再生水回用現狀及展望

郭星星 ,羅 歡,2* ,李 寧

(1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510610;2.廣東省河湖生命健康工程技術研究中心,廣東 廣州 510610)

《2020中國水資源公報》顯示,中國人均水資源量為2 257 m3,僅為世界水平的1/4,是全球人均水資源貧乏的國家之一[1]。目前,中國年用水總量已經超過6 000億t,660余座城市中,近2/3城市處于缺水狀態,水資源供需矛盾日益加劇,2020年京津冀地區80%以上河流出現干涸,水資源已經成為中國社會經濟發展的突出瓶頸和約束性資源。再生水(reclaimed water)是指污水或污水處理廠出水經處理后,達到一定水質要求,滿足某種使用功能,可以安全、有益使用的水[2],再生水已經成為以色列、美國、日本、澳大利亞等國家城市水資源的重要組成部分,從全球范圍來看,預計到2022年,再生水利用量將超過500億m3/a。

為應對愈發嚴重的水短缺問題,國家提出“以水定城,以水定地,以水定人,以水定產”基本政策,倒逼節水行動,優化用水結構,提高用水效率。目前,中國所采用的主要措施有跨流域調水、節制用水、雨水蓄用及污水回用[3]。

中國再生水回用資源充沛、市場潛力巨大。據統計,2007—2019年,中國城鎮地區再生水利用量從15.9億m3增加到116.1億m3,但再生水利用率僅為20%。而再生水利用率居全球第一的以色列2015年再生水利用率已高達80%[4]。由于城鎮內污水水量穩定、水質可控、就地可取,將城鎮污水回用是解決區域水資源和水環境問題的雙贏途徑,已成為國家節水戰略的重大需求[5]。開展再生水回用研究對提升城市水資源供給能力,緩解城市用水供需矛盾,保障水生態環境安全,推進生態文明建設具有重要意義。

1 再生水回用政策、法規和標準

1.1 政策及法規

中國再生水回用政策不斷發展和完善,1988年,國務院發布《城市節約用水管理規定》,鼓勵污水再生利用。此后,政府多部門相繼發布《城鎮排水和污水處理條例》《關于加快推進生態文明建設的意見》《中華人民共和國水法》等多項政策法規,推進和規范再生水利用。2021年1月,國家發展和改革委員會等十部委聯合發布了《關于推進污水資源化利用的指導意見》,明確了中國污水再生利用的發展目標和主要任務,是污水處理進入資源化利用新階段的重要標志。

各國結合本國經濟、社會文化和環境因素等,制定的再生水回用政策和法規各不相同,但都是以保護人類和環境健康為最終目的,為各國規范開展再生水回用系統規劃、設計、管理、評價和利用等工作提供了依據和指導(表1)。

1.2 標準

中國已制定了相對應的再生水排放標準應對再生水不同的應用場景和需求。此外,關于再生水處理技術的評價方法、再生水的分級、以及再生水廠的水質監管,中國也都制定了相關的多項國家標準,以保證污水處理技術的進一步完善,確保再生水水質安全。

現行國家標準從污水處理工藝至再生水分級、再到再生水廠的水質監管,直至再生水具體適用場景的管理標準都作出了明確規定,形成一條完整的標準鏈,確保了再生水利用的安全可行(表2)。

表2 再生水回用相關標準

總體上,中國污水再生利用的標準化工作已取得系列成果,但標準體系仍需進一步完善,如缺少再生水利用效益評價標準,生態環境風險管理標準等。

2 再生水利用途徑

再生水用途廣泛,可代替常規供水,用于生產、生活和生態。《城市污水再生利用分類》將再生水利用途徑分為農、林、牧、漁業用水,城市雜用水,工業用水,環境用水及補充水源水五大類。據統計,至2012年,中國城市污水處理回用途徑中,工業利用和景觀環境利用是最主要途徑,分別占總利用量的45.4%和37.0%,且工業與景觀環境回用水量逐年增加,農林牧業和城市非飲用水回用量逐年減少,分別占再生水總利用量的13.7%和3.0%。在全球范圍內,農業灌溉用水是主要利用途徑,占總利用量的32%,景觀灌溉和工業用水分別占總利用量的20%和19%,在城市用水中,城市非飲用水、環境改善用水、休閑用水三項占比均衡,分別占總利用量的8%、8%、7%(圖1)。而對于再生水用途中水質要求較高的間接飲用和地下水回補仍占比較少,各占總利用量的2%。但在大型城市中,再生水回用途徑多局限于城市景觀環境用水,2019年,廣州市再生水利用總量4.3億m3,其中用于城市景觀環境用水占比達到99.5%,僅有0.5%用于其他用途;北京市2020年再生水利用量達到12億m3,景觀環境用水的占比也達到92.5%,4.83%用于工業用水[4]。

圖1 全球范圍內再生水的利用途徑(聯合國教科文組織2017年數據)[11]

2.1 農業用水

農業方面主要應用于農田灌溉、造林育苗以及畜禽和水產養殖,中國每年用于農業灌溉的水量約為60億m3[3],再生水用于農業灌溉可以有效緩解北方地區水資源短缺造成的農業用水壓力。由于農業灌溉需水量大,在部分國家,農業灌溉已成為再生水回用的重要途徑。在美國,62%的再生水用于農業灌溉,日本用于農業灌溉的再生水占8.6%,澳大利亞2000年用于農業灌溉的再生水量占再生水總利用量的82%,而以色列作為水資源嚴重短缺的國家,再生水總量的85%用于農田灌溉。在中國,由于北方水資源短缺,北京、天津、西安、太原等城市從20世紀開始發展污水回用灌溉,逐漸成為中國主要的再生水農業灌溉區域[6]。

2.2 城市雜用水與工業用水

目前中國城市再生水除農業灌溉外,還用于城市雜用、環境用水和工業用水,其中城市用水主要包括城市綠化、清潔、建筑施工、消防等方面;工業方面主要用于冷卻、洗滌、工業和產品用水等方面,工業用水水量大且水質要求不高的特性給再生水的使用開辟了道路;環境用水主要用于娛樂性和觀賞性的景觀用水以及構建人工濕地,這三類用水對水質的需求相對較低,但考慮到在回用過程中與人直接或間接的接觸,再生水的使用標準仍應嚴格控制。美國和日本的工業用水分別占據了其再生水量的30.0%和21.8%[7]。美國的佛羅里達州和加利福尼亞州的景觀用水分別占據前兩位,主要用于居民區灌溉和高爾夫球場灌溉[8],而日本則有27%用于景觀用水,中國的北京、天津、石家莊等城市通過建立大型污水處理廠將其出水用于景觀河道、湖泊的補給水[9]。

2.3 地下水補水

經過深度處理且水質較好的再生水可用于補充地下水,用于生態補水的再生水需經過深度處理,達到補水要求后方可進行排放,以免進一步污染原有地下水。中國在再生水用于補水方面還應用較少,用于地下水回灌的水量僅占總利用量的0.9%[10]。地下水的補充對保障河流水源供給,增加水資源長期儲量和季節性調配能力具有重大意義,但由于其較高的水質排放標準對再生水處理過程中的各項技術提出了更高的要求。

2.4 飲用水源地補水

再生水補給飲用水水源可有效增加飲用水的供應,是解決飲用水危機的有效方法之一,但仍存在一定的潛在風險,主要包括水體富營養化,病原微生物,重金屬等風險因子危害公眾身體健康。再生水補給飲用水在國際上已有超過50年的研究和實踐,但主要集中在美國、澳大利亞和新加坡等國家,中國在這方面的理論和實踐研究仍較為薄弱。

3 再生水深度處理技術

3.1 污水處理廠再生水深度處理技術

城鎮污水處理廠再生水深度處理是指將排入城鎮污水系統的污水,主要包括生活污水、工業污水以及城市徑流污水,通過一系列的污水處理技術和深度處理工藝,將各類污水回收,從而取代干凈的優質原水用于生產系統或生活雜用,做到科學利用、以污代清。

根據污水處理的不同程度劃分,目前中國主要的污水處理程度可以劃分為一級處理、二級處理、三級處理、深度處理及消毒處理[12](圖2)。

圖2 污水再生處理系統基本構成和流程

一級處理(機械處理)是通過篩濾法、沉淀法等對污水中不溶性雜質進行篩濾、沉降、預曝氣等方法進行去除,來保證二級處理的平穩運行。

二級處理(生化處理)是污水經過一級處理后,再用活性污泥法和生物膜法等進一步去除污水中膠體和溶解性有機物的過程,部分用于農田灌溉的再生水由二級處理輔以消毒工藝產生。

三級處理(控制富營養化和重新回用)是污水經二級處理后采用相關工藝再進一步去除水體中多種有機物、金屬離子等污染物的過程,部分用于農田灌溉(蔬菜)、綠地灌溉、城市雜用工業冷卻用水等的再生水為二級處理的基礎上采用三級處理和消毒工藝產生。

深度處理指在三級處理的基礎上,進一步強化無機離子、微量有毒有害污染物和一般溶解性有機污染物去除的水質凈化過程。滿足更多場景的特定使用需求,逐漸受到人們關注。近年來深度處理工藝中,中國應用典型的再生水處理工藝有膜生物反應器(MBR)工藝、“雙膜工藝(微濾+反滲透)”、二級反滲透裝置(RO)工藝等。據統計,2012年以后大型MBR項目就主要集中在中國境內[13]。

b)MBR+RO工藝(雙膜工藝)。城市污水經曝氣沉砂池后,再通過MBR,再進一步經過反滲透裝置(RO)和二氧化氯消毒后得到再生水;該工藝中RO裝置可以有效去除水質指標中非基本控制指標,且對基本控制指標去除效果也優于MBR工藝,出水滿足再生水所有用途的回用標準,是目前最常用的再生水處理工藝。寧波市北區污水處理廠對6×104m3/d再生水采用“雙膜工藝”進行脫鹽處理[15],為響應寧波市水污染防治行動計劃號召,該污水處理廠為周邊化工企業提供再生水作為工業用水,部分企業對再生水中氯含量要求較高,因此采用MBR+RO工藝進行污水處理,總出水水質中氯化物含量可降低至70 mg/l。該項目在建設規劃時采用了柱式、簾式2種膜,充分利用當地已有建筑并利用地下空間,節約土地資源的同時達到用戶用水需求。

c)二級RO工藝,是指在雙膜工藝的基礎上,再添加一級反滲透裝置,即通過過濾和紫外消毒后,在經過微濾(MF),一級RO,調節pH,二級RO,加氯消毒等一系列步驟后得到的再生水,如果對水質有較高的要求可采用更多級RO疊加的處理工藝,該工藝處理后的水質可達到生活飲用水的標準。由于反滲透膜更換成本較高,二級反滲透系統在日常運行過程中應按照正確的操作流程和保養方法對反滲透膜進行清洗和維護,減少對膜組件的更換以降低成本。

消毒處理是再生水生產環節的必備單元,主要方法有液氯、氧氣、次氯酸鈉、二氧化氯、紫外線、臭氧等技術或其組合技術。其中,臭氧氧化法應用廣泛,常作為再生水生產過程中后端的深度處理工藝來去除污水的色度和難降解有機物的有效途徑。臭氧因其強氧化性,在污水處理過程中可以生成羥基自由基,具有較高的氧化電位,能有效氧化水體有機物,破壞其分子結構,將其降解為小分子有機物或礦化,提高可生化性,整體反應速度較快,且不具有選擇性。

3.2 再生水生態提標凈化技術

近年來,為推動建設污染治理、生態保護、循環利用有機結合的綜合治理體系,在重點排污口下游、河流入湖(海)口、支流入干流處等關鍵節點因地制宜建設人工濕地水質凈化及河道生態修復等再生水生態提標凈化工程設施,對處理達標后的排水和微污染河水進一步凈化改善后,納入區域水資源調配管理體系,可用于區域內生態補水、工業生產和市政雜用。

a)人工濕地水質凈化工程。人工濕地水質凈化是以污水處理廠尾水等為進水水源,建設人工濕地,提升改造水質。利用土壤、人工介質以及植物和微生物等構建人工濕地,使污染水體在沿一定方向流動過程中,結合物理吸附,化學降解和生物降解等方法來去除水體中的污染等,該方法處理效果穩定,負荷較高,且可間接提供綠化及野生動物棲息地等(圖3)。人工濕地出水能夠滿足生態補水、工業用水、市政雜用水、農田灌溉等再生水利用途徑的水質要求,但是人工濕地水質凈化工程只承擔水質改善任務,不應作為直接處理生產生活污水的治污設施。有研究表明A2/O高效脫氫除磷預處理與人工生態濕地深度處理技術路線,可有效地解決當前尾水回用存在的氨磷不易徹底除去及回用管網投資巨大這兩大難題[16],對生態環境保護、可持續發展與循環經濟理念推廣具有十分重要的戰略意義。貴陽綜保區都溪河片區使用混合潛流型人工濕地近期規模為5 000 m3/d,通過配置不同類型植物與溶氧濃度,設置6個濕地分區對污水處理廠尾水進行凈化,出水水質優于國標一級A標準。成都市西區污水處理廠尾水深度處理采用下流式預埋微生物垂直流人工濕地,通過填充不同類型的填料,搭配專性菌種粉末,進而提高脫氮提磷的效率[17]。此外,在構建人工濕地時需要考慮用戶用水需求以及當地地形特點進行設計,傳統人工濕地啟動慢、易堵塞、占地面積大,可以根據當地地形采用混合或垂直潛流人工濕地進行水質凈化。在人工濕地的構建過程中應考慮進水水質以及目標水質要求,人工濕地在處理污染物濃度低且水量巨大的污水處理尾水時,相較于傳統處理方法耗能較低,投資較小,但凈化能力有限。

圖3 人工濕地去除污染物示意

b)河道生態修復工程。河道生態修復措施有利于降低污水廠再生水回用于城市景觀水體時可能出現的生態環境風險,對穩定再生水水質的效果明顯,研究表明,通過生態修復工程,主要水質指標保持穩定并達到功能區水質要求,再生水水質毒性降低,河道底棲動物物種豐度及生物密度也均明顯增加,有效降低再生水補水時可能帶來的生態風險,對保障城市內河活水流動、生態安全具有重要作用[4]。A2/O二級生物處理和人工湖近自然系統能有效降低污水及再生水的生物毒性,并且開放式生態系統可進一步去除在污水處理過程中未被去除的毒性物質,從而改善水質[18](表3)。

表3 再生水深度處理技術比較分析

4 問題及建議

4.1 問題

a)再生水水質監管標準需提升。目前,現有的再生水利用水質標準覆蓋面不全面,水質分級標準缺失,污水處理廠排放標準、水環境質量標準和再生水生態環境利用水質標準之間統籌與協同不夠。同時,不同再生水廠的水源和處理工藝差異較大,不同水質再生水適用范圍及使用需求各不相同,再生水廠的水質管理以末端出水口典型水質指標的濃度控制為主,缺乏全流程水質風險識別與過程管控,存在水質管理方法不統一、統籌協調不足等問題[19]。

b)再生水風險評價亟需完善。再生水回用過程中最大的2個風險是人類健康風險和環境污染風險。健康風險評價是分析再生水水體中病原體微生物對人體健康的影響[20-21],環境污染風險是指再生水雖然經過處理,但仍不可避免地有殘存有機物、重金屬、致病微生物、營養鹽及消毒副產物等有毒有害物質[22-24],可能使水體富營養化、污染土地、污染地下水與動植物。目前,中國仍未建立標準的再生水風險評估體系。

c)城市再生水回用規劃和市場投入需增加。《“十三五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》提出,“十三五”期間投入5 644億元用于城鎮污水處理及再生利用設施建設,相比“十二五”期間增加了31.3%。根據《城鄉建設統計年鑒》,“十三五”期間,城市排水管網長度達802 721 km,較“十二五”末增長約48.8%;截至2020年,全國污水年處理量達5 572 782 m3,較“十二五”增長30%;城市污水處理廠2 618座,五年累計新增674座;污水廠處理能力19 267萬m3/d,較“十二五”末增長37.2%。

結合中國歷史再生水利用設施建設現狀及“十四五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設工作分析,增加城市建設規劃和市場投入勢在必行。

4.2 建議

a)健全再生水回用標準規范,指導再生水廠水質管理。突出再生水特點,具有系統性和針對性的發展再生水利用標準制定理論和方法體系,加快制定再生水生態環境利用的技術規范和風險管控標準,推動再生水行業規范化發展。加強再生水水質日常監管,制定合理明確的水質管理目標,并針對不同水源特點及時調整和完善水質管理目標,考慮管網輸配過程中的水質變化。

b)建立再生水風險評價體系。再生水風險評價系統由再生水風險識別、再生水風險評價機制及再生水風險受體三部分組成。通過水質分析,針對不同用途的水體,構建再生水風險評價指標,即健康風險指標和環境風險指標,從而在回用評價的基礎上更清楚地反映出再生水利用的風險性,可以據此有針對性地采用相應的風險管理的措施降低風險水平。

c)增加城市再生水回用建設規劃和市場投入。與現有污水處理廠或規劃的污水處理廠相結合,共用場地或就近建設再生水廠。以現有污水處理廠為基礎,結合污水處理設施提標升級擴能改造,根據實際需要建設再生水生產設施,提升再生水生產能力。加大資金支持再生水供水設施,結合城市綜合管廊建設擴大再生水供水范圍,城市綠化、道路清掃、車輛沖洗、建筑施工、工業生產用水、景觀環境用水等應當優先使用再生水,鼓勵將再生水用于河湖生態補水[25-26]。

5 結論

再生水利用既可提高城市水資源供給能力、緩解供需矛盾,又可減少水污染,保障水生態安全,是推進中國水資源循環利用和生態文明建設的重要措施。目前,中國對再生水回用高度重視,可以預見的是,再生水回用將成為研究熱點,更多的再生水回用工程將開始建設與發展,但目前中國再生水回用仍存在問題,如風險評估體系不完善,高標準再生水處理設備伴隨而來的高費用制約了部分再生水回用途徑等。各地方更應結合實際情況,因地制宜,充分發揮再生水回用優勢,形成節能低碳的城鎮污水收集處理及資源化利用新格局。