長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源高效利用的發(fā)展趨勢與策略

李 軼,萬芬芬,張文龍

(河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098)

改革開放以來,我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,但同時資源環(huán)境問題日益凸顯,水資源、水環(huán)境、水生態(tài)已成為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的限制性因素。2021年10月,習(xí)近平總書記在深入推動黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上強調(diào)要全方位貫徹“四水四定”原則[1]。“四水四定”是習(xí)近平總書記對當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與資源生態(tài)保護(hù)之間制約關(guān)系的深刻認(rèn)識,是對高質(zhì)量發(fā)展路徑的準(zhǔn)確判斷[2]。新時期的水資源開發(fā)利用應(yīng)以水資源剛性約束為基礎(chǔ),兼顧安全、高效與綠色[3],支撐經(jīng)濟(jì)社會的高質(zhì)量發(fā)展。

長江三角洲(以下簡稱“長三角”)地區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展最活躍、開放程度最高、創(chuàng)新能力最強的區(qū)域之一,肩負(fù)著探索區(qū)域新發(fā)展格局的使命[4]。目前,長三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以工業(yè)為重點,工業(yè)發(fā)展重點則在工業(yè)園區(qū)。長三角地區(qū)共建成省級及以上開發(fā)區(qū)320家[5],園區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)集中,多為電子信息、裝備制造、紡織服裝等產(chǎn)業(yè)[6]。園區(qū)生產(chǎn)活動集聚,水資源消耗多、污水排放量大,污染物組成復(fù)雜,且可能含有有毒有害的特征污染物,對區(qū)域水資源有著重要影響[7-8]。同時,園區(qū)發(fā)展也面臨著水資源節(jié)約、水污染防治、水生態(tài)治理、區(qū)域碳減排等挑戰(zhàn)[9]。工業(yè)園區(qū)是長三角地區(qū)綠色發(fā)展的重要著力點,綜合節(jié)水、減污、降碳等措施推動園區(qū)水資源高效利用尤為必要,對于全國工業(yè)園區(qū)發(fā)展具有顯著的示范意義。

本文以國內(nèi)外工業(yè)園區(qū)水資源高效利用相關(guān)研究、實踐以及政策為背景,基于綜合統(tǒng)籌與系統(tǒng)優(yōu)化原則,提出了以污水資源化利用為核心的工業(yè)園區(qū)水資源高效與低碳利用的策略與思路,以期能為推動長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源高效低碳利用提供參考。

1 長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)基本情況

1.1 水資源現(xiàn)狀與問題

隨著工業(yè)化進(jìn)程加快,入園企業(yè)快速增加,工業(yè)園區(qū)逐漸成為節(jié)水減污降碳的主戰(zhàn)場。然而,長三角地區(qū)的工業(yè)園區(qū)尚未擺脫資源與環(huán)境要素驅(qū)動依賴,資源利用方式與污水處理模式較為粗放[10],園區(qū)水系統(tǒng)的碳排放顯著,區(qū)域資源環(huán)境壓力不斷增加。

水資源利用方面,長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源消耗量大,水資源利用率低,資源約束日益趨緊。2020年長三角地區(qū)人均水資源占有量為1237.9m3,為中度缺水水平,但水資源利用模式粗放?！吨袊Y源公報(2021)》顯示蘇浙滬皖萬元工業(yè)增加值用水量為56.1m3、13.3m3、60.5m3和62.6m3,整體高于全國平均水平(28.2m3)。以江蘇為例,耗水率是其水資源承載力主要障礙因子之一[11]。隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長與入園企業(yè)增加,園區(qū)需水量將繼續(xù)增加,水資源供需關(guān)系將更為緊張。

污水處理與資源化利用方面,長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)污水量大,污染物組成復(fù)雜,污水資源化利用處于起步階段,資源環(huán)境保護(hù)形勢嚴(yán)峻[12]。據(jù)各省市統(tǒng)計年鑒,2020年滬浙皖工業(yè)廢水排放量為3.12億t、10.03億t、4.04億t,2019年江蘇工業(yè)廢水排放量為13.75億t,占全國工業(yè)廢水排放量的26.3%。同時污水中存在重金屬、氟化物[7]等特征污染物,水資源安全面臨風(fēng)險[13]。另外,2020年長三角地區(qū)城市市政再生水用量為24.2億m3,污水回用率約為20%,低于全國平均水平(24.3%)[14]。

碳排放量也是長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)的重要限制性因素。長江經(jīng)濟(jì)帶工業(yè)園區(qū)溫室氣體排放量占全國園區(qū)的37%,其中39%位于長三角地區(qū)[15]。工業(yè)園區(qū)水系統(tǒng)以水輸送與水處理為主,對園區(qū)碳排放量有著顯著的貢獻(xiàn)。污水處理行業(yè)屬于能源密集型行業(yè),存在大量能耗與藥耗并伴隨著CH4與N2O的產(chǎn)生與逸散,位居前十大碳排放行業(yè)[16]。且長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)廢水處理量大,2020年《中國生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計年報》中蘇皖浙工業(yè)廢水處理量排名分列第一位、第三位、第八位,碳排放量明顯高于其他地區(qū)。

因此,長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)的發(fā)展面臨著資源、環(huán)境、生態(tài)與碳排放的多重限制,如何突破重圍實現(xiàn)綠色發(fā)展成為急需解決的問題。

1.2 破解水問題的關(guān)鍵途徑

與常規(guī)水資源高效利用措施相比,污水資源化利用在潛力、功能、優(yōu)點三方面具有顯著優(yōu)勢,是長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)實現(xiàn)水資源高效利用,踐行生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展路線的關(guān)鍵途徑。

一是污水資源化利用提升水資源利用效率的效果顯著,且仍有較大的發(fā)展?jié)摿Α３Ｒ?guī)水資源高效利用措施多聚焦于需求側(cè)的局部水資源效率提升,存在常規(guī)水資源量的限制,緩解水資源短缺的空間有限。再生水等非常規(guī)水資源對緩解水資源短缺的重要性更加突出。2020年,蘇浙皖的工業(yè)用水重復(fù)利用率已基本達(dá)到全國平均水平[14]。采用常規(guī)工業(yè)節(jié)水措施進(jìn)一步提升水資源利用效率的空間較小、難度較大。同年,長三角地區(qū)的污水排放量約為124.9億m3,但市政再生水利用量僅為24.2億m3[14],污水資源化利用潛力巨大。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,長三角地區(qū)水資源供需關(guān)系將更加緊張,對污水資源化利用將有更大需求。

二是污水資源化利用是破解長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)多重水問題的有效措施。長三角地區(qū)是水質(zhì)型缺水地區(qū),工業(yè)園區(qū)是環(huán)境污染的重要來源。劉磊等[6]調(diào)研了長三角地區(qū)404個產(chǎn)業(yè)園區(qū),發(fā)現(xiàn)約50.7%園區(qū)所在區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量超標(biāo)。污水資源化利用既可增加供水緩解水資源供需矛盾,又可減少廢水排放并增加生態(tài)補水,助力水資源與水生態(tài)保護(hù)[17]。2020年蘇浙皖的再生水利用量占各省用水總量的2.77%、2.36%、2.90%[14]。朱增銀等[18]發(fā)現(xiàn)太湖流域部分園區(qū)污水處理廠制備的再生水的23.1%用于環(huán)境用水。因此,污水資源化利用是破解長三角地區(qū)水資源、水環(huán)境、水生態(tài)問題的多贏途徑[19]。

三是污水資源化利用具有水量水質(zhì)穩(wěn)定、可用領(lǐng)域廣泛、產(chǎn)生多重效益的優(yōu)點:①2020年長三角地區(qū)城市污水廠處理能力為4218萬m3/d[14],可再生處理的水量大且分布廣泛。且再生水水質(zhì)符合相應(yīng)要求,水質(zhì)穩(wěn)定;②污水處理后可形成不同水質(zhì)的再生水,回用于工業(yè)、市政等多領(lǐng)域。且景觀用水等領(lǐng)域的再生水需求大;③可從污水污泥中回收資源和能量產(chǎn)生多方面效益,如林莉峰等[20]估算上海市全年可從污泥中回收4萬t磷(以P2O5計),蘇州工業(yè)園區(qū)開展污水污泥資源化利用工作,每年可節(jié)約320萬t水和1萬t標(biāo)準(zhǔn)煤[21]。

綜上,污水資源化利用可顯著提升水資源利用效率,產(chǎn)生綜合效益,是緩解水資源短缺、減少水環(huán)境污染、保障水生態(tài)安全的重要舉措。因此,長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)需以污水資源化利用為重點,結(jié)合節(jié)水減污降碳措施實現(xiàn)水資源高效綠色利用,推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與資源環(huán)境保護(hù)齊頭并進(jìn)。

2 工業(yè)園區(qū)水資源高效利用的發(fā)展

隨著工業(yè)化的推進(jìn),水問題逐漸成為工業(yè)園區(qū)發(fā)展的阻礙,如何推動水資源高效利用備受關(guān)注。當(dāng)前的研究與實踐較為重視工業(yè)園區(qū)水資源管理和污水資源化利用,相關(guān)政策也陸續(xù)出臺。

2.1 水資源管理的研究與實踐進(jìn)展

針對工業(yè)園區(qū)水資源管理,大量學(xué)者以水資源利用效率最高為主要目標(biāo)開展研究。其中,水系統(tǒng)集成優(yōu)化是工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)水資源高效利用的重要方法[22-24]。Zhang等[25]針對鋼鐵工業(yè)園區(qū)構(gòu)建了多尺度水網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)模型,并研究了間接集成與混合集成差異,發(fā)現(xiàn)兩者淡水消耗量均減少了22%,混合集成總成本節(jié)省23%,優(yōu)于間接集成。Rubio等[26]提出了面向園區(qū)內(nèi)企業(yè)集群的水網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化方法,系統(tǒng)挖掘園區(qū)水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化潛力。Misrol等[27]考慮同時進(jìn)行余熱回收、可再生能源發(fā)電、水回用和資源回收等,構(gòu)建了水-能-廢物網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型,優(yōu)化后可節(jié)省66%的淡水,回收3.2MW能源。

近年來,我國工業(yè)園區(qū)面臨著高效用水、減污降碳等政策要求,推進(jìn)節(jié)水型園區(qū)建設(shè)刻不容緩。工業(yè)園區(qū)水管理十分重視用水效率與水污染控制,積極采用串級用水等手段[28]。但相關(guān)措施過于聚焦局部用水系統(tǒng),其節(jié)水減排空間不斷縮減,僅靠局部手段提升整體水平難度大、成本高。而園區(qū)整體層面仍有較大污水再生利用空間,通過廠際及園區(qū)的污水分質(zhì)回用可有效提升整體水資源利用效率。因此急需擴(kuò)大水系統(tǒng)優(yōu)化范圍,著眼于園區(qū)整體開展水系統(tǒng)集成優(yōu)化,發(fā)掘節(jié)水減排新空間。

綜上,水系統(tǒng)集成優(yōu)化研究多帶有特定行業(yè)的用排水特征,并逐漸向全局優(yōu)化和多要素協(xié)同發(fā)展。但當(dāng)前園區(qū)水系統(tǒng)優(yōu)化聚焦于局部,全局的水系統(tǒng)集成優(yōu)化實踐較少[22],也較少考慮工業(yè)園區(qū)水系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境的交互。因此開展考慮水量水質(zhì)的園區(qū)整體水系統(tǒng)集成優(yōu)化研究與實踐十分必要。

2.2 污水資源化利用的研究與實踐進(jìn)展

污水資源化利用涉及水、資源與能源的回收利用[19],且與碳排放存在著密切聯(lián)系。Muoz等[29]評估了煉油廠廢水回用的水資源、水環(huán)境、碳減排等效益,發(fā)現(xiàn)回用1m3廢水可節(jié)約1m3淡水,降低84%的富營養(yǎng)化影響。且1m3廢水回用于鍋爐用水可減少2.2 kgCO2-eq。Santana等[30]評估了分散式、集中式及混合式的再生水利用的環(huán)境效益與碳排放量,發(fā)現(xiàn)集中式污水再生利用的碳排放量最少。Diaz等[31]綜述了從廢水中回收水、能量和營養(yǎng)物對環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的影響,發(fā)現(xiàn)大型水回收系統(tǒng)溫室氣體排放量(280 kgCO2-eq/(人·a))低于中小型系統(tǒng)(4600、23740kgCO2-eq/(人·a))。

隨著技術(shù)的快速發(fā)展與認(rèn)識的逐漸深入,我國廢水管理的目標(biāo)已從減少污染物排放轉(zhuǎn)向水的再利用、水生態(tài)恢復(fù)和資源回收[32]。 2015—2020年的《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》顯示全國城市市政再生水利用量從44.49億m3增長至135.38億m3。2016年水利部水務(wù)管理年報公布城市污水再生回用于工業(yè)與環(huán)境占比為27.8%和60.9%。近年來污水行業(yè)追求更優(yōu)的水質(zhì)和更高的效率,不斷向著污水近零排放與綠色低碳邁進(jìn)。工業(yè)園區(qū)污水近零排放的內(nèi)涵經(jīng)歷了企業(yè)零排-區(qū)域零排-低碳零排的變化,范圍不斷擴(kuò)大,考慮因素逐漸全面。企業(yè)作為園區(qū)的基本單元,其廢水近零排放能夠緩解供水壓力,但無法支撐園區(qū)整體的水資源水環(huán)境改善。園區(qū)污水近零排放則從園區(qū)整體出發(fā),利用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等技術(shù)推動資源環(huán)境保護(hù)。另外,工業(yè)園區(qū)是碳減排的重點對象,“雙碳”戰(zhàn)略下工業(yè)園區(qū)污水近零排放也需考慮碳排放問題。

目前,污水資源化利用相關(guān)研究關(guān)注污水再生利用與資源能源回收,碳排放效益的研究也逐漸增多。污水資源化利用實踐向近零排放與綠色低碳發(fā)展。但污水資源化利用與碳排放關(guān)系的研究僅處于效益評估和措施推薦層面,從區(qū)域整體協(xié)調(diào)污水資源化利用與碳減排措施的研究與實踐較為缺乏。

2.3 工業(yè)園區(qū)水資源高效利用相關(guān)政策

近年來,國家對長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)的水資源高效利用與水生態(tài)環(huán)境保護(hù)給予了高度重視,陸續(xù)出臺了相關(guān)重要文件(表1)。同時“雙碳”戰(zhàn)略對園區(qū)發(fā)展也提出了新要求。國家政策對工業(yè)園區(qū)的要求呈現(xiàn)以下特征:①強調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化,以園區(qū)為整體推動水資源高效利用、水環(huán)境污染治理與水生態(tài)質(zhì)量提升,達(dá)到園區(qū)綜合效益最優(yōu)。②節(jié)約提效開源并重,通過水資源節(jié)約利用、水系統(tǒng)集成優(yōu)化與污水資源化利用等措施,多角度緩解水資源供需矛盾。③節(jié)水減污降碳協(xié)同,基于碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)解決發(fā)展中出現(xiàn)的多重水問題。④實施統(tǒng)籌管理,以企業(yè)為落腳點以水系統(tǒng)為骨架,逐層次推進(jìn)園區(qū)節(jié)水、減污、降碳工作。

表1 關(guān)于長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源利用的相關(guān)指導(dǎo)意見

3 長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源高效利用策略

基于以上分析,結(jié)合筆者所在團(tuán)隊近年來的研究與實踐,以工業(yè)園區(qū)為整體,以綠色發(fā)展為目標(biāo),提出了以五級處理-五級回用體系為核心的長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源高效利用策略。并基于“雙碳”目標(biāo)提出了耦合污水回用、資源回收、節(jié)能增效與多能互補的長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源高效低碳利用思路,系統(tǒng)性、階段性推動區(qū)域節(jié)水減污降碳的協(xié)同優(yōu)化,助力工業(yè)園區(qū)綠色低碳發(fā)展。

3.1 水資源高效利用的原則

在日益完善的資源管控、生態(tài)保護(hù)和碳減排的政策導(dǎo)向下,常規(guī)水資源高效利用措施不足以平衡發(fā)展與保護(hù)。工業(yè)園區(qū)需以綜合統(tǒng)籌與系統(tǒng)優(yōu)化為基本原則推動園區(qū)水資源高效、綠色、低碳利用。

工業(yè)園區(qū)水系統(tǒng)是社會水循環(huán)的重要組成部分,且與企業(yè)、園區(qū)及周邊流域緊密聯(lián)系[9]。企業(yè)生產(chǎn)影響園區(qū)水系統(tǒng)及周邊資源環(huán)境,周邊資源環(huán)境又影響園區(qū)水系統(tǒng)的管控。因此,園區(qū)水資源高效利用既要關(guān)注企業(yè)等局部水系統(tǒng),也要統(tǒng)籌園區(qū)供排水等涉水過程,更要考慮園區(qū)與周邊流域的相互影響。此外,系統(tǒng)優(yōu)化觀念可保障水資源開發(fā)利用的內(nèi)部協(xié)調(diào)。工業(yè)園區(qū)是發(fā)展與保護(hù)矛盾較為突出的區(qū)域,需平衡發(fā)展與保護(hù),因此要兼顧水資源的高效利用與綠色利用。另外,園區(qū)水系統(tǒng)運作伴隨著碳排放,“雙碳”戰(zhàn)略下水資源利用應(yīng)考慮碳排放量。系統(tǒng)優(yōu)化可協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)多方面的措施,有效解決多重矛盾,達(dá)到綜合最優(yōu)效果,是工業(yè)園區(qū)水資源高效利用策略的重要組成。

3.2 面向園區(qū)水系統(tǒng)整體的水資源高效利用策略

基于長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)特點和綜合統(tǒng)籌系統(tǒng)優(yōu)化的原則,本文提出了以五級處理-五級回用體系為核心的面向園區(qū)水系統(tǒng)整體的水資源高效利用策略。該策略以園區(qū)為研究對象,以五級處理-五級回用體系為指導(dǎo),以單元-廠際-園區(qū)多層次區(qū)域水資源優(yōu)化配置為基礎(chǔ),以污廢水處理與資源化利用技術(shù)為關(guān)鍵,以水資源綜合管理和智慧決策系統(tǒng)為支撐,以水資源高效利用配套標(biāo)準(zhǔn)政策體系為保障,可提升園區(qū)水資源利用效率和水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,助力工業(yè)園區(qū)高質(zhì)量發(fā)展。

3.2.1 核心思路

五級處理-五級回用體系著眼于長三角地區(qū)及其工業(yè)園區(qū)的特點與需求,從園區(qū)內(nèi)各單元用排水特征出發(fā),通過多層次區(qū)域水資源配置與污水資源化利用等手段,全面提高水資源利用效率。

供水方面,長三角地區(qū)是典型的水質(zhì)型缺水地區(qū),工業(yè)園區(qū)是水生態(tài)環(huán)境的重要影響單元,因此需要控制園區(qū)污染物排放,從水質(zhì)角度保護(hù)水資源[38]。用水方面,長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)面臨著水資源短缺問題,且常規(guī)工業(yè)節(jié)水措施的能力有限。因此需充分利用非常規(guī)水資源并推動園區(qū)水資源優(yōu)化配置,平衡解決水資源供需關(guān)系。污水資源化利用方面,長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)廢水量大、污染物組分復(fù)雜且含有重金屬等特征污染物,對污水再生利用和水生態(tài)環(huán)境有較大影響。因此需要結(jié)合廢水特性進(jìn)行污水處理與特征污染物去除。

五級處理-五級回用體系(圖1)由工藝單元原位處理回用、企業(yè)廢水處理回用、污水廠集中處理回用、生態(tài)濕地生態(tài)處理回用和再生水廠再生處理回用組成,可滿足不同的出水標(biāo)準(zhǔn)和回用要求。針對企業(yè)內(nèi)工藝單元,采用短流程處理高效去除特征污染物,并進(jìn)行工藝單元的污水回用。針對園區(qū)內(nèi)企業(yè),在企業(yè)污水處理站進(jìn)行污水處理并回收重金屬等有價組分,根據(jù)企業(yè)及周邊企業(yè)的需求進(jìn)行污水回用。針對園區(qū)污廢水,在園區(qū)污水廠集中處理至達(dá)標(biāo),部分出水可回用于景觀用水等。剩余污水廠出水可經(jīng)人工濕地進(jìn)行生態(tài)處理,回用于周邊河湖的生態(tài)補水。也可將剩余污水廠出水作為再生水廠的水源,采用多級膜分離等技術(shù)獲得再生水并回用于企業(yè)生產(chǎn)活動。該體系內(nèi)含多階段污水再生利用與多層次水資源優(yōu)化配置,可有效提升園區(qū)整體的水資源利用效率。另外,該體系通過多級處理多次削減污染物排放量,并依托人工濕地提供生態(tài)補水,可從水量、水質(zhì)兩方面保護(hù)資源與環(huán)境。

3.2.2 主要內(nèi)容

長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源高效利用策略基于園區(qū)污廢水組分與污水處理過程的解析,面向水量、水質(zhì)需求采用不同的污水資源化利用技術(shù);考慮水資源總量等要素,利用水系統(tǒng)集成優(yōu)化確定最優(yōu)污水回用路徑,形成全局最優(yōu)的園區(qū)水網(wǎng)絡(luò);基于數(shù)字孿生等構(gòu)建園區(qū)水系統(tǒng)綜合管理平臺,支撐園區(qū)水系統(tǒng)的管控決策;針對再生水價等完善標(biāo)準(zhǔn)與政策體系,為園區(qū)水資源高效利用提供保障。

a.廢水處理與資源化利用。針對工藝單元廢水預(yù)處理效果差、特征污染物難去除、有價組分難分離等問題,宜以廢水處理達(dá)標(biāo)、廢水回收利用與資源回收為重點,結(jié)合廢水水質(zhì)特點和再生水利用需求,采用適配的廢水處理與有價組分回收利用技術(shù)。充分體現(xiàn)了五級處理-五級回用體系的分類處理特點,并為污水分級分質(zhì)回用提供技術(shù)支撐,是工業(yè)園區(qū)水資源高效利用的關(guān)鍵。

b.區(qū)域多層次水資源優(yōu)化配置。區(qū)域多層次水資源優(yōu)化配置以園區(qū)整體的資源環(huán)境效益全局最優(yōu)為主要目標(biāo),遵循水量匹配、水質(zhì)適配的原則,按照單元-廠際-園區(qū)的結(jié)構(gòu)分層次優(yōu)化配置水資源,體現(xiàn)了五級處理-五級回用體系的分質(zhì)回用與系統(tǒng)優(yōu)化的特點,是園區(qū)水資源高效利用的基礎(chǔ)。根據(jù)園區(qū)內(nèi)各環(huán)節(jié)的水量、水質(zhì)需求與特征,單元層面考慮原位回用,廠際層面考慮企業(yè)內(nèi)及企業(yè)間回用,園區(qū)層面考慮市政、生態(tài)與工業(yè)的污水回用,構(gòu)建多尺度園區(qū)水網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)模型。并以整體水資源利用效率最高、水環(huán)境生態(tài)質(zhì)量提升幅度最大等為目標(biāo),依據(jù)極限濃度等確定約束條件,建立園區(qū)污水再生利用多目標(biāo)優(yōu)化模型,求解獲得全局最優(yōu)的工業(yè)園區(qū)的水資源優(yōu)化配置方案。

c.水資源綜合管理和智慧決策系統(tǒng)。工業(yè)園區(qū)水資源綜合管理和智慧決策系統(tǒng)綜合了數(shù)字孿生等技術(shù),并以多層次水資源優(yōu)化配置和涉水過程模擬優(yōu)化模型為基礎(chǔ)。該系統(tǒng)匯聚涉水全過程的數(shù)據(jù),加以分析與共享,綜合業(yè)務(wù)需求提出全局決策方案,可實現(xiàn)涉水過程的信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、過程模擬與智慧管控,并通過數(shù)據(jù)可視化平臺直觀呈現(xiàn),為園區(qū)涉水全過程的管理決策提供了技術(shù)平臺與決策支持,可助力園區(qū)水資源管理和環(huán)境生態(tài)管控效率的提升,是工業(yè)園區(qū)水資源高效利用的支撐。

d.污水資源化利用的標(biāo)準(zhǔn)政策體系?；谠偕▋r等構(gòu)建園區(qū)污水資源化利用的標(biāo)準(zhǔn)政策體系,可助力污水再生利用的管控與市場化,保障園區(qū)水資源高效利用。經(jīng)濟(jì)方面,宜建立財政扶持政策,并基于自來水價格與財政補貼調(diào)整再生水價格。產(chǎn)業(yè)方面,為擴(kuò)大規(guī)模與增強競爭活力宜采取激勵與約束政策。管理方面,宜由單一部門管理事務(wù),并建立部門協(xié)調(diào)機制,按照總目標(biāo)分配工作。

3.3 面向碳減排的園區(qū)水資源高效利用策略

3.3.1 關(guān)鍵抓手

“雙碳”戰(zhàn)略下,工業(yè)園區(qū)的發(fā)展必須打破資源環(huán)境限制并考慮碳排放問題。園區(qū)內(nèi)水系統(tǒng)運行與碳減排措施多為局部并行管理,缺乏水系統(tǒng)和碳排放的協(xié)調(diào)優(yōu)化?；趫@區(qū)發(fā)展受資源環(huán)境約束、整體水資源利用率低、水系統(tǒng)與碳排放缺乏統(tǒng)籌等特點,工業(yè)園區(qū)宜以能量節(jié)約回收及能源優(yōu)化、高碳值資源回收與區(qū)域水碳協(xié)同優(yōu)化作為兼顧水資源高效利用與減污降碳協(xié)同增效的關(guān)鍵抓手。

工業(yè)園區(qū)水系統(tǒng)的各涉水過程均涉及水的輸送,需要消耗大量能量,污水處理和再生也存在大量能耗。因此通過節(jié)能減耗、能量回收與能源優(yōu)化來減少園區(qū)水系統(tǒng)碳排放的潛力較大。目前,水系統(tǒng)節(jié)能降耗與能源優(yōu)化已有較多研究,包括排水泵站優(yōu)化調(diào)度及污水源熱泵等研究。營養(yǎng)物質(zhì)回收、有價金屬回收等資源回收也是園區(qū)水系統(tǒng)的重要碳減排措施。資源回收利用可有效減少資源生產(chǎn)、運輸與處理等過程中的碳排放量,同時可緩解資源供給壓力。另外,工業(yè)園區(qū)水碳過程協(xié)同優(yōu)化是實現(xiàn)園區(qū)綜合效益最優(yōu)的重要保障。園區(qū)的水、能、資源相互影響相互作用,且各涉水單元中措施的節(jié)水減排降碳效益不同,需要權(quán)衡各類措施以實現(xiàn)園區(qū)整體的綜合效益最優(yōu)。因此,基于水系統(tǒng)與碳排放的關(guān)系,構(gòu)建統(tǒng)籌水碳的園區(qū)水碳過程協(xié)同優(yōu)化模型,是未來建設(shè)綠色循環(huán)低碳工業(yè)園區(qū)的關(guān)鍵手段。

3.3.2 基本框架

工業(yè)園區(qū)水資源高效低碳利用創(chuàng)新思路面向碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo),緊扣園區(qū)整體水資源利用效率亟待提升、水系統(tǒng)能耗物耗顯著、水系統(tǒng)及其碳排放缺乏統(tǒng)籌管理等特點。以工業(yè)園區(qū)水資源高效利用創(chuàng)新策略為基礎(chǔ),以綜合統(tǒng)籌與系統(tǒng)優(yōu)化為原則,在五級處理-五級回用體系的基礎(chǔ)上,深入探究各涉水過程的水碳關(guān)系并充分挖掘各環(huán)節(jié)的降碳潛力,采用針對性的科學(xué)降碳技術(shù),形成多級處理-多級回用-多級減碳體系(圖2)。并基于園區(qū)內(nèi)的水碳關(guān)系統(tǒng)籌優(yōu)化節(jié)水減污降碳措施,助力水資源高效利用與減污降碳協(xié)同增效,對長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)綠色低碳循環(huán)發(fā)展具有重要意義。

圖2 多級處理-多級回用-多級減碳體系

多級處理-多級回用-多級減碳體系從水、資源、能源的角度針對園區(qū)各層次采用了不同的降碳手段,構(gòu)成了單元處理-分質(zhì)利用-源頭降碳、企業(yè)處理-綜合利用-強化降碳、園區(qū)處理-市政雜用-過程降碳、生態(tài)處理-生態(tài)回用-固碳增匯、再生處理-工業(yè)回用-綜合減碳的多級處理-多級回用-多級減碳體系,是工業(yè)園區(qū)水資源高效低碳利用創(chuàng)新思路的核心。對于企業(yè)內(nèi)工藝單元,優(yōu)化工藝設(shè)備與技術(shù)參數(shù),推動單元物料循環(huán)利用。對于園區(qū)內(nèi)企業(yè),采用廢水低碳處理再生、有價組分低碳資源化等技術(shù),推動企業(yè)內(nèi)的污水低碳再生回用與資源回收。對于園區(qū)內(nèi)污水廠,從節(jié)能增效、減污降碳、多能互補等角度入手,采用廠網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度、污水源熱泵等手段,推動污水收集處理過程的減污降碳協(xié)同增效。對于生態(tài)濕地,根據(jù)固碳機制優(yōu)化工藝組成和調(diào)控機制,發(fā)揮濕地的固碳能力提升濕地的碳匯增量。對于再生水廠,利用低碳振動膜、光伏發(fā)電等技術(shù)推動節(jié)能減排。

在多級處理-多級回用-多級減碳體系的指導(dǎo)下,工業(yè)園區(qū)水資源高效低碳利用創(chuàng)新思路遵循綜合統(tǒng)籌、系統(tǒng)優(yōu)化的原則,在解析園區(qū)涉水全過程碳排放特征的基礎(chǔ)上,以園區(qū)涉水全過程為骨架,利用水碳協(xié)同優(yōu)化協(xié)調(diào)污水回用、資源回收、節(jié)能增效、多能互補等碳減排措施,達(dá)到綜合效益全局最優(yōu)。基于區(qū)域內(nèi)涉水全過程水碳特征的解析,核算園區(qū)污水回用、資源回收等措施的節(jié)水減排降碳潛力。剖析園區(qū)水系統(tǒng)中影響資源環(huán)境與碳排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與因素,定量解析區(qū)域涉水全過程中水-碳相互作用關(guān)系,建立單元-廠際-園區(qū)多層次水碳耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。并以區(qū)域整體新鮮水用量最小、水環(huán)境質(zhì)量最優(yōu)與碳排放總量最小為主要目標(biāo),構(gòu)建水碳協(xié)同優(yōu)化配置模型。最終形成全局最優(yōu)的園區(qū)水資源高效低碳利用方案,助力工業(yè)園區(qū)的頂層設(shè)計與規(guī)劃。其次,在園區(qū)水碳協(xié)同優(yōu)化的指導(dǎo)下,針對各涉水過程選擇并優(yōu)化碳減排措施。針對企業(yè)內(nèi)、排水系統(tǒng)與生態(tài)濕地,分別以工業(yè)廢水低碳處理與資源化、污水廠網(wǎng)減污降碳協(xié)同優(yōu)化、生態(tài)濕地減污固碳精準(zhǔn)調(diào)控為關(guān)鍵手段,充分挖掘各涉水過程的降碳潛力。并結(jié)合數(shù)字孿生等技術(shù)構(gòu)建園區(qū)水資源與碳排放綜合管理平臺,為園區(qū)水系統(tǒng)及碳排放的綜合管控提供支撐。該思路可有效緩解水資源短缺,減少污染物排放,降低碳排放總量,為建設(shè)綠色低碳循環(huán)園區(qū)提供堅實保障。

3.4 水資源高效利用策略的應(yīng)用

結(jié)合筆者所在團(tuán)隊近年來的研究與實踐,以江蘇省某國家級高新區(qū)為例,開展長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源高效利用策略的應(yīng)用研究。在進(jìn)行該高新區(qū)的現(xiàn)狀調(diào)研與需求分析后,按照長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源高效利用策略制定了區(qū)域污水近零排放與資源化利用方案,目前正在逐步落地中。

基于該園區(qū)的用排水、水環(huán)境等資料,以多類型的污水回用方式為基礎(chǔ),以水資源利用效率和水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量全局最優(yōu)為目標(biāo),構(gòu)建了多層次水資源優(yōu)化配置模型并形成水資源優(yōu)化配置方案,從工業(yè)回用與生態(tài)補水等方面為推進(jìn)區(qū)域水資源高效利用工作提供了指導(dǎo)。該配置方案應(yīng)用后,區(qū)域新鮮水用量可減少約12600t/d,生態(tài)補水量增加約1700t/d,有效助力了園區(qū)的水資源與水環(huán)境保護(hù)。此外,基于該園區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),以用排水量最大的某企業(yè)為例開展了企業(yè)內(nèi)污水處理與資源化利用工作。針對該企業(yè)純水需求量大、排水中含有鎳等重金屬的用排水特點,提出了工藝單元內(nèi)進(jìn)行廢水預(yù)處理、有價組分回收與污水再生回用的方案。該方案可有效降低廢水處理難度,提高污水資源化利用效率。目前,該企業(yè)已按照該方案進(jìn)行污水回用與有價組分回收,污水回用量約為3600t/d,鎳回收率可達(dá)95%。另外,已開發(fā)了該園區(qū)的水資源綜合管理系統(tǒng),并開展了配套政策標(biāo)準(zhǔn)的研究,形成了較為完善的污水近零排放標(biāo)準(zhǔn)政策體系。

該高新區(qū)污水近零排放與資源化利用方案完全落地后,區(qū)域污水回用率可達(dá)90%以上,水處理成本小于6元/t,可助力區(qū)域水資源利用率、污水資源化利用率與水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升。

4 結(jié) 語

在開展工業(yè)園區(qū)水資源高效利用工作的過程中,要從園區(qū)整體角度出發(fā),統(tǒng)籌區(qū)域涉水全過程,圍繞單元處理技術(shù)-總體優(yōu)化配置-綜合智慧管控-標(biāo)準(zhǔn)政策保障系統(tǒng)性多層次提升園區(qū)整體的水資源利用效率,推動園區(qū)經(jīng)濟(jì)、資源、生態(tài)環(huán)境的全方面可持續(xù)發(fā)展。與此同時,工業(yè)園區(qū)應(yīng)積極響應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略,統(tǒng)籌園區(qū)整體,兼顧水資源高效利用與減污降碳協(xié)同增效,充分利用污水回用、節(jié)能增效、資源回收與多能互補等多項技術(shù),推動工業(yè)園區(qū)綠色低碳循環(huán)發(fā)展。

未來,長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源高效利用應(yīng)向低碳化、區(qū)域化、集成化、智能化方向發(fā)展。開展水資源高效利用工作時,應(yīng)兼顧水資源高效利用與減污降碳協(xié)同增效;在工作整體規(guī)劃方面,從園區(qū)層面整體考慮系統(tǒng)優(yōu)化,統(tǒng)籌園區(qū)內(nèi)部涉水全過程,實現(xiàn)園區(qū)水資源利用效率、水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與碳減排量的全局綜合最優(yōu);在水資源高效與低碳利用的技術(shù)開發(fā)方面,綜合污水回用、節(jié)能增效、資源回收與多能互補等多項技術(shù)形成工業(yè)園區(qū)水資源高效低碳利用集成技術(shù);在工業(yè)園區(qū)水系統(tǒng)及其碳排放的管理上,基于水系統(tǒng)及其碳排放的規(guī)律,充分利用數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)等技術(shù),監(jiān)測預(yù)測重要過程,建立園區(qū)水系統(tǒng)及碳排放綜合管理平臺。長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)水資源高效與低碳利用的相關(guān)研究與實踐,可有效推動長三角地區(qū)工業(yè)園區(qū)的綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型,為長三角地區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展提供保障。