天津滨海工业带如何从水少质差生态脆弱中突围？
“九河下梢”的天津,在京津冀水生态环境治理建设中占据特殊位置,是渤海综合治理攻坚战的主阵地。从近年来出入境水质来看,天津在入境水质差、自身环境容量几乎为零的情况下,努力削减自身污染,同时承担了京津冀区域入海河流最后屏障的功能。
围绕天津“水少、质差、生态脆弱和风险源密集”难题,“十三五”期间,针对天津水生态环境保护现实需求和面向“十四五”未来发展要求,水专项设置了“天津滨海工业带废水污染控制与生态修复综合示范项目”,项目由天津市生态环境科学研究院(原天津市环境保护技术开发中心)承担,南开大学、中国市政工程华北设计研究总院有限公司、天津临港建设开发有限公司、中国环境科学研究院、中国科学院生态环境研究中心等国内17家单位参与了研究工作。历时三年,项目从减污与增容两条主线,集成构建基于“生态功能评价—水质目标管理—污染控制与生态修复—水环境风险防控”的天津滨海工业带绿色发展和污染零增长技术体系,实现废水趋零排放、氮磷负荷削减、入海水质保障、风险防范及管理体制机制创新,保障京津冀东部滨海发展区环境质量持续改善。
水环境管理体系精细化:构建形成基于水生态安全的天津滨海工业带“负荷零增长”水环境管理技术体系,实现多种管理手段衔接、三水统筹系统管控目标
在此前水专项研究基础上,项目通过研究天津滨海工业带水生态环境功能分区精细划分技术、水质目标全过程精细化管理技术、基于区域总量和水质达标的排污许可限值确定及长效监管技术,构建形成了天津滨海工业带“负荷零增长”水环境管理技术体系,全面支撑天津市水环境与水生态顶层设计方案和路线图的研究制定,服务“十四五”天津水生态环境管理工作。
一、继承“十一五”以来水专项水生态环境功能分区研究成果,实现天津滨海工业带水生态环境功能分区精细划分和“水资源、水环境、水生态”三水统筹系统管控目标
为解决水生态功能分区在具体管理上的“落地难”问题,构建基于水生态环境功能分区的管理制度体系,在天津市水生态环境功能分区过程中,项目在宏观流域管控层面,采用海河流域水生态功能分区,自上而下地明确流域水系空间管控目标;在微观区域管理方面,以水功能区、汇水区、乡镇级行政区为核心,明确水体水质目标、总量目标和管理目标,将流域要求区域化。
项目研究识别水环境及水生态重点管控区域,研究确定水生态环境功能分区水质管控目标,提出区域生态流量、水质及生物多样性等管控指标。通过在天津滨海工业带全域应用这项技术,项目在天津市主要河流汇水范围划分基础上,整合海河流域各级水生态环境功能分区成果,形成体现水生态环境要素完整性、兼顾行政管辖主体的261个水生态环境管控单元,并明确各单元的水环境质量改善目标、水生态保护修复目标、水生态功能恢复目标,为实现水生态环境系统化精细化管理提供目标指引。
二、依托天津滨海工业带水质目标全过程精细化管理技术和基于区域总量的产业复合区排污许可管理技术创新,实现区域污染物总量管理、水环境质量目标管理、区域排污许可限值管理相互衔接
“十三五”以来,天津水生态环境管理重点从容量总量控制逐步过渡到水质目标管理,迫切需要将区域污染物总量管理、水环境质量目标管理、区域排污许可限值管理相互衔接,实现多种重要管理手段相配合,打出水生态环境管理“组合拳”。
为此,项目在开展天津滨海工业带水质目标全过程精细化管理技术研究的基础上,制定合理可行的区域总量分配方案,为基于水质达标的排污许可限值确定及分配提供流域总量约束,将流域水质目标管理转化为区域总量管理。项目构建了基于水质达标的固定源排污许可限值确定技术方法、差异化排污许可证监管技术,为天津滨海工业带实现以水质改善为基础的排污许可限制确定、分配管理提供技术方法和管理方案。应用这项技术,项目面向滨海工业带提出区域内248个街道乡镇基于水质达标的排污许可限值,并以污水处理厂作为杠杆,确定各乡镇街道固定源、非固定源管控要求。
三、研究成果全面支撑天津碧水保卫战、渤海综合治理攻坚战和天津“十四五”重点流域水生态环境保护水环境战略规划编制
针对天津市“十四五”阶段“陆海统筹、一河一策”的水生态环境管理需求,在市域范围开展水陆全覆盖、指标全覆盖的水生生物多样性调查,提出分级分类分区的水生态管控目标,为土著鱼类、水生生物多样性等新增指标的设定提供基础数据,为天津市“十四五”阶段水资源、水生态亲民指标的制定提供数据和技术支持。
相关研究成果支撑形成了《天津市打好碧水保卫战三年作战计划(2018～2020)》《天津市打好渤海综合治理攻坚战强化作战计划》《天津市入海河流污染治理“一河一策”工作方案》及天津市12条入海河流水污染防治攻坚行动方案。上述方案实施以来,天津市水环境质量取得历史性好转,国控断面优良水质比例首次达到55%,较“十二五”末提高30个百分点;劣Ⅴ类水质首次“清零”,较“十二五”末下降65个百分点;12条入海河流从“全部为劣”到“全部消劣”;近岸海域水质取得突破性改善,优良水质面积比例达到70.4%,较“十二五”末提高62.6个百分点。
水污染治理体系精准化:构建形成“源头高风险废水趋零排放、集中污水高标准处理达标排放、末端尾水水质提升处理”的滨海工业带水污染治理体系,保障入海水质
天津滨海工业带是海河流域水生态最为敏感脆弱的地区,也是入海排放管控的前沿关口,在水质管理目标上,要做到取水和还水的统一,污染治理与生境修复统一,实现环境压力趋零。为此,项目针对滨海工业带废水“高盐、成分复杂”的特质,按照分类管控的原则,对生态风险高、难以生化处理的高盐难降解废水,研发集成趋零排放技术;对生态风险适中的废水,研发集成污水处理厂高标准超净排放技术及尾水和初期雨水人工湿地协同处理技术。通过技术的示范应用,最终实现示范区水污染排放“负荷零增长”,为天津滨海工业带乃至京津冀地区水污染防治提供有力支撑。
一、高盐难降解废水趋零排放技术与装备集成及工艺优化,保障处理设备长效经济运行,实现盐类高品质回收
针对高盐难降解废水处理此前长期存在的技术瓶颈,项目取得多项重大技术突破,在示范区内实现真正意义上的高盐废水趋零排放。
高盐废水趋零排放及分质结晶系统
盐硝分离技术回收的无机盐
(一)在预处理环节,开发有机物和重金属预氧化及分离技术、有机物与重金属同步去除技术,实现高盐难降解废水有机物的有效分离控制和分解,为大型MVR设备长效运行提供前提保证。
(二)围绕现有MVR关键设备防腐耐垢需求,实现大型MVR结晶器等关键设备的长效低成本运行,提高MVR浓缩与结晶工艺效率、降低能耗、实现硫酸钠难降解废水较大规模较高标准的处理,同时也实现了大型MVR全套装备的国产化。
(三)通过分盐精制资源化回收技术和设备研发,实现无机盐分质结晶和低成本运行。开发的杂盐废水MVR一体浓缩、循环套用、分别结晶回收技术,降低MVR浓缩能耗,提高杂盐分离效果,实现杂盐废水较大规模处理,实现99%以上无机杂盐资源回收和冷凝水的全部回收利用。
研究成果在滨海工业带高盐难降解废水趋零排放示范工程中得到示范应用。目前,示范工程处理高盐废水2000m3/d以上,每月回收废水中无机盐超4000吨,分离出的硫酸钠达到国家二级标准,并在国内外作为工业盐实现产品销售,减少对天津南港工业园区污水集中处理的冲击,大幅降低处理成本。相关技术设备已在国内多个项目中应用,并推广至国外。
二、工业带污水处理厂高标准超净处理成套技术集成示范,支撑天津新地标落地
排放标准严格和进水复杂水质是滨海工业带污水处理厂稳定运行面临的两大核心挑战,而此类复合污染、复杂水质污水的高标准稳定达标在国内外均属首次,缺乏经济技术可行的成熟方案。针对天津新地标(DB 12/599-2015)下滨海工业带污水处理设施提标改造的实际工程需求,项目开展了包括单元技术设备、工艺技术路线、工程实施方案、全过程控制达标在内的系统集成研究,提出工业带污水处理厂高标准超净处理成套技术。
(一)提出以臭氧、芬顿为核心的低浓度难降解有机物高级氧化去除技术的适用性及技术要点,突破复合污染下残余低浓度难降解有机物去除难度大、缺少系统技术方案的瓶颈问题,实现臭氧氧化技术和芬顿氧化技术高标准深度去除低浓度有机物的大规模应用,实现技术的应用提升和技术的参数化、标准化。
(二)为突破工业带低碳氮比复杂水质条件下总氮高标准稳定达标外加碳源成本高的瓶颈问题,构建基于“源头碳源筹措补碳—内碳源挖掘与品质提升—商品碳源优选配置—精细化设计运行”的全过程全流程碳源高效利用技术策略,实现碳源利用效率提升15%～25%,外加碳源投加量降低20%～30%左右。
(三)针对现有除磷技术工程应用中药耗高、高标准排放稳定达标难度大等问题,系统探明“介质—生物絮体—化学絮体”的耦合机理,通过介质、药剂优选与复配及功能区布局模式、反应时间和水力条件等优化,强化介质凝核效果,建立基于水质和不同条件的动态调控策略,降低药耗,形成工业带污水多介质耦合高标准深度除磷技术,从工程应用角度,实现以磁混凝为核心的高标准深度除磷技术的参数化和标准化。
天津经济技术开发区西区污水处理厂提标改造工程
研究成果在天津经济开发区西区和北塘污水处理厂提标改造示范工程进行示范,并推广应用到港东新城及营城污水处理厂等工业带典型污水处理厂提标改造工程。其中,西区污水处理厂工业废水比例80%以上,是典型的综合型工业园区污水处理厂。针对有机物组分复杂、水质波动大等问题,提标改造工程采用“HYBAS工艺+二沉池+反硝化深床滤池+芬顿高级氧化+炭吸附脉冲澄清+气浮池”技术路线,实际运行中根据污水处理厂进水中难降解有机物和氮情况以及环境条件等,灵活采用基于复杂水质和强波动下COD、氮、磷多级深度处理的多模式运行。目前工程月平均出水COD稳定控制在25.0mg/L以下,出水稳定达到天津新地标DB12/599-2015A标准,主要污染物削减80%以上,并实现成本和能耗的可控和优化。
三、集污水深度处理、初期雨水净化、生态功能提升等用途多样化的近自然人工湿地构建,实现滨海工业园区尾水及初期雨水污染物全过程控制和湿地品质整体提升
结合天津滨海带湿地生态恢复相关工作,项目开发了人工湿地污染物协同去除与控制成套技术,并在天津临港工业园区人工湿地(以下简称临港湿地)进行示范应用,实现滨海工业园区污水处理厂尾水及初期雨水污染物全过程控制,综合提升滨海水环境治理效果。
(一)建立“收集—调蓄—预处理”技术体系,创新集成强化旋流沉砂、铁硅复合磁絮凝辅助高效沉淀、MBBR高效预处理等工艺单元,构建雨水干管主节点分散式处理和湿地前端集中式处理的高效预处理模式。技术在临港湿地二期开展示范应用,实现初期雨水主要污染物去除率:CODcr55%~75%,SS65%~90%;特征污染物去除率:总铬20%～40%、总锌50%~80%、总砷35%~60%。
(二)研制生物促进剂耦合土著氮磷高效降解菌剂,强化滨海人工湿地植物—微生物耦合系统,提高人工湿地对氮磷污染物的去除效率。技术在临港湿地一期与二期均开展了示范应用,构建的植物—微生物耦合系统对氮磷去除率可提升20%。
(三)针对滨海工业带污水处理厂尾水中残存全氟化合物、多环芳烃等污染物的问题,利用工农业固体废弃物,开发低成本高效吸附基质滤料,在临港湿地二期河道(近出水口处)开展示范,构建500m3河道过滤系统,削减残存污染物,降低湿地出水生态风险。
(四)针对传统滨海人工湿地生境单一、生态服务功能不高的问题,从鸻鹬类水鸟栖息、觅食等需求出发,提出北方滨海人工湿地物理生境营造及生物群落快速重建模式,设计“浅滩—岛屿—深水区—环流渠—缓冲林”网状湿地系统,恢复植被、底栖和鱼类群落,营造鸻鹬类适宜栖息环境。通过技术示范应用,在临港湿地二期南部构建40公顷湿地鸟类生境恢复区,实现对迁徙水鸟的保护。
水环境风险防控智能化:“查—控—处”一体化水环境风险管控体系构建,实现区域“预警—应急—处置”联动响应业务化运行,提升科学应对突发水环境污染事件能力
为解决天津滨海工业带产业发展潜在风险高,水环境突发事故应急监管处置能力不足与生态环境保护之间的矛盾,针对应急事故现场调查与监测、智能决策与指挥及应急处置技术与装备等方面的薄弱环节和瓶颈,项目研发集成一批水环境风险应急关键技术,开发环境应急装备与材料20余项;探索建立了区域环境应急物资保障体系,在天津滨海新区建成国内首个大型环境应急物资库及水环境风险应急监管平台,形成“查—控—处”一体化水环境风险管控体系。
天津滨海新区环境应急装备与物资库
“天地水”一体化应急侦测系统
一、“查”——“天—地—水”一体化环境风险应急侦测体系
项目将无人化应急监测设备、事故现场移动水质实验室和信息化平台应用于突发环境应急监测体系中,有效提升水污染事故应急响应能力和科学决策水平。
其中,多功能现场两栖无人侦测船具有水陆两栖、自动避障、极端环境高通过性、污染底泥采样等功能,能够在陆地及滩涂泥泞环境下正常行驶,实现危险事故水域自动采样和侦测;事故现场移动水质实验室集成了车载实验平台、数据采集及传输系统、便携应急监测仪器、车载大型仪器等功能模块,能够为现场应急检测与指挥提供野外实验及指挥场所;信息化平台基于项目搭建的区域应急数据库,将无人化应急监测设备与事故现场移动水质实验室数字化集成,能够实现现场人员、监测设备、实验室、远端指挥中心的及时沟通与联系,形成 “天—地—水”一体化环境风险应急侦测系统,提升应急响应能力。
二、“控”——水环境风险实时监控与智能决策指挥系统
基于环境风险源基础信息库及监控预警体系研究,项目完善了应急预案和应急管控流程,以区域水环境风险应急监管平台为载体,实现水污染应急事故平台化管控,形成突发性水环境污染事故应急管控体系。
区域水环境风险应急监管平台包含突发水污染事故预警方法体系,涵盖风险源基础信息数据库、应急装备库、专家库、应急预案、处置方法和案例库的数据库管理系统;集成区域地表水自动监测系统、重点排污单位自动监控系统、环境综合应用支撑平台、环境监测预警数据中心、监测环境生态指数评价、环境监测预警GIS信息系统、监测预警应急管理系统、水污染应急处置系统等模块,形成“区域预警—应急—处置”联动响应长效机制。
三、“处”——典型事故废水应急处置技术与装备快速组合集成系统
项目研发了滨海工业带典型事故废水应急处置关键技术和设备,构建环境应急设备物资库并开发相关信息化管理平台,形成区域应急物资保障和应急处置系统。以环境应急设备物资库为载体,实现体系化、模块化应急处置,为环境应急事故快速响应、应急物资库紧急调用、快速提出决策方案等工作提供技术支撑。
项目在国内首次将标准化、模块化理念融入水处理设备领域,自主研发设计组合式、模块化、撬装式水处理设备,各模块经不同组合可高效应对污染物复杂多变的治理工程,尤其适用于突发事件造成的水污染应急处理。
项目在天津滨海新区建成全国第一个大型环境应急装备与物资库,其中各类应急装备可通过多种形式组合,形成重金属废水大于2000m3/d、难降解有机物废水大于2000m3/d、含油废水大于10000m3/d的处理能力。目前,已推广建成常州沿江废水应急处置中心,服务长江经济带生态环境保护工作;盘锦辽东湾、安徽淮北等应急物资库也在筹备中。相关研究成果已在华北渗坑污染应急处置、白洋淀上游污染坑塘应急治理工作中发挥重要作用。
同时为做好新冠肺炎疫情防控,项目团队开发了应用于医疗废水废物处理、方舱医院应急消毒等应急装备20余套,应用于孝感、三亚等地,成效明显,为疫情防控期间环境应急工作提供技术和装备保障,受到了有关部门的好评。
天津滨海工业带废水污染控制与生态修复综合示范项目组
