我國城市污水處理回用現狀與發展趨勢

李亞娟,曲 煒,2,王 博

(1.北京中水江源地下水保護利用研究所,北京 100053; 2.水利部水資源管理中心,北京 100053;3.新華水利發電有限公司,北京 100053)

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我國城市污水處理回用現狀與發展趨勢

李亞娟1,曲 煒1,2,王 博3

(1.北京中水江源地下水保護利用研究所,北京 100053; 2.水利部水資源管理中心,北京 100053;3.新華水利發電有限公司,北京 100053)

從城市污水處理回用的利用量、政策制度、回用技術等方面梳理我國城市污水處理回用發展現狀,提出我國城市污水處理回用存在的問題,即:體制機制不順,政策法規缺失,資金投入不足,企業經營困難,管網配套不足,政府認識不足,公眾參與度低。從城市污水處理回用的市場需求、價格體系、進水水質、出水水質、技術革新及工藝進步五個方面分析我國城市污水處理回用的發展趨勢。

城市污水; 回用; 非常規水源; 現狀; 趨勢

我國正處于工業化、城鎮化、農業現代化加快推進的發展階段,隨著全球氣候變化影響加大,水資源短缺嚴重、水環境污染嚴重、水生態破壞嚴重等問題日益嚴峻。全國600多座城市中有近400座缺水,約200座嚴重缺水,供需矛盾突出。2013年全國總用水量近6 200億m3,已接近2015年6 350億m3的控制目標。全國地下水的開采量達到1 100億m3,已經接近全國平原區淺層地下水的可開采量1 230億m3,全國地下水超采區總面積22萬km2。2013年水功能區水質50.6%未達標。不少地區經濟社會發展擠占生態用水,導致河道斷流現象嚴重,湖泊、濕地等敏感水域面積減少,生物多樣性銳減,水生態破壞嚴重。水資源的可持續利用已直接關系到我國社會經濟的可持續發展問題,緩解水資源的供需矛盾有多種途徑,包括外流域調水、開源節流、污水處理回用等措施。再生水由于其相對穩定的水質和水量可作為城市可靠的第二水源,已成為世界各國在解決水資源短缺問題時的共識[1]。污水處理回用既開辟了一個穩定的新水源,又可減少廢水排放造成的環境負荷,對緩解水資源緊缺和改善水環境具有重要的意義[2]。

1 回用現狀

1.1 利用量與利用率

根據《2012年度水務管理年報》,截至2012年末,全國城市(縣城)年污水處理回用量44.3億m3,再生水廠503座,再生水生產能力2 166萬m3/d,再生水管道總長7 557 km。城市污水處理回用主要用于景觀環境、工業生產、農林牧業、城市非飲用水和地下水回灌5個方向,各類用水所占回用量的比重分別為45.4%、37.0%、13.8%、2.9%、0.9%。根據近幾年水務管理年報數據,繪制實行水務管理地區的再生水利用量和再生水利用率變化情況圖,見圖1。《節水型社會建設“十二五”規劃》提出了“十二五”期間包括城市再生水在內的非常規水源利用目標:非常規水源利用水平明顯提高,北方缺水城市再生水利用量達到污水處理量的25%～30%,南方沿海缺水城市達到10%～25%。從圖1中可以看出,我國2012年再生水利用率為19.15%,按照目前的發展速度,到“十二五”期末,再生水利用目標可以基本實現。

圖1 實行水務管理地區全國城市再生水利用量和再生水利用率變化趨勢

1.2 政策制度

1.2.1 國家政策規劃

1996年原建設部出臺了《城市中水設施管理暫行辦法》,該暫行辦法是為推動城市污水的綜合利用,促進節約用水,根據國務院批準的《城市節約用水管理規定》及有關國家規定而制定的。2004年國務院辦公廳發布《關于推進水價改革促進節約用水保護水資源的通知》(國辦發[2004]36號),要求合理確定再生水價格,提出缺水地區要積極創造條件使用再生水,加強水質監測與信息發布,確保安全用水。2008年第十一屆全國人民代表大會常務委員會第四次會議通過《中華人民共和國循環經濟促進法》,指出“國家鼓勵和支持使用再生水。在有條件使用再生水的地區,限制或者禁止將自來水作為城市道路清掃、城市綠化和景觀用水使用”[3]。2011年以來出臺了《“十二五”節能減排綜合性工作方案》、《“十二五”全國環境保護法規和環境經濟政策建設規劃》、《關于加快水利改革發展的決定》、 《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》、《“十二五”節能環保產業發展規劃》、《“十二五”節能減排規劃》、《流域水污染防治規劃(2011—2015年)》等多個方案、綱要、意見、規劃等文件,多次強調了對再生水利用事業的推進,明確了國家繼續大力發展再生水的政策方向。

1.2.2 地方政策規劃

再生水發展較快的城市主要是北方嚴重缺水型城市,比如北京市、天津市等。北京市出臺的再生水相關政策規劃有:《北京市中水設施建設管理辦法》、《關于加強中水設施建設的通告》、《關于加強建設項目節約用水設施管理的通知》、《北京市排水和再生水管理辦法》、《北京市“十二五”時期環境保護和建設規劃》、《北京市排水和再生水設施運行暫行規定》。天津市出臺的再生水相關政策規劃有:《使用新型水源暫行辦法》、《天津市節水型企業(單位)標準》、《免繳污水處理費的單位認定暫行辦法辦法》、《住宅中中水供水系統建設規定》、《天津市節約用水條例》、《天津市城市排水和再生水利用管理條例》、《節水型居民生活小區標準》、《居民生活小區節水型用水器具改造規劃》、《天津市住宅及公建再生水供水系統建設管理規定》、《天津市“十一五”水污染防治實施方案》、《中共天津市委市政府關于貫徹落實<中共中央國務院關于加快水利改革發展的決定>的實施意見》,等。

1.2.3 行業管理體制

水利部2008年“三定”方案中,水利部內設機構水資源司具有“指導飲用水水源保護、城市供水的水源規劃、城市防洪、城市污水處理回用等非傳統水資源開發的工作”職責。截至2012年底,全國已組建水務局或承擔水務職能的水利局有1 923個。其中,省級(副省級)11個,地級263個,縣級1 649個。承擔污水處理回用職能的水務局或水利局有478個。同時,再生水行業屬于環保水處理行業的子行業,環保水處理行業主管部門是國家環境保護部,污水處理城市基礎設施建設內容受城鄉建設主管部門的管理。橫向來看,再生水行業按照應用領域的不同,受到各個行業的分類監管。縱向來看,依據國務院各部門分工和《水法》、《水污染防治法》、《環境保護法》、《城市規劃法》的規定,采取分級和分部門管理體制。

1.3 處理技術

再生水處理工藝大致可分為以物化處理為主的“老三段”工藝,以超濾、微濾和反滲透膜技術為主的“膜處理”工藝。其中,“膜處理”工藝又可分為以超濾或微濾為主的“單膜”工藝、以超濾或微濾+反滲透的“雙膜”工藝和以污水為水源的“膜生物反應器”工藝[4]。

1.3.1 老三段處理工藝

“老三段”處理工藝的主要流程是:城市污水處理廠出水+混凝、沉淀或澄清或微絮凝+過濾+消毒。處理工段包括:進水泵池、混合反應池、沉淀池、濾池、清水池、送水泵站。此工藝可有效地去除二級出水中殘留的懸浮態和膠態固體物質,使水中濁度大大降低,并能使水中的SS、濁度、BOD、COD、磷、重金屬、細菌及病毒的濃度進一步降低。但對凱式氮或氨氮基本上沒有去除作用,且針對較高的總溶解性固體處理功能較差。

“老三段”工藝再生水廠投資約為1 000～1 500元/(m3·d),水處理總成本約為1元/m3,與“膜處理”工藝相比較,投資較小,工藝簡單,技術成熟,便于操作,但占地面積大,基建成本高。從回用目的來看,傳統的“老三段”工藝處理后的再生水回用于工業和城市雜用較多,少部分回用于景觀環境。

1.3.2 單膜工藝

“單膜”工藝的主要流程是:城市污水處理廠出水→化學絮凝+沉淀+微濾或超濾,處理工段包括:進水泵池、混合反應池、沉淀池、膜過濾裝置、清水池、送水泵站;該處理工藝與傳統“老三段”處理工藝相比,工藝運行穩定可靠,處理后的再生水可以滿足非飲用水,單膜工藝再生水廠投資約為2 000～3 000元/(m3·d),水處理成本約為1.5～2.5元/m3,單膜處理工藝無論是投資還是制水成本都較高。目前已應用于居民沖廁、工業冷卻循環水、景觀環境用水等。微濾或超濾前增加沉淀工段,可以延長膜的過濾周期,增加產水量并延長膜的壽命。微濾或超濾幾乎能去除所有的原生動物孢囊、SS、細菌、部分病毒和總溶解性固體。在去除SS之外,微濾或超濾膜能截留大的有機分子,提高難降解化合物如油脂或乳化油的生物降解性,但是脫鹽功能不如“雙膜”工藝。應用中,考慮膜的使用壽命,對各種清洗藥品的品質、濃度要求十分嚴格,上游來水變化,尤其是SS、氮、磷的波動對微膜或超濾膜的反沖洗、藥洗頻率與效果及產水水質有很大的影響,而這些指標很大程度依賴于污水廠的處理工藝,因此,回用工藝與污水處理工藝之間建立聯動運行機制十分必要。

1.3.3 雙膜工藝

“雙膜”工藝的主要流程是:城市污水處理廠出水→化學絮凝+微濾或超濾+反滲透。處理工段包括:進水泵池、混合反應池、微濾或超濾裝置、反滲透裝置、清水池、送水泵站;將微濾或超濾代替傳統的“老三段”處理工藝作為反滲透的預先處理工段,可以節省占地,提高預處理的可靠性,從而使得反滲透系統運行的可靠性大大提高。目前該處理工藝已經在國內得到應用,運行結果表明經過該工藝處理的再生水水質較高。

現有再生水處理工藝中“雙膜”工藝出水水質較優,但其投資和運行費用也最高,未來幾年運行成本有下降的趨勢,但下降的空間有限。從目前研究來看,“雙膜”工藝出水水質并非完全沒有生態安全性的擔憂。針對目前大量興建的工業園區再生水回用,“雙膜”工藝將依托占地省、受水質水量波動小、可處理高含鹽量水質的特點,會有非常好的應用前景。雙膜工藝再生水廠投資約為2 630～4 950元/(m3·d),水處理成本約為1.9～5.3元/m3。總體來看,“雙膜”處理效果是最好的,但投資最高,且膜污染、膜壽命有限、產生濃水等問題也不容忽視。

1.3.4 膜生物反應器

膜生物反應器 (MBR)是通過膜強化生化反應的水處理新技術。MBR工藝出水水質較為穩定,出水水質一般好于GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A,可達到地表水四類標準。但是目前超過5萬m3/d以上的項目并不適用于MBR工藝,其存在污堵、大量污水外排的風險,且規模過大,運行電耗成本將更加凸顯,很難控制。MBR的主要特點是:MBR工藝再生水廠投資約為2 000～3 000元/(m3·d),水處理成本約為1.3～1.5元/m3。MBR工藝中膜投資約占總投資的2/3,膜壽命長短直接關系到系統投資和運營成本,從而影響項目生命周期的財務平衡;膜污染是膜技術應用中面臨的關鍵問題,它將影響膜的穩定運行,決定膜的清洗周期和更換頻率,膜污染被認為是影響MBR工藝經濟性的最主要原因。

2 存在問題

2.1 體制機制不順,政策法規缺失

雖然2008年國務院部門“三定”規定明確賦予水利部指導城市污水處理回用等非傳統水源開發利用職能,但在全國已組建水務局或承擔水務職能的水利局中具有污水處理回用職能的水務局或水利局僅占25%,其余城市仍由城建或環保部門管理,導致城市污水處理回用中央與地方管理體制不一致、政出多門等問題。如前所述,目前,我國出臺了若干與再生水有關的政策,已出臺的相關政策文件大多以宏觀的“鼓勵”、“大力發展”措辭為主,除再生水企業納入資源綜合利用范圍免征增值稅外,還沒有出臺針對污水處理回用操作性強的優惠政策和扶持措施,也沒有一部綜合的、能調節各方利益的再生水法規。對再生水企業的引導、鼓勵、支持以及優惠政策未能落到實處,城市污水處理回用發展僅靠供需方的市場行為很難獲得快速發展,再生水資源不能發揮應有的社會效益。同時在缺乏系統規范的行業監管的情況下,容易造成水體污染事件發生,不利于城市污水處理回用事業的健康發展。

2.2 規劃未落實,標準規范不完善

目前,國家層面出臺的多個規劃中多次提及推進城市污水處理回用,但尚未建立國家層面的城市污水處理回用規劃,已編制規劃的部分城市規劃相關內容也未得到落實,大多數城市尚未將再生水納入水資源統一配置。頒布的再生水相關的標準僅有前建設部出臺的5類回用對象的城市污水處理回用標準和水利部頒布的再生水水質標準,而其他的設計、施工、運營、監測等相關標準規范參考自來水和污水對應標準,沒有專門針對再生水利用的相關標準。

2.3 資金投入不足,企業經營困難

城市污水處理回用設施建設和運營具有投資大、運營成本高、回收期長的特點。目前,再生水投資主要由政府資本金注入或銀行貸款構成,社會資金參與程度偏低,由此導致再生水項目資金投入有限。另外,再生水水價較低,不足以維持再生水企業成本,企業負擔較重,同樣制約著再生水的推廣和應用。

2.4 管網配套不足,買賣雙方管線未通

管網設施的建設是推廣利用再生水的必要條件。目前,再生水利用設施以及管網等配套設施沒有長遠規劃和超前布局思路,市政道路建設沒有預留再生水管線線路,致使后期再生水管網鋪設存在費用較大、總體審批困難、審批周期過長等情況,從而進一步導致廠、網分離或不能同步實施的現象。管網配套不足已成為各省市再生水推廣的一大瓶頸。

2.5 政府認識不足,公眾參與度低

目前,我國城市污水處理回用宣傳不到位,體現在兩個方面:一是宣傳力度不夠,雖然再生水水質達到國家標準要求,且已用于工業冷卻、農業灌溉、景觀河道補水等方面,但因其源水是污水,人們在使用安全上仍存有疑慮;二是宣傳對象單一,大量的宣傳工作是針對民眾的宣傳和教育,忽略對政府官員的宣傳。

3 發展趨勢

再生水利用行業發展趨勢主要有五方面影響因素:市場需求、價格體系、進水水質、出水水質、技術革新及工藝進步。

從再生水目標市場方面來看,據城市污水處理回用供需分析研究報告測算,到2020年,我國城市污水處理回用需求將達282億m3/a,其中工業回用需求172億m3/a，生態補充水回用需求101億m3/a[5]。《“十二五”城鎮污水處理及再生利用規劃》指出,“十二五”我國再生水計劃新增設施能力2 500萬～2 600萬m3/d,即91.25億～94.9億m3/a。在工業回用需求中,根據回用量、水質要求、技術經濟性、政策傾向性等綜合考慮,火電廠循環冷卻水源水將是最大工業回用需求用戶。

從價格體系方面來看,2007年31個省會城市和直轄市居民用水自來水平均單價為1.61元/m3(不含污水處理費),工業用水平均單價為2.19元/m3(不含污水處理費),2011年居民用水自來水平均單價為1.88元/m3(不含污水處理費),工業用水平均單價為2.70元/m3(不含污水處理費),5年內居民用水價格漲幅為18%,工業用水價格漲幅為23%。可以看到居民用水自來水價格與再生水價格(目前約在1元/m3左右)落差不是很大,而且居民使用再生水會涉及到居民接受程度及管網鋪設等問題,價格僅是一方面的因素。若工業用水以30%的漲幅計算,到2020年工業用水價格上漲到6元/m3(不含污水處理費)的城市有昆明、長春、石家莊、寧波、上海、濟南、杭州、西安、太原、青島、大連、蘇州、寶雞等城市,可見,工業供水價格與再生水價(1元/m3)落差較大,且工業用戶水質要求低且需求量大,再生水用于工業回用有很大發展前景。

從污水處理回用的原水來看,針對火電廠循環冷卻水這一最大市場,對于原水為GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準,石灰凝聚澄清過濾工藝將會有一定競爭優勢。對于達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A的原水,混凝、沉淀、過濾工藝或者微絮凝、過濾工藝將具有應用前景。對于GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級標準的原水,BAF及MBR生化脫氮工藝以及臭氧——活性炭物化脫氮工藝將具備應用前景,另考慮BAF和MBR受溫度影響較大,其在北方地區的應用需慎重選擇。

從污水處理回用的出水來看,未來幾年我國再生水應用的兩個主要目標市場是工業用水和景觀生態用水,兩種再生水回用控制的關鍵指標分別為氨氮、溶解性總固體等,對于目前單一的消毒技術基本可滿足回用需求,未來氯消毒在工業循環冷卻用水中仍具備一定的技術可行、經濟合理的推廣優勢。但面對城市雜用、農業用水、地下回灌使用再生水,氯消毒在技術上并不能完全滿足要求,雖然目前二氧化氯、臭氧消毒都已經有一定工程應用,但應用數量仍不多,不能足以證明其可靠性,因此單一消毒技術不可能完全取代氯消毒[6]。

從技術革新及工藝進步方面來看,隨著膜材料、膜組件的革新和與其他工藝的流程優化,膜技術將會發揮出更大的作用和應用前景。MBR工藝適用于土地資源緊張、出水水質要求高(高于工業循環冷卻水,可達到工業供水等水質如工業園區等)、環境敏感區域,另外針對火電廠原水為GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級標準,憑借其生物脫氮能力具備應用前景,并根據目前MBR項目的工程效果,推薦最佳的規模控制在5萬m3/d以下[7];雙膜法可以達到各類出水標準,會有非常好的應用前景;超濾/微濾在城市雜用、生態補水方面都具有更廣泛的應用前景;超濾/微濾膜可作為原有砂濾池的改造工藝,以及作為反滲透膜的前處理,也是其未來應用的一個重要方向。

4 結 語

城市社會經濟的快速發展,導致人口不斷增長、工業生產規模不斷擴大,致使我國水污染及水資源短缺問題日益嚴峻。國內外經驗表明,城市污水處理回用是開發新水源、解決水污染、改善生態環境和解決城市水資源短缺的有效手段之一[8]。城市污水處理回用涉及政策、法規、技術、經濟等方面的問題,是一個復雜的系統工程。國家和地方應制定相應激勵政策,根據不同地區的具體情況采取最適合的回用工藝和途徑,把再生水作為資源納入水資源統一配置體系[9]。尤其對于北方資源缺水型地區,應該抓住時機,充分利用最嚴格水資源管理制度、水生態文明建設以及節水型社會建設的良好時機,提高城市污水處理回用率,促進經濟社會和環境的和諧發展。

[1] 王宏哲,郭莉莉.我國城市污水回用可持續發展的展望[J].吉林建筑工程學院學報,2006,23(2):23-26.

[2] 王穎.我國城市污水資源化回用現狀探析[J].山西建筑,2006,32(15):146-147.

[3] 李偉,鐘玉秀,劉洪先,等.我國城市污水處理回用政策法規與管理制度探討[J].水利發展研究,2011(7):66-70.

[4] 李杰,張弘,韓晶晶,等.污水回用技術應用現狀與研究進展[J].重慶科技學院學報(自然科學版),2010,12(5):111-114.

[5] 北京中水江源地下水保護利用研究所公司.城市污水處理回用供需分析研究[R].北京:北京中水江源地下水保護利用研究所公司,2011.

[6] 蔣以元,柯真山,張煜,等.城市污水再生利用中的消毒問題研究[J].環境工程學報,2008(2):16-21.

[7] 李國新,顏昌宙,李慶召.污水回用技術進展及發展趨勢[J].環境科學與技術,2009,32(1):79-83.

[8] 張文超,張建新,白宇,等.國內外污水再生利用發展分析[J].水工業市場,2010(8):32-34.

[9] 崔曉英.污水再生利用是實現水資源可持續利用的有效途徑[J].內蒙古石油化工,2014(2):28-30.

李亞娟(1980—),女,河北邢臺人,高級工程師,主要從事水資源管理研究。E-mail:liyajuan2010@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2015.06.015

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1003-9511(2015)06-0065-05

2015-04-08 編輯：陳玉國)