我国城市污水处理回用现状与发展趋势

李亚娟,曲 炜,2,王 博

(1.北京中水江源地下水保护利用研究所,北京 100053; 2.水利部水资源管理中心,北京 100053;3.新华水利发电有限公司,北京 100053)



我国城市污水处理回用现状与发展趋势

李亚娟1,曲 炜1,2,王 博3

(1.北京中水江源地下水保护利用研究所,北京 100053; 2.水利部水资源管理中心,北京 100053;3.新华水利发电有限公司,北京 100053)

从城市污水处理回用的利用量、政策制度、回用技术等方面梳理我国城市污水处理回用发展现状,提出我国城市污水处理回用存在的问题,即:体制机制不顺,政策法规缺失,资金投入不足,企业经营困难,管网配套不足,政府认识不足,公众参与度低。从城市污水处理回用的市场需求、价格体系、进水水质、出水水质、技术革新及工艺进步五个方面分析我国城市污水处理回用的发展趋势。

城市污水; 回用; 非常规水源; 现状; 趋势

我国正处于工业化、城镇化、农业现代化加快推进的发展阶段,随着全球气候变化影响加大,水资源短缺严重、水环境污染严重、水生态破坏严重等问题日益严峻。全国600多座城市中有近400座缺水,约200座严重缺水,供需矛盾突出。2013年全国总用水量近6 200亿m3,已接近2015年6 350亿m3的控制目标。全国地下水的开采量达到1 100亿m3,已经接近全国平原区浅层地下水的可开采量1 230亿m3,全国地下水超采区总面积22万km2。2013年水功能区水质50.6%未达标。不少地区经济社会发展挤占生态用水,导致河道断流现象严重,湖泊、湿地等敏感水域面积减少,生物多样性锐减,水生态破坏严重。水资源的可持续利用已直接关系到我国社会经济的可持续发展问题,缓解水资源的供需矛盾有多种途径,包括外流域调水、开源节流、污水处理回用等措施。再生水由于其相对稳定的水质和水量可作为城市可靠的第二水源,已成为世界各国在解决水资源短缺问题时的共识[1]。污水处理回用既开辟了一个稳定的新水源,又可减少废水排放造成的环境负荷,对缓解水资源紧缺和改善水环境具有重要的意义[2]。

1 回用现状

1.1 利用量与利用率

根据《2012年度水务管理年报》,截至2012年末,全国城市(县城)年污水处理回用量44.3亿m3,再生水厂503座,再生水生产能力2 166万m3/d,再生水管道总长7 557 km。城市污水处理回用主要用于景观环境、工业生产、农林牧业、城市非饮用水和地下水回灌5个方向,各类用水所占回用量的比重分别为45.4%、37.0%、13.8%、2.9%、0.9%。根据近几年水务管理年报数据,绘制实行水务管理地区的再生水利用量和再生水利用率变化情况图,见图1。《节水型社会建设“十二五”规划》提出了“十二五”期间包括城市再生水在内的非常规水源利用目标:非常规水源利用水平明显提高,北方缺水城市再生水利用量达到污水处理量的25%～30%,南方沿海缺水城市达到10%～25%。从图1中可以看出,我国2012年再生水利用率为19.15%,按照目前的发展速度,到“十二五”期末,再生水利用目标可以基本实现。

图1 实行水务管理地区全国城市再生水利用量和再生水利用率变化趋势

1.2 政策制度

1.2.1 国家政策规划

1996年原建设部出台了《城市中水设施管理暂行办法》,该暂行办法是为推动城市污水的综合利用,促进节约用水,根据国务院批准的《城市节约用水管理规定》及有关国家规定而制定的。2004年国务院办公厅发布《关于推进水价改革促进节约用水保护水资源的通知》(国办发[2004]36号),要求合理确定再生水价格,提出缺水地区要积极创造条件使用再生水,加强水质监测与信息发布,确保安全用水。2008年第十一届全国人民代表大会常务委员会第四次会议通过《中华人民共和国循环经济促进法》,指出“国家鼓励和支持使用再生水。在有条件使用再生水的地区,限制或者禁止将自来水作为城市道路清扫、城市绿化和景观用水使用”[3]。2011年以来出台了《“十二五”节能减排综合性工作方案》、《“十二五”全国环境保护法规和环境经济政策建设规划》、《关于加快水利改革发展的决定》、 《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》、《“十二五”节能环保产业发展规划》、《“十二五”节能减排规划》、《流域水污染防治规划(2011—2015年)》等多个方案、纲要、意见、规划等文件,多次强调了对再生水利用事业的推进,明确了国家继续大力发展再生水的政策方向。

1.2.2 地方政策规划

再生水发展较快的城市主要是北方严重缺水型城市,比如北京市、天津市等。北京市出台的再生水相关政策规划有:《北京市中水设施建设管理办法》、《关于加强中水设施建设的通告》、《关于加强建设项目节约用水设施管理的通知》、《北京市排水和再生水管理办法》、《北京市“十二五”时期环境保护和建设规划》、《北京市排水和再生水设施运行暂行规定》。天津市出台的再生水相关政策规划有:《使用新型水源暂行办法》、《天津市节水型企业(单位)标准》、《免缴污水处理费的单位认定暂行办法办法》、《住宅中中水供水系统建设规定》、《天津市节约用水条例》、《天津市城市排水和再生水利用管理条例》、《节水型居民生活小区标准》、《居民生活小区节水型用水器具改造规划》、《天津市住宅及公建再生水供水系统建设管理规定》、《天津市“十一五”水污染防治实施方案》、《中共天津市委市政府关于贯彻落实<中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定>的实施意见》,等。

1.2.3 行业管理体制

水利部2008年“三定”方案中,水利部内设机构水资源司具有“指导饮用水水源保护、城市供水的水源规划、城市防洪、城市污水处理回用等非传统水资源开发的工作”职责。截至2012年底,全国已组建水务局或承担水务职能的水利局有1 923个。其中,省级(副省级)11个,地级263个,县级1 649个。承担污水处理回用职能的水务局或水利局有478个。同时,再生水行业属于环保水处理行业的子行业,环保水处理行业主管部门是国家环境保护部,污水处理城市基础设施建设内容受城乡建设主管部门的管理。横向来看,再生水行业按照应用领域的不同,受到各个行业的分类监管。纵向来看,依据国务院各部门分工和《水法》、《水污染防治法》、《环境保护法》、《城市规划法》的规定,采取分级和分部门管理体制。

1.3 处理技术

再生水处理工艺大致可分为以物化处理为主的“老三段”工艺,以超滤、微滤和反渗透膜技术为主的“膜处理”工艺。其中,“膜处理”工艺又可分为以超滤或微滤为主的“单膜”工艺、以超滤或微滤+反渗透的“双膜”工艺和以污水为水源的“膜生物反应器”工艺[4]。

1.3.1 老三段处理工艺

“老三段”处理工艺的主要流程是:城市污水处理厂出水+混凝、沉淀或澄清或微絮凝+过滤+消毒。处理工段包括:进水泵池、混合反应池、沉淀池、滤池、清水池、送水泵站。此工艺可有效地去除二级出水中残留的悬浮态和胶态固体物质,使水中浊度大大降低,并能使水中的SS、浊度、BOD、COD、磷、重金属、细菌及病毒的浓度进一步降低。但对凯式氮或氨氮基本上没有去除作用,且针对较高的总溶解性固体处理功能较差。

“老三段”工艺再生水厂投资约为1 000～1 500元/(m3·d),水处理总成本约为1元/m3,与“膜处理”工艺相比较,投资较小,工艺简单,技术成熟,便于操作,但占地面积大,基建成本高。从回用目的来看,传统的“老三段”工艺处理后的再生水回用于工业和城市杂用较多,少部分回用于景观环境。

1.3.2 单膜工艺

“单膜”工艺的主要流程是:城市污水处理厂出水→化学絮凝+沉淀+微滤或超滤,处理工段包括:进水泵池、混合反应池、沉淀池、膜过滤装置、清水池、送水泵站;该处理工艺与传统“老三段”处理工艺相比,工艺运行稳定可靠,处理后的再生水可以满足非饮用水,单膜工艺再生水厂投资约为2 000～3 000元/(m3·d),水处理成本约为1.5～2.5元/m3,单膜处理工艺无论是投资还是制水成本都较高。目前已应用于居民冲厕、工业冷却循环水、景观环境用水等。微滤或超滤前增加沉淀工段,可以延长膜的过滤周期,增加产水量并延长膜的寿命。微滤或超滤几乎能去除所有的原生动物孢囊、SS、细菌、部分病毒和总溶解性固体。在去除SS之外,微滤或超滤膜能截留大的有机分子,提高难降解化合物如油脂或乳化油的生物降解性,但是脱盐功能不如“双膜”工艺。应用中,考虑膜的使用寿命,对各种清洗药品的品质、浓度要求十分严格,上游来水变化,尤其是SS、氮、磷的波动对微膜或超滤膜的反冲洗、药洗频率与效果及产水水质有很大的影响,而这些指标很大程度依赖于污水厂的处理工艺,因此,回用工艺与污水处理工艺之间建立联动运行机制十分必要。

1.3.3 双膜工艺

“双膜”工艺的主要流程是:城市污水处理厂出水→化学絮凝+微滤或超滤+反渗透。处理工段包括:进水泵池、混合反应池、微滤或超滤装置、反渗透装置、清水池、送水泵站;将微滤或超滤代替传统的“老三段”处理工艺作为反渗透的预先处理工段,可以节省占地,提高预处理的可靠性,从而使得反渗透系统运行的可靠性大大提高。目前该处理工艺已经在国内得到应用,运行结果表明经过该工艺处理的再生水水质较高。

现有再生水处理工艺中“双膜”工艺出水水质较优,但其投资和运行费用也最高,未来几年运行成本有下降的趋势,但下降的空间有限。从目前研究来看,“双膜”工艺出水水质并非完全没有生态安全性的担忧。针对目前大量兴建的工业园区再生水回用,“双膜”工艺将依托占地省、受水质水量波动小、可处理高含盐量水质的特点,会有非常好的应用前景。双膜工艺再生水厂投资约为2 630～4 950元/(m3·d),水处理成本约为1.9～5.3元/m3。总体来看,“双膜”处理效果是最好的,但投资最高,且膜污染、膜寿命有限、产生浓水等问题也不容忽视。

1.3.4 膜生物反应器

膜生物反应器 (MBR)是通过膜强化生化反应的水处理新技术。MBR工艺出水水质较为稳定,出水水质一般好于GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A,可达到地表水四类标准。但是目前超过5万m3/d以上的项目并不适用于MBR工艺,其存在污堵、大量污水外排的风险,且规模过大,运行电耗成本将更加凸显,很难控制。MBR的主要特点是:MBR工艺再生水厂投资约为2 000～3 000元/(m3·d),水处理成本约为1.3～1.5元/m3。MBR工艺中膜投资约占总投资的2/3,膜寿命长短直接关系到系统投资和运营成本,从而影响项目生命周期的财务平衡;膜污染是膜技术应用中面临的关键问题,它将影响膜的稳定运行,决定膜的清洗周期和更换频率,膜污染被认为是影响MBR工艺经济性的最主要原因。

2 存在问题

2.1 体制机制不顺,政策法规缺失

虽然2008年国务院部门“三定”规定明确赋予水利部指导城市污水处理回用等非传统水源开发利用职能,但在全国已组建水务局或承担水务职能的水利局中具有污水处理回用职能的水务局或水利局仅占25%,其余城市仍由城建或环保部门管理,导致城市污水处理回用中央与地方管理体制不一致、政出多门等问题。如前所述,目前,我国出台了若干与再生水有关的政策,已出台的相关政策文件大多以宏观的“鼓励”、“大力发展”措辞为主,除再生水企业纳入资源综合利用范围免征增值税外,还没有出台针对污水处理回用操作性强的优惠政策和扶持措施,也没有一部综合的、能调节各方利益的再生水法规。对再生水企业的引导、鼓励、支持以及优惠政策未能落到实处,城市污水处理回用发展仅靠供需方的市场行为很难获得快速发展,再生水资源不能发挥应有的社会效益。同时在缺乏系统规范的行业监管的情况下,容易造成水体污染事件发生,不利于城市污水处理回用事业的健康发展。

2.2 规划未落实,标准规范不完善

目前,国家层面出台的多个规划中多次提及推进城市污水处理回用,但尚未建立国家层面的城市污水处理回用规划,已编制规划的部分城市规划相关内容也未得到落实,大多数城市尚未将再生水纳入水资源统一配置。颁布的再生水相关的标准仅有前建设部出台的5类回用对象的城市污水处理回用标准和水利部颁布的再生水水质标准,而其他的设计、施工、运营、监测等相关标准规范参考自来水和污水对应标准,没有专门针对再生水利用的相关标准。

2.3 资金投入不足,企业经营困难

城市污水处理回用设施建设和运营具有投资大、运营成本高、回收期长的特点。目前,再生水投资主要由政府资本金注入或银行贷款构成,社会资金参与程度偏低,由此导致再生水项目资金投入有限。另外,再生水水价较低,不足以维持再生水企业成本,企业负担较重,同样制约着再生水的推广和应用。

2.4 管网配套不足,买卖双方管线未通

管网设施的建设是推广利用再生水的必要条件。目前,再生水利用设施以及管网等配套设施没有长远规划和超前布局思路,市政道路建设没有预留再生水管线线路,致使后期再生水管网铺设存在费用较大、总体审批困难、审批周期过长等情况,从而进一步导致厂、网分离或不能同步实施的现象。管网配套不足已成为各省市再生水推广的一大瓶颈。

2.5 政府认识不足,公众参与度低

目前,我国城市污水处理回用宣传不到位,体现在两个方面:一是宣传力度不够,虽然再生水水质达到国家标准要求,且已用于工业冷却、农业灌溉、景观河道补水等方面,但因其源水是污水,人们在使用安全上仍存有疑虑;二是宣传对象单一,大量的宣传工作是针对民众的宣传和教育,忽略对政府官员的宣传。

3 发展趋势

再生水利用行业发展趋势主要有五方面影响因素:市场需求、价格体系、进水水质、出水水质、技术革新及工艺进步。

从再生水目标市场方面来看,据城市污水处理回用供需分析研究报告测算,到2020年,我国城市污水处理回用需求将达282亿m3/a,其中工业回用需求172亿m3/a，生态补充水回用需求101亿m3/a[5]。《“十二五”城镇污水处理及再生利用规划》指出,“十二五”我国再生水计划新增设施能力2 500万～2 600万m3/d,即91.25亿～94.9亿m3/a。在工业回用需求中,根据回用量、水质要求、技术经济性、政策倾向性等综合考虑,火电厂循环冷却水源水将是最大工业回用需求用户。

从价格体系方面来看,2007年31个省会城市和直辖市居民用水自来水平均单价为1.61元/m3(不含污水处理费),工业用水平均单价为2.19元/m3(不含污水处理费),2011年居民用水自来水平均单价为1.88元/m3(不含污水处理费),工业用水平均单价为2.70元/m3(不含污水处理费),5年内居民用水价格涨幅为18%,工业用水价格涨幅为23%。可以看到居民用水自来水价格与再生水价格(目前约在1元/m3左右)落差不是很大,而且居民使用再生水会涉及到居民接受程度及管网铺设等问题,价格仅是一方面的因素。若工业用水以30%的涨幅计算,到2020年工业用水价格上涨到6元/m3(不含污水处理费)的城市有昆明、长春、石家庄、宁波、上海、济南、杭州、西安、太原、青岛、大连、苏州、宝鸡等城市,可见,工业供水价格与再生水价(1元/m3)落差较大,且工业用户水质要求低且需求量大,再生水用于工业回用有很大发展前景。

从污水处理回用的原水来看,针对火电厂循环冷却水这一最大市场,对于原水为GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准,石灰凝聚澄清过滤工艺将会有一定竞争优势。对于达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A的原水,混凝、沉淀、过滤工艺或者微絮凝、过滤工艺将具有应用前景。对于GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级标准的原水,BAF及MBR生化脱氮工艺以及臭氧——活性炭物化脱氮工艺将具备应用前景,另考虑BAF和MBR受温度影响较大,其在北方地区的应用需慎重选择。

从污水处理回用的出水来看,未来几年我国再生水应用的两个主要目标市场是工业用水和景观生态用水,两种再生水回用控制的关键指标分别为氨氮、溶解性总固体等,对于目前单一的消毒技术基本可满足回用需求,未来氯消毒在工业循环冷却用水中仍具备一定的技术可行、经济合理的推广优势。但面对城市杂用、农业用水、地下回灌使用再生水,氯消毒在技术上并不能完全满足要求,虽然目前二氧化氯、臭氧消毒都已经有一定工程应用,但应用数量仍不多,不能足以证明其可靠性,因此单一消毒技术不可能完全取代氯消毒[6]。

从技术革新及工艺进步方面来看,随着膜材料、膜组件的革新和与其他工艺的流程优化,膜技术将会发挥出更大的作用和应用前景。MBR工艺适用于土地资源紧张、出水水质要求高(高于工业循环冷却水,可达到工业供水等水质如工业园区等)、环境敏感区域,另外针对火电厂原水为GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级标准,凭借其生物脱氮能力具备应用前景,并根据目前MBR项目的工程效果,推荐最佳的规模控制在5万m3/d以下[7];双膜法可以达到各类出水标准,会有非常好的应用前景;超滤/微滤在城市杂用、生态补水方面都具有更广泛的应用前景;超滤/微滤膜可作为原有砂滤池的改造工艺,以及作为反渗透膜的前处理,也是其未来应用的一个重要方向。

4 结 语

城市社会经济的快速发展,导致人口不断增长、工业生产规模不断扩大,致使我国水污染及水资源短缺问题日益严峻。国内外经验表明,城市污水处理回用是开发新水源、解决水污染、改善生态环境和解决城市水资源短缺的有效手段之一[8]。城市污水处理回用涉及政策、法规、技术、经济等方面的问题,是一个复杂的系统工程。国家和地方应制定相应激励政策,根据不同地区的具体情况采取最适合的回用工艺和途径,把再生水作为资源纳入水资源统一配置体系[9]。尤其对于北方资源缺水型地区,应该抓住时机,充分利用最严格水资源管理制度、水生态文明建设以及节水型社会建设的良好时机,提高城市污水处理回用率,促进经济社会和环境的和谐发展。

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李亚娟(1980—),女,河北邢台人,高级工程师,主要从事水资源管理研究。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 编辑：陈玉国)