污水再生回用和水資源可持續利用

       （北京市市政工程科學技術研究所，北京市西城區大帽胡同號，，中國）

       我國是一個水資源貧乏的國家，人均水資源擁有量只有m3，僅為世界平均水平的1/4，在世界銀行連續統計的個國家中居第位。同時，我國水資源在時間和地區分布上很不平衡，南方多北方少，北方大部分地區人均水資源擁有量低于聯合國可持續發展委員會確定的m3用水緊張線，其中9個地區低于m3的嚴重缺水線。水資源短缺已成為制約我國經濟和社會發展的重要因素。

       1　水資源可持續利用面臨的問題

       1.1　水資源總量緊缺

       年來，全國用水總量從年的多億m3增加到年的億m3，其中農業用水占.3%，工業用水占.2%，城鎮生活用水占4.5%，人均綜合年用水量從不足m3增加到m3。目前，全國每年缺水近億m3，其中，農業缺水億m3，因旱致災，年均減少糧食多億千克；城市和工業缺水億m3，影響工業產值多億元，全國座城市有多座缺水，有個城市嚴重缺水。特別是年以來，我國北方地區持續干旱，給工農業生產造成較大的影響，也給城市、農村居民生活用水造成很大的困難。年6月上旬旱情最為嚴重時，全國受旱面積一度達到4.2億畝（1畝＝m2），由于持續干旱，水源不足，造成城鄉人民生活用水緊張，有萬城鎮人口和萬農村人口及萬頭大牲畜發生飲水困難。天津、長春、大連、青島、唐山和煙臺等大中城市已受到水資源短缺的嚴重威脅，許多水庫、河流出現從來沒有過的斷流和干枯。今后隨著人口的增長、生活水平的提高、城市化的加快，水資源供需矛盾將更加突出，據預測，我國用水高峰將在年前后出現，年我國人口將達到億人，糧食總產量需達到7億t，年用水總量為億～億m3，全國每年缺水將在億m3左右。

       氣候變化對我國水資源可利用量也產生了負面影響。據～年的降水和氣溫資料分析，我國近年來呈現北旱南澇的局面。世紀年代華北地區持續偏旱，京津地區、海灤河流域、山東半島年平均降水量偏少%～%。進入世紀年代，黃河中上游地區、漢江流域、淮河上游、四川盆地的8年平均降水量偏少約5%～%，黃河花園口的天然來水量初步估計偏少約%，海灤河和淮河的年徑流量也都明顯偏少。北方缺水地區持續枯水年份的出現，以及黃河、淮河、海河與漢江同時遭遇枯水年份等不利因素的影響，加劇了北方水資源供需失衡的矛盾。據相關研究，未來年由于人類活動產生的溫室效應，全球年平均氣溫可能升高，氣溫升高將使地表蒸發量提高，水資源量將相應減少。

       1.2　水資源分布不均

       我國水資源在時間和空間分布上很不平衡。長江流域及其以南地區國土面積只占全國的.5%，其水資源量占全國的%；黃淮海流域人口、糧食產量和國內生產總值都占全國的1/3左右，但其多年平均水資源僅占全國的7.2%。受季風氣候的影響，各地的降水量年內分配極不均勻，大部分地區每年汛期4個月的降水量占全年降水總量的%左右，很容易形成春旱夏澇。水資源在時間和空間分布上不平衡給水資源充分利用帶來了一定的難度。

       1.3　水資源浪費嚴重

       我國一方面水資源嚴重短缺，另一方面卻浪費嚴重。長期以來，“以需定供”的水資源非可持續利用模式是造成水資源短缺的人為原因。盲目發展第一、第二產業，特別是片面追求糧食增產和重工業的發展，造成產業結構的不合理，水資源利用效率偏低，使本來就緊缺的水資源問題更加嚴重。

       目前，我國農田灌溉面積中渠灌面積占%左右，而渠系損失約為%，農田蒸發損失約為%，實際利用量僅有%左右。由于大多數地方采用傳統的灌溉模式，每畝實際灌水量達到～m3，超過了實際需水量的1倍左右，浪費極為嚴重。我國主要依靠降水的旱作耕地面積約億畝，其中%分布在降水量～mm的北方地區，由于蓄水和保水等基礎設施不足，農田對自然降水的利用率僅為%左右。按最新統計估算，我國農田灌溉用水的利用率僅有1.0kg/m3，旱作耕地的水分利用效率為0.～0.kg/m3，全國農業用水的平均效率為0.8kg/m3，綜合經濟效益為0.2美元/m3，而以色列已超過1美元/m3，差距十分明顯。現階段我國農業水資源利用不符合水資源可持續利用的要求。

       我國工業用水效率總體水平仍然較低，年我國萬元工業產值取水量為m3，約為發達國家的3～7倍；工業用水重復利用率約為%，遠低于發達國家%的水平。年全國城市人均生活用水量達.2L/d，遠高于發達國家的人均生活用水量。社會各界的水憂意識不強，浪費水資源的現象仍很嚴重，這說明節水措施尚未有效落實，節約用水的技術和管理水平不高。近十年來，我國根據經濟可持續發展戰略對經濟結構調整雖已初見成效，但水資源消耗利用模式尚未發生實質性變化。

       1.4　水污染形勢嚴峻

       目前我國污水處理率還較低，大量的城市和生活污水未經處理直接排入江河湖庫水域，使全國大部分水域和近%的重點城鎮的集中飲用水水源受到不同程度的污染，其中水污染比較嚴重的城鎮個，主要分布在三河三湖流域。由于水污染一些水源被迫停止使用，尋找新的水源，從而加劇了城市缺水。水污染還影響到供水水質，損害居民的身體健康。目前，全國水土流失面積km2，占國土面積的%。全國地下水多年平均超采億，已形成個地下水超采區，部分地區出現地面沉降，海水入侵等問題。許多重要河流、湖泊污染嚴重，由于污染而引發的水事矛盾不斷增加。水污染嚴重影響我國的水資源可持續利用，影響我國經濟社會的可持續發展。

       2　實現我國水資源可持續利用應采取的措施

       我國政府十分重視水資源可持續利用，明確指出：水資源可持續利用是我國經濟社會發展的戰略問題。多年來，針對我國水資源特點和水資源利用中存在的問題，采取了一系列措施來保證水資源的可持續利用。

       2.1　合理利用水資源

       我國水資源可持續利用的根本出路在于堅持可持續發展戰略，變“以需定供”的傳統開發模式為“量水而行、以水定需”的水資源可持續利用的模式。立足于可利用水資源的保護和合理利用，根據水資源承載能力，確定經濟社會發展結構，確保各種水域的可持續利用，對經濟結構進行戰略調整，在水資源充裕和緊缺地區采用不同的經濟結構。大力發展節水、省能、高附加值的高新技術產業和服務業。根據我國水資源的時空分布特點合理發展農業，采取必要的退耕還林，使生態系統得到改善，保證水資源的供需平衡。

       2.2　合理調配水資源

       根據我國降水年內分布不均的特點，應修建大量的蓄水設施，以充分利用水資源。目前，全國共建水庫8.5萬座，使年供水能力大大提高。蓄水設施一方面能將雨季多余降水貯存起來，供干旱季節使用。另一方面可以減少洪水災害，保證經濟的發展。在地域上，我國的水資源南多北少，南方水資源充裕，北方水資源嚴重不足。南水北調工程是解決我國北方地區水資源缺水矛盾，實現水資源合理配置的重大戰略工程。南水北調東、中、西三條線路將與長江、黃河和海河相互聯接，形成水資源合理配置的總體格局，達到南北調配、東西互濟的水資源配置目標。三條調水線路年調水總量億～億m3，可基本改變我國黃淮海地區水資源嚴重短缺的狀況，保證我國水資源總體上可持續利用。

       2.3　大力開展節水工作

       我國歷來重視節約用水工作，多年前，國家就提出了要實行開源與節流并重的方針，認真開展了節約用水工作，并制定了一系列節約用水的法規和標準，建立了節約用水的管理制度，也形成了比較健全的管理體制，城市節約用水工作取得了一定的成績，到年全國設市城市累計節約用水多億m3，使近5年來城市用水總量基本無增長，改變了城市用水量隨經濟發展同步增長的趨勢。但是，目前我國農業用水利用率還較低、工業萬元產值用水量和城市居民日平均用水量還較高，節水的潛力還較大。在農業方面，應發展和推廣農業節水技術，減少農田的深層滲漏和地表流失量，減少單位面積的用水量，減少田間和輸水過程中的蒸發和蒸騰量，提高灌溉和降水的水分利用效率，不斷提高單位水資源的產量和效益。在工業節水方面，應在調整工業生產結構的同時，改進生產工藝，提高用水重復率，減少萬元工業產值的用水量。為了保證節水工作，要制定和完善相關的政策法規，建立一套符合市場經濟原則的體制和機制，對現有水價偏低進行改革，建立水資源的宏觀控制和微觀定額體系，形成總量控制與定額管理相結合的水資源管理體制。

       2.4　大力發展污水處理和再生回用工作

       水污染加劇了我國水資源短缺形勢，直接威脅著飲用水的安全和人民的健康，影響到工農業生產和農作物安全，造成的經濟損失約為國民生產總值的1.5%～3%。水污染已成為不亞于洪災、旱災甚至更為嚴重的災害。水污染早在世紀年代已經顯現出來，但沒有引起足夠的注意，采取的措施不夠恰當有力，因此出現了今天的嚴重局面。如再不及時采取有效對策，將嚴重影響我國水資源可持續利用。長期以來采用的以末端治理、達標排放為主的工業污染控制戰略，已被國內外經驗證明是耗資大、效果差、不符合可持續發展的戰略。應大力推行以清潔生產為代表的污染預防戰略，淘汰物耗能耗高、用水量大、技術落后的產品和工藝，在工業生產過程中提高水資源利用率，削減污染排放量。對于工業和城市生活排水造成的點源污染，應大力發展污水處理工程，使我國的污水處理率在年.3%的基礎上進一步提高。對于面污染源包括各種無組織、大面積排放的污染源，如含化肥、農藥的農田徑流，畜禽養殖業排放的廢水、廢物等，其控制應與生態農業、生態農村的建設相結合，通過合理使用化肥、農藥以及充分利用農村各種廢棄物和畜禽養殖業的廢水，將面源污染減少至最小。應積極開展污水資源化再利用工作，提高污水再生回用率。

       3　污水再生回用是實現水資源可持續利用的有效途徑

       污水再生回用是經濟可靠的開源節流措施，與跨流域調水、海水淡化、雨水蓄用等開源措施相比，污水再生回用具有經濟性和可靠性。人類使用過的水，污染雜質只占0.1%左右，比海水3.5%少得多，其余絕大部分是可再用的清水。跨流域調水和雨水蓄用工程投資較大，并需投入大量資金控制水體進一步污染，跨流域調水還會對現有的生態系統產生影響。在我國現有經濟條件下，跨流域調水和雨水蓄用只能逐步進行。污水再生回用的本質是實行循環用水和分質用水，將污水經再生后回用到水質要求較低的用戶。隨著工業化的加速發展，人們生活水平不斷提高，水污染范圍也在擴大、污染程度加深，社會經濟發展和環境污染之間形成一對尖銳的矛盾。發展污水再生回用、減少廢水排放量是解決環境問題最有力的措施。另外，為滿足用戶的需要，再生水必須符合相應的水質標準，為此，需對污水處理廠二級出水進行深度處理，從而減少了污染物總量，減輕了廢水對環境的壓力。

       污水再生回用應嚴格按回用對象和目的控制回用水水質，以確保回用水的安全性。為此，我國制定了一系列相關回用標準。如生活污水經二級處理后能夠達到《污水綜合排放標準》，但不能作為生活雜用水或工農業用水；若考慮回用，必須進一步處理。當污水回用于農田灌溉，水質指標應該滿足《農田灌溉水水質標準》；當污水回用于城市景觀，水質指標應該滿足《再生水回用于景觀水體的水質標準》；當污水回用于城市生活雜用，水質指標應該達到《生活雜用水水質標準》；工業污水回用水質指標應該滿足相應的工業用水標準等。

       城市供水量的%變為污水排入城市下水道，收集起來再生處理后，%可以安全回用；二者合計，約城市供水量的%可以轉變成再生水，返回到城市水質要求較低的用戶，替換出等量的清潔水，相應地增加城市一半以上的供水量。廢水是一種非常寶貴的資源，挖潛能力巨大。我國年全國污水排放量為m3，這是很大的再生水資源。污水再生回用立足于自有水資源增加城市供水量，是實現水資源持續利用的有效措施。污水再生回用能有效地緩解城市水資源短缺。

       為了保證水資源可持續利用，支持經濟可持續發展，針對我國水資源存在的問題，近十多年來，通過國家科技攻關，以及缺水城市為解決水污染和水資源短缺做出的努力，國內已經建成一批不同工藝、不同回用對象的城市污水回用示范工程。表1列出了華北地區部分城市污水回用工程情況統計結果。目前我國污水回用工程主要回用對象為污水處理廠內部用水、市政雜用、河道補水、綠化、工業用水等，尚未回用于地下回灌和飲用水源。北京市年完成的高碑店污水處理廠出水回用工程是我國目前最大的污水再生回用工程。大量的污水回用工程實踐表明：污水再生回用是解決水資源可持續利用的有效途徑。

       表1　華北地區部分城市污水回用情況　單位：萬m3/d

       4　我國污水再生回用最大工程

       4.1　工程概況

       高碑店污水處理廠回用工程是目前我國最大污水再生回用工程，該工程于年3月至8月完成該項目的前期研究工作，并完成了可行性研究，年月完成項目立項和審批；年1月完成該工程的初步設計和審批工作，2月完成施工圖設計，同年4月開始施工，年5月完成工程施工，年6月完成調試和試運轉，年7月開始供水。

       高碑店污水處理廠是目前我國最大的污水處理廠，處理能力為萬m3/d。該廠污水系統流域面積km2，服務人口萬人，匯集北京市南部城區的大部分生活污水、東郊工業區、使館區和化工路的全部污水。該處理廠采用前置缺氧段活性污泥法工藝，即在推流式曝氣池前設置缺氧段，其目的是改善污泥性質，防止污泥膨脹。該廠出水水質水量穩定，其二級出水已接近相關的回用水水質標準。但該回用工程運轉前，高碑店污水處理廠二級出水直接排入通惠河下游，除每年約萬m3用于農業灌溉外，剩余的出水每年超過3億m3沒有得到利用，這是很大的水資源浪費。為了緩解北京市面臨的世紀城市發展和可利用水資源的矛盾，實現北京市水資源可持續利用，支持國民經濟可持續發展戰略，北京市政府決定開發該廠污水資源。高碑店污水處理廠回用工程使用回用水的區域達km2，回用水用戶涉及到工業、公園綠化、道路噴灑和沖刷、河湖補水等。

       4.2　工程規模和技術方案

       本工程近期規模為萬m3/d，遠期規模為萬m3/d。在回用工程技術方案確定中盡可能地利用現有設施，以降低工程投資。具體設計方案如下：高碑店污水處理廠二沉池出水經新建泵站（規模萬m3/d）提升后用兩條管道分別輸送到高碑店湖（規模萬m3/d）和水源六廠（規模萬m3/d）。送至高碑店湖的處理水通過第一熱電廠現有深度處理設施進一步處理后供該廠冷卻用水；送至水源六廠的處理水在該廠進行深度處理后，一部分通過水源六廠現有供水系統供給東郊工業區和焦化廠；一部分通過新建管道輸送到西便門和東便門。在水源六廠現有供水管道和新建管道沿線設取水口，并新建回用水支線，供市政雜用取水。

       4.3　回用水水質技術保障措施

       由于高碑店污水處理廠建設時，國家對城市污水處理廠出水要求中還沒有氮和磷的指標控制，因此，目前該廠出水中氮和磷的含量較高，這會直接影響回用水水質，必須對該廠進行技術改造，進一步提高該廠出水水質。改造規模為萬m3/d，即對高碑店污水處理廠一期工程（萬m3/d）進行改造。該改造工程分兩步進行。第一步改造后使出水水質優于目前第一熱電廠冷卻水取水水源高碑店湖的水質，出水中BOD、COD、總磷和氨氮分別達到mg/L、mg/L、1mg/L和mg/L。第二步改造使該廠萬m3/d滿足高碑店湖Ⅳ類水體的水質要求。第一步主要改造工作量包括曝氣池改造和污泥處理系統的改造。原曝氣池為1/為厭氧區，其余為好氧區，改造后原池2/9為缺氧區及厭氧區（水力停留時間共為2h），其中進水端分出一停留時間為min的強化吸附區。其余仍為好氧區（水力停留時間7.h）。原污泥系統中剩余污泥泵入初沉池，其混合污泥再進污泥濃縮池濃縮后消化脫水，因濃縮污泥池停留時間較長，處于厭氧狀態，磷又被釋放出來，通過上清液回到污水中，因此達不到除磷的目的。改造后，原有濃縮池改為濃縮酸化池，濃縮酸化池上清液做為碳源排入水處理系統；將消化池上清液和脫水機濾液及沖洗水收集后進行化學除磷。

       高碑店污水處理廠二級出水水質水量穩定，達到設計要求，但還不能滿足市政雜用水標準，而綠化用水和道路噴灑等市政雜用水水質對人類健康和城市環境會產生影響，因此，市政雜用水必須在回用前進行深度處理，以滿足相應標準。在設計中將深度處理選擇在水源六廠。水源六廠現有日處理能力萬m3/d的深度處理設施，主要采用機械加速澄清、砂濾和消毒等工藝處理過程，其出水可滿足相應用戶要求。由于北京市工業結構的調整，目前該廠平均實際供水量不足5萬m3/d，尚有萬m3/d處理能力沒有得到利用。另外，水源六廠離市政雜用水用戶較近，市政雜用水深度處理設在水源六廠利用其剩余處理能力，可滿足市政雜用水近、遠期規模需求，在該廠深度處理后的水質能滿足市政雜用水水質要求。

       4.4　主要回用對象

       按規劃要求，該工程近期供北京市第一熱電廠冷卻循環用水萬m3/d，遠期供北京市第一熱電廠冷卻循環用水萬m3/d。近期通過北京市水源六廠供東郊工業區和焦化廠5萬m3/d，供城市綠化、道路噴灑和沖刷、市區河道景觀用水等市政雜用水共5萬m3/d。遠期通過水源六廠供工業和市政雜用水水量將擴充到萬m3/d。

       4.5　主要工程內容和投資

       本工程總投資3.6億元，其中征地拆遷費約1億元，工程費用為2.億元，工程建設內容主要為：

       （1）高碑店污水處理廠內萬m3/d的泵站一座。

       （2）高碑店污水處理廠改造。

       （3）高碑店污水處理廠至高碑店湖輸水管：DNmm，長m。

       （4）高碑店污水處理廠至水源六廠管道：DNmm，長m。

       （5）市政雜用水配水管：DNmm，長m;DNmm，長m;DNmm，長m;DNmm，長m;D=mm，長m。

       （6）水源六廠改造：包括深度處理設施改造、蓄水池清淤和護砌、污泥池擴建、供水泵站改造、進出水口的改造、增加自控和電氣設備等。

       （7）園林供水支線管道。

       4.6　工程效益

       該工程每年可節約清潔水資源萬m3，節約自來水萬m3/a，相當于節約了建設一座萬m3/d的自來水廠的投資4億元。該工程達到了開源節流的目的，為北京市城市綠化面積擴大和道路噴灑壓塵創造條件，對環境綜合治理具有較大的作用，環境的改善還會帶來了周圍地區的土地增值。該工程在一定程度上緩解了北京市水資源短缺的矛盾。該工程的巨大經濟和環境效益，推動了北京市節水和污水再生回用工作。目前北京已完成污水再生回用規劃，7個污水回用工程正在進行施工或做前期工作。北京市的污水再生回用實踐表明：污水再生回用符合環境保護和水資源可持續利用戰略，是解決水資源可持續利用的有效途徑。

       5　結論

       我國是一個水資源貧乏的國家，隨著經濟發展和城市化進展的加快，水資源短缺的矛盾已經成為我國水資源可持續利用和管理中亟待解決的問題。我國水資源可持續利用面臨水資源總量不足、分布不均、水利用率低和水污染等問題，實現我國水資源可持續利用的出路在于堅持可持續發展戰略。應根據我國水資源特點進行水資源合理利用和配置，變“以需定供”的傳統開發模式為量水而行、以水定需的水資源可持續利用的模式，根據水資源承載能力，對經濟結構進行戰略調整；同時，應繼續發展節水技術，減少生產過程的水資源浪費，大力發展污水處理和再生回用工作，提高污水處理率和處理效果。污水再生回用可以減少污染物總量，增加供水能力，是經濟可靠的開源節流措施。幾年來污水再生回用實踐表明：污水再生回用能有效地緩解城市水資源短缺，是實現水資源可持續利用的有效途徑。