美国污水回用技术调研分析

聂梅生(建设部科学技术委员会，北京100835)

　　摘　要：根据对美国污水回用技术的调研，阐述了人类对水的理念所发生的根本性变化。详细介绍了美国在污水处理与实现资源化方面所实施的管理体制、技术路线和采取的综合措施，并结合国情提出了相关的切实可行的建议。
　　关键词：污水回用；美国；调研分析
　　中图分类号：X508
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2001)09-0023-03

　　上一个世纪末期，美国在水领域的总体战略目标发生了调整，由单纯的水污染控制转变为全方位的水环境可持续发展(Water Pollution Control→Watersheds)。“Watersheds”的含义是：由可划分的水系、排放系统、以及接收水体所界定的地区或范围，可权且称之为“水区”。“水区”提出的背景是基于美国经济和社会的可持续发展。正如“美国水区新概念”一书中所说：“这个国家在上一个世纪将水和水生环境作为一种物品或商品来对待，所以我们花掉了数万亿美元修建控制水的设施，如：修堤、建坝、挖运河、调水等，这明确地反映了国家致力于经济发展和对自然过程的控制。”在这个时期，人与自然之间处于对立地位，为了经济的发展，对地球上亿万年来所形成的自然生态现象进行控制，以便在几年之内取得效益。但是，如果在这个过程中破坏了生态，大自然对人类的报复是等不到亿万年的，往往在几十年后就受到报复。因此，在全面总结和检讨了以往的经验、教训之后，“在上一个世纪的后二十年，提出了把恢复和修复国家水体的物理、化学和生物的自然完整性作为新的目标”。“水区”这一概念就是为了完成这个新目标而提出的。水区的管理方式基于综合协调人和自然之间的关系，以保证经济发展和环境质量，这是一种将生态、经济、社会、以及公众参与综合起来的新的管理模式。随着战略目标的调整，带来了美国水的管理体制和技术路线两方面的变化。

1　管理体制

　　美国各州在水的管理体制上有所不同，并且州政府的权力很大，各州的体制有其历史沿革。在加州与水回用有关的联邦、地方机构有：
　　①美国资源再利用局(U.S.Bureau of Reclamation)：负责按照联邦第16号水回用基金计划，为项目提供25%的设计和建设费用(1996年以后每项不超过2 000万美元)，以及50%的地方回用项目的规划费，并与地方政府共同支持有关回用设施的研究以及建设的前期工作。
　　②美国环境保护局(U.S.EPA)：负责制定法律、法规和标准。
　　③加州水资源控制委员会(State Water Resources Control Board)：负责与九个地方水质量控制委员会一起管制州地面水和地下水水质；分配地面水水权；管理“周转基金贷款计划”和“水回用贷款计划”，为污水回用设施提供低息贷款及资助。
　　④加州水资源部(California Department of Water Resources)：负责为地方的水回用计划和示范工程提供技术和资金来源。
　　⑤加州卫生服务部(California Department of Health Service)：负责制定回用水处理和使用标准。
　　⑥城市和地方水的管理机构有的以水区划分，如：大洛杉机分为若干个水区(Water District)，其中西部盆地水区包括了17个市5个区；南内华达水局(Southern Nevada Water Authority)等。
　　由以上的机构设置可以看出：美国联邦政府已经设有专门的管理资源再利用机构；联邦政府和地方政府都有水回用的专项贷款和基金；各个管水的机构各负其责；“水区”不以各级政府的行政管辖范围划分，而是以水的涵盖范围及有利于水的大循环和优化管理而界定，范围可大、可小。地方水区管理的核心是综合管理，这是一个广义的概念，包括政策制定、供排水厂管理、以及对水及与水有关的资源的控制和综合管理。

2　水权和水市场概念

2.1　水权
　　美国的水权是一个非常复杂的系统，不仅各州不同，而且在历史上也发生过很多变化。以密西西比河为界，东部地区没有明确的水权，西部地区现存的水权基本上有两种：
　　①水边界权：持有土地者同时持有该土地界限内的地上、地下水权。持有者有权用水，但无权将水送到所处的土地以外。这种水权是基于美国土地的私有制度。
　　②优先者权：谁第一个开发使用，谁第一个有权。这种水权是始于西部矿产开发时，同时开发了采矿用水。
　　以上两种水权同时存在，并且至今互相冲突，具有美国在土地、矿产方面强烈的私有制特色。进入21世纪之后，美国更加强调公众对水资源的权益(Water right for all)，以及对政府合理利用水资源的信任权。
2.2　水市场
　　水市场是指将水或水权在持有者之间进行转移或出售交易。
　　早在20世纪70年代末期，水可以像粮食一样进行成品交易的想法就出现了，但直到1991年以前，仍不能采用输送水的方式进行交易。1987年—1991年，加州遇上了大旱，1991年州政府创立了“旱灾水银行”(Drought Water Bank)，当时该银行就像交易的中介人一样从农业用户手中尽可能地购买地面水，然后再出售给缺水的城市用户等。目前，联邦政府和州政府已取消了对输水交易的某些限制性条款，加州的圣地亚哥水局正在由IID灌区购水2.47×10⁸m³/a,以满足城市用水,这将成为加州历史上最大的一次由农用水出售给城市用水的项目。水交易的动力在于各类用水之间的价差。将农用节余的水出售给缺水的城市，将会给农民增加收入，但其负面的影响也不可忽视，如农村人口流入城市、降低就业机会、增加城市发展的压力等。更应提出的实例是：加州欧文斯谷将其地面水和地下水售给了400 km以外的洛杉机市，以满足该市人口膨胀的需要。但在此之后，欧文斯谷的农业经济几乎消亡了。

3　技术路线

　　在污水处理的技术路线上，关键性的转变是由单项技术转变为技术集成。以往是以达标排放为目的，针对某些污染物去除而设计工艺流程，现在要调整到以水的综合利用为目的，将现有的技术进行综合、集成，以满足所设定的水资源化目标。
　　从污水处理用词的演变可以看出其技术发展的方向：由传统意义上的“污水处理”(Wastewater Treatment)转变为“水回用”(Water Reuse)，对“水回用”的一般理解是经处理后的水重复使用，是指小范围内的循环；由“水回用”发展到“水再利用”(Water Reclamation)就进一步具有开发和资源化的含义，目前在美国已被广泛采用；最近，加州又在有关的规范和标准中用“水循环”(Water Recycling)代替了“水再利用”，“水循环”的概念更加符合水在自然界中的大循环，经处理后的水可用于工业、市政、农业、以及地面、地下等多种用途。以上概念的演变体现了战略目标的调整，这将必然促使技术路线和工艺流程的升级换代，具体体现在以下几方面。
3.1　城市二级污水处理厂升级换代
　　二级污水处理厂普遍增加了三级处理工艺流程，以便于实现再利用目的。在生化处理二沉池之后增加过滤、消毒已是普遍的要求，原有的大型二级污水处理厂几乎都计划增加后处理工艺(多层滤料滤池之后加氯或用紫外线消毒)。如：洛杉机的Hiparen Treatment Plant、丹佛市的Central Treatment Plant等，原处理能力都在70×104 m3/d以上，目前都在进行后续三级处理的改造，三级处理后的水用于市政绿化、高尔夫球场、洗车、污水处理厂内工艺用水等。
3.2　污水三级处理后增加深度处理
　　经上述三级处理后的出水，采用微滤膜过滤和反渗透膜处理的方法是目前较为成熟并已进入应用阶段的工艺技术。处理后的出水水质可达到饮用水标准，目前多用于补充作为饮用水水源的地面水或地下水。
3.3　建立“水银行”(Water Bank)概念
　　将丰水期剩余的自来水，以及经深度处理后的达标水回注到地下含水层储存，当干旱或需要用水时，从“水银行”中调出所需的地下水以满足供水需求。在地下水缺乏地区提出了这样的口号：“从地下取出一滴水，就要注回一滴水(Drop of water out，drop of water in)”。凡是有可用的干河床，都要利用作为深度处理场所，以便于将处理后的水回灌地下。利用这种土地处理的方法，其出水水质与采用膜技术的效果相当。
　　与地面水库相比，地下水银行具有以下优点：
　　①不存在因建水库或大坝而造成对环境的影响。
　　②不需要修建长距离的输水系统。
　　③蒸发量远比地面水库少。
　　水银行已在美国一些水区中使用，包括Kern水银行项目。
3.4　城市污水的集中处理与分散处理
　　1985年以前，美国建污水处理厂的资金是由联邦政府投入85%(共计800亿美元)、地方政府投入15%来解决，要求至少达到二级污水处理厂出水标准，1985年以后改为发行债券。由于有资金的保证，城市二级污水处理厂(集中处理)已得到100%的普及。
　　城市污水分散处理的提出和发展有以下原因：
　　①分散处理，就地回用。由于回用对象不同，对水质的要求和处理工艺也不同，就地回用又可以节约输水管线，因此回用水厂的规模一般都在几万m3/d的水平上，最大的要算丹佛市，拟在2004年建成17×104 m3/d的污水回用厂。
　　②在已建了集中污水处理厂的情况下，新厂可采用将污水与污泥分开处理的方案，污水就近收集、处理、回用，污泥输送到集中污水处理厂处理。污泥的集中处理有利于实现处理设施的规模效应，节约投资，回收能源。丹佛市的Sand Creek Wastewater Reuse Facility(2×10⁴m³/d)就是采用了这种方式。
　　③随着科学技术的发展，尤其是膜技术的发展，污水处理设施实现了装置化、小型化，使污水分散处理和回用得以实现。
　　④污水处理离不开能源，随着世界性的能源短缺和大气污染的加剧，新能源的使用已经是刻不容缓，而太阳能、燃料电池等都适合于分散使用(例如在居民住宅小区中使用)，这就使污水处理随之走向分散化。
　　城市污水的分散处理和建立回用水厂，将引起城市水规划方面的改变，应予以重视。

4　回用水标准

　　美国的回用水标准是各州不一的，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(Title 22)，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。
　　克罗拉多州回用水质的部分指标为：
　　大肠杆菌＜126个/100 mL；浊度＜3 NTU；磷＜0.6 mg/L(回用于工业冷却水)；氨氮为不可检出(回用于工业冷却水)。

5　几点建议

　　①建立城市用水的综合规划概念，在城市范围内对水源、供水、污水处理、水回用、工业用水等进行统筹规划，制定城市可持续发展的用水规划，并设立城市水规划审批制度。建议成立城市水规划研究设计机构。
　　②建立国家专项节水基金，发行债券，支持、鼓励建设节水和水回用设施。
　　③城市污水处理厂的建设必须与回用一并考虑，除了满足排放标准外，在工艺流程中要考虑回用的水质要求，以免造成短期内的改扩建。
　　④缺水地区新建的住宅小区应考虑强制性的节水措施，否则不予批准设计方案。我国城市每年新建住宅约5×10⁸ m2，按现在的用水标准大约需要275×10⁴m³/d，或约10×10⁸m³/a。美国拉斯维加斯市的给水节水率规划指标为25%(目前达到了16%)，污水回用率为8%。如果我国新建住宅小区能综合考虑给水节水和污水回用措施，节水30%的目标是可以实现的，这样仅全国新建住宅小区每年可节水约3×10⁸m³，三年之后，全国仅新建住宅区内，即可达到年节水量约10×10⁸m³。
　　⑤制定城市节水和水回用的技术指标体系，定期发布适用集成的技术措施，制订适度超前的标准、规范，为技术发展留下空间。
　　⑥在全国建立5～10个不同回用类型的示范工程，如市政景观、工业冷却、住宅小区中水、地下水回灌等。通过示范引路、总结经验，推向全国。

　　电　话：(010)68393411
　　收稿日期：2001-07-08