再生水回用现状及展望

郭星星 ,罗 欢,2* ,李 宁

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510610;2.广东省河湖生命健康工程技术研究中心,广东 广州 510610)

《2020中国水资源公报》显示,中国人均水资源量为2 257 m3,仅为世界水平的1/4,是全球人均水资源贫乏的国家之一[1]。目前,中国年用水总量已经超过6 000亿t,660余座城市中,近2/3城市处于缺水状态,水资源供需矛盾日益加剧,2020年京津冀地区80%以上河流出现干涸,水资源已经成为中国社会经济发展的突出瓶颈和约束性资源。再生水(reclaimed water)是指污水或污水处理厂出水经处理后,达到一定水质要求,满足某种使用功能,可以安全、有益使用的水[2],再生水已经成为以色列、美国、日本、澳大利亚等国家城市水资源的重要组成部分,从全球范围来看,预计到2022年,再生水利用量将超过500亿m3/a。

为应对愈发严重的水短缺问题,国家提出“以水定城,以水定地,以水定人,以水定产”基本政策,倒逼节水行动,优化用水结构,提高用水效率。目前,中国所采用的主要措施有跨流域调水、节制用水、雨水蓄用及污水回用[3]。

中国再生水回用资源充沛、市场潜力巨大。据统计,2007—2019年,中国城镇地区再生水利用量从15.9亿m3增加到116.1亿m3,但再生水利用率仅为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达80%[4]。由于城镇内污水水量稳定、水质可控、就地可取,将城镇污水回用是解决区域水资源和水环境问题的双赢途径,已成为国家节水战略的重大需求[5]。开展再生水回用研究对提升城市水资源供给能力,缓解城市用水供需矛盾,保障水生态环境安全,推进生态文明建设具有重要意义。

1 再生水回用政策、法规和标准

1.1 政策及法规

中国再生水回用政策不断发展和完善,1988年,国务院发布《城市节约用水管理规定》,鼓励污水再生利用。此后,政府多部门相继发布《城镇排水和污水处理条例》《关于加快推进生态文明建设的意见》《中华人民共和国水法》等多项政策法规,推进和规范再生水利用。2021年1月,国家发展和改革委员会等十部委联合发布了《关于推进污水资源化利用的指导意见》,明确了中国污水再生利用的发展目标和主要任务,是污水处理进入资源化利用新阶段的重要标志。

各国结合本国经济、社会文化和环境因素等,制定的再生水回用政策和法规各不相同,但都是以保护人类和环境健康为最终目的,为各国规范开展再生水回用系统规划、设计、管理、评价和利用等工作提供了依据和指导(表1)。

1.2 标准

中国已制定了相对应的再生水排放标准应对再生水不同的应用场景和需求。此外,关于再生水处理技术的评价方法、再生水的分级、以及再生水厂的水质监管,中国也都制定了相关的多项国家标准,以保证污水处理技术的进一步完善,确保再生水水质安全。

现行国家标准从污水处理工艺至再生水分级、再到再生水厂的水质监管,直至再生水具体适用场景的管理标准都作出了明确规定,形成一条完整的标准链,确保了再生水利用的安全可行(表2)。

表2 再生水回用相关标准

总体上,中国污水再生利用的标准化工作已取得系列成果,但标准体系仍需进一步完善,如缺少再生水利用效益评价标准,生态环境风险管理标准等。

2 再生水利用途径

再生水用途广泛,可代替常规供水,用于生产、生活和生态。《城市污水再生利用分类》将再生水利用途径分为农、林、牧、渔业用水,城市杂用水,工业用水,环境用水及补充水源水五大类。据统计,至2012年,中国城市污水处理回用途径中,工业利用和景观环境利用是最主要途径,分别占总利用量的45.4%和37.0%,且工业与景观环境回用水量逐年增加,农林牧业和城市非饮用水回用量逐年减少,分别占再生水总利用量的13.7%和3.0%。在全球范围内,农业灌溉用水是主要利用途径,占总利用量的32%,景观灌溉和工业用水分别占总利用量的20%和19%,在城市用水中,城市非饮用水、环境改善用水、休闲用水三项占比均衡,分别占总利用量的8%、8%、7%(图1)。而对于再生水用途中水质要求较高的间接饮用和地下水回补仍占比较少,各占总利用量的2%。但在大型城市中,再生水回用途径多局限于城市景观环境用水,2019年,广州市再生水利用总量4.3亿m3,其中用于城市景观环境用水占比达到99.5%,仅有0.5%用于其他用途;北京市2020年再生水利用量达到12亿m3,景观环境用水的占比也达到92.5%,4.83%用于工业用水[4]。

图1 全球范围内再生水的利用途径(联合国教科文组织2017年数据)[11]

2.1 农业用水

农业方面主要应用于农田灌溉、造林育苗以及畜禽和水产养殖,中国每年用于农业灌溉的水量约为60亿m3[3],再生水用于农业灌溉可以有效缓解北方地区水资源短缺造成的农业用水压力。由于农业灌溉需水量大,在部分国家,农业灌溉已成为再生水回用的重要途径。在美国,62%的再生水用于农业灌溉,日本用于农业灌溉的再生水占8.6%,澳大利亚2000年用于农业灌溉的再生水量占再生水总利用量的82%,而以色列作为水资源严重短缺的国家,再生水总量的85%用于农田灌溉。在中国,由于北方水资源短缺,北京、天津、西安、太原等城市从20世纪开始发展污水回用灌溉,逐渐成为中国主要的再生水农业灌溉区域[6]。

2.2 城市杂用水与工业用水

目前中国城市再生水除农业灌溉外,还用于城市杂用、环境用水和工业用水,其中城市用水主要包括城市绿化、清洁、建筑施工、消防等方面;工业方面主要用于冷却、洗涤、工业和产品用水等方面,工业用水水量大且水质要求不高的特性给再生水的使用开辟了道路;环境用水主要用于娱乐性和观赏性的景观用水以及构建人工湿地,这三类用水对水质的需求相对较低,但考虑到在回用过程中与人直接或间接的接触,再生水的使用标准仍应严格控制。美国和日本的工业用水分别占据了其再生水量的30.0%和21.8%[7]。美国的佛罗里达州和加利福尼亚州的景观用水分别占据前两位,主要用于居民区灌溉和高尔夫球场灌溉[8],而日本则有27%用于景观用水,中国的北京、天津、石家庄等城市通过建立大型污水处理厂将其出水用于景观河道、湖泊的补给水[9]。

2.3 地下水补水

经过深度处理且水质较好的再生水可用于补充地下水,用于生态补水的再生水需经过深度处理,达到补水要求后方可进行排放,以免进一步污染原有地下水。中国在再生水用于补水方面还应用较少,用于地下水回灌的水量仅占总利用量的0.9%[10]。地下水的补充对保障河流水源供给,增加水资源长期储量和季节性调配能力具有重大意义,但由于其较高的水质排放标准对再生水处理过程中的各项技术提出了更高的要求。

2.4 饮用水源地补水

再生水补给饮用水水源可有效增加饮用水的供应,是解决饮用水危机的有效方法之一,但仍存在一定的潜在风险,主要包括水体富营养化,病原微生物,重金属等风险因子危害公众身体健康。再生水补给饮用水在国际上已有超过50年的研究和实践,但主要集中在美国、澳大利亚和新加坡等国家,中国在这方面的理论和实践研究仍较为薄弱。

3 再生水深度处理技术

3.1 污水处理厂再生水深度处理技术

城镇污水处理厂再生水深度处理是指将排入城镇污水系统的污水,主要包括生活污水、工业污水以及城市径流污水,通过一系列的污水处理技术和深度处理工艺,将各类污水回收,从而取代干净的优质原水用于生产系统或生活杂用,做到科学利用、以污代清。

根据污水处理的不同程度划分,目前中国主要的污水处理程度可以划分为一级处理、二级处理、三级处理、深度处理及消毒处理[12](图2)。

图2 污水再生处理系统基本构成和流程

一级处理(机械处理)是通过筛滤法、沉淀法等对污水中不溶性杂质进行筛滤、沉降、预曝气等方法进行去除,来保证二级处理的平稳运行。

二级处理(生化处理)是污水经过一级处理后,再用活性污泥法和生物膜法等进一步去除污水中胶体和溶解性有机物的过程,部分用于农田灌溉的再生水由二级处理辅以消毒工艺产生。

三级处理(控制富营养化和重新回用)是污水经二级处理后采用相关工艺再进一步去除水体中多种有机物、金属离子等污染物的过程,部分用于农田灌溉(蔬菜)、绿地灌溉、城市杂用工业冷却用水等的再生水为二级处理的基础上采用三级处理和消毒工艺产生。

深度处理指在三级处理的基础上,进一步强化无机离子、微量有毒有害污染物和一般溶解性有机污染物去除的水质净化过程。满足更多场景的特定使用需求,逐渐受到人们关注。近年来深度处理工艺中,中国应用典型的再生水处理工艺有膜生物反应器(MBR)工艺、“双膜工艺(微滤+反渗透)”、二级反渗透装置(RO)工艺等。据统计,2012年以后大型MBR项目就主要集中在中国境内[13]。

b)MBR+RO工艺(双膜工艺)。城市污水经曝气沉砂池后,再通过MBR,再进一步经过反渗透装置(RO)和二氧化氯消毒后得到再生水;该工艺中RO装置可以有效去除水质指标中非基本控制指标,且对基本控制指标去除效果也优于MBR工艺,出水满足再生水所有用途的回用标准,是目前最常用的再生水处理工艺。宁波市北区污水处理厂对6×104m3/d再生水采用“双膜工艺”进行脱盐处理[15],为响应宁波市水污染防治行动计划号召,该污水处理厂为周边化工企业提供再生水作为工业用水,部分企业对再生水中氯含量要求较高,因此采用MBR+RO工艺进行污水处理,总出水水质中氯化物含量可降低至70 mg/l。该项目在建设规划时采用了柱式、帘式2种膜,充分利用当地已有建筑并利用地下空间,节约土地资源的同时达到用户用水需求。

c)二级RO工艺,是指在双膜工艺的基础上,再添加一级反渗透装置,即通过过滤和紫外消毒后,在经过微滤(MF),一级RO,调节pH,二级RO,加氯消毒等一系列步骤后得到的再生水,如果对水质有较高的要求可采用更多级RO叠加的处理工艺,该工艺处理后的水质可达到生活饮用水的标准。由于反渗透膜更换成本较高,二级反渗透系统在日常运行过程中应按照正确的操作流程和保养方法对反渗透膜进行清洗和维护,减少对膜组件的更换以降低成本。

消毒处理是再生水生产环节的必备单元,主要方法有液氯、氧气、次氯酸钠、二氧化氯、紫外线、臭氧等技术或其组合技术。其中,臭氧氧化法应用广泛,常作为再生水生产过程中后端的深度处理工艺来去除污水的色度和难降解有机物的有效途径。臭氧因其强氧化性,在污水处理过程中可以生成羟基自由基,具有较高的氧化电位,能有效氧化水体有机物,破坏其分子结构,将其降解为小分子有机物或矿化,提高可生化性,整体反应速度较快,且不具有选择性。

3.2 再生水生态提标净化技术

近年来,为推动建设污染治理、生态保护、循环利用有机结合的综合治理体系,在重点排污口下游、河流入湖(海)口、支流入干流处等关键节点因地制宜建设人工湿地水质净化及河道生态修复等再生水生态提标净化工程设施,对处理达标后的排水和微污染河水进一步净化改善后,纳入区域水资源调配管理体系,可用于区域内生态补水、工业生产和市政杂用。

a)人工湿地水质净化工程。人工湿地水质净化是以污水处理厂尾水等为进水水源,建设人工湿地,提升改造水质。利用土壤、人工介质以及植物和微生物等构建人工湿地,使污染水体在沿一定方向流动过程中,结合物理吸附,化学降解和生物降解等方法来去除水体中的污染等,该方法处理效果稳定,负荷较高,且可间接提供绿化及野生动物栖息地等(图3)。人工湿地出水能够满足生态补水、工业用水、市政杂用水、农田灌溉等再生水利用途径的水质要求,但是人工湿地水质净化工程只承担水质改善任务,不应作为直接处理生产生活污水的治污设施。有研究表明A2/O高效脱氢除磷预处理与人工生态湿地深度处理技术路线,可有效地解决当前尾水回用存在的氨磷不易彻底除去及回用管网投资巨大这两大难题[16],对生态环境保护、可持续发展与循环经济理念推广具有十分重要的战略意义。贵阳综保区都溪河片区使用混合潜流型人工湿地近期规模为5 000 m3/d,通过配置不同类型植物与溶氧浓度,设置6个湿地分区对污水处理厂尾水进行净化,出水水质优于国标一级A标准。成都市西区污水处理厂尾水深度处理采用下流式预埋微生物垂直流人工湿地,通过填充不同类型的填料,搭配专性菌种粉末,进而提高脱氮提磷的效率[17]。此外,在构建人工湿地时需要考虑用户用水需求以及当地地形特点进行设计,传统人工湿地启动慢、易堵塞、占地面积大,可以根据当地地形采用混合或垂直潜流人工湿地进行水质净化。在人工湿地的构建过程中应考虑进水水质以及目标水质要求,人工湿地在处理污染物浓度低且水量巨大的污水处理尾水时,相较于传统处理方法耗能较低,投资较小,但净化能力有限。

图3 人工湿地去除污染物示意

b)河道生态修复工程。河道生态修复措施有利于降低污水厂再生水回用于城市景观水体时可能出现的生态环境风险,对稳定再生水水质的效果明显,研究表明,通过生态修复工程,主要水质指标保持稳定并达到功能区水质要求,再生水水质毒性降低,河道底栖动物物种丰度及生物密度也均明显增加,有效降低再生水补水时可能带来的生态风险,对保障城市内河活水流动、生态安全具有重要作用[4]。A2/O二级生物处理和人工湖近自然系统能有效降低污水及再生水的生物毒性,并且开放式生态系统可进一步去除在污水处理过程中未被去除的毒性物质,从而改善水质[18](表3)。

表3 再生水深度处理技术比较分析

4 问题及建议

4.1 问题

a)再生水水质监管标准需提升。目前,现有的再生水利用水质标准覆盖面不全面,水质分级标准缺失,污水处理厂排放标准、水环境质量标准和再生水生态环境利用水质标准之间统筹与协同不够。同时,不同再生水厂的水源和处理工艺差异较大,不同水质再生水适用范围及使用需求各不相同,再生水厂的水质管理以末端出水口典型水质指标的浓度控制为主,缺乏全流程水质风险识别与过程管控,存在水质管理方法不统一、统筹协调不足等问题[19]。

b)再生水风险评价亟需完善。再生水回用过程中最大的2个风险是人类健康风险和环境污染风险。健康风险评价是分析再生水水体中病原体微生物对人体健康的影响[20-21],环境污染风险是指再生水虽然经过处理,但仍不可避免地有残存有机物、重金属、致病微生物、营养盐及消毒副产物等有毒有害物质[22-24],可能使水体富营养化、污染土地、污染地下水与动植物。目前,中国仍未建立标准的再生水风险评估体系。

c)城市再生水回用规划和市场投入需增加。《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》提出,“十三五”期间投入5 644亿元用于城镇污水处理及再生利用设施建设,相比“十二五”期间增加了31.3%。根据《城乡建设统计年鉴》,“十三五”期间,城市排水管网长度达802 721 km,较“十二五”末增长约48.8%;截至2020年,全国污水年处理量达5 572 782 m3,较“十二五”增长30%;城市污水处理厂2 618座,五年累计新增674座;污水厂处理能力19 267万m3/d,较“十二五”末增长37.2%。

结合中国历史再生水利用设施建设现状及“十四五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设工作分析,增加城市建设规划和市场投入势在必行。

4.2 建议

a)健全再生水回用标准规范,指导再生水厂水质管理。突出再生水特点,具有系统性和针对性的发展再生水利用标准制定理论和方法体系,加快制定再生水生态环境利用的技术规范和风险管控标准,推动再生水行业规范化发展。加强再生水水质日常监管,制定合理明确的水质管理目标,并针对不同水源特点及时调整和完善水质管理目标,考虑管网输配过程中的水质变化。

b)建立再生水风险评价体系。再生水风险评价系统由再生水风险识别、再生水风险评价机制及再生水风险受体三部分组成。通过水质分析,针对不同用途的水体,构建再生水风险评价指标,即健康风险指标和环境风险指标,从而在回用评价的基础上更清楚地反映出再生水利用的风险性,可以据此有针对性地采用相应的风险管理的措施降低风险水平。

c)增加城市再生水回用建设规划和市场投入。与现有污水处理厂或规划的污水处理厂相结合,共用场地或就近建设再生水厂。以现有污水处理厂为基础,结合污水处理设施提标升级扩能改造,根据实际需要建设再生水生产设施,提升再生水生产能力。加大资金支持再生水供水设施,结合城市综合管廊建设扩大再生水供水范围,城市绿化、道路清扫、车辆冲洗、建筑施工、工业生产用水、景观环境用水等应当优先使用再生水,鼓励将再生水用于河湖生态补水[25-26]。

5 结论

再生水利用既可提高城市水资源供给能力、缓解供需矛盾,又可减少水污染,保障水生态安全,是推进中国水资源循环利用和生态文明建设的重要措施。目前,中国对再生水回用高度重视,可以预见的是,再生水回用将成为研究热点,更多的再生水回用工程将开始建设与发展,但目前中国再生水回用仍存在问题,如风险评估体系不完善,高标准再生水处理设备伴随而来的高费用制约了部分再生水回用途径等。各地方更应结合实际情况,因地制宜,充分发挥再生水回用优势,形成节能低碳的城镇污水收集处理及资源化利用新格局。