英语原文共 13 页
中国工业园区集中式污水处理厂的发展与现状研究
Wanqiu Hu a, Jinping Tian a, Na Zang a, Yang Gao a, Lujun Chen a, b
a.清华大学环境学院，中国北京市, 100084；
b.浙江省水质科学与技术重点实验室，浙江清华长三角研究院生态环境研究所，中国浙江省嘉兴市，314006。
摘 要：自2015年起，集中式污水处理厂（CWWTP）已经成为中国国家级工业园区（NIPs）不可或缺的必备基础设施，这在处理工业园区内集中制造活动所产生的工业用水污染中发挥了重要作用。本研究分析了157个国家级工业园区内347座集中式污水处理厂的发展路线和状态，包括对最好年份、处理水量、能耗、运营成本、处理技术、污染物去除效率以及其他操作参数的详细研究。主要发现如下：集中式污水处理厂与国家级工业园区之间的建设时间一般相隔12—22年，对于近期建设的国家级工业园区，这个时间间隔更短。2016年，集中式污水处理厂的实际处理水量总计超过44亿吨，占中国排放的所有工业废水的22.6%。年度运营总成本和能耗分别为55亿人民币和17亿千瓦时。运行负荷率在90%到110%之间的集中式污水处理厂处理一吨废水运营成本和能耗通常较低。排放标准列出的17项污染物指标中，除总氮（TN）外，去除率一般都高于60%。同时，92％以上的集中式污水处理厂已经达到了规定的排放标准。集中式污水处理厂中好氧生物处理技术是应用最为广泛的，占总处理水量的86％。针对国家级工业园区内集中式污水处理厂的特点，提出了八个提高集中式污水处理厂处理效果的关键措施。
文章历史:
于2018年5月6日收到初稿
于2018年10月26日收到修改稿
于2018年12月24日采纳
于2018年12月26日在网站发布
关键词：工业园区；污水处理厂；工业污染防治 ；水环境保护；污染物去除效果；中国
1 引言
近几十年来，随着中国快速的城市化和工业化发展，水资源枯竭和水污染问题变得日益严重。由于污水的集中排放，作为中国主要水源之一的地下水在近几十年也受到了严重污染。据估计，中国每年因环境污染造成的损失约2830亿人民币，其中17.7%是由水污染引起的。
制造业在生产过程中消耗大量淡水，这与污水的集中排放密切相关。2000年，中国的工业废水排放量占总污水排放量的46.8%，到2014年，这一数值大幅降低至28.7%。工业废水中的常规污染物，如通过化学需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）测量的污染物，分别占总排放量的13.6%和9.7%。 工业废水中的硝酸盐、磷酸盐和重金属排放也很集中。
自1978年改革开放政策实施以来，中国的工业园区迅速发展在，促进经济发展方面发挥了重大作用。目前，中国拥有2543个工业园区。然而，由于在有限的土地上进行的大量的高密度工业活动，许多工业园区当地环境产生了严重影响。因此，解决与工业园区相关的环境问题具有深刻的意义。1923年，中国第一座城市污水处理厂在上海建成并投入使用，它采用二级处理工艺。中国于20世纪70年代开始控制工业污染，20世纪80年代开始大规模建设污水处理厂。自2002年以来，污水处理厂的数量一直以每年约30%的速度增长，污水收集和处理的比例从30%增长到90%。在过去十年中，为了减轻中国水环境的恶化，污水处理厂的数量迅速增加，污水处理厂是控制水污染的关键基础设施。
在工业园区建造一个集中式污水处理厂是一种通常的做法，通过对工业园区内单个生产企业的废水进行厂内预处理，再进行进一步处理，实际研究表明，这种做法比较划算。通常，工业废水含有高浓度的有机污染物，在某些情况下甚至具有很强的毒性并且难以处理。因此，与工业用水相关的污染控制比生活污水更难，因为它需要更复杂的处理工艺和更高的投资。
中国中央政府强调需要解决与空气，水和土壤污染有关的环境问题。鉴于工业园区的集中用水和水污染问题，政府要求所有工业园区必须建设集中式污水处理设施并设置配套在线监测系统。这种基础设施只是防止工业园区水污染的初步要求，还有其他计划将在之后实施，例如中国共产党第十九次全国代表大会报告中提出的更为严格的排放标准。 污水处理厂的出水也是一种重要的非常规水源，它有可能用来再产水来减少淡水消耗。此外，工业园区中集中式污水处理厂的可利用性可以为集中式污水处理厂与能源基础设施之间的共生联系奠定基础。这种联系，通常被称为工业共生（IS），它是同时实现节水和节能的关键措施，也促进了生态工业园区（EIPs）的发展。在之前的研究中，中国工业园区的能源基础设施已经经过仔细考查。
污水处理厂的相关问题已经得到了广泛关注，目前大部分研究都集中在污染物去除技术和机理上。例如，许多研究讨论了污水处理厂的技术，如处理过程、操作参数优化、污染物去除效率和污水处理化学药剂。大多数研究都是针对生活污水处理来考虑城市污水处理厂。换句话说，除了一些案例研究外，很少有研究考虑位于工业园区内的集中式污水处理厂。工业园区是全球工业发展的共同特征。与此同时，在工业园区建立集中式污水处理厂和热电联产电厂这种共享基础设施是全球的通行做法，这也是促进园区内工业共生的关键措施。鉴于污水的集中排放仍然对中国水环境造成了严重的环境影响，目前，中国中央政府下达了提升污水处理设施排放标准的要求，这给工业园区带来了重大的挑战。在我们之前的研究中，初步展示了中国一些工业园区集中式污水处理厂建设的演变情况。有必要通过增加中国工业园区的数量，来展开对污水处理设施运行状态的全面监测。因此，它将为工业园区采取技术、环保和经济合理的措施提供坚实的基础，以此来提高集中式污水处理厂的处理效果。
在这个背景下，这个研究旨在揭示这些中国工业园区内的在用集中式污水处理厂的特征。这项研究揭示了217个国家级工业园区内在用的集中式污水处理厂的特征，比如他们的最好年份、处理水量、运营成本、能耗、污染物去除效率、处理过程、实施的排放标准、污泥处理和处置以及水的再产。然后确定了污水处理效果改进的主要措施，最后是减少污染物排放的关键措施，其目的是提高集中式污水处理厂的处理效果。
论文的结构如下。第2节叙述了研究材料和方法。第3节对中国国家级工业园区内集中式污水处理厂的发展做出了全面的分析，这些发展可以追溯到20世纪80年代的集中式污水处理厂的初步建立，并从各个角度来分析集中式污水处理厂的技术特征和污染物排放情况。第4节提出了几项提高集中式污水处理厂处理效果的关键措施。第5节总结了本研究的学术相关性和政策含义。
2 材料和方法
图1展示了研究框架，包括对研究目标的定义、数据收集、国家级工业园区内正在使用的集中式污水处理厂的名单、集中式污水处理厂的特征和提高集中式污水处理厂处理效果的关键措施。下面是每个部分的详细讨论。
图1.研究框架示意图
2.1 定义研究目标
采用自下而上的数据收集方法。数据来源包括但不限于：(1)来自中国国家统计局（NBS）的统计数据，(2)中国环境统计年鉴和中国环境统计年度报告，(3)中国商务部（CNMC）网站，(4)每个国家级工业园区的官方网站，以及(5)对某些国家级工业园区进行的现场访问。
从217个国家级工业园区收集的数据包括：
(1)关于国家级工业园区的基本信息，例如其地理位置、国家级工业园区建立的年份、经济产出、支柱产业、能源和淡水消耗以及土地使用情况；
(2)国家级工业园区中正在使用的集中式污水处理厂的信息，例如他们的纬度和经度、排放标准、废水处理技术、设计规模和实际处理水量、投资成本、运营成本、能耗、污泥处理和处置、水的再产和排放地点；
(3)污染物去除情况，例如17类污染物的年平均值进水浓度/出水浓度和去除效率。 此外，进一步研究了不同园区内集中式污水处理厂的6种污染物来比较其处理效果。
2.2 国家级工业园区内集中式污水处理厂的发展
这里列出了217个国家级工业园区内正在使用的集中式污水处理厂的详细名单。 一些国家级工业园区内设有集中式污水处理厂，但另外一些国家级工业园区则没有集中式污水处理厂。 因此，可以确定国家级工业园区中集中式污水处理厂的建设情况。 然后就可以得到关于集中式污水处理厂的详细信息，比如数量、地理位置、每个设施的建设年份、它们的处理水量、投资成本、运营成本和能耗情况。地理信息系统（GIS）技术用于提供详细的名单信息。
2.3 国家级工业园区内集中式污水处理厂的特征
从多个角度分析217个国家级工业园区中正在使用的集中式污水处理厂的特征，例如分类、地理坐标、负荷率、排放标准、出水排放地点、处理水量、处理技术、资本投资、运营成本、能耗、污染物去除、污泥处理和处置以及水的再产。其中一些关键指标的计算方法列于SI的表S1。集中式污水处理厂出水排放地点分为七类，也列出在表S1中。
(1)集中式污水处理厂的规模和水量负荷率
考虑到设计规模很大程度上影响一个集中式污水处理厂的总投资、能耗、运营成本、包括总投资、年运营成本和每吨废水的年能耗等的参数，其详细分析如下。
水量负荷率是年实际水量与理论水量的商：
（2）污染物去除效率评估
集中式污水处理厂的进水和出水污染物浓度用于评估17种污染物的去除效率及其年排放量。 在这项研究中，平均浓度和实际运行天数用于计算污染物去除量，排放量和去除率：
2.4 提高国家级工业园区内集中式污水处理厂处理效果的关键措施
仅仅通过不断升级排放标准不足以缓解工业园区对水环境的影响。通过对工业园区生命周期和政策趋势的思考，本文提出了进一步提高国家级工业园区内集中式污水处理厂处理效果的几项措施，包括加强监督、改进处理技术以及开发物质回收利用和再产水技术。
3 结果与讨论
这一节全面讨论了国家级工业园区内集中式污水处理厂的现状和特点
3.1 国家级工业园区中集中式污水处理厂发展的特点
3.1.1 国家级工业园区内集中式污水处理厂的建设和运营概况
在这217个国家级工业园区中，156个(71.2%)在其园区范围内建立了集中式污水处理厂，共有347个集中式污水处理厂。集中式污水处理厂的地理位置如图2所示，表明集中式污水处理厂的地理分布与中国不同地区的工业发展状况密切相关。沿海省份的集中式污水处理厂密度高于其他地区，特别是长三角地区和渤海湾地区，这些地区发展良好，第二产业对当地经济做出的贡献功不可没。
2016年，347 个集中式污水处理厂设计总规模为1660万吨/天，相当于61亿吨/年。污水处理厂实际处理水量超过44亿吨/年，其中29.2%为工业废水，70.8%为城市污水。集中式污水处理厂的平均利用率为73.4%。156个国家级工业园区内的集中式污水处理厂数量从1个到18个不等，单个污水处理厂的设计规模从200吨/天到80万吨/天不等，2016年，集中式污水处理厂的实际处理水量从10010吨/年到23280万吨/年不等。这些污水处理厂的平均规模和处理水量分别为47926吨/天和1280万吨/年。
图2.中国集中式污水处理厂的地理分布与长江三角洲地区的详细分布
2016年集中式污水处理厂累计建设投资442亿元，总运营成本55亿元。每座集中式污水处理厂的总投资在60万元到26亿元之间，平均投资为1.274亿元，这与其设计规模密切相关。每吨废水的资本投资也不尽相同，从139元/吨到35047元/吨不等，平均投资3192元/吨，考虑到运营成本与实际处理水量密切相关，2016年集中式污水处理厂的总运营成本从1万元到6.701亿元不等，平均运营成本1580万元，处理1吨废水的成本从0.23元/吨到62.0元/吨不等，平均成本为2.0元/吨。
能耗是评价污水处理厂运行效果的重要指标，2016年，347个污水处理厂的总能耗为17亿千瓦时/年。2016年单个集中式污水处理厂的总能耗在0.5万千瓦时至1.671亿千瓦时之间，平均为480万千瓦时，处理1吨废水的运行能耗在0.02千瓦时/年至9.8千瓦时/年之间，平均为0.5千瓦时/年。
上述集中式污水处理厂的所有参数都与其类型和地理位置密切相关。例如，中国东部地区的集中式污水处理厂最多，其总设计规模、实际处理水量、投资、总运营成本和总能耗也最大，因为中国东部地区的国家级工业园区比中国中西部地区多得多。西部地区集中式污水处理厂的单位投资最高，约为3801元/吨，东部和中部地区的单位投资分别为3243元/吨和2216元/吨。造成这些差异的原因是中国西部地区地形复杂，需要花费更多土建工程费用。西部地区的集中式污水处理厂处理每吨污水的成本和能耗最高，分别为2.8元/吨和0.6 千瓦时/吨。
城市污水处理厂（MWWTPs）、工业废水处理厂（IWWTPs）和污水处理基础设施（WWTF）的单位投资分别为2889元/吨、4194元/吨和3795元/吨。 因此，工业废水由于其复杂的组成和处理工艺，处理费用更高。处理1吨工业废水的能耗和运行成本也远远高于其它两类废水，分别为4.4元/吨和0.8千瓦时/吨，大约为其它两类废水的两倍（2.0元/吨和0.5千瓦时/吨）。这种差异主要是由工业废水处理的高剂量化学剂和高用电需求所致。
3.1.2 国家级工业园区与其中集中式污水处理厂的建立时间间隔
在一定程度上，集中式污水处理厂的发展可以为中国工业园区的环境保护提供指导。如图3所示，1983年，中国首次建设了2个国家级工业园区。在接下来的30年里，国家级工业园区的年增长率一直在波动。国家级工业园区的建设高峰发生在1992年，最
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