城市污水再生利用现状分析

城市污水再生利用现状分析1概论1.1我国的供水状况1.1.1水资源状况地球上总的水体积大约为14亿km3，其中只有2.5%是淡水，大部分以永久性冰或雪的形式封存于南极洲和格陵兰岛，而可供人类利用的部分仅有20万km3[1]。中国多年平均水资源总量28100亿m3，人均水资源量2200m3，排在世界第88位，人均水资源仅为世界人均的四分之一[2~3]。根据“国际人口行动”对我国水资源进行的总体评价，预计到21世纪中叶我国人口达到16亿高峰时，人均水资源量将下降到1760m3，全国将接近用水紧张国家的边缘[4]。而且，我国水资源的时空分布不均，南方多北方少，更加剧了局部水资源的短缺状况。北方干旱半干旱地区全年的降水量主要集中在7、8、9三个月，使得这些地区可以利用的水资源尤其显得不足。1.1.2供水现状调查从20世纪50年代中期到90年代末期，我国城市年总供水量从9.6亿m3增加到470.5亿m3，其中工业用水289.4亿m3，占61.5%；城市生活用水181m3，占38.5%。目前城市年总供水量已达640亿m3，2000年底日供水能力达21.8亿m3，供水普及率达到96.7%，估计目前城市用水缺水率平均为10%[5]。其中，经济发展比较迅速的沿海地区缺水严重的城市供水情况如表1所示。表1沿海地区缺水严重的城市分区统计表(不含市辖县)分区城市数(个)1990年城区人口(万人)1990年供水量(亿m3)2000年城区人口(万人)2000年供水量(亿m3)沿海地区合计487133.44129.769565.50153.54环渤海区254087.5955.524760.3060.13苏沪区91575.5248.592122.1055.17北方片小计345663.11104.116882.30115.3浙闽区5488.208.72868.2010.74两广区7908.6016.01719.5022.21海南273.330.9395.505.29南方片小计141470.1325.652683.2038.24资源来源：根据水利部1993、2000年关于我国城市缺水情况的报告(整理)1.1.3各用水方向的用量及比例情况城市工业用水由工业规模大小和工业行业结构确定。工业用水中火电是第一大部门，占工业用水量的1/4左右，其次是造纸、化工、冶金、食品4个行业。主要工业行业单位产品用水量见表2。（其中包括市政环境用水、商业、办公、事业单位用水和居民生活用水等）近年来，随着我国城市人口增加和生活水平提高，生活用水急剧增长，全国城市生活用水年平均增长速度为3～5%。我国不同城市规模城市生活用水量见表3。从表3可以看出：特大、大城市生活综合用水量在177～260.8L/人•d之间；中、小城市生活综合用水量在136～208L/人•d之间；北方城市用水量明显低于南方城市；居民生活用水占综合用水的50.5%～79.2%。2000年底全国城市平均生活用水量为220.2L/人•d。当前工业用水占城市供水总量的61.5%，到2030年将占68～73%，表明城市水资源利用结构总体来说是从生产、生活并重型向生产主导型转换，因此，注重城市工业节水是减缓城市水资源供需矛盾的关键。表2主要行业单位产品用水量[5]产品名称单位用水量产品名称单位用水量产品名称单位用水量棉纺织m3/100m2.5纸浆造纸m3/t210钢m3/t4毛纺织m3/100m31纸m3/t50轧钢m3/t5.5纺织m3/100m3.7猪屠宰加工m3/头0.55医药m3/万元130~250麻织m3/100m760牛屠宰加工m3/头1.20彩色显像管m3/只0.6粘胶m3/100m580羊屠宰加工m3/只0.40机械m3/万元45涤纶m3/100m47皮革加工m3/张0.84平板玻璃m3/箱0.82印染m3/100m2硫酸m3/t20~70水泥m3/t0.8味精m3/100m150氯碱m3/t15~20载重汽车m3/辆18~30湎精m3/t42染料m3/t40~50轿车m3/辆10~20啤酒m3/t42三胶m3/t145火力发电m3/SGW1罐头m3/t65炼铁m3/t8表3我国不同城市规模生活用水量(单位:t/人•d)[6]北方南方城市规模综合水量居住用水量比例(%)公共用水量比例(%)综合水量居住用水量比例(%)公共用水量比例(%)特大177102.958.174.241.9260.8166.863.994.036.1大17998.855.280.444.8204103.050.5101.049.5中13696.871.239.928.8208148.971.659.128.4小13879.357.558.742.5187.6148.579.239.120.81.1.4制水和输水成本及供水价格为了应对水资源供需日益尖锐的矛盾，传统上人们通常采用开发地表水，开采地下水资源，以及跨流域调水作为传统解决方案。在传统方式之外，开发非传统水源是解决水资源短缺问题的另一条行之有效的途径，在非传统水源中，污水再生利用具有广阔的应用前景[7]。首先，在未充分利用城市污水的水资源能力前，不应上长距离调水和海水淡化项目。目前城市污水处理（二级处理）投资大约在900～1400元/(m3•d)，在此基础上的再生处理约400～600元/(m3•d)。加上管网配套总计600～1000元/(m3•d)。到“十五”末期形成40亿立方米水源的投资大约在100亿元左右。而形成同样规模的长距离引水，以大连引英入连为例[8]，则需600亿元左右，海水淡化则需1000亿元左右，可见污水回用在经济上具有明显的优势。其次，在适用的地方使用再生水可以使供需双方获利。国内外同类经验与测算表明，对城市污水厂二级处理出水，采用混凝-沉淀-过滤-消毒技术处理，在管网长度适宜条件下，每日10000m3回用量以上工程的吨水投资都应在800元以下，处理成本0.7元以下，远低于城市水价。按现在国内外通行惯例，中水价格一般为自来水价格的50%~70%。以长春市为例，长春市水价4.17元/m3，中水价格以自来水价格的中值60%计，应为2.5元，需水方吨水节省1.67元，供水方吨水获利1.8元左右[9]。供水方两年内可收回投资，供需双方经济效益都十分显著。1.2国外的污水再生利用20世纪上半叶在水和废水处理的物理、化学和生物方面的技术进步，导致了“污水再生利用时代”的到来[10]。国际上，美国、日本、以色列、南非、澳大利亚、俄罗斯等国早已开展污水经处理后回用的工作[11]。1.2.1美国模式美国的城市污水处理等级基本上都在二级以上，处理率达到100%。自1920年在亚利桑那州修建第一个分质供水系统用于浇灌绿地、冲厕、洗车、冷却水和建筑等以来，美国的城市污水再生利用已经从试验研究阶段进入生产应用阶段，再生水作为一种合法的替代水源，正在得到越来越广泛的利用，成为城市水资源的重要组成部分，城市再生水利用设施的数量和规模随之迅速增长。美国再生水利用的范围涉及农业、工业、地下水回灌和娱乐等方面，其比例大致为62%用于各种灌溉和景观，31.5%用于工业，5%用于地下回灌，1.5%用于娱乐、渔业等。美国再生水利用模式的突出特点是集中处理回用、很少直接用于城市生活杂用。这大概与美国市政管网和污水处理厂普及、生活用水水质标准严格有关。再生水利用工程主要分布于水资源短缺，地下水严重超采的西南部和中南部的加利福尼亚、亚利桑那、德克萨斯和佛罗里达等州。美国的回用水标准各州不一，并且针对不同的回用对象所制定的标准也不一样，但标准都很严格。加州执行的是22号条例（Title22），克罗拉多州执行的是84号规范（Regulation＃84），这些文件都详细地规定了不同回用对象的水质标准，如：用于农业灌溉、工业冷却、市政景观等[12]。而且，美国环保局会同有关方面于1992年提出水回用建议指导书，包括了废水回用各个方面，回用处理工艺、水质要求、监测项目与频率、安全距离和条文说明，它对那些尚无法则可遵循的地方提供了重要的指导信息[13]。水的回用在美国经久不衰，值得我们借鉴。下面再从几个实例加以详细说明。(1)回用于电厂冷却系统美国电厂冷却水是仅次于农业的主要用水者，生化后的城市污水是可靠的冷却水水源，在西南地区的几个主要发电厂，包括核发电厂，普遍使用处理后的城市污水作为冷却水。在沙漠中兴建的赌城拉斯维加斯，有充足的电力供应，该市二个电厂科拉拉电厂和森路士电厂的冷却水使用拉斯维加斯市污水厂出水。污水厂1981年投产，规模24万m3/d。二级处理出水BOD3mg/L，SS30mg/L。深度处理BOD7mg/L，SS7mg/L，浊度1º，TP0.5mg/L，该水质满足电厂冷却水质要求。污水回用解决了沙漠城市的供水问题。(2)钢厂回用位于马里兰州巴尔的摩海口的伯利衡钢厂使用背河污水厂40万m3/d再生水已有40年历史。背河污水厂规模68万m3/d，曝气池停留时间6小时，滤池为移动罩滤池，滤后水浊度5以下。用城市污水厂再生水的处理流程为：(3)美国21世纪水厂位于加州橘县水管理区，命名为21世纪水厂。1965年开始研究将深度处理出水回灌地下，以阻止海水入侵，1972年兴建有关工程，1976年投入运行，再生工艺如下。21世纪水厂再生水通过23座多套管井回注地下含水层出水TOC＜2mg/L，TN＜10mg/L，电导率100μm/cm，浊度0.1NTU。出水中不得检出大肠杆菌。回注水总量检制在9.5万m3/d。处理流程如下。(4)城市绿地浇灌美国加州的农灌用再生水量很大，占回用水量的60%以此解除该地区干旱威胁。在城镇，大片绿地、树木、高尔夫球场、公园，也是靠再生水浇灌，这部分水占16%。到美国考察，在污水厂内，在市区街道旁，在居民庭院里，随处可见一些管道上标有ReclaimedWater(回收水、再生水、中水)字样，居民每天都要使用再生水浇灌住宅前后草地，污水厂经常进出标有再生水字样的拉水车。污水的再生回用已被居民接受。加州规定的用于粮食作物灌溉的再生处理流程如下。1.2.2日本模式日本是个面积窄小的岛国，河流急湍入海，没有大江大湖可作跨流域调水之用，那么日本靠什么支撑了六十年代的经济复兴呢，靠的就是污水回用，他们叫下水处理水的再利用，在各大城市创建并保留使用至今的“工业用水道”，纵穿全市，形成和自来水管道并存的又一条城市动脉。1955年日本开始再生水利用，1978年左右受节能政策调整和城市水荒的影响，从中央到地方制定了中水利用指导计划，从1980年开始以东京为首的中水利用设施建设迅速发展。到1983年3月底，全国有中水项目473个，总回用水量约6.6万ｍ3/ｄ。近年来，平均每年建设130处。到1993年全国有1963套中水利用设施投入使用，其中东京都建设的中水利用设施数量约占全国的44%，福冈地区占19%。中水使用量为27.7万ｍ3/ｄ，占全国生活用水量的0.7%。截止1993年，使用雨水作中水的设施全日本共有528处，水量为500万ｍ3/ａ。其中东京的雨水利用设施占全国65%，福冈占7%。至1996年，全国有中水设施2100套投入使用，用水量达32.4万ｍ3/ｄ，占全国生活用水量的0.8%。再生水中41%被用于工业用水，32%被用于环境用水，8%用于农业灌溉。日本是工业国，主要用于工业，近几年增加了环境用水，它用于农灌的比例远小于美国。在日本，城市污水集中处理回用和分散处理回用都大量存在，然而其昀突出的特点有两个：（1）分散处理并回用于城市生活杂用的再生水所占的比例很大，（2）独特的工业水道，我们称之为日本模式。对工业用水道的水质各个城市都有不同的标准，日本市政杂用水和景观用水水质标准见表4。下面是日本再生水利用的几个实例及其处理流程。1.日本东京都江东地区工业用水使用城市污水厂再生水的处理流程如下：2.日本江崎市工业用水使用城市污水厂再生水的处理流程如下。3.东京千代田区某楼使用再生水回用于生活杂用水的处理流程。4.东京港区某楼使用再生水回用于生活杂用水的处理流程。5.日本川崎市的“亲水”