城市污水再生利用新模式的探讨

茹继平，李大鹏
(国家自然科学基金委员会工程与材料科学部，北京100085)

　　摘　要：阐述了我国城市水环境、城市污水处理及其再生利用的现状、研究热点与发展趋势。从污水也是一种可再生的水资源和可持续发展的观点出发，在总结有关研究及应用成果的基础上，并结合国情提出了城市污水区域性控制与再生利用的综合模式，即区域污水处理——纳污沟渠水体的人工强化自净——再生后水体的综合利用。该模式将城市污水终端集中处理与城市小区(或区域)污水处理相结合，并将小区(或区域)的污水处理与沟渠水体的修复利用相结合，探索了一种我国城市污水再生利用的新模式。
　　关键词：城市污水；再生利用；水体自净
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2001)05-0033-03

　　水是一种可再生的自然资源，城市污水的再生利用是节约及合理利用水资源的有效途径；同时，城市作为一个特殊的“人类社会系统”，从“清洁生产”的角度看，城市污水的再生利用也是防治水环境污染及促进人类可持续发展的一个重要方面，城市污水处理和再生水的利用是水资源良性社会循环的重要保障措施。近年来，随着城市水资源的日益紧缺，城市污水的再生利用越来越受到各国的重视，研究和建立与当地环境相适宜的城市污水再生利用模式也就有着非常深远的理论和现实意义。

1　城市污水再生利用的模式与发展状况

　　城市污水的再生利用实际上包括再生和利用两个环节，污水利用的条件是拟进行回用的水必须满足一定用途的水质要求，因此，回用处理(再生)的环节通常是必不可少的。目前的城市污水利用较多考虑的是城市污水处理厂二级处理后的出水，这种水的利用有二种形式：直接回用和间接利用。直接回用多用于污水处理厂附近的农田灌溉及草场等用水，回用的途径及方式受地域限制还比较单一，调配运转不方便，而且这种水虽然经过了人工强化处理和消毒等措施，但由于未经过一定时间的自然净化，在使用和控制不当时会产生一定的问题。间接利用是从水域的整体考虑，从水体上游取水净化供城市使用，产生的污水经城市污水处理厂净化后排入水体的下游，回归于水体(此过程构成了水的社会循环)，再经过一定河段的自然净化，可为下游城市或地区利用。经处理污水的间接利用是将自然界中水的社会循环与自然循环有机结合，在水体自净容量的限度内，对水体的利用基本不会造成损害，这种方式需要从宏观上进行管理，是水资源可持续利用的重要途径。
　　国内外已有许多将净化后的城市污水应用于工业、农业、市政、渔业等的成功实例^［1、2］。近年来，阿根廷、智利、印度、科威特、墨西哥、秘鲁、俄罗斯等国将城市污水一级或二级处理出水应用于农业灌溉，其规模逐年扩大。日本创造了中水道系统，在建筑群内设双管供水系统，利用再生污水冲刷厕所、作冷却水、浇花园和草地、冲洗马路和汽车或作景观、消防用水，获得了显著成效。
　　城市污水再生利用的中心问题在于根据地区的特点拟定适宜的再利用对策。美国加利福尼亚州根据其农业发达、用水量大的特点，提出的基本模式是“灌溉回用”，农业用水直接取自水源和经处理的城市污水；佛罗里达州根据其城市用水集中的特点，提出的基本模式是“非饮用回用”，大规模地实行“Dual Pipe System”(双管供水系统)，以自来水价格的40%将城市污水处理水供给高尔夫球场、城市绿化、以及建筑物和住宅区的中水道用水；而德克萨斯州根据自己用水的传统和水文地质特点，采用“间接回用”的模式，大规模进行污水处理水的地下回灌。以色列的城市污水处理水的主要回用出路是“农业灌溉”，但在人口集中的城市区域也进行一定规模的中水道回用。日本大部分地区利用污水处理水进行“清流复活”，这是因为该国基本上不缺水，但水资源的修复和保护是回用的重点。
　　采用净化后的城市污水供工农业及市政事业等多目标、多对象的回用在技术上是可行的，经济上是适宜的，对缓解城市水荒、促进城市的可持续发展有非常重要的意义。近10年来我国对城市污水再生利用组织科技攻关取得丰硕成果，如中小城镇和住宅小区的污水回用；城市污水净化后回用于园林绿化、市政景观、冲刷马路等；大型宾馆及娱乐场所的中水回用系统；城市污水回用于工业冷却水系统或低压锅炉补给水及工艺用水；污水回用规划、技术政策等软课题研究等。此外，还兴建了若干示范工程。随着我国城市化进程的推进，我国城市污水资源日益丰富，目前已超过500×10⁸m³/a，如果有1%的污水回用，将对缓解北方一些重要城市的缺水起重要作用。我国是世界上13个贫水国之一，当前，我国600余座城市中有300余座缺水，有些城市水资源严重匮乏，全国城市缺水60×10⁸m³/a，因缺水而减少的工业产值＞1 200亿元/a，且呈现增长之势。自2000年5月份以来，由于干旱缺水，已有150个城市先后开始实行定时限量供水，严重影响了城市的可持续发展。虽然我国在利用城市污水灌溉农田方面积累了多年的实践经验和具备了一定的科学研究基础，许多城市也实施了一些开源节流的措施，但把城市污水当作一种稳定可靠的水资源予以开发利用仍然进展不大。这中间很大程度上是认识问题，当然也有一些属于技术上或投资上的问题。
　　污水作为水资源回用的前提是提供适合于回用的水质，且不造成任何潜在的二次污染。目前随着水处理技术的发展，能达到一定水质的水处理技术往往不在于其技术上的可能性，而在于经济上的可行性。因此，常规污水处理工艺的强化、组合及高效、低耗能处理技术的应用，自然能源和廉价资源的开发利用，污水处理和资源回收相结合技术，已成为城市污水资源化技术研究的主流；同时，城市污水再生利用的系统及优化理论、环境风险评价、水质指标及系统管理模式等，也将成为城市污水再生利用研究的重要方面。

2　我国城市污水处理的发展现状

　　20世纪80年代中期以来，我国的城市污水排放量开始成倍增长(＞500×10⁸m³/a)，而相比之下，我国的污水处理率却增长缓慢，目前还不足10%^［3］。近十几年，我国城市已由解放初期的132座增加至668座，城市人口已占全国总人口的35%，预计到2010年可上升到47%，按此预测，届时城市污水量也将达到720×10⁸m³/a。在我国现有的668个城市中，仅有123个城市有307座不同处理等级的城市污水处理厂，其中城市污水二级处理率为10%左右。全国现有17 000个建制镇，绝大多数没有排水和污水处理设施。国家提出至2000年污水处理率要求达到25%，2010年达到40%。
　　目前，各地对城市污水的处理考虑较多的是排水管网终端的集中式处理，而对于污水流经整个城市的过程却缺少控制，尤其是在城市排水系统不健全的地区，致使一些分布于城区的沟渠水体倍受污染，日久天长这些水体也就成了名副其实的“臭水”。现在一些有条件的地区采取了“截污、清淤、引水”等治理措施，使水体在感官上有了很大的改善，但同时也破坏了水体的自净体系和功能，使水体抵抗外界污染的能力减弱。由于我国的城市排水管网较多采用的仍然是合流制管道，雨季时大量污水随雨水从截污干管的溢流井排入水体，而造成严重的污染。可见，只有在城区点源污染和面源污染得到有效控制的前提下，才能全面实现城区的碧水目标。

3　城市污水再生利用的新模式探讨

3.1小区污水处理与沟渠水体的修复

　　城市污水区域性控制与沟渠水体再生利用的综合模式主要包括三个环节：即区域污水处理——纳污沟渠水体的人工强化自净——再生后水体的综合利用，即小区污水经处理后排入附近的沟渠水体，再通过一定河段的强化自净后实现水体的清洁及再利用，它具有城市小区污水处理与沟渠水体功能化及资源化的一体化综合效能。该模式将城市污水的终端污水处理厂集中处理与城市小区(或区域)污水的分散处理相结合，并将小区(或区域)的污水处理与沟渠水体的修复利用相结合，这对减轻建设城市污水处理厂的压力、解决城区水体的污染和开发利用等具有重要意义，其主要表现在：①污水处理可采用小型集成化地埋式系统，占地小且可建在小区建筑空间的绿地下面，美观、实用；②经处理后的小区污水可排入附近的沟渠水体，既可减轻城市排水管网的输送压力，又能保证城区沟渠水体的清洁与可利用；③利用水体的自净功能，通过人为的方式在城区沟渠水体的某一河段设立一些增强水体自净能力的设施或区域，如曝气充氧区、生态净化区、生态稳定区及资源利用区等，并将这些设施景观化以达到城区沟渠水体的水质和景观修复以及资源化利用的综合效能和效果；④处理后的污水再经过沟渠水体的人工强化与自然净化后，成为无害化的可再利用水资源，既可美化城市，又可在城区内就近作为道路、绿地、清洁或工业等用水而被综合利用，延长了水的社会循环周期和使用周期，使水的社会循环趋于良性；⑤一些高效简易的污水处理系统得以应用，使得污水处理的投资和成本可以大大降低；⑥城市污水中包括大量的较清洁废水，如循环冷却水、娱乐设施排水、中水等，根据污水水质的特点采用分质排水、分质处理以及分质利用的方式，可以更有效地发挥其污水处理和资源再生利用的优势。
3.2研究基础与发展方向
　　我国几十年的研究基础和实践积累，建立了由十几所高等院校和科研院所为主，由数十位资深科学家和专家主持领导的科研群体，尤其是近几年来我国环保事业的蓬勃发展以及所取得的成果，使得城市小区污水处理与沟渠水体再生利用综合模式的实施成为可能。在污水处理方面，我国在污水处理的技术与工艺流程的研究及成果具有国际上的同等先进水平，虽然在处理设备、系统优化控制及管理水平等方面还有一定的差距，但在一些深入的基础理论研究方面甚至是超前的，某些工艺技术也有其独到之处，一批小型集成化地埋式的污水处理设备和系统已经在宾馆、餐饮业、小区和景点的服务及卫生设施等的污水处理上得到广泛的应用，并取得了良好的效果^［4］。对水体的水质修复，在“八五”和“九五”期间，已结合实际水体开展了大量的基础研究及跟踪调查等工作，在水环境化学、物理学、微生物学、生态及毒理学等领域取得了丰硕的成果^［5～11］，为水体修复技术及其基础理论进行深入系统的研究和应用奠定了基础。
　　城市污水处理与沟渠水体再生利用的综合模式是一项系统工程，它融合了环境工程学、环境水化学、环境微生物学、城市园林景观与生态学、水利学以及市政与管理学等，需要多学科和部门的协同工作。因此，这一模式的建立尚需要进行深入系统的研究，其中需要解决的关键科学问题是：城市污水资源再生利用的风险评价、再生理论和技术研究，水资源再生利用的水质指标、系统优化理论及管理模式，水体修复的生态工程及物理、化学和生物学技术基础及优化模式，城市水体功能、景观及资源化的综合研究等。

4　结语

　　城市污水的资源化应该建立在水的良性社会循环的基础上，这对水资源的可持续性开发和再生利用至关重要。结合我国国情对城市污水再生利用模式进行探讨，旨在寻求适合我国经济和社会发展的水污染控制及水资源再生利用的良好模式。随着我国西部开发及北部缺水地区城市发展战略的实施，将会推动我国城市污水资源化研究的进展，逐步形成和完善与我国国情相适应的水资源良性社会循环体系，实现城市与水资源开发利用的可持续发展。

参考文献：

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［5］张杰，张富国.提高城市污水再生水水质的研究［J］.中国给水排水，1997，13(3)：19-21.
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［10］国家自然科学基金委员会.环境化学［M］.北京：科学出版社，1996.
［11］国家环境保护局科技标准司.湖泊污染控制技术指南［M］.北京：中国环境科学出版社，1997.

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收稿日期：2001-01-11