工业园区水环境系统全流程管控优化研究

赵 林，李燚佩，，付 军，杨永奎

（1.天津大学环境科学与工程学院，天津 300350； 2.生态环境部环境发展中心，北京 100029）

工业园区具有产业集聚化和规模化，污水排放量大，污水中污染物排放浓度高、含有较多高风险工业特征污染物等特点，已经成为水污染防治攻坚战的重要阵地〔1〕。根据《中国开发区审核公告目录》（2018 年版），我国现有国务院批准的国家级各类开发区552 个，省级政府批准的开发区1 991 个。工业园区水环境系统常涵盖企业生产废水预处理、园区末端集中污水处理和园区再生水处理回用等上下游关联的污水处理全过程。随着我国“碳达峰”、“碳中和”目标的提出，工业园区水环境系统的碳排放问题备受关注，也对园区不同废水处理环节中电耗、药耗、处理过程碳排放等全流程管控优化提出了更高要求。笔者基于国家水体污染控制与治理科技重大专项“重点流域典型工业园区水污染防治技术评估和管理制度研究”课题，以海河、太湖、长江等重点流域区域国家级、省级综合型和重点行业主导型工业园区为重点，剖析不同流域和类型工业园区水污染防治问题，构建全过程水污染防治技术评估方法，开展最优技术路线识别，构建协商排放管理制度等，并将研究成果在长江流域江西省典型化工主导型工业园区进行验证应用。

1 调研发现的工业园区水污染防治问题

随着政府对工业园区环境污染问题的整治力度不断加大，进一步推动了我国工业园区污水收集处理基础设施建设。2019 年度《水污染防治行动计划》实施情况显示，截至2019 年底全国97.8%的省级及以上工业集聚区建成污水集中处理设施并安装自动在线监控装置。但工业园区水污染防治工作仍存在不少问题，根据对海河和太湖流域的46 家国家级经济技术开发区、180 家省级经济技术开发区、47 家县级化工行业主导型工业集聚区以及139 家其他各类工业园区或工业集聚区开展的调查研究，认为目前存在问题主要涉及4 个方面。

1）企业排水执行标准类型多，普遍缺少对特征污染物的监管。工业园区企业执行的污水预处理排放标准有国家污水综合排放标准《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）、地方污水综合排放标准、《污水排入城镇下水道水质标准》（GB/T 31962—2015）、行业水污染物排放标准、流域水污染物综合排放标准及其他，执行国家和地方污水综合排放标准的占比最高。GB 8978—1996 设置有普适性的特征污染物44 项，但有毒有害污染物的指标比例偏少，难以有效管控预处理排水对污水处理厂生化系统的冲击风险。我国现行60 个行业水污染物排放标准的控制项目指标共116 项，其中控制指标在7~16 项的行业标准占到71%，且涉及行业特征污染物的指标数量少。

2）企业废水预处理多含生化工艺，常规污染物普遍被过度处理。目前有33 个行业水污染物排放标准涉及间接排放限值要求，CODCr间接排放限值为100~500 mg/L，均值238~250 mg/L，BOD5间接排放限值为30~300 mg/L，均值88~94 mg/L。企业排水标准普遍对常规污染物管控严格，间接引导企业建设污水预处理设施时多采用生化工艺，直接导致了工业园区末端污水处理厂进水水质缺少碳源。据了解，制药、印染纺织、食品粮油加工、化工、电镀等行业企业污水预处理多含有生化工艺，其中制药和印染纺织行业采用生化法预处理的企业比例最高。

3）集中污水处理厂核心工艺单一，进水水质水量的冲击风险高。由图1~图3 所示的对海河流域综合型、化工型及其他类型工业园区末端污水处理情况的调研结果可知：各类型园区污水处理厂工艺差异性小，多以厌氧-缺氧-好氧法（A2O）和厌氧-好氧（AO）为核心工艺，尤其是A2O 工艺的占比最高，类型相对单一，不具备去除难降解有毒有害污染物的能力〔2〕；近半数工业园区污水处理厂日处理水量小于1 万t，且未设置调节池，企业污水超标纳管容易对污水处理厂运行造成冲击，出现“吃不下”情况；有将近1/3 的工业园区污水处理厂实际处理水量低于设计规模的60%，会因“吃不饱”影响正常运行。近年来，污水处理厂因进水超标导致工艺系统崩溃受到处罚的案件也时有发生。

图1 海河流域综合型园区末端污水处理厂运行工艺调研结果Fig.1 Research results of the operation process of the terminal sewage treatment plants in the comprehensive park of the Haihe River Basin

图2 海河流域工业园区末端污水处理厂设置调节池情况Fig.2 Situation of setting up regulating pools in the terminal sewage treatment plants of the industrial parks in the Haihe River Basin

图3 海河流域工业园区末端集中处理系统运行负荷情况Fig.3 Operating load situation of the centralized treatment systems at the end of the industrial parks in the Haihe River Basin

4）集中污水处理厂进水过度管控与管控不严并存，导致整体建设和运行费用双高。工业园区污水处理厂进水普遍存在常规污染物控制过度、特征污染物控制不严、可生化性差的现象。表1 为工业园区末端污水处理厂进出水常规污染物浓度调研结果，可知综合型工业园区污水处理厂进水B/C 平均值约为0.44，化工型约为0.40。其中17.6%综合型工业园区污水处理厂进水B/C≤0.30〔3〕，可生化性低，而化工型工业园区该比例为31.6%。另有调研数据显示，以生化工艺为核心的工业园区污水处理厂，在生物脱氮工艺缺乏碳源的比例超过50%，需要人工添加外部碳源才能使水质达标，浪费资源并增加成本。特征污染物在工业园区企业污水预处理阶段未得到严格管控，在末端污水处理阶段又难以控制，易造成企业排水中有毒有害物质对末端污水处理厂的冲击，影响其稳定运行。

表1 工业园区末端污水处理厂进出水中常规污染物平均浓度Table 1 Average concentration of conventional pollutants in the inflow and effluent of industrial park end sewage treatment plants mg/L

2 新形势下工业园区水环境系统管理的建议

基于涵盖企业废水预处理、收集传输监控、集中污水处理等工业园区全过程污染控制思路，本研究集成了一整套可复制可推广的工业园区水环境系统管控模式，并得到了实证应用。研究成果支撑印发《苏州工业园区水环境管理指南（试行）》《天津经济技术开发区水环境管理指南（试行）》，支撑编制天津市地方标准《污水综合排放标准》（DB 12/356—2018），支撑修订《天津市水污染防治条例》，对《关于进一步规范城镇（园区）污水处理环境管理的通知》《江苏省工业废水与生活污水分质处理工作推进方案》等国家和地方相关政策文件起到了积极影响。以下将从工艺可行性评估、技术路线优化评估、预处理排放标准、协商排放模式4 个方面，提出工业园区水污染防治系统整体低风险、低成本、高效益运行的环境管理决策建议。

2.1 构建考虑上下游的工业园区全过程水污染防治技术评估方法，优化各环节处理工艺

企业废水预处理、末端集中处理、再生水回用过程中处理技术的评估指标见表2~表4。参照评估指标可对各环节处理工艺进行独立评估，为新建工业园区匹配适用处理工艺以及已建工业园区筛选、改进处理工艺提供决策参考。

表2 企业废水预处理技术评估指标Table 2 Evaluation indicators of enterprise wastewater pretreatment technology

表3 末端集中处理技术评估指标Table 3 Evaluation indicators for terminal centralized processing technology

表4 再生水回用技术评估指标Table 4 Evaluation indicators for regenerated water reuse technology

由表2~表4 可知，工业园区全过程水污染防治技术评估指标体系涉及技术性能、经济性能、影响性能以及运管性能4 个一级指标，其中，影响性能方面设置了“对环境影响”和“受环境影响”分类指标，分别评估出水直接外排对环境的影响以及各受上游来水的影响，体现了各环节间的衔接性以及上下游的相互影响；在企业废水预处理环节创新性地设置了“出水常规污染物占标率”指标，在末端集中处理环节设置了“进水特征污染物占标率”指标，在重要资源回收环节设置了“进水常规污染物占标率”和“出水常规污染物占标率”指标，以评估水中特征污染物对工艺环节的冲击情况。

2.2 构建多目标决策模型，实现工业园区水污染防治成效整体最优

构建以水处理总费用最低、污染物削减最大和水资源循环利用最大化为目标的工业园区水污染防治技术路线多目标决策模型，可用于新建工业园区技术路线优选与已建工业园区技术路线诊断，使得工业园区层面整体最优。其中，对于新建工业园区是将产业布局方案、企业废水预处理接管标准、污水集中处理出水标准、再生水处理出水标准、出水分配方案等作为初始条件，输出结果为所设定初始条件下污水预处理、工业园区集中处理、再生水处理3个环节处理工艺的优选技术路线，经过多次调整、比较后选择出优化的技术路线；对于已建工业园区将水量水质运行数据、各环节处理工艺、企业废水预处理接管标准、工业园区集中处理出水标准、再生水处理出水标准、出水分配方案等作为初始条件，输出结果为企业废水预处理、末端集中处理、再生水处理3个处理环节对污染物削减量和年运行费用的贡献情况以及实际值与理想运行状态下优化值的对比，将现状值与优化值比较后诊断运行问题，并提出改造建议。

2.3 研究“一园一单”式的企业预处理排放标准，加强有毒有害水污染物间接排放管控

以“严控第一类污染物和特征污染物、合理控制常规污染物”为基本原则，筛选工业园区水污染物清单，为工业园区量身定制“一园一单”式的企业预处理排放标准，分类、适度、精准管控工业园区水污染物。以化工主导型工业园区为例，确定了pH、色度、SS、COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、TDS、急性毒性共10 项第一类污染物，总汞、总镉、总铬、六价铬、总砷、总铅、总镍等61 项第二类污染物，以及特征污染物的筛选方法。同时，还提出采用发光细菌急性毒性检测法，评价工业园区难降解有毒有害污染物对末端污水处理系统的影响〔4〕。

2.4 探索工业园区水环境管理的协商排放模式，实施常规污染物协商排放

按照“严格管控第一类污染物，增强处理第二类行业特征污染物，协商排放常规污染物”的工业园区污水协商排放总体原则，在全面开展处理工艺评估、技术路线诊断、预处理排放限值确定等基础上，通过合同管理引入并优化了市场机制和社会监督机制，提出了上游企业、污水处理厂和工业园区管理部门等多个相关方协商排放的新模式〔5〕。其中，第一类污染物应当在车间或生产设施排放口执行有关地方、行业、国家排放标准中相应的排放限值；企业与工业园区污水处理厂商定的排放限值，应报当地环境保护主管部门备案，并载入排污许可证，作为许可事项纳入依证监管；工业园区污水处理厂应保证排放污染物达到相关排放标准要求。

3 案例分析

江西某省级化工主导型工业园区主要涉及医药化工、制革、纺织和制造4 大行业，工业园区污水处理厂采用物化+生化处理工艺，设计日处理水量10 000 m3，实际日均处理水量8 000 m3，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B 标准，污水厂进出水口设有在线监控设备，主要检测指标有pH、COD、NH3-N、TP、TN 等，其中TP 与TN 为2018 年新增的在线监控指标。在对工业园区41 家企业摸排调查的基础上，筛选了9 家重点涉水企业开展特征污染物、常规因子、污泥活性抑制指标等多要素的现场监测并进行处理工艺技术评估和技术路线诊断评估。这9 家企业的污水排放量占整个工业园区总量的51.5%。

1）从进水水质和常规污染物去除方面分析工业园区污水处理厂不能稳定达标的原因。在进水水质方面，工业园区污水处理厂进水可生化性较差；进水含盐量高，有涉重金属、难降解有毒有机物进水，易抑制活性污泥中微生物活性；进水SS、TN、NH3-N 过高使系统受到冲击，恢复周期约30 d。在常规污染物去除方面，对SS、CODCr、色度、TN、TP、NH3-N 等常规污染物去除率普遍较低，分别为77.2%、67.2%、58.2%、27.2%、75.6%和43.2%。

2）从出水水质和污染物去除情况追溯企业出水对工业园区污水处理厂运行的影响。在出水水质方面，企业出水B/C 比较低（0.27~0.46），BOD5与CODCr也较低，如某企业污水中BOD5、CODCr分别为17.2 mg/L 和63.0 mg/L，此外企业出水含盐量高、有难降解有机物等均可能影响下游污水处理厂的生化处理能力，需补充开展毒理分析以验证直接纳管、协商排放的可行性。同时，对9 家企业出水进行的活性污泥呼吸速率抑制率、聚磷菌和青海湖菌生长抑制率分析结果表明，某医药生产企业污水生物毒性强，初步判断其毒性与其含有酚类有机物（0.8 mg/L）、氟化物（0.6 mg/L）及其高盐特性（总悬浮固体1 093 mg/L）相关。

3）筛选3 家可生化性较好的上游企业，提出整体运行最优的协商排放方案。工业园区污水处理厂进水CODCr正常，但B/C 较低，因此筛选引入了3 家上游企业中出水可生化性较好的食品、饮料加工制造企业实施协商排放，为园区末端污水处理节省碳源投入费用54 万元/a。本研究将协商排放模式与多目标决策模型模拟相结合，对采用优化协商排放方案后工业园区污水处理系统的运行费用及污染物削减量进行测算，并与现状进行对比，结果见表5。

表5 工业园区污水处理系统运行费用及污染物削减量Table 5 Operating costs and pollutant reduction of industrial park sewage treatment system

表5测算结果表明，在涉水企业出水污染物均达标的前提下，企业污水预处理的年运行成本将降低7.5%，CODCr削减量降低12.1%，NH3-N 削减量增加1.7%；污水处理厂年运行费用将增加13.8%，CODCr、NH3-N 削减量将分别增加227.0%和56.7%；从工业园区整体看，运行成本将降低4.0%，CODCr、NH3-N 削减量将分别增加6.1% 和9.5%。由此说明，协商排放有利于降低工业园区污水处理整体运行费用，有利于对CODCr、NH3-N 等污染物的削减。

4 结论

1）现行工业园区企业污水预处理排放标准对行业特征污染物管控普遍不足，应按照“严控第一类污染物和特征污染物、合理控制常规污染物”的基本原则，筛选确定工业园区第一类污染物、特征污染物、常规污染物管控清单，形成“一园一单”式的企业预处理排放标准，分类、适度、精准做好企业预处理环节水污染物的有效管控。

2）工业园区具有整体性和系统性，但工业园区企业预处理、集中污水处理厂往往各自运行管理，重复建设生化处理工艺，容易造成常规污染物过度管控。应将工业园区水污染防治工作系统化考虑，开展工业园区全过程水污染防治工艺的技术评估，以及以费用最低、污染物削减最大、水资源循环利用最大化为多目标的工业园区水污染防治技术路线诊断评估，为工业园区整体低风险、低成本、高效益运行的环境管理决策提供参考。

3）在科学评估、准确判断的基础上，通过合同管理引入工业园区污水协商排放新模式，实现第一类污染物在企业排口的严格管控、第二类行业特征污染物在企业预处理环节的增强处理、常规污染物协商豁免排放至集中污水处理厂，有利于降低工业园区污水处理整体运行费用，并提高CODCr、NH3-N 等污染物削减量。