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城市水生态环境状况体现在水环境质量、水资源和水生态的各个方面，且“三水”是相辅相成、密不可分的整体[1]。水环境质量的提升和水资源的有效供给可为水生态平衡提供基础。城市水体水质的污染使水生态环境超出水体自净能力，从而引起水体富营养化或形成黑臭水体。水资源供给结构的变化 (如生产生活用水抢占生态用水等) 会导致生态功能的退化。充足的水量和良好的水动力条件可以促进污染物的迁移和降解，从而改善水环境质量、为水生生物提供良好的生境[2]。随着城镇人口的快速增长，工业用水量急剧上升，排放了大量污废水，使得城市出现水资源量不足，呈现水质型和水量型缺水问题，进而影响到水环境质量，使得“三水”出现短板，最终会削弱城市水生态系统对经济社会可持续发展的支撑作用[3]。
“十三五”以来，我国南部地区城市水生态环境有所改善，然而城市生活源、工业源和面源污染负荷仍面临巨大压力。这期间，珠江流域部分城市仍存在水环境质量不能稳定达标、局部河段污染严重、水资源利用率不高和水生态恶化等问题[4]。其中，珠三角城市水体普遍被污染，呈现出新增的国家监控的水体水质监测断面不能稳定达标、部分月份出现劣Ⅴ类水质、污染类型多样、流域内重金属污染风险压力较大[5]、水质型缺水问题突出、水资源开发利用过度及河流碎片化严重[6]等问题。闽江流域福建段城市水环境污染问题同样突出，部分城市水体富营养化、生物多样性受到威胁[7]。武鸣河南宁城区段存在水环境质量不稳定、水资源分布不均、水旱灾害交替频发等问题[8]。桂江桂林城区段枯水期水量较少，城区内多条水体不连通、流动性差，河汊出现富营养化现象[9]。海南省南渡江流域内城市水体污染问题日益严重，出现部分河段水质出现氮磷营养盐等指标超标、局部区域水源涵养能力下降、水资源短缺与浪费及生态环境遭到破坏[10]等问题；海口市中心城区仍有部分河流、排水渠及湖库水质恶劣，部分存在黑臭现象[11]。
本研究以区域内47个城市为研究对象，从水环境质量、水资源、水生态3个方面解析城市水生态环境问题及成因，并以深圳市为例，系统提出近中远期3个阶段的整治目标，并采用系统动力学的方法进行优化模拟，最后给出相应的整治对策和路线图，从而为该地区城市水生态环境综合整治提供参考。
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我国南部地区包括福建省、广东省、广西壮族自治区、海南省、台湾省、香港和澳门特别行政区。由于本研究以城市为研究对象，且不涉及台湾省、香港和澳门特别行政区，以及海南省的三沙市，因此，本研究对象为该地区内47个地级市。
这47个地级市主要处于珠江流域和闽江流域。珠江流域由西江、北江、东江及珠江三角洲诸河组成。西江作为主干流，全长约1 975 km，是珠江水系中最长的河流。西江的集水面积占珠江流域的75%，其干流河段自上而下为南盘江、红水河、黔江、浔江和西江。北江是珠江流域第二大水系，在广东省境内的干流全长为458 km，集水面积为42 930 km2，占珠江流域总面积的10.3%。东江在广东省境内河段长约为382 km。西江、北江和东江汇集后流入珠三角。闽江流域90%以上在福建省内，全长577 km，流域面积60 992 km2，占全省陆域面积的48.87%。
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研究区域内城市省控及以上断面水质和优Ⅲ比例等数据从各省市《生态环境状况公报》获取，时间跨度为2016—2020年。城镇人口数量、污废水排放量、管网密度、污水处理厂运行负荷率、再生水利用率等数据来自《2020年城市建设统计年鉴》。各省市工业产值、工业废水排放量等从《2019年中国城市统计年鉴》获取。水资源总量、人均水资源量、水资源开发利用程度、人均日生活用水量、万元工业增加值用水量等来自2019年各省市的《水资源公报》。文中提到的国控断面均为国家监控的水体水质监测断面 (以下简称“国控”) ，省控断面为省级监控的水体水质监测断面 (以下简称“省控”) ，省控及以上断面包括国控和省控断面。
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研究区域内共有省控及以上断面500余个。2016—2020年，区域内城市水环境质量逐年向好：优Ⅲ水质断面数量占比从89.2%增长到92% (见图1) ；劣Ⅴ类断面数量占比从3.28%下降至0.58%。然而，城市内水体生态环境质量问题较多，城市河道中生活、生产垃圾随处可见，水质情况明显低于国控和省控断面水质。有研究表明[12]，南部地区城市水环境主要污染因子为氨氮和总磷；2018年，研究区域内城市生活污水中氨氮和总磷年排污量分别达420 474.9 t和42 047.5 t，排放量巨大。其中，珠江三角洲城市群污染最为集中，合计排污量占该地区城市总体排污量的29.39%[12]。广州市水体优Ⅲ断面比例仅为76.9%，城市内下游断面水质明显低于上游断面[13]。潮州市水体优Ⅲ断面比例仅为83.3%，市区内枫江深坑断面水质仍属于劣Ⅴ类[14]。南宁市内河八尺江、四塘江水质为Ⅳ类，良庆河和西明江水质为Ⅴ类[15]。湛江市水体优Ⅲ断面比例仅为76.9%[16]。海口市水体水质优Ⅲ断面比例也只有83.7%[17]。上述城市水质优Ⅲ断面比例均低于区域省控及以上断面优Ⅲ比例。基于以上数据，从生活源、工业源和城市面源3方面进行问题解析，梳理如下6个方面的主要问题。
1) 城市人口密集，污废水排放量大。南部城市排放的居民生活污水是城市主要点源污染。该地区城镇化水平高、人口密集。2016—2020年，地区城镇人口从12 922万人增至14 290万人，人口密度高达366.5人·km−2，同时污水排放量也从98.13×108 m3增至116.47×108 m3。图2表明，人口基数大的城市污废水排放量也高，而该地区城市人口分布悬殊，人口超过200万的城市有7个。不仅如此，广东、福建两省城镇化率也远远高于广西和海南，尤其是珠三角城市群的城镇化率已经和发达国家持平，相应的污水排放量也远高于其他城市，像广州、深圳和东莞等市已超过10×108 m3 a−1。城市人口和污水排放量的过高过快增长会给城市排水及污水处理系统带来极大的压力。
2) 部分城市排水管网建设滞后。城市排水管网设计标准低、污水收集管网短板较突出。区域城市排水管网平均建设密度11.27 km·km−2，与全国平均管网密度 (11.11 km·km−2) 持平。图3表明，该地区城市排水管网建设不均衡，在47个城市中有22个未达到全国平均水平，管网老旧破损和混接错接广泛存在，尤其是城中村、老旧城区、城乡结合部等地区存在排水管网建设空白区，污水不能全收集，未收集的污水直接进入城市水体。2020年粤西地区城市污水收集率仅52.5%，粤东、粤北城市污水收集率更低，分别只有34.5%、32.5%。另外，区域内城市还存在合流制溢流污染、污染物消减效能不高等问题，其中，以韶关、汕头、湛江、茂名、揭阳、柳州和梧州市等为代表的一些城市老城区，合流制管道占比均在50%以上，雨污分流改造压力大，且管网老化破损严重，难以负担越来越大的污水排放量，以至于在降雨期受纳水体接收大量的合流制污水。
3) 部分城市污水处理厂运行负荷率过低。2020年南部地区污水处理厂平均运行负荷率为79.48%，略高于全国平均水平 (77.81%) 。由于区域内城市发展不平衡，部分城市污水处理厂存在运行负荷率过低的问题。图4表明，47个城市中有21个城市未达到全国平均水平，特别是宁德、三明、梅州和崇左市的污水处理厂，未满足运行负荷率不低于60%的要求。部分污水处理厂运行负荷率低说明该城市的污水管网与污水处理厂建设不配套，使污水不能全部收集。另一方面，污水厂设计规模与实际情况不符，污水处理厂在建设规划时会考虑未来几年城市人口数量，设计规模常会超过实际处理污水量，造成“大马拉小车”的现象，从而使污水处理厂处理效能差，出水水质难以稳定达标。
4) 工业发达且主要集中在珠江三角洲城市群。2020年南部地区工业产值超七千亿元，约占全国工业总产值的19%，工业发达，废水排放量也较大。部分城市的工业废水年排放量及主要工业类型如图5所示。该地区的工业企业主要分布在沿海城市，工业园区密集，产业结构复杂，主要以电子、汽车制造、化工和有色金属等重污染行业为主。因此，工业废水中含有大量重金属和有毒有害物质。此外，部分工业园区选址不当、入园要求低、园区内污水处理设施建设滞后，污染防治水平差。例如，珠海市随着对岸线的不断开发，特别是化工、造船、电子等产业带动沿海聚集区的开发建设，还有一些小加工厂、废品收购站、洗车场等存在偷排现象，使好氧有机污染物、营养污染物和重金属形成的有毒有害复合污染类型逐渐成为珠三角城市群水体污染的新特征，威胁区域城市水环境质量[19]。
5) 季节性面源污染严重。图6为2019年地区平均月降雨量与优Ⅲ水质断面占比。该地区年均降雨量高达1 812.95 mm，约为全国年均降雨量的2倍，降雨主要集中在每年的4—9月，并在6月达到峰值。在降雨初期 (1—4月份) 随着雨量的不断增大，优Ⅲ类水质断面数量占比下降，这与区域内城市土地利用强度大，不透水路面比例较高，排水体系不完善，存在错接混接和管道沉积等问题有关，降雨径流将沉积在地表和排水管道中的沉积物冲入受纳水体，使得初期降雨携带的污染物浓度很高；夏季降雨丰沛时 (5—8月份) ，优Ⅲ水质断面占比上下浮动，没有明显变化；在9—10月份，降雨明显减少，但优Ⅲ比例并没有升高，主要是地区种植的甘蔗、茶树和水果等在这一时期成熟，制糖、制茶和罐头等行业大量生产加工，由此产生了大量季节性生产废水，以广州、东莞、汕头、揭阳和莆田等为代表的一些城市，其水体污染存在显著的季节性污染特征；冬季时 (11—12月份) 降雨较少，优Ⅲ类水质断面占比有了明显的提高，说明降水径流导致的面源污染不容忽视。以深圳市的深圳河为例，以降雨量>5 mm的天数 (共65 d) 来统计深圳河流域降雨期间的污染负荷，其中COD、氨氮、总氮和总磷的入河总量为16 630、961、1 978和262 t，分别占全年入河负荷的54.6%、48.4%、38.7%和55.4%，降雨径流污染是深圳河的主要污染来源之一[20]。
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南部地区水资源较为丰富，2019年地区水资源总量约为5 474·108 m3，占全国水资源总量的18.85%，但各城市水资源分布严重不均。其中，部分城市水资源总量均超过200·108 m3，而厦门、莆田、深圳、珠海、汕头、东莞和中山等市水资源总量仅为20·108 m3左右，加之部分城市水环境质量差，特别是珠江三角洲城市群，出现水质型和水量型缺水并存的问题。造成地区城市水资源紧张的既有天然因素，也有人为因素。
1) 人均水资源量分配不均。2019年地区城市人均水资源量为3 494.4 m3，远高于全国人均水资源量 (2 077.7 m3) ，但是城市间水资源分配严重不均。图7是各城市人均水资源量、水资源开发利用程度及水资源总量的情况，其中龙岩、三明、南平和河池市人均水资源量已超过8 000 m3，而区域内47个城市中还有23个城市未达到全国平均水平；有10个城市人均水资源量低于1 000 m3，属于重度缺水城市；厦门、深圳、东莞、汕头和佛山等市人均水资源量甚至还不足500 m3，处于极度缺水状态，且水资源开发利用程度高达60%以上，远远高于全国平均值 (20.73%)。
2) 城市水资源浪费严重。区域内城市存在不同程度的水资源浪费现象。图8 (a) 列出了区域内人均日生活用水量高于用水定额的城市，即在47个城市中有24个城市居民生活用水量超过了用水定额，且主要集中在珠三角地区和广西的城市中，特别是广西南宁、桂林、梧州和北海市人均日生活用水量达到了350 L以上，远远超过了全国平均水平 (179.97 L) 。区域内有23个城市万元工业增加值用水量高于全国平均值 (38.4 m3) ，见图8 (b) 。广西多数城市万元工业用水量已超过80 m3，这与当地冶金、有色金属、石化和钢材等重工业发达有关，长期形成了工业企业高耗水的传统用水方式。
3) 部分城市再生水利用率不高。2020年全国平均再生水利用率为24.29%，福建、广西和海南城市整体水平都未达到全国平均值。从图9部分城市再生水利用情况来看，城市间差异明显。还有部分城市再生水利用率不足10%。缺水严重的城市应提高再生水利用率，缓解水资源不足的问题。
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南部地区城市水生态系统破坏严重，存在河湖富营养化、水域面积萎缩、河湖岸线乱占滥用、水生生物群落结构改变、生物多样性减少等诸多问题。例如，西江流域肇庆段水体浑浊，氮、磷等营养元素超标，出现不同程度富营养化[21]；桂林城区段河汊存在富营养化问题，漓江鱼类数量减少了47.1%，大型经济鱼类种类数量明显减少[22]；珠海市内水体湿地面积减少，港口湾内生境退化，存在污染富集等生态风险。造成区域内城市河流和湖泊水生态不佳的主要原因有4点。
1) 水质污染给水生态带来危害。南方河流以生活污水、工业废水、初期雨水污染为主。随着城市化和工业化的发展，生活污水和工业废水排放量剧增，大量污水直排入河，对城市水环境造成极大负荷，超出水体自净能力，使生态系统遭到破坏。此外，生活污水和工业废水中含有的大量氮和磷直排入河也会引起水体富营养化。
2) 工程的修建忽略了水生态平衡。南方城市降雨量丰富、汛期多，为了防洪排涝，对河道进行截弯取直加固河岸、修筑堤坝等，破坏了河流的连续性，阻断了生态系统的物质循环。另外，人类活动的干扰使湿地面积萎缩，城市河湖岸带和生态用水被挤占，河流自净能力和自我调节能力严重受损。例如，福州市城区光明港水系由于内河沿岸用地紧张，截污难度大，水系水动力差，常年水质污染严重，使内河水体丧失自净能力，从而引发水体富营养问题[23]。
3) 水产养殖业发达。南方水系发达，河流众多且温度适宜，有利于水产养殖业的发展。在养殖过程中常出现过量投喂饲料和水产品日常代谢产物沉入水底，水中有机物随着时间推移不断增多，水中溶解氧大量消耗，导致水中生物死亡，水体出现黑臭。同时，为了防治病害，促进养殖生物生长，会向水体投加化学农药、添加剂、抗生素等，氮磷元素不断累积导致水体富营养化。
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在对区域城市水生态环境现状及问题解析的基础上，以深圳市为例，利用系统动力学构建城市水生态环境系统模型。根据相关规划文件确定深圳市水环境指标的目标值，并以此为依据设置多种策略方案，利用模型模拟预测值来反映城市水生态环境状况的相关指标在未来近、中、远期各阶段的发展趋势，进而实现目标的优化。
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广东省在《广东省碧水保卫战五年行动计划 (2021—2025年) 》明确：到2025年，国家考核断面水质优良 (达到或优于Ⅲ类) 比例力争达到90.5%，劣Ⅴ类水体比例为0%，县级城市建成区基本消除黑臭水体。《深圳市污水系统布局规划修编环境影响评价》指出到2030年污水集中处理率达到95%以上，深圳市污水集中处理率已经达到98%，因此在保持现状的基础上进行小幅度提升。《深圳市海绵城市建设管理暂行办法》指出，到2025年城市建成区60%以上的面积达到海绵城市建设目标要求，到2030年80%以上达到目标要求。《深圳市水务发展“十四五”规划》中指出，到2025年再生水利用率达到80%以上，供水管网漏损率下降到7%。“十四五”节水型社会建设规划中主要目标为2025年万元工业增加值用水量较2020年下降率为16%，深圳市2020年万元工业增加值为4.9 m3，到2025年降低为4.1 m3。具体指标及目标值如表1 所示。
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根据国家和地方规划文件确定出整体目标体系后，针对上述目标要求和达标时限，采用系统动力学的方法进行模拟优化，通过设计方案对策，分析目标的可达性。其中水体水质目标利用水质Ⅲ类及以上水体和劣Ⅴ类水体的比例推算排入水环境的COD、氨氮和TP，根据未来水质目标得到污染物减排比例，利用优化模型中排入水环境COD、氨氮和TP来分析水体水质目标的可达性。
1) 模型假设。假设深圳市流经城市建成区的地表水总量为Q，2020年水质为Ⅲ类及以上的水体占83.3%，无劣Ⅴ类水体，剩下的16.7%水体为Ⅳ类/Ⅴ类。由于城市内水体水质Ⅱ类及以上占比较小，大多为Ⅲ类水体，因此Ⅲ类及以上水体COD取20 mg·L−1，氨氮取1.0 mg·L−1，TP取0.2 mg·L−1，Ⅳ类/Ⅴ类浓度值取Ⅳ类、Ⅴ类水体平均值，即Ⅳ类水体标准下限值，COD取30 mg·L−1，氨氮取1.5 mg·L−1，TP取0.3 mg·L−1。经计算得深圳市2020年现状城市水体内接纳污染物为COD21.67Q，氨氮1.084Q，TP0.2167Q；按照目标设定，2025年入深圳市城市水体内COD、氨氮和TP分别为21Q、1.05Q和0.21Q，均应较2020年现状削减3.19%、3.24%和3.19%；同理计算得2030年入深圳市城市水体内COD、氨氮和TP分别为20.26Q、Q和0.2Q，应分别再削减3.52%、4.76%和4.76%；2035年入深圳市城市水体内COD、氨氮和TP分别为19.25Q、0.925Q和0.185Q，应分别再削减4.99%、7.5%和7.5%。城市水生态环境系统动力学流程图如图10所示。
模型中再生水利用率、建成区海绵城市建设占比和万元工业产值用水量与目标体系相对应，并利用模型中总用水量分析城市未来水资源状况；水生态目标难以在模型中进行量化，依托水环境质量和水资源状况进行分析。后续考虑区域城市特点确定区域未来城市水体综合整治过程的重点方向，通过不同的措施及技术实现人均日生活用水量、万元工业产值用水量、城市污水集中处理率、再生水利用率、管网漏损率、海绵措施占比的阶段性提升，进而达到城市水生态环境的治理目标。
2) 模型检验。本模型历史检验时间段为2010—2019年，由于模型参数较多，因此选取城镇人口、地区总GDP和工业总产值作为检验变量。模型状态变量初值选取2010年数据。深圳市历史值检验结果如表2 所示。结果表明，所构建的深圳市城市水环境系统动力学模型对城镇人口、地区GDP和工业总产值的模拟值与历史值相对误差均小于10%，可认为该模型能够较好地模拟所要研究的城市水环境系统。
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模型选用人均日生活用水量、再生水利用率、万元工业增加值用水量、管网漏损率、污水集中处理率和建成区海绵城市建设占比为系统调控参数，根据水环境目标设置近期、中期、远期3个阶段，并基于各阶段初始值设计不同发展方案，即对调控参数赋值时采用不同的策略。
1) 近期阶段 (2020—2025年) 。近期阶段通过对6种参数值调控形成7种不同的方案，各指标具体数值如表3 所示。
将上述方案参数设置值输入模型，即方案1输入 (2025，270) ， (2025，0.7) ， (2025，4.9) ， (2025，0.0817) ， (2025，0.98) ， (2025，0.3) 利用计算机模型进行模拟；方案2输入 (2025，260) ， (2025，0.75) ， (2025，4.9) ， (2025，0.0817) ， (2025，0.98) ， (2025，0.5) 利用计算机模型进行模拟；方案3~方案7用同样的方法输入计算机模拟，7种方案下排入水环境的COD、氨氮、TP和总用水量的模拟结果如图11所示。
方案1不采取任何改进措施的情况下入水环境污染负荷和总用水量一直增加，且增加的速度最快。方案2将人均日生活用水量降低到260 L，再生水利用率提高到75%，海绵城市建设占比提高到50%，到2025年只有COD可满足目标要求；方案3调控了人均日生活用水量、万元工业增加值用水量和海绵城市建设占比，并不能达到要求，通过方案2和方案3的对比看出，再生水利用率的提高比万元工业增加值的下降对污染负荷削减更大；方案4调控了人均日生活用水量、管网漏损率和海绵城市建设占比，依旧不能满足2025年的目标要求，从方案3和4可看出降低管网漏损率对污染物负荷的削减效果小于降低万元工业增加值用水量，但是对总用水量的影响更大；综合来看，只有方案7可在2025年同时满足对入水环境COD、氨氮、TP的目标要求，且总用水量的增长趋势最为平缓。因此，方案7可作为近期阶段各项指标的下限值，此时人均日生活用水量为260 L，再生水利用率提高到75%，管网漏损率降至7.5%，城市污水集中处理率增加到98.5%，海绵城市建设占比提高到50%，到2025年较方案1来说，入水环境COD、氨氮、TP和总用水量可分别削减22.95%、22.43%、23.09%和10%。
2) 中期阶段 (2025—2030年) 。在近期阶段最优方案7的基础上进行中期阶段方案的设置，各方案参数设置值如表4 所示。将中期阶段方案参数设置值输入模型进行模拟，7种方案下排入水环境的COD、氨氮、TP和总用水量的模拟结果如图12所示。
与近期阶段相似，方案1是在2025年的基础上没有采取任何改进措施，因此污染负荷量及总用水量处于持续增长状态，方案2—方案7因为采取了一系列改进策略使入水环境污染负荷都有了一定程度的削减。从模拟结果看出，到2030年同时满足入水环境COD、氨氮、TP目标要求的只有方案7，因此方案7可以作为各措施的目标下限值，此时人均日生活用水量为250 L，再生水利用率提高到78%，万元工业增加值用水量降至4.5 m3，管网漏损率降至7%，城市污水集中处理率增加到99%，海绵城市建设占比提高到60%。到2030年方案7较方案1入水环境COD、氨氮、TP及总用水量可分别削减17.55%、20.91%、22.36%和9.90%。
3) 远期阶段 (2030—2035年) 。在中期阶段最优方案7的基础上进行远期阶段方案的设置。各方案设置参数值如表5 所示。将远期阶段方案参数设置值输入模型进行模拟，7种方案下排入水环境的COD、氨氮、TP和总用水量的模拟结果见图13。
从模拟结果可以看出，与近中期一样，方案1仍然是处于持续增长的状态。方案2可满足COD的削减目标，但对氨氮和TP的削减效果并不理想；方案5和方案7可以满足COD和TP的目标要求，但却达不到氨氮的目标值，在方案5的基础上增加了对再生水利用率的提升使得氨氮满足目标。因此，方案6可以作为各措施的目标下限值，此时人均日生活用水量为240 L，再生水利用率提高到80%，万元工业增加值用水量降至4.5 m3，管网漏损率降至7%，城市污水集中处理率增加到99%，海绵城市建设占比提高到60%。到2035年较方案1的入水环境COD、氨氮、TP和总用水量可分别削减17.38%、20.43%、23.08%和6.09%。
综上所述，通过降低人均日生活用水量、提高城市污水集中处理率、提高海绵城市建设占比对排入城市水环境污染负荷的削减效果显著；提高再生水利用率、降低万元工业增加值用水量、降低管网漏损率等措施对用水量的影响较大。虽然总用水量的趋势一直处于增长，但是通过采取各项措施使总用水量的增长趋势更加平缓，因此，在后续整治对策中要加大水资源的保护。
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1) 近期阶段 (到2025年)。在生活点源方面，从污水处理厂和管网两方面进行。市政污水处理厂提质增效。上述通过提高深圳市污水集中处理率，使入水环境污染负荷明显降低，因此，针对因污水处理厂与污水收集管网不配套而导致的运行负荷率低的城市，特别是宁德、三明、梅州和崇左等，新增污水集中处理设施须同步配套建设污水收集管网，加快接管进度和管网建设，扩大纳污范围，保障污水处理设施全面、稳定运行，争取到2025年实现市政污水全处理；提高管网覆盖率，补齐污水收集管网短板。对于污水管网密度偏低的城市，特别是清远、茂名、潮州、龙岩、泉州和桂林等，加大管网设施建设力度，消除城中村、老旧城区、城乡结合部等收集管网的空白区，完善广州、深圳等人口聚集区生活污水毛细管网建设；对于以韶关、湛江、茂名、揭阳、柳州和梧州等为代表的合流制管道占比高的城市，实施混错接、漏接、老旧破损管网更新修复，推进雨污分流、清污分流等，降低合流制溢流污染，力争到2025年实现区域内城市生活污水管网全覆盖、全收集。
在水资源方面。坚持以水定城、量水发展，构建节水型城市，加快推动城镇生活污水和工业废水的资源化利用。对于人口密集、生活用水量大的城市主要推进生活节水，形成城市节水体系；解决广西城市长期形成的高耗水行业结构，提高工业用水重复率和再生水利用率，降低万元工业产值用水量。到2025年使地区城市再生水利用率达到30%以上，万元工业增加值用水量下降至32 m3以下。在水生态修复上。近期阶段针对区域部分城市存在黑臭水体及水体富营养化等问题，进行控源截污，内源清淤，初步改善水体水质，阻断水生态污染源，避免持续恶化等。
2) 中期阶段 (到2030年) 。中期阶段的任务是在持续推进控源减排的基础上，强化水资源合理利用，完成节水型城市的建设，形成完整的城市节水体系，并且进行水体生态修复。
在水环境质量方面，从生活点源、工业点源和城市面源等方面继续整治完善，巩固近期阶段水环境质量的治理成效，到2030年使区域城市水质断面优Ⅲ比例达到95%以上，全面消除城市建成区劣Ⅴ类及黑臭水体，海绵城市占比达到60%；在水生态方面进行生态治理和修复，结合河道整治工程，恢复河流自然属性；加强河湖缓冲带的建设，改造河岸的植物生态环境，在水质改善的基础上综合提高水体自净能力，到2030年水生生物完整性达到“良好”的水平。
在水资源方面，坚持以水定城，量水发展，对于地区内水量型缺水严重的城市，如厦门、汕头、佛山和东莞等，应根据其水资源量，协调城市经济发展，制定水资源优化配置方案，完善水量分配和用水调度制度，推进火电、石化、钢铁、有色、造纸、印染等高耗水和高污染项目的技改或有序退出，从整体上优化区域工业产业结构；对于地区内水质型缺水严重的城市，如珠江三角洲城市群，注重水资源的合理利用，加大执行用水总量控制和污染物总量排放约束控制，实现城市水资源消耗总量和强度双控，从而改善水环境质量。形成完整的节水型城市，主要从生活、工业、市政节水和再生水回用来进行，对珠三角和南宁、桂林、柳州等生活用水量高的城市着重推广节水器具的应用；对三明、南平、南宁、贵港等高耗水行业发达的城市，推行强制性节水，完善构筑节水技术推广服务体系，推动工业高效冷却与循环利用；对龙岩、厦门、汕头、肇庆、湛江等再生水利用率不高的城市，加大建设再生水利用设施。到2030年使再生水利用率达到40%以上，万元工业产值用水量下降至26 m3以下。
3) 远期阶段 (到2035年) 。远期阶段的重点任务是在近期和中期水环境质量稳中有升，形成完整节水型城市的基础上进行水生态恢复，使水生态系统得到全面提升。到2035年南部地区城市水质断面优Ⅲ比例达到98%以上，城市建成区劣Ⅴ类及黑臭水体彻底消除，且不再返黑臭，建成区海绵城市占比达到70%；再生水利用率达到50%以上，万元工业产值用水量下降至23 m3以下。
水生态方面，在前两个阶段控源截污、河湖缓冲带的基础上进行生态恢复，即进一步恢复河道生物种群，增加水生植物种类，提高水生生物多样性，恢复河道生态系统的物质循环与能量流动，实现水生态的动态平衡与自我修复。到2035年，水生生物完整性达到“优秀”水平。
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1) 南部地区城市内仍然存在Ⅴ类及劣Ⅴ类水体，水质断面不能稳定达标；地区城市间水资源量分布不均，有水量型和水质型缺水并存的问题；城市河湖富营养化严重、水生态系统遭到破坏。
2) 解析影响该地区城市水生态环境的主要因素有：区域内城镇人口密集，生活污水排放量大，城市间发展不平衡导致管网密度差异大以及部分城市管网建设滞后，污水处理厂运行负荷率普遍较低，重污染企业密集、航运发达，降雨径流带来的面源污染大；部分城市人均水资源量不足且开发利用程度大、水资源浪费严重；城市化进程和人类活动干扰使河湖岸带被挤占等。
3) 区域城市水生态环境目标的提出以深圳市为例，结合国家及地方相关规划制定出城市目标体系，采用系统动力学模型进行优化模拟，分析不同策略下目标的可达性，为后续水环境整治对策的提出提供方法策略。
4) 为提升该地区城市水生态环境质量，分阶段提出综合整治对策：即近期阶段重点进行控源减排，提高污水收集管网覆盖率、污水处理厂提质增效，加快工业企业入园、全面进行清洁生产、加强船舶污染防治，加大海绵城市的建设力度，构建节水型城市并进行生态修复；中期阶段在减排的基础上，形成完整的节水型城市体系，持续推进生态修复；远期阶段在减排和节水的基础上进行水生态恢复，使城市水生态系统得到全面提升。
我国南部地区城市水生态环境问题解析及综合整治对策：以深圳市为例
Analysis of urban water ecological environment problems and comprehensive improvement measures in southern China: With Shenzhen as an example
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摘要: 从水环境质量、水资源和水生态 (“三水”) 的角度对我国南部地区城市水生态环境进行了现状调研与问题解析，结果表明：该区域内城市普遍存在管网建设滞后的问题，近五成的城市排水管网密度低于全国平均水平；40%的城市污水处理厂运行负荷落后于全国平均水平；工业污染源以电子、汽车制造、化工和有色金属等重污染行业为主；区域内城市季节性面源污染严重；四分之一的城市属于重度缺水，水量型与水质型缺水并存以及水生态功能脆弱等。结合国家和城市相关规划要求，以深圳市为例构建水环境目标，并采用系统动力学模型对其水环境进行了模拟预测，分析了不同方案策略下目标的可达性。以此得出具体的分阶段治理措施：近期阶段 (到2025年) 重点进行控源减排、加大管网建设力度、污水处理厂提质增效、重污染企业产业升级和清洁生产、加强海绵城市的建设、构建节水型城市，并进行水生态的治理；中期阶段 (到2030年) 在控源减排的基础上重点进行水资源合理利用、建成完整的节水型城市体系、修复水生态系统；远期阶段 (到2035年) 重点进行水生态恢复，通过增加生物多样性等措施提高城市水生态系统功能。本研究可为南部地区同类城市解决水生态环境问题提供参考。Abstract: From the perspective of water environmental quality, water resources and water ecology (" three water "), the current situation of urban water ecological environment in the southern region of China was investigated and analyzed. The results showed thatthe lag of pipe network construction was common in cities in the region, and the density of drainage pipe network in nearly 50% of cities was lower than the national average level. The operating load of 40% of municipal wastewater treatment plants lags behind the national average level. The industrial pollution sources were mainly heavy polluting industries such as electronics, automobile manufacturing, chemical industry and non-ferrous metals. Urban seasonal non-point source pollution was serious in the region. One fourth of the cities were suffering from severe water shortage, water shortage coexists with water shortage and water ecological function was fragile. Based on the relevant national and urban planning requirements, in this paper Shenzhen was taken as an example to establish the effluent environment target, the system dynamics model was used to simulate and predict its water environment, and the accessibility of the target was analyzed under different schemes and strategies. Some government measures in specific phase were proposed in the paper, in the near future (to 2025), it was suggested to focus on source control and emission reduction, increasing the construction of pipe network, improving the quality and efficiency of sewage treatment plants, upgrading the industry of heavily polluting enterprises and clean production, strengthening the construction of sponge cities, building water-saving cities, and carrying out water ecological governance. In the mid-term stage (to 2030), on the basis of source control and emission reduction, it was suggested to focus on rational use of water resources, building a complete water-saving urban system, and repairing the water ecosystem. In the long-term stage (to 2035), it was suggested to focus on water ecological restoration and improvement of the function of urban water ecosystems through measures such as increasing biodiversity. This study can provide reference for similar cities in southern China to solve the water ecological environment problems.
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我国污水处理厂普遍存在碳源不足的情况，常通过外加碳源 (甲醇、乙酸、葡萄糖等) 来解决此类问题[1]。此类处理方式有可能会带来剩余污泥产量的增加，亦会提高运行费用。通过采用污泥破解技术，可以释放污泥中的大量有机物，既可以制备高含碳上清液，将其回用到处理工艺中，解决系统碳源不足问题[2]，又能够实现剩余污泥部分减量[3]，以降低污水处理厂运行成本。
污泥破解的主要方法有微波[4]、珠磨[5]、超声波[6]等机械方法与热处理[7-8]，碱解法[9]与氧化法等[10]。其中，超声-碱联合方法具有一定优势，超声波能短时间内促进细胞有机物的释放，碱解能促进有机物的水解[11]，二者协同效果要优于单独使用。郝赟等[11]发现，当pH为11和12时，污泥破解率分别为1.5%和5.2%；与0.05 W·mL−1超声波联合作用30min后，可分别提升至7.3%和15.8%。刘昌等[12]经过碱/超声联合处理 (pH=12、2 W·mL−1，超声作用30 min后静置20 h) 后，SCOD增加了221%，总磷析出率可达2.53%。还有研究发现，通过0.5、1.0和1.5 W·mL−1超声与 0.05 mol NaOH处理，作用10 min时，SCOD破解率增加至22.7%、38.8%和41.2%[13-14]。BAO等[15]的研究中，超声-碱 (pH=10，超声频率为 (24+48) kHz，声能密度0.5 kW·mL−1) 处理10 min，SCOD从498 mg·L−1增加到6 872 mg·L−1，增加了13.8 倍。因此，超声-碱破解剩余污泥处理可释放内源碳，作为污水处理系统脱氮除磷的碳源，同时这种技术减少了剩余污泥量[2]。
然而，现有研究重点考虑了污泥中SCOD的释放，未注意到同时释放的N、P，如果污泥中N、P释放过多，所得上清液中C/N、C/P变低，不利于用做脱氮除磷的碳源。本研究综合考虑污泥破解率、上清液N、P的变化，以期在获得高污泥破解率、高含碳上清液的同时控制上清液C/N、C/P，避免上清液中氮磷过高；采用正交试验，使用超声-碱的污泥破解方法，优化高SCOD和高C/N、C/P的所需超声-碱解条件。
1. 材料与方法
1.1 装置与材料
所用污泥取自天津市北仓污水处理厂浓缩池污泥，其性质如表1所示。主要设备包括，超声仪 (JY92-IIN，宁波新芝生物科技股份有限公司) ；台式高速离心机 (TG16-WS，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司) ；消解仪 (LH-25A，北京连华永兴科技发展有限公司) ；多参数水质分析仪 (LH-3BN，北京连华永兴科技发展有限公司) ；烘箱 (101-1B，浙江力辰仪器科技有限公司) ；马弗炉 (KSL-1100X-S，合肥科晶材料技术有限公司) ；pH计 (PHS-2F，雷磁上海仪电科学仪器有限公司)。
表 1 污泥的基本性质Table 1. Characteristics of sludgeVSS/(g·L−1) TCOD/(mg·L−1) pH SCOD/(mg·L−1) TN/(mg·L−1) TP/(mg·L−1) C/N C/P 13.54 39 146.71 6.81 2 999.67 34.96 47.03 85.81 63.78 | Show Table
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1.2 实验方法
1) 实验设计。本研究采用正交试验设计，使用低强度超声波[16-18]，选取NaOH作为碱解剂[19-21]，设计了4个关键因素 (A=声能密度 (W·mL−1)，B=pH，C=超声时间 (min)，D=碱处理时间 (h)) 开展3水平的正交实验，如表2所示。
表 2 正交试验设计表Table 2. Orthogonal tests实验编号 声能密度/ (W·mL−1) pH 超声时间/ min 碱处理 时间/h 1 1 10 15 1 2 1 11 25 1.5 3 1 12 35 2 4 1.5 10 25 2 5 1.5 11 35 1 6 1.5 12 15 1.5 7 2 10 35 1.5 8 2 11 15 2 9 2 12 25 1 注：超声模式为开2 s，停2 s，超声时间为总运行时间而不是有效运行时间。 | Show TableDownLoad:
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2) 实验操作。取100 mL污泥于烧杯中，根据设定条件 (表1) 向烧杯中投加氢氧化钠，不断搅拌使得污泥混合均匀，pH稳定后，转移到超声仪器内，超声探头淹没泥面下1 cm，超声破解 (开2 s，停2 s) 一定时间。取50 mL在10 000 r·min−1的转速下离心5 min后获取上清液。测定反应后上清液的性质 (SCOD、TN、TP) 。剩余的50 ml污泥进行VSS的测定。若不立即测样，则将污泥保存在−80 ℃的环境中，所有实验样品均在48 h内分析。各实验条件进行3组平行实验，实验结果取3组平行实验平均值。
1.3 分析项目与方法
1) 污泥破解率。超声-碱破解后的污泥破解率，如公式(1)所示。
DD=(SCOD−SCOD0)(TCOD0−SCOD0)×100% (1) 式中：SCOD，SCOD0为处理过和未处理的溶解性COD，mg·L−1；TCOD0为污泥中的总COD，mg·L−1。
2) 超声波功率。耗散到液体中的超声功率使用量热法[22-23]计算，比热量功率如公式(2)所示。
P=(dTdt)×C×m (2) 式中：P是量热法确定的功率，W·mL−1；dT/dt是每秒升温， ℃·s−1；C是水在25 ℃时的比热容，4.2×103 J·(kg·K)-1；m是水的质量，kg。
超声波声能密度如公式(3)所示。
Ppowerdensity=PV (3) 式中：Ppower density是超声波声能密度，W·mL−1；V是处理污泥体积，mL。
3) 参照《水和废水监测分析方法》 (第4版) [24]中相关检测方法：TCOD、SCOD采用重铬酸钾法；TP采用钼酸铵分光光度法；TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；VSS、TS采用重量法测定。
2. 结果与讨论
2.1 污泥破解率
pH<10时，可溶性有机物释放较少，pH>10时，释放增加[25]。由表3可知，破解率随pH的增加而增加[26]，且pH为12时的SCOD远高于低pH条件下的SCOD，这与康晓荣等[27]的研究一致，R (极差) 越大，该因素变化对实验影响越大，各因素对其影响大小为：pH>声能密度>碱处理时间>超声处理时间。由表4的方差分析可看出，pH对破解率具有显著影响。
表 3 污泥破解率极差分析Table 3. Range analysis of sludge disintegration degree实验 编号 声能密度/ (W·mL−1) pH 超声时间/ min 碱处理 时间/h 破解率/ % 1 1 10 15 1 2.9±0.27 2 1 11 25 1.5 3.5±0.34 3 1 12 35 2 9.5±0.57 4 1.5 10 25 2 3.0±0.26 5 1.5 11 35 1 2.8±0.43 6 1.5 12 15 1.5 12.8±0.10 7 2 10 35 1.5 5.0±0.09 8 2 11 15 2 4.9±0.14 9 2 12 25 1 13.1±0.70 K1 5.3 3.633 6.867 6.267 K2 6.2 3.733 6.533 7.100 K3 7.667 11.800 5.767 5.800 R 2.367 8.16 1.100 1.300 | Show TableDownLoad:
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表 4 污泥破解率方差分析Table 4. Variance analysis of sludge disintegration degree因素 偏差平方和 自由度 F比 F临界值 显著性 声能密度/(W·mL−1) 8.562 2 4.485 19.000 — pH 131.776 2 69.029 19.000 * 超声时间/min 1.909 2 1.000 19.000 — 碱处理时间/h 2.602 2 1.363 19.000 — 误差 1.91 2 — — — 注：“*”表示F比>F临界值，即差异显著。 | Show TableDownLoad:
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图1为破解率随不同因素水平变化的曲线。实验条件下，破解率随声能密度增加而增加，随pH增加而增加，具有指数增长趋势[11]。破解率随着超声时间推移，有下降的趋势，说明溶解性有机物的消耗量上升。CHU等[16]的研究发现，低强度超声对SCOD的释放作用不大，但是超声作用后期随着温度的增长以及自由基的作用，SCOD却有一定的增长。另一方面，超声波作用使絮体分解，固液触面积变大，对溶解态的有机物吸附能力增强；而且随着超声波作用时间延长，环境温度上升，溶液的均质性提高，对污泥生物的生化反应起了促进作用，这些因素又会引起SCOD的下降。破解率随声能密度增大而增大，声能密度=2 W·mL−1时，破解率最大。破解率随pH增大而增大，pH=12时，破解率最大。破解率随超声时间增大而减小，超声时间=15 min时，破解率最大。破解率随碱处理时间增大，呈现先增加后减小的趋势。碱处理时间=1.5 h时，破解率最大。推荐组合为声能密度=2 W·mL−1、pH=12、超声时间=15 min、碱处理时间=1.5 h，此时破解率理论值最大。
2.2 污泥上清液C/N比与C/P变化
随着超声强度及pH的增加，破解率的升高也会带来污泥上清液中氮和磷的含量升高，应注意到N、P的释放带来的影响。污泥中的氮主要以蛋白质的形式存在，在预处理过程中，蛋白质水解，污泥中的氮形态发生转变，转化成NH4+-N；超声-碱处理能破坏细胞膜、DNA和RNA，导致污泥中一部分磷释放[28]，本研究为计算上清液C/N、C/P，测量了TN、TP。
根据表5结果，当超声和碱处理较弱时，TN的释放相对于SCOD较低，表现为高C/N。一般认为C/N>15时[29]，生物脱氮具有较好的处理效果，所有实验结果皆大于这个数值。由R可知，各因素对于C/N影响大小：声能密度>pH>超声处理时间>碱处理时间。因此，应控制声能密度在较低范围内以避免C/N过低。
表 5 上清液C/N极差分析Table 5. Range analysis of supernatant C/N实验 编号 声能密度/ (W·mL−1) pH 超声时间/ min 碱处理 时间/h C/N 1 1 10 15 1 80.69±12.58 2 1 11 25 1.5 59.97±1.40 3 1 12 35 2 38.32±2.94 4 1.5 10 25 2 58.18±5.55 5 1.5 11 35 1 44.66±4.23 6 1.5 12 15 1.5 34.87±1.96 7 2 10 35 1.5 31.21±1.09 8 2 11 15 2 23.86±0.67 9 2 12 25 1 34.34±2.02 K1 59.287 56.727 46.277 52.917 K2 45.993 42.590 50.883 41.857 K3 29.757 35.720 37.877 40.263 R 29.530 21.007 13.006 12.654 | Show TableDownLoad:
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图2为C/N随不同因素水平变化的曲线，随着声能密度的变化，C/N基本上呈下降趋势，说明在污泥絮体分解时，含氮物质溶出较SCOD快。WANG等[30]研究发现，超声波作用时，10~40 min期间释放的溶解性蛋白质比碳水化合物高得多。高碱促进污泥更快地进入水解阶段，强碱作用破坏污泥细胞膜后，污泥中的有机氮随着时间增加开始不断释放出来[9]。与酸性预处理相比，碱性处理对TN释放具有更好的性能。碱可以与磷脂反应发生皂化，从而破坏细胞并释放细胞内产物[31]。PARK等[32]观察表明，碱处理杀死污泥中的细菌细胞，并将其形态解构为网状形式。细胞活力和形态的变化促进了以蛋白质为主的有机物释放。从图2可以看出，C/N随声能密度、pH、碱处理时间增大，呈现减小的趋势，分别为声能密度=1 W·mL−1、pH=10、碱处理时间=1 h时，C/N最大。C/N随超声时间増大，呈现先增大后下降趋势。超声时间=25 min时，C/N最大。综上所述，为获得较高的C/N，推荐组合为声能密度=1 W·mL−1、pH=10、超声时间=25 min、碱处理时间=1 h。
一般认为，C/P>40时[33]，生物处理具有较好的除磷效果。如表6所示，本实验中的9组实验结果皆大于这个数值。对于C/P，各因素影响大小为：pH>超声处理时间>声能密度>碱处理时间。根据图3为上清液C/P随不同因素水平变化的曲线。赵婧婧等[34]研究发现，在0.2~1.2 W·mL−1范围内，声能密度对污泥中磷释放的贡献度受制于超声波作用时间。当声能密度较低时，超声处理不能有效破解微生物胞体，但可以对污泥絮体结构及微生物细胞表层造成较大破坏，使吸附在污泥絮体表面的磷酸盐释放出来[6]。上清液C/P随声能密度增大，呈现先增大后减小的趋势，声能密度=1.5 W·mL−1时最大。C/P随pH增大，呈现先降低后增大的趋势，pH=10时最大。C/P随超声时间增大，呈现先增大后减小的趋势，超声时间=2 min时最大。C/P随碱处理时间增大，呈现先增加后减小的趋势。碱处理时间=1.5 h时最大。推荐组合为声能密度=1.5 W·mL−1、pH=10、超声时间=2 min、碱处理时间=1.5 h，此时上清液C/P理论值最大。
表 6 上清液C/P极差分析Table 6. Range analysis of supernatant C/P实验 编号 声能密度/ (W·mL−1) pH 超声 时间/min 碱处理 时间/h C/P 1 1 10 15 1 55.19±2.73 2 1 11 25 1.5 54.67±1.27 3 1 12 35 2 56.32±2.69 4 1.5 10 25 2 70.86±7.11 5 1.5 11 35 1 51.03±4.52 6 1.5 12 15 1.5 61.36±1.32 7 2 10 35 1.5 60.46±1.65 8 2 11 15 2 46.08±1.37 9 2 12 25 1 60.42±3.2 K1 52.060 62.170 54.213 55.547 K2 61.083 50.597 61.983 58.830 K3 55.657 56.033 52.603 54.423 R 9.023 11.573 9.380 4.407 | Show TableDownLoad:
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2.3 污泥VSS去除率
超声波、碱共同作用下，协同促进VSS去除。碱性环境有助于形成超声空化作用中的•OH，增强自由基效应[35]，超声波空化引起的振动能够促进碱和污泥细胞壁上的脂类物质、EPS发生反应[36]。ŞAHINKAYA等[37]报道了超声联合热水解预处理污泥 (超声功率1.0 W·mL−1、超声时间1 min、热水解温度80 ℃，持续时间1 h) ，厌氧消化后VS降解率较原泥提高37.8％；ŞAHINKAYA等[14]使用超声联合碱解预处理污泥 (处理参数为每kg TS超声能量22 500 kJ1，每g污泥加碱量TS 0.1 g) ，厌氧消化VS降解率较原泥提高38.7％。徐慧敏等[38]用超声-碱-热 (热水解温度为73 ℃, 每gTS加碱量为0.085 g，每kg TS超声能量为9 551 kJ) 预处理污泥后，VSS去除率较原泥高35.0%，厌氧消化后则更高。从表7可以看出，本研究VSS去除率基本都在30%以上，具有良好的污泥减量效果。
表 7 各实验VSS去除率Table 7. Removal rate of TS & VSS for each experiment实验 编号 声能密度/ (W·mL−1) pH 超声 时间/min 碱处理 时间/h VSS去 除率/% 1 1 10 15 1 36.04±1.02 2 1 11 25 1.5 35.01±2.21 3 1 12 35 2 37.67±2.68 4 1.5 10 25 2 34.71±1.41 5 1.5 11 35 1 35.45±0.66 6 1.5 12 15 1.5 35.01±2.43 7 2 10 35 1.5 30.87±1.17 8 2 11 15 2 37.81±1.25 9 2 12 25 1 26.88±1.84 | Show TableDownLoad:
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在图4效应曲线中，VSS去除率随声能密度增大而减小，声能密度=1 W·mL−1时，VSS去除率最大。VSS去除率随pH增大，呈现先增大后减小的趋势，pH=11时，VSS去除率最大。VSS去除率随超声时间增大，呈现先减小后增大的趋势，超声时间=15 min时，VSS去除率最大。VSS去除率随碱处理时间增大而增大。碱处理时间=2 h时，VSS去除率最小。综上所述，推荐组合为声能密度=1 W·mL−1、pH=11、超声时间=15 min、碱处理时间=2 h，此时VSS去除率理论值最小。
综上所述，超声声能密度和pH相较于2者的处理时间更重要，但超声处理强度大会增加能耗，因此，综合考虑SCOD、上清液C/N与C/P、VSS去除率，本研究推荐操作条件为声能密度=1.5 W·mL−1、超声时间=15 min、pH=12、碱处理时间=1.5 h，可得污泥破解率>12%、COD>7 600 mg·L−1、C/N>30、C/P>60，VSS去除率>35%。相比于江云等[39]的处理 (120 mL污泥、超声频率22 kHz、超声功率800 W、超声时间15 min) 以及BABU等[40]对80 mL脱水污泥的破解处理 (pH=12、超声功率140 W、超声时间1 h) ，超声处理功率较低、时间较短，节约能耗，且有较好的破解效果。
3. 结论
1) 超声-碱处理对污泥破解、释放碳源有较好的效果，在声能密度为1.0~2.0 W mg·L−1、pH为10~12的条件下，污泥SCOD由3 000 mg·L−1到4 000~7 500 mg·L−1，C/N远大于15，C/P大于50，VSS去除率在35%左右。
2) 由正交实验得出，各因素对破解率影响大小为：pH>声能密度>碱处理时间>超声时间。各因素对C/N的影响大小为：声能密度>pH>超声时间>碱处理时间。各因素对C/P的影响大小为：pH>超声时间>声能密度>碱处理时间。可见，声能密度和pH对污泥破解有更大的影响。
3) 从污泥破解率、C/N、C/P来看，推荐条件为声能密度=1.5 W mg·L−1、 pH=12、超声时间=15 min、碱处理时间=1.5 h、可获得SCOD > 7 600 mg·L −1、C/N > 30、C/P > 60，可有效破解污泥中有机物，有利于回流后脱氮除磷。
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图 1 2016—2020年南部地区城市水质类别占比情况
Figure 1. Proportion of urban water quality categories in Southern China from 2016 to 2020
图 2 2020年研究区域内各城市城镇人口及污废水排放情况
Figure 2. Urban population and sewage discharge in city in 2020
图 4 2020年地区各城市污水处理厂运行负荷情况[18]
Figure 4. Operating load of regional sewage treatment plants in 2020
图 5 2020年部分城市工业废水排放量及主要工业类型
Figure 5. Industrial wastewater discharge and main industrial types in some cities in 2020
图 6 2019年地区平均月降雨量与优Ⅲ水质断面占比
Figure 6. Proportion of regional average monthly precipitation and section of excellent Ⅲ water quality in 2019
图 7 2019年部分城市人均水资源量、水资源开发利用程度及水资源总量
Figure 7. Quantity of water resources per capita, developmentand utilization of water resources and total water resources in some cities in 2019
图 8 2019年人均日生活用水量和万元工业增加值用水量高的城市
Figure 8. Cities with high per capita daily domestic water consumption and ten thousand yuan of industrial added value in 2019
图 9 2020年部分城市再生水利用率情况
Figure 9. Utilization ratio of reclaimed water in some cities in 2020
图 10 城市水生态环境系统动力学流程图
Figure 10. Flow chart of urban water ecological environment system dynamics
图 11 深圳市近期阶段入水环境中COD、氨氮、TP及总用水量变化趋势
Figure 11. The change trend of COD, ammonia nitrogen, TP and total water consumption in the water intake environment of Shenzhen in recent period
图 12 中期阶段入水环境COD、氨氮、TP及总用水量趋势
Figure 12. The contents of COD, ammonia nitrogen and TP and the trend of total water consumption in the middle stage of water intake environment
图 13 远期阶段入水环境COD、氨氮、TP及总用水量变化趋势图
Figure 13. The trend chart of COD, ammonia nitrogen and TP and total water consumption in the long-term water intake environment
表 1 深圳市水环境目标指标体系
Table 1. Water environment target index system of Shenzhen
指标与目标分类 省控及以上断面优良 (Ⅲ类及以上) 比例 城市劣Ⅴ类和黑臭水体比例 污水处理厂集中处理率 海绵城市建成区比例 再生水利用率 万元工业增加值用水量/m3 管网漏损率 水生生物完整性指数 2020年现状 83.3% 0 98% 30% 70% 4.9 8.17% 一般 2025年目标 90.5% 0 98.5% 60% 80% 4.1 7% 中等 2030年目标 95% 0 99% 80% 85% 3.8 6.5% 良好 2035年目标 100% 0 99.5% 90% 90% 3.5 6% 优秀
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表 2 深圳市历史值模型检验结果
Table 2. Shenzhen historical value model test results
年份 城镇人口/万人 地区总GDP/亿元 工业总产值/亿元 预测值 实际值 RE 预测值 实际值 RE 预测值 实际值 RE 2010 1 037.2 1 037.20 0 10 069.1 10 069.1 0 4 430.4 4 441.2 0 2011 1 057.33 1 046.74 1.01% 11 317.7 11 922.8 5.1% 4 866.6 5 255.2 0.000 7% 2012 1 077.47 1 054.74 2.16% 12 675.8 13 319.7 4.8% 5 323.8 5 661.2 0.000 6% 2013 1 097.60 1 062.89 3.27% 14 260.3 14 979. 5 4.8% 5 846.7 6 207.6 0.000 6% 2014 1 117.74 1 077.89 3.70% 15 900.2 16 449.5 3.3% 6 413.1 6 754.0 0.000 5% 2015 1 137.87 1 137.87 0.00 17 569.7 18 014.1 2.5% 6 969.3 7 189.8 0.000 3% 2016 1 186.64 1 190.84 −0.35% 19 238.8 20 079.7 4.2% 7 503.2 7 770.1 0.000 3% 2017 1 235.40 1 249.57 −1.13% 21 451.3 22 490.1 4.6% 8 087.1 8 701.2 0.000 7% 2018 1 284.17 1 299.40 −1.17% 24 025.5 25 266.1 4.9% 8 745.3 9 209.4 0.000 5% 2019 1 332.93 1 337.43 −0.34% 26 980.6 26 927.1 −0.2% 9 605.1 9 587.9 0
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表 3 深圳市近期方案参数设置
Table 3. Recent scheme parameter setting in Shenzhen
方案编号 人均日综合生活用水量/L 再生水利用率 万元工业增加值用水量/m3 管网漏损率 城市污水集中处理率 建成区海绵城市建设占比 方案1 270 70% 4.9 8.17% 98% 30% 方案2 260 75% 4.9 8.17% 98% 50% 方案3 260 70% 4.5 8.17% 98% 50% 方案4 260 70% 4.9 7.5% 98% 50% 方案5 260 70% 4.9 8.17% 98.5% 50% 方案6 260 70% 4.9 7.5% 98.5% 50% 方案7 260 75% 4.9 7.5% 98.5% 50%
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表 4 深圳市中期方案设置
Table 4. Mid-term plan setting in Shenzhen
方案编号 人均日综合生活用水量/L 再生水利用率 万元工业增加值用水量/m3 管网漏损率 城市污水集中处理率 建成区海绵城市建设占比 方案1 260 75% 4.9 7.5% 98.5% 50% 方案2 250 78% 4.9 7.5% 98.5% 60% 方案3 250 75% 4.5 7.5% 98.5% 60% 方案4 250 75% 4.9 7% 98.5% 60% 方案5 250 75% 4.9 7% 99% 60% 方案6 250 75% 4.5 7% 99% 60% 方案7 250 78% 4.5 7% 99% 60%
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表 5 深圳市远期方案设置
Table 5. Long-term plan setting in Shenzhen
方案编号 人均日综合生活用水量/L 再生水利用率 万元工业增加值用水量/m3 管网漏损率 城市污水集中处理率 建成区海绵城市建设占比 方案1 250 78% 4.5 7% 99% 60% 方案2 240 80% 4.5 7% 99% 70% 方案3 240 78% 4.2 7% 99% 70% 方案4 240 78% 4.5 6.5% 99% 70% 方案5 240 78% 4.5 6.5% 99.5% 70% 方案6 240 80% 4.5 6.5% 99.5% 70% 方案7 240 78% 4.2 6.5% 99.5% 70%
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百度学术
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