典型工業區水資源高效利用策略研究

朱靜 吳亦紅 張媛 陳新永

摘要：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（課題編號2015ZX07203-005）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狀，以實現宣化工業區水資源高效循環利用為目標，在分析區域水環境問題、污水廠再生水利用潛力及生態風險的基礎上，提出宣化區水資源高效利用對策建議。

關鍵詞：宣化區;水資源高效;再生水利用;對策建議

中圖分類號：X22 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）03-00-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.041

Study on the strategy of efficient utilization of water resources in typical industrial area

Zhu Jing1，Wu Yihong1，Zhang Yuan2，Chen Xinyong1，3

（1.Hebei Academy of Environmental Sciences，Shijiazhuang Hebei 050037，China;2.Institute of Geographical Sciences，Hebei Academy of Sciences，Shijiazhuang Hebei 050011，China;3.School of Ecological and Environmental Sciences， East China Normal University， Shanghai 200062， China）

Abstract：This paper is based on the research results of the integration and demonstration of water pollution control and water quality improvement technologies in the Yongding River-yang River section of northern Hai River （number 2015ZX07203-005） .In view of the present situation of high pollution pressure and water shortage in the middle reaches of the Yongding River and the Yang River， based on the analysis of regional water environmental problems，the potential and possibility of reclaimed water utilization，this paper puts forward some countermeasures and suggestions for efficient utilization of water resources in Xuanhua in order to realize the efficient recycling of water resources.

Key Words：Xuanhua district;High efficiency of water resources;Utilization of reclaimed water;Countermeasures

1 宣化區概況

宣化區位于永定河流域洋河段，該區域為干旱半干旱地區，人均水資源量不足399 m3，屬于嚴重缺水地區，水資源缺乏已成為制約流域經濟和社會發展的重要因素;同時，永定河流域洋河段位于官廳水庫上游，該區域是重要的首都水源涵養區和生態環境支撐區[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。

原宣化區有著上百年的工業文明積淀，形成了以鋼鐵冶金、電力能源、裝備機械制造等行業為主的工業體系，不僅是張家口市的工業核心區，也是河北省重要的工業基地。一直以來，在流域內GDP占比最高，工業產值占比最大，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域[2]。

2 區域環境問題

2.1 水源單一，未形成合理的用水結構

宣化區（區縣合并，下同）面積2371.7km?，占張家口市范圍內洋河流域總面積的15%。2011-2015年宣化區累積用水總量為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%（數據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年宣化區累計用地下水量占宣化區總用水量的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年間宣化區農業用水量最大，占用水總量的65.8%，其次是工業用水，占用水總量的25.3%，生態用水量最低，占用水總量的0.6%（圖2）。

2.2 廢水排放量大，響水鋪斷面不能穩定達標

隨著宣化工業區的經濟發展，該區成為張家口市水污染物排放強度最大的區域。根據2011-2015年環境統計數據，宣化區年均廢水排放量為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排放的工業廢水和生活污水對洋河的污染程度。根據張家口市環境監測報告顯示，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2007-2014年間的水資源短缺現狀及分布特征，分析結果表明[3]：①宣化區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表示當地污染物可以被境內淡水資源量稀釋到一定的環境標準）。雖然宣化區暫不存在水質性缺水問題，但仍需要對其水質保持實時監測，避免對下游官廳水庫的水質安全造成威脅（見圖4）。羊坊污水處理廠是宣化區重要的基礎設施，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m?，占全區總用水量的3.7%。羊坊污水處理廠未經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

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

根據國內外相關經驗，再生水可廣泛應用于工業、農業與河湖補水，但要避免對環境、農產品與公眾健康的影響。目前，全區還沒有形成一套監控網絡體系與管理制度，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，沒有形成統一調配水資源的管理機制，再生水資源未能發揮出應有的社會效益。

3 宣化區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企業仍以地下水為供給水源，未使用羊坊污水處理廠的再生水;并且區內農田灌溉、道路噴灑、園林綠化及生態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，全區再生水利用潛力巨大。

3.1 工業再生水利用潛力

（1）宣鋼集團公司是宣化區主城區內取水量、排水量均最大的工業企業。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），反滲透系統一套（設計處理規模4.3×104m3/d）。反滲透后出水經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、工業新水、脫鹽水、軟化水或純水等用于生產，是目前鋼鐵企業實現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）其余企業除食品、飲料行業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 農業再生水利用潛力

宣化區農業灌溉面積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）根據城市建設規劃，宣化區將實施主城區柳川河水環境生態治理工程。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。經核算日均需水量約為18000m3/d。

（2）區內人民公園現有一個人工湖，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模進行預測，遠期再生水用量為2.56萬m3/d。

3.4 宣化區再生水利用潛力匯總

根據對宣化區工業、農業、河流生態、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 排水水量穩定

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

4.2 排水水質穩定

根據羊坊污水處理廠日常檢測數據，2012-2016年，除SS和TN外其余指標均穩定達到一級A標準;COD出水濃度基本保持在20 mg/L左右，表明系統對COD去除效果穩定;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

課題中選取了發光細菌（分解者）、羊角月牙藻（生產者）、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，以相對發光度、生長抑制率、發育畸形率或死亡率、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，預防污水排放到環境中可能帶來的生態風險;多環芳烴類污染物是造成宣化區污水處理廠排水具有毒性效應的毒性物質之一，根據廢水特征污染物與生物毒性物質篩查結果（見表2），認為宣鋼焦化排水是區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，合理規劃布局，緊密結合城市建設規劃，實施供排水系統的完善和優化，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，實現全區社會水循環的可持續利用。

5.1 建設再生水處理系統

隨著水資源管理的日趨嚴格，中水回用將在全區推行。建議：①宣化區應結合有關規劃，在廠區周邊建設再生水深度處理系統，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系統輸送至各需水單元。②在規劃區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、排入河流補充生態用水或者在灌溉季節作為補充水源灌溉農田等。

5.2 優先發展節水型農業

從宣化區經濟結構總體來看，第一產業和第二產業所占比重較大，耗水也主要集中在第一和第二產業，尤其是農業用水量最大。因此，宣化區應優先發展節水型農業。建議：①完善灌區建設和管理。完善灌排工程設施，提高灌區輸水、配水效率和灌排保證率，改善農業生產條件;促進健全灌區管理體制機制，增強灌區運行管理能力和水平。②推進適水種植和量水生產，優化調整農業種植結構。在發展特色產業的基礎上，嚴格控制發展高耗水農作物，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、滴管等節水灌溉方式代替傳統水漫灌;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風險[7]。

5.3 提升工業再生水使用效率

建議：①宣鋼是取水量和排水量最大的工業企業，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;循環冷卻水系統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水補水及工藝用水等。②其余企業除食品、飲料行業對用水水質要求較高外，也建議企業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綠化清潔用水。③羊坊污水處理廠地理位置靠近工業區，管網布設較為便利，建議結合城市規劃、已建和擬建水利工程、地形特點等，以“優先重點，兼顧全區”的原則進行中水管網系統建設。

5.4 強化焦化廢水達標排放

宣鋼焦化排水是區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嚴格限制焦化廠發展規模，加強企業內部中水回用，盡量做到廢水不外排。

5.5 置換河流景觀生態用水

目前宣化區河流生態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結合柳川河水環境綜合治理規劃，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，節約地下水開采量，又可發揮調蓄作用，合理配置水資源。④結合中水管網規劃，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

宣化區政府首先應對區內的自備水井進行規劃化管理，對現有自備水井有計劃有步驟的封停;再者應對區內水價進行調整，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濟活動進行積極的干預，控制和誘導資源的合理配置，調節供求關系，促進市場機制的有效發揮，同時利用由此產生的強大市場競爭力來推動企業選擇適當的資源節約技術、污染控制技術，研究開發新的更有效的減少污染的工藝過程，實現企業自身的成本降低、水資源節約。

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，推進技術創新

建立各類用途中水回用標準體系，制定發布相關的安全衛生技術導則，完善質量監管標準體系，建立宣化區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;積極組織產學研相結合的科技攻關，研發與經濟發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，為中水利用的產業化發展奠定堅實基礎。

參考文獻

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[2]秦連軍.工業基礎雄厚 轉型任重道遠——張家口市宣化區近年來工業發展分析[J].統計與管理，2019（02）：43-45.

[3]王雅潔，劉俊國，趙丹丹.基于水足跡理論的水資源評價——以河北省張家口市宣化區為例[J].水土保持通報，2018，38（05）：213-219.

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[5]田杰.宣化區污水處理廠出水回用生物毒性評價研究[D].石家莊：河北科技大學，2016.

[6]張雅晶.污水再生過程中的消毒副產物前體物的變化規律及去除效果研究[D].無錫：江南大學，2018.

[7]孫書洪，王仰仁，梁小宏，趙永志，韓娜娜.基于環境容量的再生水安全灌溉制度研究[J].水利水電技術，2011，42（07）：82-84+97.

[8]洪苡辰，劉永澤，張立秋，封莉，薛力強，張娜.臭氧催化氧化深度處理焦化廢水效能研究[J].給水排水，2017，43（12）：53-57.

收稿日期：2020-01-08

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項（2015ZX07203-005-005）

作者簡介：朱靜（1982-），女，副高級工程師，研究方向為水環境保護。

通訊作者：吳亦紅（1962-），女，高級工程師，研究方向為水環境保護。