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典型工业区水资源高效利用策略研究——以宣化区为例

北极星水处理网  来源:环境与发展  作者:朱静 吴亦红等  2021/1/21 10:42:58  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:再生水 工业废水 污染物排放

北极星水处理网讯:基于“海河北系永定河-洋河段水污染控制与水质改善技术集成与综合示范”课题的技术研究成果,针对永定河-洋河中游排污压力大和水资源短缺的现状,以实现宣化工业区水资源高效循环利用为目标,在分析区域水环境问题、污水厂再生水利用潜力及生态风险的基础上,提出宣化区水资源高效利用对策建议。

1 宣化区概况

宣化区位于永定河流域洋河段,该区域为干旱半干旱地区,人均水资源量不足399 m3,属于严重缺水地区,水资源缺乏已成为制约流域经济和社会发展的重要因素;同时,永定河流域洋河段位于官厅水库上游,该区域是重要的首都水源涵养区和生态环境支撑区[1],地理位置较为特殊,面临着既要满足自身用水又要保证一定出境水量的双重任务。

原宣化区有着上百年的工业文明积淀,形成了以钢铁冶金、电力能源、装备机械制造等行业为主的工业体系,不仅是张家口市的工业核心区,也是河北省重要的工业基地。一直以来,在流域内GDP占比最高,工业产值占比最大,成为了永定河流域洋河段主要的水资源利用和污染物排放区域[2]

2 区域环境问题

2.1 水源单一,未形成合理的用水结构

宣化区(区县合并,下同)面积2371.7km2,占张家口市范围内洋河流域总面积的15%。2011-2015年宣化区累积用水总量为89671.9 万m3,占流域内总用水量的23.3%;地下水累积用水量为72602.1万m3,在流域内占比28.7%(数据来自张家口市水资源公报,下同),见图1。

从供水水源来看,2011-2015年宣化区累计用地下水量占宣化区总用水量的81.0%,用地表水量占15.3%,用再生水量占3.7%;从用水结构来看,2011-2015年间宣化区农业用水量最大,占用水总量的65.8%,其次是工业用水,占用水总量的25.3%,生态用水量最低,占用水总量的0.6%(图2)。

2.2 废水排放量大,响水铺断面不能稳定达标

随着宣化工业区的经济发展,该区成为张家口市水污染物排放强度最大的区域。根据2011-2015年环境统计数据,宣化区年均废水排放量为3621.3万m3,占洋河流域废水排放总量的46.0%,该区域废水排放,直接影响洋河水质。响水铺断面是洋河宣化下游的省控断面,它主要反映了宣化区排放的工业废水和生活污水对洋河的污染程度。根据张家口市环境监测报告显示,2009-2015年,虽然官厅水库上游洋河水质有逐渐改善的趋势,但响水铺断面不能稳定保持IV类水质(见图3),对下游官厅水库水质存在潜在威胁。

2.3 水资源短缺与水资源利用率低并存

综合水量性缺水指标(Iblue)与水质性缺水指标(Igrey)来评估宣化区2007-2014年间的水资源短缺现状及分布特征,分析结果表明[3]:①宣化区存在明显的水量性缺水问题,水量性缺水指标Iblue平均值为3.55,最大为3.69,最小为2.21,且均属于重度缺水(评价指标Iblue>2为严重缺水)。②宣化区水质性缺水指标Igrey均小于1,年平均值为0.51(评价指标Igrey<1表示当地污染物可以被境内淡水资源量稀释到一定的环境标准)。虽然宣化区暂不存在水质性缺水问题,但仍需要对其水质保持实时监测,避免对下游官厅水库的水质安全造成威胁。羊坊污水处理厂是宣化区重要的基础设施,设计处理能力12万t/d,目前仅有唯一中水用户宣化热电有限责任公司,年均中水用量668万m2,占全区总用水量的3.7%。羊坊污水处理厂未经利用的出水排入洋河,年均废水排放量为3621.3万m3,造成了水资源的巨大浪费。

2.4 水资源管理制度缺失

宣化区大量的工业用水及农业用水来自自备井。全区自备水源井共计182眼,分布在55个企事业、部队、院校等单位,井群遍布于区内各处。自备水井存在管理不规范、开采无节制、缺乏有效计量等现状,导致企业或者取水户用水成本低,水资源浪费比较严重。

根据国内外相关经验,再生水可广泛应用于工业、农业与河湖补水,但要避免对环境、农产品与公众健康的影响。目前,全区还没有形成一套监控网络体系与管理制度,确保再生水的广泛、安全利用。

运营管理和收费机制仍未完全理顺,没有形成统一调配水资源的管理机制,再生水资源未能发挥出应有的社会效益。

3 宣化区再生水利用潜力分析

羊坊污水处理厂目前仅有唯一中水用户宣化热电有限责任公司,而区内宣化钢铁集团有限责任公司、宣化新钟楼啤酒有限公司等工业企业仍以地下水为供给水源,未使用羊坊污水处理厂的再生水;并且区内农田灌溉、道路喷洒、园林绿化及生态与景观等可以全部或部分使用再生水的领域中,也没有使用再生水,因此,全区再生水利用潜力巨大。

3.1 工业再生水利用潜力

(1)宣钢集团公司是宣化区主城区内取水量、排水量均最大的工业企业。平均每年取新水量为1926.7×104 m3/a(6.42×104 m3/d),已建有污水处理厂一座(设计能力日处理量4.8×104m3/d),反渗透系统一套(设计处理规模4.3×104m3/d)。反渗透后出水经泵站储水池与新鲜水以2:1比例混合后输送至各用水子公司。利用污水处理厂出水制成回用水、工业新水、脱盐水、软化水或纯水等用于生产,是目前钢铁企业实现污水资源化的常见方式[4]。再生水主要可以用于炼钢厂、炼铁厂、动力厂和焦化厂循环水补水及工艺用水、原料预处理、车间设备冲洗等。预计可利用再生水量约为6.0×104m3/d。

(2)宣化热电规划容量为4×300MW,分两期建设完成。公司以污水处理厂二级出水作为水源,近期日取水量 2万m3/d,远期预计取水量可达4万m3/d。

(3)其余企业除食品、饮料行业对用水水质要求较高外,均可逐步采用再生水替代部分工艺用水及厂区绿化清洁用水,预测近期再生水用量约为0.6×104 m3/d,远期为1.0×104 m3/d。

3.2 农业再生水利用潜力

宣化区农业灌溉面积4.75万亩,2015年农田灌溉用水量1980万m3,其中地下水使用量1750万m3,占88.38%。利用再生水替代地下水作为灌溉用水水源,预测这部分再生水用量可达47000 m3/d。

3.3 河流景观再生水利用潜力

(1)根据城市建设规划,宣化区将实施主城区柳川河水环境生态治理工程。工程建成后将形成一条长4km、宽度56.0~148.0m、蓄水深度0~2.5m的水面900亩。由于目前柳川河仅在汛期有水,因此该工程可采用羊坊污水处理厂达标尾水作为补充水源。柳川河与洋河水系连通,既可形成流动水體景观,又可通过柳川河段内水体自净作用,对再生水水质进一步净化,达到洋河水体功能要求。经核算日均需水量约为18000m3/d。

(2)区内人民公园现有一个人工湖,目前补水来源主要为地下水,年补水量为21万m3。此部分水可利用再生水替代。

(3)市政绿化用水包括浇洒道路、绿地和其他用水,现状水源主要采用地下水与城市自来水,此类水对水质要求不高,可利用再生水代替。采用定额计算法对用水规模进行预测,远期再生水用量为2.56万m3/d。

3.4 宣化区再生水利用潜力汇总

根据对宣化区工业、农业、河流生态、景观绿化、城市杂用等方面再生水利用潜力分析,预计远期宣化区再生水用量可达20.1万m3/d。

4 污水厂再生水利用可能性分析

4.1 排水水量稳定

羊坊污水处理厂2007年投产运行,设计处理能力12万t/d,接纳宣化区大部分企业工业废水及城市居民生活污水。根据污水厂日常运行记录,多年来排水水量稳定,总出水量约9万~11万t/d,可为宣化区再生水循环利用提供有效水量保障。

4.2 排水水质稳定

根据羊坊污水处理厂日常检测数据,2012-2016年,除SS和TN外其余指标均稳定达到一级A标准;COD出水浓度基本保持在20 mg/L左右,表明系统对COD去除效果稳定;TN去除率低于NH3-N考虑有两个原因,一是缺氧段停留时间短,二是经过预反硝化段和厌氧段后,缺氧段进水COD浓度较低,造成了缺氧段反硝化不足,达不到预期的脱氮效果。对照相关回用水水质标准,当再生水回用于景观环境用水时,要求TN不超过15mg/L,需针对TN作进一步深度处理。

4.3 生物毒性可控

课题中选取了发光细菌(分解者)、羊角月牙藻(生产者)、斑马鱼卵(次级消费者)、大型溞(初级消费者)以及鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)等作为受试生物,以相对发光度、生长抑制率、发育畸形率或死亡率、生物体死亡率、umu C-gene 诱导率作为评价指标,研究了羊坊污水处理厂进水和出水的急性毒性效应和遗传毒性,筛选了水质中的主要毒性物质[5]

根据研究结论,羊坊污水处理厂排水显示有一定程度的毒性,需要采取有效的控制措施,预防污水排放到环境中可能带来的生态风险;多环芳烃类污染物是造成宣化区污水处理厂排水具有毒性效应的毒性物质之一,根据废水特征污染物与生物毒性物质筛查结果,认为宣钢焦化排水是区域中水生物毒性的主要来源。

5 水资源高效利用对策建议

根据再生水水质需求及污染物性质,按照“分质、分治、分用”的原则,合理规划布局,紧密结合城市建设规划,实施供排水系统的完善和优化,并建设再生水处理工程,用再生水逐步替代新鲜水,减少新鲜水的消耗量,实现全区社会水循环的可持续利用。

5.1 建设再生水处理系统

随着水资源管理的日趋严格,中水回用将在全区推行。建议:①宣化区应结合有关规划,在厂区周边建设再生水深度处理系统,按照不同回用用途采用不同处理工艺,达到相关回用标准后通过管网系统输送至各需水单元。②在规划区域内设计独立的人工湿地,将羊坊污水厂排水作为主要水源,利用湿地对污水生物毒性的降解作用进行深度处理[6],处理后的水即可排入公园补充景观湖、排入河流补充生态用水或者在灌溉季节作为补充水源灌溉农田等。

5.2 优先发展节水型农业

从宣化区经济结构总体来看,第一产业和第二产业所占比重较大,耗水也主要集中在第一和第二产业,尤其是农业用水量最大。因此,宣化区应优先发展节水型农业。建议:①完善灌区建设和管理。完善灌排工程设施,提高灌区输水、配水效率和灌排保证率,改善农业生产条件;促进健全灌区管理体制机制,增强灌区运行管理能力和水平。②推进适水种植和量水生产,优化调整农业种植结构。在发展特色产业的基础上,严格控制发展高耗水农作物,扩大低耗水和耐旱作物种植比例。③改变灌溉方式。采用喷灌、滴管等节水灌溉方式代替传统水漫灌;采用清水再生水混灌、清水再生水轮灌等方式灌溉;禁止利用再生水灌溉生食类蔬菜、瓜类和草本水果等,降低再生水造成的生态风险[7]

5.3 提升工业再生水使用效率

建议:①宣钢是取水量和排水量最大的工业企业,应深入挖掘内部中水回用潜力。例如高炉冲渣水、炼钢焖渣水、熄焦水等对水质要求不高的工序,均可用再生水代替;循环冷却水系统用水可采用反渗透工艺,满足回用标准后用于炼钢厂、炼铁厂、动力厂和焦化厂循环水补水及工艺用水等。②其余企业除食品、饮料行业对用水水质要求较高外,也建议企业深入挖掘各自再生水利用潜力,逐步采用再生水替代部分工艺用水及厂区绿化清洁用水。③羊坊污水处理厂地理位置靠近工业区,管网布设较为便利,建议结合城市规划、已建和拟建水利工程、地形特点等,以“优先重点,兼顾全区”的原则进行中水管网系统建设。

5.4 强化焦化废水达标排放

宣钢焦化排水是区域再生水生物毒性的主要来源,为降低回用的潜在风险,保障下游官厅水库水质安全,建议:①深入强化焦化废水污染物削减与控制技术研究[8],使废水达标排放的同时降低生物毒性,减轻对羊坊污水处理厂的冲击和再生水回用的潜在风险。②严格限制焦化厂发展规模,加强企业内部中水回用,尽量做到废水不外排。

5.5 置换河流景观生态用水

目前宣化区河流生态补水及景观市政用水均采用地下水,再生水使用潜力巨大。建议:①结合柳川河水环境综合治理规划,采用羊坊污水处理厂达标尾水作为补充水水源,置换其地下水用水量。②利用柳川河与洋河水系连通条件,形成流动水体景观,通过柳川河段内水体自净作用,对再生水水质进一步净化,达到洋河水体功能要求。③利用深度处理后的再生水作为人民公园景观湖补给用水,节约地下水开采量,又可发挥调蓄作用,合理配置水资源。④结合中水管网规划,合理布设市政用水取水口,使用再生水浇洒道路、绿地和其他用水等。

5.6 建立水资源高效利用政策机制

5.6.1 加强自备水井管理,合理制定水价

宣化区政府首先应对区内的自备水井进行规划化管理,对现有自备水井有计划有步骤的封停;再者应对区内水价进行调整,实行最严格的水价制度,使再生水费用低于新鲜水价格,倒逼企业自觉自愿采用再生水,加大再生水使用效率。

5.6.2 加快推进水资源税收制度,提高水资源利用效率

水资源税能够对市场经济活动进行积极的干预,控制和诱导资源的合理配置,调节供求关系,促进市场机制的有效发挥,同时利用由此产生的强大市场竞争力来推动企业选择适当的资源节约技术、污染控制技术,研究开发新的更有效的减少污染的工艺过程,实现企业自身的成本降低、水资源节约。

5.6.3 加强再生水利用风险跟踪评价

开展再生水利用过程中污染物迁移转化规律的研究。利用实验室模拟、野外调查研究、同位素示踪技术等,跟踪监测、评估再生水回用过程中典型污染物在灌溉作物、土壤层及地下水中的迁移转化情况以及其相关影响,建立宣化区再生水利用风险跟踪评估体系。

5.6.4 完善技术标准,推进技术创新

建立各类用途中水回用标准体系,制定发布相关的安全卫生技术导则,完善质量监管标准体系,建立宣化区再生水利用管理标准化,确保城市再生水利用健康、有序地推进;积极组织产学研相结合的科技攻关,研发与经济发展相适应的安全可靠、高效低耗的工艺技术和配套设备,进行中水设备标准化、通用化的研究,为中水利用的产业化发展奠定坚实基础。

参考文献

[1]胡曾曾.首都水源涵养区和生态环境支撑区的生态补偿量化研究[D].北京:首都经济贸易大学,2018.

[2]秦连军.工业基础雄厚 转型任重道远——张家口市宣化区近年来工业发展分析[J].统计与管理,2019(02):43-45.

[3]王雅洁,刘俊国,赵丹丹.基于水足迹理论的水资源评价——以河北省张家口市宣化区为例[J].水土保持通报,2018,38(05):213-219.

[4]王福龙,姜剑,罗富金.钢铁企业综合废水处理与回用工程设计及管理研究[J].给水排水,2014,40(03):48-51.

[5]田杰.宣化区污水处理厂出水回用生物毒性评价研究[D].石家庄:河北科技大学,2016.

[6]张雅晶.污水再生过程中的消毒副产物前体物的变化规律及去除效果研究[D].无錫:江南大学,2018.

[7]孙书洪,王仰仁,梁小宏,赵永志,韩娜娜.基于环境容量的再生水安全灌溉制度研究[J].水利水电技术,2011,42(07):82-84+97.

[8]洪苡辰,刘永泽,张立秋,封莉,薛力强,张娜.臭氧催化氧化深度处理焦化废水效能研究[J].给水排水,2017,43(12):53-57.

作者:朱静 吴亦红 张媛 陈新永

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