖補水，但要避免對環(huán)境、農產(chǎn)品與公眾健康的影響。目前，全區(qū)還沒有形成一套監(jiān)控網(wǎng)絡體系與管理制度，確保再生水的廣泛、安全利用。

運營管理和收費機制仍未完全理順，沒有形成統(tǒng)一調配水資源的管理機制，再生水資源未能發(fā)揮出應有的社會效益。

3 宣化區(qū)再生水利用潛力分析

羊坊污水處理廠目前僅有唯一中水用戶宣化熱電有限責任公司，而區(qū)內宣化鋼鐵集團有限責任公司、宣化新鐘樓啤酒有限公司等工業(yè)企業(yè)仍以地下水為供給水源，未使用羊坊污水處理廠的再生水;并且區(qū)內農田灌溉、道路噴灑、園林綠化及生態(tài)與景觀等可以全部或部分使用再生水的領域中，也沒有使用再生水，因此，全區(qū)再生水利用潛力巨大。

3.1 工業(yè)再生水利用潛力

（1）宣鋼集團公司是宣化區(qū)主城區(qū)內取水量、排水量均最大的工業(yè)企業(yè)。平均每年取新水量為1926.7×104 m3/a（6.42×104 m3/d），已建有污水處理廠一座（設計能力日處理量4.8×104m3/d），反滲透系統(tǒng)一套（設計處理規(guī)模4.3×104m3/d）。反滲透后出水經(jīng)泵站儲水池與新鮮水以2：1比例混合后輸送至各用水子公司。利用污水處理廠出水制成回用水、工業(yè)新水、脫鹽水、軟化水或純水等用于生產(chǎn)，是目前鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)污水資源化的常見方式[4]。再生水主要可以用于煉鋼廠、煉鐵廠、動力廠和焦化廠循環(huán)水補水及工藝用水、原料預處理、車間設備沖洗等。預計可利用再生水量約為6.0×104m3/d。

（2）宣化熱電規(guī)劃容量為4×300MW，分兩期建設完成。公司以污水處理廠二級出水作為水源，近期日取水量 2萬m3/d，遠期預計取水量可達4萬m3/d。

（3）其余企業(yè)除食品、飲料行業(yè)對用水水質要求較高外，均可逐步采用再生水替代部分工藝用水及廠區(qū)綠化清潔用水，預測近期再生水用量約為0.6×104 m3/d，遠期為1.0×104 m3/d。

3.2 農業(yè)再生水利用潛力

宣化區(qū)農業(yè)灌溉面積4.75萬畝，2015年農田灌溉用水量1980萬m3，其中地下水使用量1750萬m3，占88.38%。利用再生水替代地下水作為灌溉用水水源，預測這部分再生水用量可達47000 m3/d。

3.3 河流景觀再生水利用潛力

（1）根據(jù)城市建設規(guī)劃，宣化區(qū)將實施主城區(qū)柳川河水環(huán)境生態(tài)治理工程。工程建成后將形成一條長4km、寬度56.0～148.0m、蓄水深度0～2.5m的水面900畝。由于目前柳川河僅在汛期有水，因此該工程可采用羊坊污水處理廠達標尾水作為補充水源。柳川河與洋河水系連通，既可形成流動水體景觀，又可通過柳川河段內水體自凈作用，對再生水水質進一步凈化，達到洋河水體功能要求。經(jīng)核算日均需水量約為18000m3/d。

（2）區(qū)內人民公園現(xiàn)有一個人工湖，目前補水來源主要為地下水，年補水量為21萬m3。此部分水可利用再生水替代。

（3）市政綠化用水包括澆灑道路、綠地和其他用水，現(xiàn)狀水源主要采用地下水與城市自來水，此類水對水質要求不高，可利用再生水代替。采用定額計算法對用水規(guī)模進行預測，遠期再生水用量為2.56萬m3/d。

3.4 宣化區(qū)再生水利用潛力匯總

根據(jù)對宣化區(qū)工業(yè)、農業(yè)、河流生態(tài)、景觀綠化、城市雜用等方面再生水利用潛力分析，預計遠期宣化區(qū)再生水用量可達20.1萬m3/d。

4 污水廠再生水利用可能性分析

4.1 排水水量穩(wěn)定

羊坊污水處理廠2007年投產(chǎn)運行，設計處理能力12萬t/d，接納宣化區(qū)大部分企業(yè)工業(yè)廢水及城市居民生活污水。根據(jù)污水廠日常運行記錄，多年來排水水量穩(wěn)定，總出水量約9萬～11萬t/d，可為宣化區(qū)再生水循環(huán)利用提供有效水量保障。

4.2 排水水質穩(wěn)定

根據(jù)羊坊污水處理廠日常檢測數(shù)據(jù)，2012-2016年，除SS和TN外其余指標均穩(wěn)定達到一級A標準;COD出水濃度基本保持在20 mg/L左右，表明系統(tǒng)對COD去除效果穩(wěn)定;TN去除率低于NH3-N考慮有兩個原因，一是缺氧段停留時間短，二是經(jīng)過預反硝化段和厭氧段后，缺氧段進水COD濃度較低，造成了缺氧段反硝化不足，達不到預期的脫氮效果。對照相關回用水水質標準，當再生水回用于景觀環(huán)境用水時，要求TN不超過15mg/L，需針對TN作進一步深度處理。

4.3 生物毒性可控

課題中選取了發(fā)光細菌（分解者）、羊角月牙藻（生產(chǎn)者）、斑馬魚卵（次級消費者）、大型溞（初級消費者）以及鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）等作為受試生物，以相對發(fā)光度、生長抑制率、發(fā)育畸形率或死亡率、生物體死亡率、umu C-gene 誘導率作為評價指標，研究了羊坊污水處理廠進水和出水的急性毒性效應和遺傳毒性，篩選了水質中的主要毒性物質[5]。

根據(jù)研究結論，羊坊污水處理廠排水顯示有一定程度的毒性，需要采取有效的控制措施，預防污水排放到環(huán)境中可能帶來的生態(tài)風險;多環(huán)芳烴類污染物是造成宣化區(qū)污水處理廠排水具有毒性效應的毒性物質之一，根據(jù)廢水特征污染物與生物毒性物質篩查結果，認為宣鋼焦化排水是區(qū)域中水生物毒性的主要來源。

5 水資源高效利用對策建議

根據(jù)再生水水質需求及污染物性質，按照“分質、分治、分用”的原則，合理規(guī)劃布局，緊密結合城市建設規(guī)劃，實施供排水系統(tǒng)的完善和優(yōu)化，并建設再生水處理工程，用再生水逐步替代新鮮水，減少新鮮水的消耗量，實現(xiàn)全區(qū)社會水循環(huán)的可持續(xù)利用。

5.1 建設再生水處理系統(tǒng)

隨著水資源管理的日趨嚴格，中水回用將在全區(qū)推行。建議：①宣化區(qū)應結合有關規(guī)劃，在廠區(qū)周邊建設再生水深度處理系統(tǒng)，按照不同回用用途采用不同處理工藝，達到相關回用標準后通過管網(wǎng)系統(tǒng)輸送至各需水單元。②在規(guī)劃區(qū)域內設計獨立的人工濕地，將羊坊污水廠排水作為主要水源，利用濕地對污水生物毒性的降解作用進行深度處理[6]，處理后的水即可排入公園補充景觀湖、排入河流補充生態(tài)用水或者在灌溉季節(jié)作為補充水源灌溉農田等。

5.2 優(yōu)先發(fā)展節(jié)水型農業(yè)

從宣化區(qū)經(jīng)濟結構總體來看，第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)所占比重較大，耗水也主要集中在第一和第二產(chǎn)業(yè)，尤其是農業(yè)用水量最大。因此，宣化區(qū)應優(yōu)先發(fā)展節(jié)水型農業(yè)。建議：①完善灌區(qū)建設和管理。完善灌排工程設施，提高灌區(qū)輸水、配水效率和灌排保證率，改善農業(yè)生產(chǎn)條件;促進健全灌區(qū)管理體制機制，增強灌區(qū)運行管理能力和水平。②推進適水種植和量水生產(chǎn)，優(yōu)化調整農業(yè)種植結構。在發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)的基礎上，嚴格控制發(fā)展高耗水農作物，擴大低耗水和耐旱作物種植比例。③改變灌溉方式。采用噴灌、滴管等節(jié)水灌溉方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)水漫灌;采用清水再生水混灌、清水再生水輪灌等方式灌溉;禁止利用再生水灌溉生食類蔬菜、瓜類和草本水果等，降低再生水造成的生態(tài)風險[7]。

5.3 提升工業(yè)再生水使用效率

建議：①宣鋼是取水量和排水量最大的工業(yè)企業(yè)，應深入挖掘內部中水回用潛力。例如高爐沖渣水、煉鋼燜渣水、熄焦水等對水質要求不高的工序，均可用再生水代替;循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用水可采用反滲透工藝，滿足回用標準后用于煉鋼廠、煉鐵廠、動力廠和焦化廠循環(huán)水補水及工藝用水等。②其余企業(yè)除食品、飲料行業(yè)對用水水質要求較高外，也建議企業(yè)深入挖掘各自再生水利用潛力，逐步采用再生水替代部分工藝用水及廠區(qū)綠化清潔用水。③羊坊污水處理廠地理位置靠近工業(yè)區(qū)，管網(wǎng)布設較為便利，建議結合城市規(guī)劃、已建和擬建水利工程、地形特點等，以“優(yōu)先重點，兼顧全區(qū)”的原則進行中水管網(wǎng)系統(tǒng)建設。

5.4 強化焦化廢水達標排放

宣鋼焦化排水是區(qū)域再生水生物毒性的主要來源，為降低回用的潛在風險，保障下游官廳水庫水質安全，建議：①深入強化焦化廢水污染物削減與控制技術研究[8]，使廢水達標排放的同時降低生物毒性，減輕對羊坊污水處理廠的沖擊和再生水回用的潛在風險。②嚴格限制焦化廠發(fā)展規(guī)模，加強企業(yè)內部中水回用，盡量做到廢水不外排。

5.5 置換河流景觀生態(tài)用水

目前宣化區(qū)河流生態(tài)補水及景觀市政用水均采用地下水，再生水使用潛力巨大。建議：①結合柳川河水環(huán)境綜合治理規(guī)劃，采用羊坊污水處理廠達標尾水作為補充水水源，置換其地下水用水量。②利用柳川河與洋河水系連通條件，形成流動水體景觀，通過柳川河段內水體自凈作用，對再生水水質進一步凈化，達到洋河水體功能要求。③利用深度處理后的再生水作為人民公園景觀湖補給用水，節(jié)約地下水開采量，又可發(fā)揮調蓄作用，合理配置水資源。④結合中水管網(wǎng)規(guī)劃，合理布設市政用水取水口，使用再生水澆灑道路、綠地和其他用水等。

5.6 建立水資源高效利用政策機制

5.6.1 加強自備水井管理，合理制定水價

宣化區(qū)政府首先應對區(qū)內的自備水井進行規(guī)劃化管理，對現(xiàn)有自備水井有計劃有步驟的封停;再者應對區(qū)內水價進行調整，實行最嚴格的水價制度，使再生水費用低于新鮮水價格，倒逼企業(yè)自覺自愿采用再生水，加大再生水使用效率。

5.6.2 加快推進水資源稅收制度，提高水資源利用效率

水資源稅能夠對市場經(jīng)濟活動進行積極的干預，控制和誘導資源的合理配置，調節(jié)供求關系，促進市場機制的有效發(fā)揮，同時利用由此產(chǎn)生的強大市場競爭力來推動企業(yè)選擇適當?shù)馁Y源節(jié)約技術、污染控制技術，研究開發(fā)新的更有效的減少污染的工藝過程，實現(xiàn)企業(yè)自身的成本降低、水資源節(jié)約。

5.6.3 加強再生水利用風險跟蹤評價

開展再生水利用過程中污染物遷移轉化規(guī)律的研究。利用實驗室模擬、野外調查研究、同位素示蹤技術等，跟蹤監(jiān)測、評估再生水回用過程中典型污染物在灌溉作物、土壤層及地下水中的遷移轉化情況以及其相關影響，建立宣化區(qū)再生水利用風險跟蹤評估體系。

5.6.4 完善技術標準，推進技術創(chuàng)新

建立各類用途中水回用標準體系，制定發(fā)布相關的安全衛(wèi)生技術導則，完善質量監(jiān)管標準體系，建立宣化區(qū)再生水利用管理標準化，確保城市再生水利用健康、有序地推進;積極組織產(chǎn)學研相結合的科技攻關，研發(fā)與經(jīng)濟發(fā)展相適應的安全可靠、高效低耗的工藝技術和配套設備，進行中水設備標準化、通用化的研究，為中水利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定堅實基礎。

參考文獻

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作者：朱靜 吳亦紅 張媛 陳新永