城市污水全量循環方法學研究

張立輝 宮麗娟 周玉芬 徐敏敏

(山西省環境規劃院，太原 030002)

城市污水全量循環方法學研究

張立輝 宮麗娟 周玉芬 徐敏敏

(山西省環境規劃院，太原 030002)

城市的快速發展對水資源、水環境的壓力不斷增大，城市生活污水排放量逐年增長。為節約水資源，改善水環境，將城市污水深度處理后回用于工業、市政等方面，設置不同情景對城市污水全量循環方法學開展研究，以實現城市污水不外排。

城市污水；全量循環；污水零排放；節約水資源

前言

近年來，經濟的快速發展與城市化率的不斷提高使得環境污染問題日益加劇，城市所面臨的水資源供需矛盾日益突出。與此同時，再生水、雨水等非常規水資源的資源性被不斷認知使得非常規水資源的利用成為了城市可持續發展的必需。同時，水處理技術的快速發展為非常規水資源的利用提供了可靠的技術保障[1]。諸多因素使得城市污水資源化成為可能和社會發展的必然趨勢。

高強度的城市化使得城市的水資源與水環境承載力均超過限值。為了節約水資源，保護水環境，應當最小化城市對自然水體在水量及水質上的沖擊，協調城市發展與城市水資源及水環境之間的關系[2]?；谶@樣的觀點，本研究遵循“盡可能減少城市自然的取水與排水量，盡可能多的利用進入城市的水資源”的原則，以保障自然水循環健康，促進社會水循環高效為目標，建立最終實現城市污水全量循環的概念。以實現城市污水全量循環為核心，以改善我國流域水質為根本目標，以城市可持續發展理念為指導，對城市污水全量循環方法學開展研究。

1．城市污水全量循環方法框架

城市污水全量循環即城市污水用傳統工藝處理達到排放標準后，根據不同的回用途徑進行深度處理后，回用于城市雜用、工業用水、景觀環境、地下回灌等，實現城市污水的全部、多次循環利用。

城市污水全量循環方法學框架如圖1所示，由水資源利用現狀分析、水資源利用預測分析、再生水產生量預測分析、需水量與再生水量供需平衡分析四部分組成。

在對定額法中人均居民家庭生活用水量進行確定時，應當對規劃區域的城市居民家庭生活用水現狀進行充分調查與趨勢分析，參考當地城市的投入程度以及技術水平先進城市的居民家庭生活用水現狀，合理、慎重地選取該參數的取值。

在居民家庭生活用水水平確定的基礎上，利用下式對城市市政公共服務用水水平進行確定。

其中β為人均市政公共服務用水量與人均居民家庭生活用水量的比值。

人均市政公共服務用水量與人均居民家庭生活用水量的比值由很多因素決定，如城市化水平、城市性質、氣候、居民生活習慣等，隨著城市建設的日趨完善，城市生活用水的結構將趨于穩定，這個比例將保持相對穩定。因此，在定額法中對該比值的確定要密切結合城市的實際情況。通常對于發展較快、規模較大城市來說，隨著城市建設的完善，人民居住水平的提高，市政公共服務用水所占比例一段時間內都會呈現下降的趨勢，但下降幅度要綜合考慮多種因素，合理確定；對于發展較晚，正在迅速建設的城市，隨著公共服務水平的不斷提高，市政公共服務用水所占比例一段時間內都會呈現上升的趨勢，同樣上升幅度要綜合考慮多種因素，合理確定。

（2）工業用水需水量分析

工業用水是指工、礦企業的各部門，在工業生產過程中，制造、加工、冷卻、空調、洗滌、鍋爐等處使用的水及廠內職工生活用水的總稱。與城市生活用水類似，本研究構建的城市污水全量循環方法學中，也采用定額法預測工業用水需水量。對于基礎信息不完善的地區，采用該方法進行需水量的預測，簡單可行。

定額法采用萬元增加值指標法對工業用水進行需水量預測，如下式所示：

其中：QI為工業用水量，EI為工業增加值，wI為單位工業增加值用水量。

萬元工業增加值用水量反映了工業用水水平，單位通常為m3/萬元。全國及各省萬元工業增加值用水量不等，各省水平有較大差距。2010年山西省萬元工業增加值平均耗水量為28.52m3/萬元，太原市為29.56 m3/萬元，均處于較低水平。

在對規劃區域萬元工業增加值用水量指標進行確定時，應當在保證規劃區域工業正常發展的前提下，對規劃區域的工業行業及其各行業的用水現狀進行充分調查與趨勢分析，合理考慮各行業各種節水技術與措施對萬元工業增加值用水量的影響，參考當地城市的節水投入程度、節水水平先進城市的萬元工業增加值用水量相應的上位規劃與相關專業規劃，如城市總體規劃或工業產業發展相關的專題研究等，在充分發揮當地節水潛力的前提下，合理慎重取值。

（3）環境用水需水分析

環境用水主要是指城市范圍內，為了維護城市生態環境發揮正常的作用，用于河湖、景觀等方面的用水。其需水計算公式如下：

其中QE為環境用水量，Qe為水面蒸發量，Ql為河湖滲漏量，Qb為河道基流量，Qd為稀釋污染物用水量。

以上各值可主要參考上位規劃和相關專業規劃的數據，如城市總體規劃或生態保護相關的專題研究。

（4）水系統漏損分析

水系統漏損是以管網漏損為主的城市水系統運行過程中損失的水量，可以使用漏損率來進行估算。漏損量計算公式如下：

其中，QU為水系統漏損量，u為水系統漏損率。

生活用水、工業用水、環境用水采用之前的計算結果。水系統漏損率可參考上位規劃和相關專業規劃的數據，如城市總體規劃或節水技術相關的專題研究；或根據城市節水目標提出相應的數值。

3.2 節水情景用水量預測分析

參照常規情景，通過設定新鮮水用水水平，分別從生活用水、工業用水、環境用水及漏損4個方面進行節水情景用新鮮水量預測。

（1）生活用水需水量分析

節水技術的進步及節水器具的推廣處于一個相對穩定期，在現狀情景已考慮，因此，節水情景主要考慮再生水的回用比例。

城鎮居民家庭用水中，沐浴、沖廁、清潔、飼養寵物、洗車等均可用回用水。市政公共服務用水中，車船碼頭等的用水以及道路澆灑、綠化、消防等方面的用水亦可用回用水。

定額法中城市居民生活用新鮮水量的計算公式如下：

其中，QL'為城市生活用新鮮水量，Pu為城市人口，wL'為生活用新鮮水水平。

根據城市生活用水的組成，城市生活用新鮮水水平wL'由居民家庭用新鮮水水平wLF和市政公共服務用水水平wLP組成，如式8所示。

表征城鎮居民家庭用水水平wLF'的指標為人均居民家庭生活用新鮮水量，單位通常為升/人?日。γ1和γ2分別為居民家庭和市政公共服務用水中再生水的比例。

在居民家庭生活用水水平確定的基礎上，利用下式對城市市政公共服務用水水平進行確定。

其中β為人均市政公共服務用水量與人均居民家庭生活用水量的比值。

（2）工業用水需水量分析

定額法采用萬元增加值指標法對工業用新鮮水進行需水量預測，如下式所示：

其中：QI'為工業用新鮮水量，EI為工業增加值，wI'為單位工業增加值用新鮮水量。δ為工業用水中回用水的比例。

（3）環境用水需水分析

環境用水基本可以完全用再生水替代。

（4）水系統漏損分析

水系統漏損是以管網漏損為主的城市水系統運行過程中損失的水量，其可以使用漏損率來進行估算。漏損量計算公式如下：

其中，QU'為水系統漏損量，u為水系統漏損率。

生活用水、工業用水、環境用水采用之前的計算結果。水系統漏損率可參考上位規劃和相關專業規劃的數據，比如城市總體規劃或節水技術相關的專題研究；或根據城市節水目標提出相應的數值。

4．再生水產生預測分析

隨著城市區域水資源短缺形勢的日趨嚴峻，水處理技術的快速發展，以再生水為代表的非常規水源已經成為城市的重要資源之一。再生水源利用量的多少已經成為一個城市水資源開發利用先進水平與可持續發展進程的重要標志。

4.1 再生水水質的識別

隨著國家對環保工作的重視及水處理技術的逐步完善，十二五期間基本實現縣縣建有城鎮污水處理廠，出水水質達《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。城市再生水回用不同途徑對應有不同的標準，對比如表2所示。

城市雜用水主要是指適用于廁所便器沖洗、道路清掃、消防、城市綠化、車輛沖洗、建筑施工雜用等

方面。其中，車輛沖洗、沖廁要求水質相對較高。工業用再生水主要用于冷卻用水、洗滌用水、鍋爐用水、工藝用水、產品用水等方面。景觀環境用水主要是用于觀賞性景觀環境用水及娛樂性景觀環境用水，如河道、湖泊、水景等。地下水回灌指一種有計劃地將地表水、城市污水再生水在內的任何水源，通過井孔、溝、渠、塘等水工構筑物從地面滲入或注入地下補給地下水，增加地下水資源的技術措施。由表2可以看出，城鎮污水處理廠出水達到一級A標準后，與回用所要求的大部分指標相一致，基本可以滿足工業、城市雜用、景觀用水及地下回灌的需求。當對再生水回用水質要求較高時，可通過在原污水處理工藝后增加相應的水處理單元來解決。

城市再生水回用于城市雜用、工業以及景觀環境的技術比較成熟，已得到廣泛應用。對于再生水用于地下水回灌，國內許多學者也開展了很多研究[3,4]，但距離實際應用還有一定距離，暫時還沒有相應的回灌標準和成熟的技術方法，

4.2 再生水可供水量的識別

再生水主要用于城市的工業、市政雜用、環境補水、地下回灌等方面，其可供水量的識別分為以下幾個步驟：

①再生水利用的現狀分析。通過分析規劃區域歷年的再生水使用總量、各用戶的再生水使用量、再生水廠的數量、再生水生產規模等，識別規劃區域再生水的利用狀況與發展趨勢。

②再生水資源量的分析。根據規劃區域用戶的用水量以及排水特征，計算區域內再生水的資源能力，如下式所示。

其中，SRS為再生水的資源能力， QL為生活用水量，kL為生活用水排水系數， QI為工業用水量，kI為工業用水排水系數，f為城市污水收集率。

③再生水可供水量的識別。根據再生水資源量的分析，考慮到規劃區域的污水處理能力與再生水生產能力等因素，再生水可供水量的計算公式如下所示：

其中，SR為再生水可供水量，f '為城市污水處理率，SRAi為第i個再生水廠的生產能力，i的取值范圍為1～n，n為區域內再生水廠的個數。

5．供需平衡分析

供需平衡分析是在明確用戶需求水量與常規水源和非常規水源供水能力的基礎上，進行水資源的供給與需求的平衡分析。與傳統供需平衡分析不同，城市污水全量循環規劃中的供需平衡分析將區分不同用戶不同用水行為對水質需求的差異。

常規情景與節水情景的需水量差值即為再生水需水量。當再生水需水量不小于再生水產生量時，理論上來講，通過協調配置即可實現城市污水的全量循環。

（1）多水源供水的水量水質分析

常規水源：通常包括地表水、地下水和外調水，通過城市統一的供水管網供給。該部分水源的水質可以達到所有用戶的要求，也稱為高質水源；

再生水水源：指城市集中污水處理廠的出水經過深度處理后的再生水，其水質限制了其用途，通常用于城市景觀、河湖補水、綠化、沖廁、冷卻和洗滌等方面。

（2）多用戶需水的水量水質分析

根據水質需求的差異，對不同用戶不同水質的需求進行確定，如下式所示。

其中，Qi為對第i種水源的需求量，hLi為生活需水中第i中水源所占比例，hIi為工業需水中第i中水源所占比例，hEi為環境需水中第i中水源所占比例。

第i種水源在不同用戶需水中所占比例可以根據不同情景選取不同的數值。比例確定采用“就低不就高”的原則，即，對于既可以使用低質水源也可以使用高質水源的用戶用水，按使用低質水源計算。

（3）多水源多用戶水量水質供需平衡分析

多水源多用戶的水量水質供需平衡分析是要針對不同水質的水源進行供需平衡分析，在此基礎上，還遵循以下三個原則：①高質水源可以用于滿足用戶的低質水需求；②低質水源之間不存在差異，可以互補供應滿足用戶的低質水需求；③除工業、城市雜用及環境用水之外，多余的再生水可全部回灌于地下。

根據上述分析結果，再生水主要用于工業、城市雜用、景觀環境三個方面，而對于冬季需水量少時，不能全部回用的再生水可結合山西特有的山地及采空區等地形地質條件，考慮回灌于地下含水層貯存，等缺水時再從地下調出，進而可實現城市污水的全量循環。

6．結論

隨著城鎮化發展速度加快，城鎮居民人口增加，導致城鎮生活污水排放量增加，成為導致地表水環境惡化的重要原因。城鎮生活污水若能有效利用，將是解決水資源緊缺的一個重要途徑。開展城市污水全量循環利用方法學研究，實現污水的零排放，是解決水環境污染問題的有效途徑，也是支撐城市可持續發展的重要內容。目前國內尚無城市實現污水全量循環，但是各類物理、化學污水凈化技術日趨成熟，能夠滿足不同檔次再生水質量要求。

通過多水源協調利用來實現城市污水全量循環，減輕由于城市發展對水資源、水環境的壓力，對于保護環境、實現城市持續發展具有重大意義。

[1] 施漢昌. 污水處理技術的研究與發展[J]. 給水排水. 2013（2）, 1-3.

[2] 黎瑩,鐘麗錦, 傅濤. 我國城市綜合節水管理框架構建及節水管理現狀分析[J]. 水資源保護，2010（5）：21-25.

[3] 單連斌，趙離堪，張聰璐等. 地下回灌——污水回用的重要戰略[J]. 環境保護科學，2003, 4（29）: 10.

[4] 張猛， 成徐州，趙璇. 再生水補給地下水的新方式——組合式強化井灌[J]. 清華大學學報（自然科學版）, 2009, 49（9）: 118-120.

Study on methodology of urban sewage full recycle

Zhang Li-hui Gong Lijuan Zhou Yufen Xu Minmin
(Shanxi Academy for Environmental Planning, Taiyuan 030002 )

The rapid development of city is increasing the pressure of water environment and water resource. The urban sewage emission is increasing every year. In order to save water resource and improve water environment, the urban sewage after advanced treatment was used in industry and municipal, etc. Different scenarios were set to study the methodology of urban sewage full recycle, in order to realize urban sewage zero discharge.

Urban sewage；Full Recycle；sewage Zero Discharge；Saving the Water Resource

X24

A

1674-6252（2014）04-0026-06

2012年山西省科技攻關計劃項目，《污水監測及循環利用技術研究-汾河流域城市污水全量循環過程中水量平衡模型的研究》階段成果.

張立輝（1980—），女，漢族，河北省南宮市（籍貫），工程師（職稱），博士研究生，研究方向：水污染控制與廢水資源化.