基于水環(huán)境約束的染整產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模的優(yōu)化研究
——以A工業(yè)園區(qū)為例

蔡 圃，邵 兵，李明亮

(廣西博環(huán)環(huán)境咨詢服務(wù)有限公司，廣西 南寧 530000)

紡織工業(yè)是我國發(fā)展最早且最具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的行業(yè)[1]，因該行業(yè)高耗水、高排放的特征[2]，已成為環(huán)境管理重點(diǎn)監(jiān)控的行業(yè)。根據(jù)《第二次全國污染源普查公報(bào)》顯示，紡織工業(yè)水污染物的排放量已位居工業(yè)行業(yè)第3位。其中，化學(xué)需氧量（COD）、氨氮和總磷分別占工業(yè)行業(yè)排放總量的12.07%、7.64%和11.81%。其中，染整是紡織產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)，也是排污量最大的環(huán)節(jié)[3]，對(duì)水環(huán)境的影響也最為嚴(yán)重。

目前，我國正處于紡織工業(yè)梯度轉(zhuǎn)移和重新布局的重塑期[4-5]，對(duì)于承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的后發(fā)地區(qū)而言，科學(xué)確定產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模十分重要。目前，在園區(qū)規(guī)劃工作中，土地、物流、能源、勞動(dòng)力等要素對(duì)于產(chǎn)業(yè)的支撐作用報(bào)道較多[6]，但水環(huán)境的要素對(duì)于產(chǎn)業(yè)規(guī)模的約束作用報(bào)道較少。以A工業(yè)園區(qū)為例，根據(jù)園區(qū)規(guī)劃內(nèi)容和區(qū)域環(huán)境等條件，提出了依據(jù)水環(huán)境的承載力和減排潛力來確定染整產(chǎn)業(yè)規(guī)模的方法和路徑。

1 概況

1.1 A園區(qū)規(guī)劃概況

A園區(qū)規(guī)劃建設(shè)用地面積為1 013公頃，其中，工業(yè)用地為443.25公頃，規(guī)劃布局為紡織染整、服裝加工、林產(chǎn)業(yè)加工、機(jī)械制造等產(chǎn) 業(yè)。其中，染整是園區(qū)規(guī)劃的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，控制用地面積達(dá)2 250畝；規(guī)劃配套的給水和排水規(guī)模均為30萬t/d。但受當(dāng)?shù)厮Y源的分布約束，只能在流經(jīng)園區(qū)南側(cè)的N河取水和排污，其取水口擬設(shè)置在排污口上游750 m處。規(guī)劃排污口COD執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（COD≤50 mg/L），氨氮和總磷執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）中Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（氨氮≤1.5 mg/L、總磷≤0.3 mg/L）。

1.2 N河環(huán)境概況

N河是當(dāng)?shù)亓髁孔畲蟮暮恿?，從北向南?dú)流入海，干流全長287 km，河道平均坡降0.4‰，流域面積為9 704 km2，多年平均徑流量為69 m3/s，年徑流量為27.80億m3。在A園區(qū)斷面，控制流域面積為3 829 km2，典型的水文特征是：枯水期，90%保證率最枯月平均流量為9.17 m3/s，河寬107 m，平均水深0.57 m，平均流速0.15 m/s；豐水期，平均流量為139.42 m3/s，河寬140 m，平均水深1.53 m，平均流速0.6 5 m/s。

由于當(dāng)?shù)厝丝诜植级?，生豬養(yǎng)殖盛行，養(yǎng)殖污水和生活污水是N河面臨的主要環(huán)境問題，其主要污染因子是氨氮和總磷。根據(jù)水功能區(qū)劃，A園區(qū)規(guī)劃排污口到S電站（徑流式）25.4 km的河段為Ⅳ類水功能區(qū)，其后為Ⅲ類水功能區(qū)；規(guī)劃排污口下游42.8 km處為環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)國控?cái)嗝?。近年來，隨著流域環(huán)境治理的實(shí)施，流域水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn)，在2020年國控?cái)嗝娓黜?xiàng)指標(biāo)均滿足Ⅲ類水考核要求。但在局部河段，仍然存在總磷年均值不達(dá)標(biāo)，氨氮年均值達(dá)標(biāo)但個(gè)別月均值不達(dá)標(biāo)的情況。因此，為確保國控?cái)嗝娴姆€(wěn)定達(dá)標(biāo)，新增排污量對(duì)應(yīng)的超標(biāo)因子應(yīng)采取減量削減措施。

1.3 流域排污需求概況

在A園區(qū)上游27.8 km處分布有B園區(qū)，該園區(qū)正處于規(guī)劃階段，按照當(dāng)?shù)卣块T的要求，需預(yù)留的排污量為1萬m3/d，排污口執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。在A園區(qū)上游54 km處分布有C園區(qū)，該園區(qū)正處于開發(fā)中期階段，現(xiàn)狀排污量為10萬m3/d，環(huán)評(píng)已批復(fù)、在建的污水處理設(shè)施的排污量為10萬m3/d，排污口執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與A園區(qū)相同。上述三個(gè)園區(qū)的位置關(guān)系及排污需求如圖1所示。

圖1 流域內(nèi)園區(qū)位置關(guān)系及排污需求示意圖

1.4 區(qū)域減排潛力

區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的工礦企業(yè)分布較散、排水較少，不具備削減潛力。因此，只能從造成流域水質(zhì)問題的養(yǎng)殖污染源和生活污染源出發(fā)，從而采取減排措施，形成一定減排量。經(jīng)當(dāng)?shù)卣块T多次研討，決定通過完善污水收集管網(wǎng)來提高現(xiàn)有污水處理設(shè)施的運(yùn)行負(fù)荷，并根據(jù)相關(guān)需求增加社區(qū)和農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的建設(shè)，再通過清拆采用傳統(tǒng)水沖糞工藝的豬舍等途徑，實(shí)現(xiàn)了減排氨氮36.37 t/a、總磷6.19 t/a。具體減排情況詳見表1。

表1 區(qū)域減排措施和減排量統(tǒng)計(jì)表

2 水環(huán)境承載力以及改善質(zhì)量狀況的評(píng)價(jià)方法

2.1 總體思路

按照《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》（HJ 2.3-2018）推薦的方法，對(duì)于現(xiàn)狀達(dá)標(biāo)因子（COD），計(jì)算剩余的環(huán)境承載力。計(jì)算方法是，將規(guī)劃排污口下游2 km處定為核算斷面，預(yù)留環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的8%作為安全余量，使該斷面的污染物最大濃度不超過Ⅳ類水質(zhì)要求；而對(duì)于現(xiàn)狀超標(biāo)因子（氨氮、總磷），根據(jù)區(qū)域減排潛力，采取減量削減措施，從而使區(qū)域環(huán)境質(zhì)量整體得到一定改善，以達(dá)到改善水環(huán)境質(zhì)量的目標(biāo)。同時(shí)，在滿足上述要求的基礎(chǔ)上，還要確保下游國控?cái)嗝胬^續(xù)滿足Ⅲ類水質(zhì)的考核要求。

2.2 水環(huán)境承載力的評(píng)價(jià)方法

通常，排污口下游污染物的擴(kuò)散河段稱為混合過程段，可采用二維連續(xù)穩(wěn)定排放模型；而在混合過程段之后污染物完全混合均勻，稱為完全混合過程段，可采用一維連續(xù)穩(wěn)定排放模型。

混合過程段計(jì)算公式見式（1）。

式中：Lm—混合段長度，單位：m；B—水面寬度，單位：m；a—排放口到岸邊的距離，單位：m；u—斷面流速，單位：m/s；Ey—污染物橫向擴(kuò)散系數(shù)，單位：m2/s，按照《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》（GB/T 25173-2010）推薦的方法計(jì)算。

二維連續(xù)穩(wěn)定排放模型見式（2）。

式中：C—縱向距離x、橫向距離y點(diǎn)的污染物濃度，單位：mg/L；Ch—上游污染物背景濃度，單位：mg/L；m—污染物排放速率，單位：g/s；h—平均水深，單位：m；u—平均流速，單位：m/s；k—污染物綜合衰減系數(shù)，單位：/s，COD、氨氮、總磷分別取值0.2/d、0.1/d、0.05/d；n—河道糙率，無量綱，取值0.0004。

一維連續(xù)穩(wěn)定排放模型見式（3）。

式中：C—預(yù)測(cè)點(diǎn)x處污染物的濃度，單位：mg/L；C0—完全混合斷面處的濃度，單位：mg/L；x—預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離，單位：m。

2.3 水環(huán)境質(zhì)量改善狀況的評(píng)價(jià)方法

通過對(duì)比規(guī)劃排污量和區(qū)域削減量對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)，采用平均質(zhì)量濃度變化率評(píng)價(jià)流域環(huán)境質(zhì)量改善狀況，計(jì)算公式見式（4）。將覆蓋規(guī)劃排污口和區(qū)域削減源的河段，每隔500 m劃分為一個(gè)計(jì)算斷面，分別計(jì)算規(guī)劃排污口新增污染物和區(qū)域削減措施減排污染物對(duì)各計(jì)算斷面的貢獻(xiàn)，然后求出各計(jì)算斷面貢獻(xiàn)值的算術(shù)平均值，得到規(guī)劃排污口和區(qū)域削減措施對(duì)流域的平均貢獻(xiàn)值。

3 計(jì)算結(jié)果分析與討論

3.1 水環(huán)境承載力的計(jì)算

3.1.1 背景濃度修正

在同一流域內(nèi)，往往包含了不同的行政單元，為了避免各部分出現(xiàn)極不平衡的發(fā)展?fàn)顩r，所以在水環(huán)境規(guī)劃和管控時(shí)要兼顧各單元的發(fā)展需求[7]。在計(jì)算COD的環(huán)境承載力之前，要根據(jù)區(qū)域排污需求對(duì)背景濃度進(jìn)行修正?？刹捎靡痪S水質(zhì)模型，疊加B園區(qū)和C園區(qū)排污量在背景斷面的貢獻(xiàn)值，對(duì)背景濃度進(jìn)行修正，使A園區(qū)允許排污量的計(jì)算結(jié)果更加合理。修正計(jì)算詳見表2。

表2 COD背景濃度修正計(jì)算表

3.1.2 水環(huán)境承載力計(jì)算

以修正背景濃度為基礎(chǔ)，把Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值的92%作為核算斷面的控制目標(biāo)，將河道天然流量扣除6萬m3/d的園區(qū)的取水量作為計(jì)算的水文條件，采用二維連續(xù)穩(wěn)定排放模型，計(jì)算得到COD的環(huán)境承載力詳見表3。按照一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的排放限值（COD 50 mg/L）進(jìn)行折算，得到允許排放量為豐水期44.10萬m3/d、枯水期5.61萬m3/d。為了確保各期水質(zhì)均達(dá)標(biāo)，要將豐、枯水期計(jì)算結(jié)果取嚴(yán)值，然后得到允許排放量為5.61萬m3/d。同時(shí)，還要結(jié)合當(dāng)?shù)卣墓芾硪?，分?萬m3/d用于染整產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，剩余部分用于其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

表3 COD水環(huán)境承載力和允許排放量計(jì)算結(jié)果表

3.2 區(qū)域削減與環(huán)境質(zhì)量改善狀況計(jì)算

（1）將5萬m3/d的排水規(guī)模和Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值相乘，得到園區(qū)允許排污量。再利用區(qū)域削減減排量除以園區(qū)允許排污量，得到削減倍數(shù)為氨氮1.47、總磷1.25，達(dá)到了減量削減的目的。具體情況詳見表4。

表4 氨氮和總磷削減倍數(shù)計(jì)算表

（2）利用水質(zhì)預(yù)測(cè)模型和平均質(zhì)量濃度變化率公式，計(jì)算得到氨氮和總磷的平均質(zhì)量濃度變化率，具體情況詳見表5。氨氮和總磷的計(jì)算結(jié)果均為負(fù)值，表明采取區(qū)域削減措施后，流域環(huán)境質(zhì)量整體得到一定程度的改善。

表5 氨氮和總磷平均質(zhì)量濃度變化率計(jì)算結(jié)果表

3.3 對(duì)下游國控?cái)嗝嬗绊懙挠?jì)算

按照規(guī)劃排污口5萬m3/d的排水規(guī)模，考慮區(qū)域削減的貢獻(xiàn)，計(jì)算得到下游國控?cái)嗝尕S、枯水期的質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)值，具體情況詳見表6。計(jì)算表明，三種主要污染物仍能滿足地表水Ⅲ類水質(zhì)要求，說明規(guī)劃5萬m3/d的排水規(guī)模是可行的。

表6 規(guī)劃排污口對(duì)下游國控?cái)嗝娴挠绊懹?jì)算結(jié)果表

3.4 水環(huán)境承載力與產(chǎn)業(yè)規(guī)模的討論

園區(qū)染整產(chǎn)業(yè)主要以缸染、水洗、漿紗為主，因此，染整結(jié)構(gòu)影響了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模。根據(jù)類似園區(qū)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，缸染、水洗和漿紗的畝均用水量分別為80 m3/d·畝、200 m3/d·畝、50 m3/d·畝。若規(guī)劃染整結(jié)構(gòu)按5:3:2進(jìn)行控制，通過加權(quán)計(jì)算得到畝均用水量為110 m3/d·畝?？紤]中水回用率為30%，則允許的工業(yè)給水量為7.1萬m3/d，計(jì)算得到可開發(fā)面積為645畝。

為評(píng)判中水回用和染整結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的影響，表7中給出了允許排污量保持在5萬m3/d不變時(shí)，5種不同情景下染整產(chǎn)業(yè)的可開發(fā)面積。在染整結(jié)構(gòu)不變時(shí)，隨著中水回用率的提高，工業(yè)給水量增加，可開發(fā)面積增加；當(dāng)中水回用率達(dá)到50%時(shí)，缸染、水洗和漿紗按5:3:2控制，計(jì)算得到可開發(fā)面積為907畝；在中水回用率不變時(shí)，隨著染整結(jié)構(gòu)的調(diào)整，畝均用水量和可開發(fā)面積會(huì)發(fā)生一定變化。例如，當(dāng)中水回用率保持30%不變時(shí)，隨著高耗水洗業(yè)務(wù)的下降，可開發(fā)面積會(huì)逐漸增加。

表7 不同情景下A園區(qū)染整產(chǎn)業(yè)的可開發(fā)面積計(jì)算表

根據(jù)上述計(jì)算，在現(xiàn)狀水環(huán)境約束和減排措施下，A園區(qū)的允許排污量應(yīng)限定在5萬m3/ d以內(nèi)。而在水環(huán)境承載力稀缺的情況下，應(yīng)采取中水回用措施和調(diào)整染整結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高水資源的使用效率，且減小單位開發(fā)面積的排污量，在這種情況下推薦可開發(fā)面積控制在900畝以內(nèi)，較規(guī)劃面積2 250畝減少60%。

4 結(jié)論

（1）染整產(chǎn)業(yè)具有高排放的特征，水環(huán)境承載力是影響產(chǎn)業(yè)規(guī)模的核心因素。在開展規(guī)劃工作時(shí)，要綜合考慮水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、區(qū)域排污需求和減排潛力，合理計(jì)算允許排污量，科學(xué)確定產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模。

（2）對(duì)達(dá)標(biāo)因子，建立了“環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀—水質(zhì)目標(biāo)要求—水環(huán)境承載力—允許排放量”的管控體系；對(duì)超標(biāo)因子，建立了“區(qū)域污染源—減排潛力—減量削減—環(huán)境質(zhì)量改善”的管控體系。

（3）在水環(huán)境承載力稀缺的地區(qū)，要加強(qiáng)中水回用和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)源頭節(jié)水和末端減排，從而促進(jìn)染整產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。