哈爾濱市再生水利用與配置研究

郭洪聰,王立權(quán),滕 云,董 鶴,王姊怡,楊建武

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學(xué)研究院,哈爾濱 150080)

1 概 述

非常規(guī)水資源中的再生水利用與配置,是關(guān)乎保護傳統(tǒng)水資源,緩解缺水地區(qū)、水資源污染嚴重地區(qū)用水問題的重要措施。為貫徹落實水利部等多部門印發(fā)的《典型地區(qū)再生水利用與配置試點方案》,哈爾濱市借鑒國內(nèi)外再生水利用與配置技術(shù)先進經(jīng)驗,結(jié)合本地特點,建立科學(xué)、適用、成熟的再生水利用配置模式,提高再生水與傳統(tǒng)水資源的利用比率,緩解水資源供給不足的壓力,達到節(jié)約保護傳統(tǒng)水資源、改善水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的目的,以此促進環(huán)境友好型社會的建設(shè)。同時,建立再生水利用配置試點,為其他地區(qū)提供先進經(jīng)驗［1］。

目前,許多學(xué)者對再生水利用進行了相關(guān)研究。在此基礎(chǔ)上,本文采用TOPSIS模型,對再生水資源的配置進行研究,并對影響再生水資源配置的因素進行評價。

2 哈爾濱市水資源現(xiàn)狀

2.1 城區(qū)水資源現(xiàn)狀

哈爾濱位于黑龍江省中南部,屬松花江水系,哈爾濱市水資源含量較其他省會城市豐富。哈爾濱域內(nèi)松花江干流長約466km,拉林河、阿什河等22條主要支流總長約2 021km;全市擁有紅星水庫、西泉眼水庫等各類型水庫197座。根據(jù)資料顯示,哈爾濱多年降雨619.11mm、平均地下水資源30×108m3、平均地表水資源99.2×108m3［2］。近年來,該地區(qū)出現(xiàn)了降雨減少,且因氣候變暖原因而導(dǎo)致地表水蒸發(fā)量增加;地下水過度采用;水資源浪費現(xiàn)象突出;污染程度加劇;哈爾濱域內(nèi)自產(chǎn)水較少,過境水較為豐富;水資源空間分布不均勻等嚴峻問題。因此,大力推廣再生水資源,合理規(guī)劃再生水資源的配置顯得尤為重要。見圖1、圖2。

圖1 哈爾濱水系分布

圖2 哈爾濱2010-2020年降雨量

2.2 城市污水處理廠

《哈爾濱市城鎮(zhèn)污水治理實施方案》對哈爾濱區(qū)域內(nèi)22個重點鎮(zhèn)應(yīng)當(dāng)具備的污水收集處理能力進行了規(guī)定;且城市的污水處理率應(yīng)達到95%,縣城的污水處理率應(yīng)達到85%。截至2019年,哈爾濱市已有11家污水處理廠,處理污水能力140×104t/d。經(jīng)預(yù)計,哈爾濱的污水處理廠將達到19家,屆時污水處理能力將得到極大提升。

現(xiàn)有污水處理廠位于文昌、太平、何家溝、松北集樂、信義溝、巴彥縣、木蘭縣、通河縣、賓縣、依蘭縣、方正縣。由衛(wèi)星地圖可知,污水處理廠多建在河流沿線,地勢較低,布局合理,有利于就近利用,方便處理后的污水就近排出,極大地減少了經(jīng)濟消耗。哈爾濱市污水處理廠分布見圖3。

圖3 哈爾濱污水處理廠分布衛(wèi)星圖

根據(jù)《哈爾濱再生水利用管理辦法》,再生水主要用于綠化灌溉、沖廁、車輛清洗、工業(yè)等方面。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范標準,如《城市污水再生利用分類》(GB/T 18919-2002)、《再生水回用于景觀水體標準》(CJ/T 95-2000)、《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)等,哈爾濱市污水處理廠全部達到一級B以上排放標準,達到規(guī)范要求的等級。

現(xiàn)以文昌污水處理廠為例,對其出水水質(zhì)及其再生水的利用與配置進行分析研究。文昌污水處理廠是哈爾濱市首座污水處理廠,地點位于哈爾濱市道里區(qū)井街53號,規(guī)劃占地面積58.5×104m2［3］。毗鄰松花江與阿什河,地理條件優(yōu)越,既適合河流補給,也適合將再生水輸送用于市政與工業(yè),極大降低了運輸成本,經(jīng)濟效益明顯。文昌污水處理廠分為三期工程,現(xiàn)階段均已投入使用。一期工程對污水進行一級處理,二期、三期工程對一期工程產(chǎn)出的一級處理出水進行二級處理,污水處理工藝各有其特點,出水水質(zhì)均達到一級A水平標準。文昌污水處理廠流程圖見圖4。

3 再生水利用潛力分析

哈爾濱再生水主要用于市政中的城市綠化灌溉、沖廁、道路清掃、車輛沖洗;工業(yè);景觀用水。各項用水量計算如下。

3.1 市 政

1)綠化用水。根據(jù)哈爾濱人民政府公報,截至2020年,哈爾濱市綠化總面積為16 184hm2(161 840 000m2)。由于哈爾濱市自然降雨量較為充足,按照每平方米用水160L、澆水時間段集中在4-10月份共7個月、再生水利用率65%計算,共計用水量161 840 000×160×65%=1 683 136×104L=1 683.136×104m3。見圖1。

2)沖廁用水。根據(jù)哈爾濱統(tǒng)計局公報,2021年常駐人口988.5萬人,沖廁用水定額依據(jù)《城市居民生活用水量標準》(GB/T 50331-2002),取35L/人［4］,再生水利用率為30%,共計用水量988.5×35×365×30%=3 788 426.25×104L=3 788.426×104m3。

3)道路澆灑用水。根據(jù)人民網(wǎng)黑龍江頻道公報,哈爾濱市道路總面積6 484hm2(64 840 000m2),用水定額按照相關(guān)標準為每平方米路面每日0.5L,再生水利用率為85%;由于哈爾濱市降雨充足,按照一年道路灑水150d,則共計用水量64 840 000×0.5×150×85%=413 355×104L=413.36×104m3。

圖4 文昌污水處理廠流程圖

表1 哈爾濱市政再生水利用潛力

4)車輛清洗用水。根據(jù)生活報統(tǒng)計,哈爾濱機動車數(shù)量約226×104輛,平均每車每次用水50L;由于清洗車輛對水質(zhì)沒有較高要求,再生水利用率為85%,按照一個月洗一次車計算,則車輛清洗用水量85%×2 260 000×0.05×12=115 206×104L=115.26×104m3。

3.2 工 業(yè)

冷卻用水:根據(jù)百度搜索,截至目前,哈爾濱共有23 276家工廠,主要用水工廠有化工廠和熱電廠。其中,化工廠有4家,分別是哈爾濱市石油化工廠、哈爾濱市石油化工八廠、哈爾濱石油化工分公司、哈爾濱化工七廠分廠;熱電廠有哈爾濱華能、中國華電集團哈爾濱發(fā)電廠、華電哈爾濱熱電廠等。根據(jù)生活報統(tǒng)計,哈爾濱工業(yè)用水2×108m3。由于工廠連接再生水輸送管道較為方便,其再生水利用率較高,按照再生水利用率為85%計算,工業(yè)冷卻用水總量2×108×85%=1.7×108m3。

3.3 景觀用水

冰雪大世界作為冰城哈爾濱著名景點,每年制作冰雕景觀都需要大量冰塊,這些冰雕作品融化后約有8×104m3,相當(dāng)于53個50m×25m×1.2m的游泳池含水量。據(jù)統(tǒng)計,2017年哈爾濱市需冰量為39.19×104m3,加上路途損耗,總需冰量39.58×104m3,融化成水約為39.58×104m3×0.9=35.622×104m3。取冰大部分來自松花江,可將再生水用于松花江的補給,按照再生水利用率為90%計算,景觀用水量可達35.622×104m3×90%=32.06×104m3。

3.4 再生水利用總潛力

見表2。

4 國外研究現(xiàn)狀

4.1 澳大利亞再生水利用現(xiàn)狀及經(jīng)驗

劉俊含［5］在研究中提出,澳大利亞地處亞熱帶高氣壓帶,是世界第二干旱地區(qū);澳大利亞人口正在迅速增加,人均用水量顯著減少;水資源時空分布嚴重不均,且2006年遭受千年一遇的大旱。因此,提高再生水資源利用率顯得尤為重要。

表2 哈爾濱市再生水利用總潛力

澳大利亞是世界上最先一批進行污水再生利用健康和環(huán)境風(fēng)險評估的國家,相關(guān)政策法律較為完善。在《國家水質(zhì)管理策略》框架下,相繼頒布《健康和環(huán)境風(fēng)險管理》《再生水補給飲用水水源》《地下水回灌》《雨水收集與利用》一系列國家標準。此外,還提出再生水風(fēng)險評價和管理方法,對水體微生物指標、污水處理技術(shù)、再生水運輸和儲存等都進行了具體要求。在總的政策體系之下,全國各地區(qū)又進行了具體要求,以保證政策的適用性。

4.2 美國加州再生水利用現(xiàn)狀及經(jīng)驗

陳衛(wèi)平［6］在研究中指出,美國再生水利用與配置科學(xué)研究在世界上名列前茅,而加州更是美國各州中的佼佼者。加州政府從排放的污水水質(zhì)、污水處理技術(shù)、不同等級的再生水用途、再生水廠設(shè)備、再生水運輸系統(tǒng)管網(wǎng)到再生水利用終端,都有著具體的規(guī)范和嚴格的監(jiān)督,真正實現(xiàn)了從污水到可利用再生水的從頭至尾的全鏈條嚴控把關(guān)。

4.3 日本再生水利用現(xiàn)狀及經(jīng)驗

陸慧閩等［7］在對日本再生水技術(shù)研究中發(fā)現(xiàn),日本水資源總體來說較為豐富,但時空分布不均,降雨季節(jié)分布不均;日本陸地面積極小,地勢陡,河道短,難以蓄水;加上日本老齡化嚴重,人口集中分布,造成供水壓力巨大的問題。但其在污水處理與再生利用的信息統(tǒng)計、收集、分類方面較為先進,且日本致力于高效節(jié)能的再生水處理技術(shù)的研發(fā),此類經(jīng)驗值得借鑒。

5 再生水配置方案

5.1 再生水資源配置的主要影響因素

目前,城市再生水主要用于市政、工業(yè)、景觀,而針對不同方面的再生水利用也存在多種要求。美國學(xué)者對于再生水在不同用途中,制定了相應(yīng)的工藝處理要求。其研究表明,二級處理出水經(jīng)消毒后的再生水,不僅可以用于農(nóng)業(yè)灌溉,還能作為V類水體的河湖補給,也能作為部分工業(yè)企業(yè)的冷卻機器用水;二級處理后的再生水經(jīng)過“混凝-過濾-消毒”的深處理工藝后,可用于工業(yè)、市政雜用,也能作為IV類河湖補給。除規(guī)范要求之外,在對于再生水進行配置時還應(yīng)考慮經(jīng)濟、民意等社會效應(yīng)。本研究利用TOPSIS法,對不同影響因素進行綜合研究,計算出各再生水利用方式所占比例,力求最優(yōu)再生水配置方案。

5.2 TOPSIS法計算權(quán)重

本研究主要考慮經(jīng)濟效益,計算各項目再生水創(chuàng)造經(jīng)濟直接產(chǎn)值或帶來的間接效益(經(jīng)濟正效益)。

城市綠化:每1km2的綠化會使房價上漲5%,哈爾濱平均房價為12 053元,已知哈爾濱住房建筑周邊綠化面積平均約為165.2m2,哈爾濱共計約988.5萬人,人均住房面積按照41.76m2,所帶來的經(jīng)濟效益約為165.2×10-6×12 053×5%×9 885 000×41.76=410 972 126元。

沖廁:哈爾濱用水單價為2.4元/m3,所帶來經(jīng)濟正效益為37 884 260×2.4=90 922 224元。

車輛清洗:哈爾濱用水單價為16.40元/m3,所帶來的經(jīng)濟正效益為1 152 600×16.4=18 902 640元。

道路清掃:按照10元/m2計算,所帶來的經(jīng)濟正效益為4 133 600×10=41 336 000元。

工業(yè)用水:根據(jù)網(wǎng)絡(luò)公報,哈爾濱工業(yè)總產(chǎn)值為2 224億元。

景觀用水:根據(jù)哈爾濱人民政府公報,哈爾濱旅游業(yè)總產(chǎn)值為1 105.7億元。見表3。

表3 TOPSIS分析評分

6 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)政府和企業(yè)的公開性文件和CNKI。

7 結(jié) 論

1)作為東北老工業(yè)城市,哈爾濱市工業(yè)再生水利用潛力巨大,同時所帶來的經(jīng)濟效益也是極其雄厚的;哈爾濱被譽為“冰城”,每年關(guān)于冰雪項目的旅游業(yè)產(chǎn)值也是巨大的。再生水在城市的利用,是基于綠色發(fā)展理念上對水資源的節(jié)約保護,在配置方案的制定中,最應(yīng)優(yōu)先考慮的是其經(jīng)濟效益。通過上述研究發(fā)現(xiàn),再生水在各方面的利用中,所帶來的經(jīng)濟效益由高到低依次為工業(yè)、景觀用水、綠化灌溉、沖廁、道路清掃、車輛沖洗,且工業(yè)與景觀所帶來的經(jīng)濟效益大幅度領(lǐng)先。因此,哈爾濱可著重考慮將再生水資源優(yōu)先配置于工業(yè)用水和景觀用水,有利于城市經(jīng)濟的發(fā)展。

2)我國再生水研究起步較晚,哈爾濱可借鑒澳大利亞關(guān)于再生水的法律制度體系,努力完善與再生水利用與配置相匹配的法律法規(guī),加強對再生水利用健康與環(huán)境風(fēng)險評估,完善相關(guān)國家及地方標準,使其更加適用。借鑒美國加州對再生水全鏈條、全方位的監(jiān)管體系,形成一個完善的再生水利用管理體系,將再生水的利用與配置作為戰(zhàn)略性計劃納入地區(qū)水資源管理,積極進行再生水利用影響評估,制定合理的管理方案,以確保再生水的安全使用。借鑒日本對污水處理和再生水信息的搜集、統(tǒng)計、分類等理念與方法,積極研發(fā)新技術(shù)、新設(shè)備,努力發(fā)展我們自己的再生水利用與配置技術(shù)。

3)哈爾濱市城市再生水利用潛力巨大,污水處理廠出水水質(zhì)良好,均已達到一級B水平標準,且污水處理量大;大都修建在河湖邊上,地理位置得天獨厚,不僅方便處理后的水直接排入河湖進行水資源補給,也可經(jīng)過管道運輸進行市政、工業(yè)等方面的配置。

因此,哈爾濱應(yīng)抓住機遇,加大政府引導(dǎo)力度,對再生水進行科學(xué)管理,大力推進再生水利用工作,使哈爾濱在再生水利用方面取得顯著成果,爭作先進試點,為全國其他地區(qū)提供先進經(jīng)驗,實現(xiàn)水資源循環(huán)高效利用,推動綠色發(fā)展。