日本再生水利用介绍及前沿研究进展

齐啸缘,贺 凯,2*,于海霞,刘丙军

(1.中山大学土木工程学院,广东 珠海 519082;2.广东省环境资源利用与保护重点实验室,广东 广州 510640)

随着人口增长和经济的快速发展,人类社会对水资源的需求正在急剧增加,然而由于世界水资源量的不足以及气候变化所带来的不利影响,全球仍然面临着严峻的缺水问题。与自然水资源相比,再生水具有量大稳定、取水便利、不受气候条件约束等优点,若将城市污水经过适当处理再生回用后,能够在很大程度上缓解全球水资源短缺的情况[1]。2015年,联合国可持续发展峰会提出了17个可持续发展目标,第六条“到2030年确保人人都能享有水和卫生设施”(SDG6)中“到2030年提高水质,以及在全球范围内大幅增加安全再生水的回用(目标6.3)”和“到2030年,加强国际合作,支持再生水利用技术方面的人力资源开发(目标6.A)”[2]也明确体现出再生水回用的重要性。

日本位于亚洲季风区的东部边缘,是世界上较潮湿的地区之一,年降雨量约1 697 mm,是全球(陆地)降雨量约1 171 mm的1.4倍。但是由于国土面积狭窄,日本人均年降雨量约为5 000 m3/(人·a),仅为世界平均水平(20 000 m3/(人·a))的四分之一[3]。并且,降雨、天然水资源的不均匀分布以及人类活动更加剧了日本脆弱地区的缺水状况。例如,在冲绳、四国和关东地区,地表水和地下水供应不足,干旱等极端天气频发,水资源的供需矛盾突出。水的循环利用是克服缺水和提高生产力的重要手段之一。日本大规模使用再生水的历史可以追溯到1980年,福冈市为了应对1978年的异常干旱而全面开展污水再生利用工作[4]。经过40多年的发展和日本政府的大力引导,日本已经制定较为完善的再生水利用体系,包括制度、政策、规范等。本文对日本再生水利用的总体情况、相关政策标准、再生水利用实例以及研究现状加以梳理和总结,为中国再生水的发展提供一定的参考和借鉴。

1 日本再生水标准现状

在国际再生水领域,为了促进再生水技术和系统的国际标准化,日本于2013年6月成立水的再利用技术委员会(ISO/TC282),旨在制定再生水使用的相关国际标准以及评估膜处理技术的可靠性,加强优势技术的国际竞争力。

TC282由4个分委员会组成:“SC1处理后的污水回用于灌溉”“SC2城市地区的再生水回用”“SC3再生水回用系统的风险和性能评估”“SC4工业用水回用”。其中,由日本担任主席的TC282/SC3分委员会制定了多项标准,第一工作组/WG1(健康风险)制定的ISO20426(非饮用水再利用的健康风险评估和管理指南)和ISO20469(再生水回用水质等级分类指南)已于2018年作为ISO标准发布。ISO20426的框架见图1。

为了能够正确地评价再生水处理技术的特性,确保再生水处理技术的特点和效益得到重视,第二工作组/WG2(性能评估)制定了较为重要的再生水性能评价标准(ISO20468),该评价标准共包含8个部分,分别是:ISO20468-1(一般概念)、ISO20468-2(基于温室气体排放的再生水生产系统性能评估方法)、ISO20468-3(臭氧处理工艺)、ISO20468-4(紫外线消毒)、ISO20468-5(膜过滤)、ISO20468-6(离子交换)、ISO20468-7 (加速氧化法)和ISO20468-8(基于全生命周期成本的再生水生产技术评估)。其中,ISO20468-1标准的概要见表1。

表1 ISO20468-1标准概要

作为再生水处理技术的性能要求以及保证人体健康,处理工艺中去除病原微生物的能力需引起足够的重视,这些被定义为 “功能性要求”,并需要始终满足标准。如果无法满足,责任主体必须立即采取纠正措施或关闭再生水利用系统。另一方面,从可持续发展的角度来看,除了关注水质和健康安全以外,还应考虑生态效率,如减少能源消耗和废弃物产生,因此ISO20468-2第二部分从温室气体排放的角度评估了再生水处理系统的环境性能。生态效率被认为是一种“非功能性要求”,并且与功能性要求不同的是,即使无法满足标准,无须立即采取纠正措施或停止再生水供应,可以通过持续的改进以满足要求[5]。

2 日本再生水利用概况

污水再生水和雨水的利用,可以减少正常情况下对地表水和地下水的依赖,有效保护水资源;在发生地震、干旱等灾害时还可作为紧急用水,缓和自来水供应不足的问题。雨水和再生水作为一种稳定的水资源,如果对其加以科学的管理利用,可对社会的可持续发展作出贡献,产生一定的环境和经济效益。

2.1 污水再生利用状况

根据日本国土交通省下水道部调查结果,日本全国约2 200个污水处理厂年总出水量约146.4亿m3/a(2018年底数据)[3]。日本污水处理厂的污水处理工艺可分为一级、二级和深度处理3种,一级处理主要为絮凝沉淀法,二级处理工艺包括A2/O、AO、SBR和传统活性污泥法等生化处理工艺,深度处理以膜过滤为主。其中,与中国类似,二级处理是日本污水处理厂最主要的处理工艺,出水量约为102.9亿m3/a,占2018年总出水量的70.3%[6]。在日本,共有296座污水处理厂生产再生水,再生水水量为2.2亿m3/a[3]。图2所示,日本再生水主要用途包括:景观维护用水、亲水用水和河道补水用水等环境用水(约占再生水总利用量60.1%)以及冲厕用水、农业用水等。其中,河流补水用水以日本目黑河的清流恢复项目最为典型,每日从东京落合再生水处理中心输送的再生水河流补水水量约30 000 m3[7]。

图2 2018年日本再生水利用各部分占比

2.2 雨水再生利用的状况

雨水利用是水资源高效利用的一种方式,具有“流域防洪”降低城市洪涝灾害、减少自来水使用量等优点。此外,鉴于近年来暴雨频发所造成的破坏越来越严重,日本政府在2020年6月修订的《水循环基本计划》中,也明确指出需要促进雨水收集设施的安装。根据日本国土交通省水资源部调查,截至2020年3月底,日本全国使用雨水的公共设施和办公楼共有3 770座,雨水的利用总量约为1 231万m3[3]。雨水的主要用途是冲厕和洒水用水,其次是消防用水、景观用水和冷却用水等。

按地区划分,关东沿海地区和东海地区使用雨水的公共设施和办公建筑约占全国总数的57%[3],特别是集中在东京,因为该地区自20世纪70年代中期以来一直在推动雨水利用工作。在日本,雨水利用的主要场所是学校和体育馆等具有较大集水面积的建筑物,主要处理方式为自然沉淀处理、过滤处理和消毒处理,雨水利用的系统流程为:将落入集水面(建筑屋顶)的雨水自然沉淀处理清除杂物后流入雨水收集箱,接着进入过滤和消毒装置,最后流进利用水槽中进行供水。对于集水面积较小的建筑如居民住宅、店铺等,主要处理方式则是除去初期雨水、无纺布/纤维/活性炭过滤和自然沉淀[8]。

3 日本再生水相关政策及水质标准

3.1 日本再生水制度及其水质标准

日本的再生水管理由中央政府和地方政府共同负责。中央政府主要包括内阁机构、环境省、国土交通省等部门,它们负责制定国家层面的再生水法律法规、政策和技术标准。地方政府则根据各地的具体需求制定地方层面的法规政策。再生水利用项目的实施主要由各级政府、公用事业公司和私营企业共同完成,政府部门负责项目规划、审批和监督;公用事业公司和私营企业负责项目的建设、运营和维护。

为了规范再生水利用市场,日本政府制订了完善的法律法规,相关的法律法规主要涵盖了水质标准、水资源管理和再生水利用等方面,如《水污染防治法》规定了水污染防治的基本原则和管理措施,包括再生水的水质标准、使用限制和监测要求[9];《工业用水法》规定了再生水在工业领域的管理原则和使用要求[10];《再生水利用指南》则详细规定了再生水的生产、使用和管理要求,为实施再生水利用项目提供了法律依据[11]。日本内阁于2015年发布了《水循环基本计划》,该计划旨在系统地推进日本水循环相关措施的发展,并将其定位为日本水循环相关措施的基本计划[12],根据对该计划的归纳和整理,关于再生水利用方面的规划包括:①对于再生水,从水量/水质、生态、城市景观、节能等角度继续开发技术,促进再生水的活用,并根据当地需求等状况,推进再生水利用工作;②推进干旱等时期再生水紧急利用的设备的开发;③推进再生水的使用以及再生水处理技术,如更高效的膜处理技术以及合适的水质检测技术;④通过使用再生水来维护河流和水道,促进滨水空间的创造和再生;⑤通过有效利用可再生能源来减少温室气体的排放,包括污水处理节能措施、利用雨水和再生水以及利用污水热能进行区域供暖和供冷等。除了立法,日本政府提供了一系列补助计划、贷款等经济方案[13],如发布《污水、雨水的杂用水等再利用处理设施的优惠待遇》,《对再生水设施的建筑实行特殊的容积率限制制度》,由日本开发银行发放对生态建筑改善项目的低息贷款。此外,为了提高民众对再生水和雨水使用积极性和建设节水型社会,日本政府还设立了再生水利用专项基金,为再生水利用项目提供资金支持,降低项目的实施成本,鼓励技术人员进行相关研究和开发[10],同时,积极举办水资源教育活动,以政企合作的方式开设讲座、研讨会;制订再生水利用的宣传口号和统一标识[11],大力宣传再生水的环保意义;并在日本各地设立再生水展示设施,如东京都的江东净水场[10],让市民亲身参观了解再生水的处理过程和利用价值,提高日本民众对再生水利用的理解和认识,增强对再生水利用的信心。

日本地方政府也积极响应国家的号召,根据各地实际情况制定了关于再生水利用的法规、条例和纲要[3],见表2。

表2 日本地方政府制定的制度

在水价方面,各地通过制定合理的定价政策,使再生水价格具备竞争力。日本的再生水定价政策主要基于成本,即再生水的生产、处理和运输成本[11],并根据再生水的用途和质量实行分级定价政策,用于农业、绿化等非饮用用途的再生水价格较低,而用于饮用水供应的再生水价格较高,再生水的标准价格约为饮用水价格的80%[10]。例如,神户市政府规定该市再生水价格采用统一的费率进行计费,在学校、医院和社会福利单位等公共设施的一般类再生水价为120日元/m3(不含税);商业类再生水价格则为200日元/m3(不含税)[14]。此外日本的再生水定价政策也考虑了用户的用水量,即按照实际用水量收费,倡导居民节约用水,东京下水道局将再生水的价格统一定为260日元/m3(不含消费税),而自来水的价格则采用“基本水价+使用量水价”进行计费,其中,基本水价根据水管口径(30～100 mm)进行划分,水价范围在3 435～94 568日元不等;使用量水价则采用阶梯水费的方式进行定价,三级阶梯水价为372日元/m3[15]。

在水质方面,日本国土交通省于2005年4月颁布的《污水处理水的再利用水质标准等使用指南》对再生水水质做出了明确规定[16],主要水质指标见表3。

表3 各种用途再生水水质标准

此外,各地方政府也制定了相应的再生水的水质供应标准,各指标一般均高于国家标准,例如在神户市建设局制定的《神户市港岛水循环利用事业》中,对各类用途再生水的大肠杆菌指标规定为“不检出”,色度指标规定为“10度以下”,并且相关管理人员应每月检查一次以上再生水的水质并妥善保存水质检查表[17]。

3.2 再生水管网建设措施及其相关制度

再生水中含有高浓度的氯离子、硫酸根离子、微生物和有机物,在长期的使用中可能会导致再生水供应设施和利用设施的管道和设备发生腐蚀,造成漏水和堵塞。例如,当管网中的阀门、水泵等裸露的铁质部件与再生水直接接触时,接触部分容易发生腐蚀。为此,日本规定采用耐腐蚀且不影响水质的再生水配管和结构。根据再生水利用中关于腐蚀问题的调查结果,除了考虑土壤的腐蚀性和地下水等埋设条件外,日本建议使用具有氯乙烯和聚乙烯内外衬的再生水钢管,因为在氯离子浓度为50～800 mg/L的再生水浸泡实验中,使用上述2种材料的树脂钢管内外径和壁厚均在标准值范围内,未发现腐蚀情况。

在对再生水管网系统的腐蚀控制中,余氯浓度的管理也尤为重要。当再生水中余氯的浓度过高时,供水管道中的溶解铁被余氯和溶解氧氧化,析出不溶性的铁,在管道弯曲部分造成堵塞,出现供水问题。另外,若浓度过低则可能导致病原微生物的生长,破坏再生水水质安全。为了确保合理的余氯浓度,可以考虑在二次处理或再生处理中,尽可能多地去除氨氮,因为氨氮是再生水使用时最可能的氯气消耗源;合理的选用管材,例如使用内表面环氧树脂粉末涂层的球墨铸铁管比砂浆内衬管道消耗的余氯少,防腐效果好;根据再生水处理设施的供应管道长度以及到目的地的距离分段加入氯气或在供水管中部安装消毒设备,使余氯浓度保持均匀。

为了让用户能放心使用再生水,防止再生水管道与其他用途的管道之间出现错接,日本国土交通省对再生水管道的施工提出了相应要求(表4),并且在正式供水前,再生水利用设施管理人员必须对供水系统进行检查和测试,确保没有错接或错管[18]。

表4 防止误接和误用的措施

再生水管网工程的建设以及运维服务主要由公用事业公司和私营企业承担,依据国家和地方的法规、政策和技术标准,确保再生水的水质、供应量和安全性。政府部门负责对再生水管网工程的实施和运营进行监管。监管内容包括项目审批、建设监督、运营监测等。此外,政府还需要对再生水管网的运营和维护进行定期检查和评估,确保项目符合法规和技术标准的要求,并定期对再生水进行质量检测,将检测结果向公众公开,提高市民对再生水利用的信任度。

3.3 再生水生产技术

确保卫生与安全是促进再生水使用的重要因素[19],特别是在使用再生水时,管理病原微生物感染的风险非常重要。《污水处理水的再利用水质标准等使用指南》主要针对大肠杆菌和大肠菌群进行卫生安全评估。再生水中对人类健康造成危害的主要是肠道系统的病原微生物,大致可分为细菌、原生动物和病毒。当再生水被用作冲厕用水、景观用水和绿化用水时,采用日本污水处理厂二次处理后的原水加氯消毒后能有效去除细菌和原生动物。然而再生水用作亲水用水时,还需进行额外的再生处理以去除和灭活病毒。尤其是在污水和处理过的污水中常年能检测到诺如病毒[20]。污水和消毒的处理工艺主要可分为如下4种[21]:单纯消毒的处理工艺、快速过滤法和消毒相组合的处理工艺、包括臭氧处理法的组合处理工艺以及包括膜过滤法的组合处理工艺。

详细的处理流程见表5,其中a、b、c、d代表消毒处理工艺:单纯消毒的处理工艺、快速过滤法和消毒相组合的处理工艺、包括臭氧处理法的组合处理工艺以及包括膜过滤法的组合处理工艺。

表5 再生水处理工艺

在建设成本和用电量方面,按照氯消毒、紫外线消毒、臭氧消毒的顺序依次增加;在维护成本方面,紫外线消毒和氯消毒大致相同,紫外线消毒消耗电力,而氯消毒主要消耗化学品[22]。

为了促进再生水的使用并根据各种用途为用户提供稳定水质与水量的再生水,经济和节能环保的技术必不可少,日本近些年来也一直致力于开发各种高效的污水回用技术。这些技术包括:作为新型消毒技术的UV紫外线照射工艺和臭氧处理工艺,还有使用MF、UF、RO等的膜分离技术以及集水处理和分离一体化的MBR技术。这些技术可以缓解全球水资源紧张的问题,并对再生水利用业务的国际发展做出贡献。

2018年3月,日本国土技术政策综合研究所制定了一份指南草案,介绍了一种低成本、高效的“采用UF超滤膜和紫外线消毒的高级再生水系统”创新技术。这项技术使用来自糸满市污水处理设施中的二级处理水(最终沉淀池出水)作为原水,结合UF膜过滤和紫外线消毒组合工艺去除病毒,为农业灌溉等用途提供低成本且安全的再生水。

与传统技术(添加絮凝剂+砂滤+紫外线消毒)相比,该技术具有相同的病毒去除效果,在再生水水量为10 000 m3/d的条件下,该技术能够降低13%生命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)、27%维护费用和23.6% 温室气体(Greenhouse Gas,GHG)的减排效果[23]。简要的流程见图3。

图3 UF膜过滤和UV消毒系统处理流程

该技术将二级处理水送入UF膜过滤装置去除病毒,同时提高紫外线透射率以确保在随后的紫外线消毒阶段对病毒进行灭活。在紫外线消毒装置中,可以根据UF超滤膜过滤水流量和紫外线透射率的变化自动调控紫外线灯的亮度,达到降低成本的作用,并且经过短时间的紫外线照射即可获得无残留、无副产物的安全再生水。此外,为了进一步确保再生水紫外线消毒后的安全性,该工艺还设置了监测系统,监测系统能检测到最低0.1%的UF超滤膜破损情况,并使用高灵敏度浊度仪不间断检测膜过滤后水的浊度,以此来判断膜的完整性。

该技术的再生水水质要求包括:浊度达到2度以下(实际为0.2度以下),大肠杆菌全部未检出,病毒去除率5.2log以上或未检出,其中,处理前后的病毒浓度比率用对数表示,5.2log以上的去除率表明处理后的病毒浓度为处理前的10-5.2(约16万分之1)以下。由此可见,经过该工艺处理后的再生水水质能够满足日本国家标准,并且浊度和病毒的去除效果好。并由于该法不使用传统技术中所需的絮凝剂,因此可以显著降低由添加絮凝剂产生的维护成本和GHG的排放,进而达到节能环保的效果。此外,将处理后的再生水用于农业灌溉时,原水中所含的氮被重新输送回农田,也减少了化肥的使用;消毒工艺不使用氯,避免了因残留氯气而抑制农作物生长的风险。

4 日本再生水利用工程及代表城市

日本政府根据使用规模的不同,将再生水利用方式分为单独循环、地区循环、广域循环和雨水利用4种模式,利用途径涵盖工业用水、城市用水、消防用水、农业用水等方面。福冈市作为日本最早使用再生水的城市之一,在法规政策、再生水处理设施和管网以及处理工艺方面积累了许多经验,值得学习和借鉴。

4.1 再生水的工业利用

部分再生水因具有热量在工业领域得到了关注,由于污水的温度比大气温度更加稳定,将再生水作为热源可以提高热泵系统的效率。此外,再生水还可用作冷却用水。东京燃气公司在横须贺市沿海地区建造的大型火力发电厂就采用水冷的方式进行冷却,经过中试厂的技术试验,最终将污水处理厂的再生水作为冷却用水[24],既节约了修建管道的成本,又避免了采用海水冷却后对附近渔业造成的不利影响,这也是日本再生水在工业利用方面的新尝试。

4.2 再生水的农业利用

再生水的农业利用主要集中在日本西部,每年的用水量约为1 400万m3[25],有通过农用水渠供应再生水,用于种植水稻,也有农民自行到污水处理厂取运再生水,用于种植桔子、草莓、甜瓜等。在绝大多数情况下,供农业使用的再生水不需要额外的处理,经二级处理以及加氯消毒后即可灌溉。以熊本市为例,中部污水处理中心于1985年开始供应再生水用于农业。污水处理厂通过再生水管,将再生水排放到附近农业用水渠或农用运河,由农民自行取水,日本三木市也采用类似的供水方式。此外,为了保持向农业用水排放的良好水质,熊本市在2条子再生水处理线(A和B)中,通过将B线的污泥解吸液加入A线的水处理中,降低B线水处理的负荷,将水质稳定的B线污水再生水与地下水一起供给农业用水[26]。

4.3 福冈市再生水利用工程

由于福冈市内缺少一级河流,因此该市的水资源并不丰沛。1978年的低降雨量直接导致福冈市经历一场大旱,水坝完全干涸,全市有278 d供水受限。旱灾发生后,市政府和居民深刻地认识到水是一种有限的资源。1979年,为了稳定供应居民生活和城市发展所必需的水资源并创建节水型城市,福冈市制定了《福冈市节水型水利用等相关措施纲要》,同年福冈市下水道局(现道路下水道局)启动了“污水处理水循环利用示范工程”[27],并在1980年开始供应再生水。值得注意的是,这是日本历史上首次将污水再生处理后循环利用。在当时再生水主要被用于冲厕所和浇灌树木。

目前,福冈市分别在中部水处理中心和东部水处理中心建造了再生水处理设施,并在市内各区铺设再生水管道,根据用户的需求通过加压泵供应再生水。中部再生水处理设施再生水供给量为10 000 m3/d,东部再生水处理设施为1 600 m3/d。1979年,中部水处理中心再生水处理设施日处理能力为400 m3,并于次年开始向市中心等12个公共设施供应再生水[25]。为了进一步扩大再生水的利用,中部水处理中心于1989年开始向大型私人建筑物供水。2003年,第二座再生水处理设施东部水处理中心开始向福冈市东部香椎地区、岛城地区提供再生水。随后,福冈市的再生水供给设施以每年约10个左右的速度增加,截至2016年底,平均每天约有5 500 m3的再生水供应给435个再生水利用设施,供水区域为1 457 hm2。

对于再生水处理工艺,以中部再生水处理中心为例,采用厌氧好氧活性污泥法的二级处理水作为原水,首先添加聚合氯化铝混凝沉淀,去除杂质,随后用纤维材料预过滤杂质,接着臭氧处理脱色、除臭,加氯消毒,最后通过纤维过滤介质和32 μm滤网进行最终过滤并作为再生水供给。在再生水管方面,福冈市在路面下铺设球墨铸铁再生水管,管直径为75～350 mm,总长度超过100 km。为了便于识别和避免腐蚀,再生水管用黄色聚乙烯套管包裹,并在管道顶部缠绕标明“再生水”的胶带以防止在道路施工时被破坏。在再生水系统安全性层面,为防止再生水管的误接,福冈市的做法是首先对再生水接收设施中的再生水进行着色,打开再生水系统加压泵或阀门同时关闭自来水生产系统进行供水,以确保有色水是来自再生水生产系统。然后打开自来水系统关闭再生水系统,并再次检查所有供水设备,二次确认清澈的水来自饮用水系统,并确定是否存在错接。此外,福冈市还鼓励使用便携式电导率计,通过判断再生水和自来水之间的电导率差异检查是否误接。

5 结论与展望

日本政府、企业和公众在再生水利用过程中承担了各自的责任,政府负责制定法规、政策和技术标准;企业负责项目的建设、运营和维护;公众需要积极参与再生水利用,提高自身的节水意识。通过以上措施,日本在再生水管理方面形成了多层次、多主体的合作格局,有效推动了再生水利用率和利用量的提高。这些经验对其他国家和地区的再生水利用具有一定的借鉴意义。

未来,为了充分发挥雨水/再生水作为替代水源、环境资源和能源资源的潜力,急需进一步考虑成本、水质、能源效率等因素[28]。日本将继续推进节水型社会的建设工作,通过有效利用雨水、再生水和污水热能实现节能和低碳的水循环。在再生水处理工艺方面,日本将从风险管理、能源消耗和成本3个角度出发,积极开发和使用低风险以及能源消耗与成本相结合的再生水处理技术,通过高效的再生水利用为城市创造活力。

虽然中国在再生水利用方面起步较晚,但是发展迅速,许多地方也制定了再生水的相关指南、规划等。以广州市为例,2020年6月广州市政府就《广州市非常规水资源利用规划(2018—2035)》(以下简称《规划》)公开征求意见。《规划》提出重点将再生水用于河道水量补充,并且推动大型单体建筑、公共建筑配建再生水回用系统。在雨水利用方面,对新建或改、扩建区域要求进行雨水利用工程设计,建设雨水滞留设施[29]。相信在不久的将来,通过科学的再生水管理和利用以及进一步完善再生水管网的建设工作,中国在节水行动方面必能迈上一个新台阶。