污水回收再利用現狀及發展趨勢

姜 磊，凃 月，李向敏，韓亞梅，安 靜,2，李海翔

(1.桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西桂林 541006； 2.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000)

水是地球上各類生命體生存所必須的珍貴資源。然而隨著社會的加速發展，水資源浪費和各種水污染問題愈演愈烈，加劇了已經出現的淡水資源供需矛盾，導致了水資源短缺現象。而且由于地表水量供給不足，人類開始大幅開采地下水，產生了地面下沉等諸多不良后果，給人類社會活動造成了隱患。為了解決這一嚴重的環境問題，近年來采用的主要措施有跨流域調水、節制用水、污水回用和雨水蓄用等[1]。

1 污水回用及其必要性和可行性

城市污水是指排入城鎮污水系統的污水，主要包括生活污水、工業污水以及城市徑流污水。其中主要包括的污染物是有機物(如脂肪酸、蛋白質等)、懸浮物和病原體等[2]。污水回用是指通過二級處理和深度處理，將城市生活污水或工業廢水回收，用于一些生產系統或生活雜用，做到科學利用、以污代清[3]，從而節約淡水資源，緩解水資源使用壓力。

1.1 必要性

我國目前面臨資源型和污染型兩種嚴重的水資源短缺問題。全國600座城市有近400座屬于缺水城市，其中還有大約200座屬于嚴重缺水[4]。一方面降水量不平衡，水資源時空分布不均，且人口的持續增多使得人均水資源量越來越少，不及世界人均的25%[5]；另一方面，各種偷排偷放未經處理污水的行為污染了干凈水源，進一步減少了可利用的水資源，造成了惡性循環。同時，過量的污水也會影響城市居民的居住環境質量，影響社會發展。雖然近年來城市污水處理廠數量以及規模都在增長，污水處理量隨之增大，技術也在持續改進，但仍然無法滿足當前社會的實際需求[2]。

這些問題已經嚴重制約了經濟發展和社會進步，嚴重危害了人類健康和生態平衡，到了必須要解決的地步了。因此，污水的資源化利用迫在眉睫，只有有效解決城市污水處理的問題，才能促進城市的可持續發展。

1.2 可行性

城市污水和工業廢水出水水量巨大但也穩定，容易收集，是城市可利用的第二水源[1]。同時，除去一些重工業的重金屬污染，一般意義上的污水大概存在1%的污染物，相較于跨流域調水等其他解決水資源短缺問題的途徑，相關的工程投資少了許多[5]，回報率也相對更高。這種將污水資源化利用的方法在緩解水資源供需矛盾的同時，還能有效解決水環境污染問題，在某種意義上說，促進了社會經濟的可持續發展，一舉多得，利國利民。因而，污水回收再利用已被許多國家廣泛應用，也取得了非常顯著的效果。

綜上所述，我國目前大力推行污水再生利用功在當代，利在千秋，是非常必要和可行的[6]。

2 國內外污水回用的發展歷程和現狀

2.1 國外污水回用的發展歷程和現狀

2.1.1 美國

美國再生水最早可以追溯到19世紀初期，開始大規模使用則是在20世紀60年代。《2005年美國水資源使用評估報告》顯示，美國的年均用水量大致為5.66×1011m3[7]，巨大的用水量成為美國再生水發展的動力和契機。

目前美國經處理的污水被廣泛回用于工業設備冷卻、農業灌溉、城市雜用、景觀娛樂、地下水補給等方面，各部分再生水所占比例如圖1所示，總體利用量達2.6×106m3/d[8]。

圖1 美國不同用途的再生水占總回用水量的比例[8]Fig.1 Proportion of Reclaimed Water for Different Uses in Total Reused Water Consumption in US[8]

2.1.2 日本

日本國土面積小，可利用水資源在空間分布上差異大，導致其水資源不能得到有效利用[9]。這使得日本從1962年就開始進行污水資源化管理的研究，政府方面大力開發節水措施，推廣污水回收再利用技術[1]。1980年開始以東京為首，再生水利用設施迅速發展[8]。

目前日本再生水的主要用途有河流補給、農業灌溉、娛樂、景觀、融雪、沖廁、生產服務業以及工業用水等，各部分所占比例如圖2所示[10]。

圖2 日本不同用途的再生水占總回用水量的比例[10]Fig.2 Proportion of Reclaimed Water for Different Uses in Total Reused Water Consumption in Japan[10]

2.1.3 其他國家

以色列是世界上最干旱的地區之一，全國有近2/3的國土是沙漠，年降雨量低于200 mm[11]，且降水量年際變化大，只有一個淡水湖肯奈瑞特湖(加利利海)，水資源非常匱乏[12]。這促使以色列從上世紀七八十年代就開始涉足污水回收再利用領域并不斷革新技術。目前，以色列已將再生水作為國家水量平衡的重要組成部分[8]，其水資源回收率世界排名第一，達到75%；日再生水產量約為9.6×105m3[13]，約70%的城市污水被回用于農業灌溉[11]。據統計，到2040年，以色列的年再生水總利用量將達到8.7×108m3[8]，從而保障各方面的用水需求。

除上面提及的國家以外，還有很多其他國家在大力推進污水資源化利用，例如亞洲的新加坡、約旦、科威特，非洲的突尼斯、納米比亞，南美洲的巴西、智利、秘魯以及歐洲的法國、比利時、荷蘭、意大利等[8]。越來越多的國家開始重視水資源的保護，重視污水回用技術的利用、推廣以及革新。

2.2 國內污水回用的發展歷程和現狀

從20世紀50年代開始，我國就開始嘗試采用污水灌溉的方式來回用污水，一直到60年代后，對于污水灌溉的研究已經有了一定成果。國家“七五”、“八五”期間，“城市污水資源化的研究”和“城市污水回用技術”兩項課題被列入國家科技攻關計劃，其中相應的污水回收利用技術被提出[1]。在“八五”期間，國內很多城市，尤其是北方如北京、大連、西安、太原等缺水城市，相繼建成了將再生水用于工業、景觀等方面的污水回用示范工程，為我國的污水回用積累了經驗[14]。

2.2.1 北京

北京總體來說是一個非常缺水的城市，其人均水資源占有量僅有300 m3/人，僅僅達到全國平均水平的八分之一[15-16]，水資源短缺問題已經嚴重限制了北京的經濟發展，因而污水回收再利用的發展迫在眉睫。

20世紀50年代初期，北京在石景山區開始利用當地鋼鐵廠排出的工業廢水回用于灌溉，其灌渠主要分布于城清河、壩河、通惠河和涼水河，主要灌溉區域為朝陽區、豐臺區和通州區；截至2001年，北京市回用于農業的再生水和污水水量占農業總用水量的2.8%。從20世紀80年代開始，污水經過處理后開始回用于城鎮生活及工業用水[17]；截至2006年，已建成中水回用設施200多套，并且城中部分工廠開始修建內部污水處理單元，用以將廠區產生的各種污水處理后再利用[16]，其中，在2002年，北京市政府與高碑店污水處理廠共建了規模為47×104t/d的中水回用工程，再生水被穩定用作北京第一熱電廠、北京東南郊工業區的冷卻用水以及北京南部的市政雜用水[15]。不難看出，目前北京市再生水回用主要用于工業、農業及市政等方面。

2.2.2 大連

大連位于我國遼東半島，屬于低山丘陵區，受氣候影響，降雨時空分布不均，這些自然條件從根本上決定了大連是一個貧水區[18]。與此同時，隨著經濟的發展，大連的用水需求逐漸增大，這使得海水入侵等現象發生，導致大連逐漸變成了污染性缺水區。基于此，大連開始涉足再生水回用領域。1997年開始，大連開發區的綠化灌溉普遍采用再生水；1998年，濱海公園再生水工程建成，這是大連開發區的第一條再生水管道[19]；同時，各污水處理廠陸續開始建設污水深度處理裝置。

近年來，大連的污水再利用慢慢從最簡單的綠化灌溉演變到回用于工業生產。其中，在20世紀80年代末，中國市政工程東北設計研究院和大連春柳河污水處理廠聯合接受了國家建設部下達的“八五”攻關課題——“污水回用于工業”的研究；90年代初，國家建設部對于該項目的鑒定表示，其出水水質達到了三級標準，被定為全國第一個“回用水示范工程”[20]。同時，按市政府“十五”期間的再生水規劃，大連市新建污水處理廠三座，擴建兩座，運行后，污水處理率達78%，市中心供水量與污水處理量基本達到平衡[18]。

2.2.3 太原

數據顯示，太原市的人均水資源占有量僅約為168 m3，遠低于國家對于嚴重缺水城市人均1 000 m3的警戒線[21]，屬于我國嚴重缺水的城市。與大多數城市一樣，缺水問題已經嚴重干擾到太原的社會經濟發展。因而，太原長久以來一直通過回用污水來解決自身的缺水問題。較全國大部分城市而言，太原的再生水回用起步比較早，20世紀90年代初期就開始在全市宣傳并推廣生產建設采用再生水，同時，在市內開展多處試點。截至2010年，太原市內擁有獨立再生水回用工程的單位已有包括山西國貿大飯店在內的18家[22]。其中，作為太原市綜合性建筑節能示范樣板，于2004年建成的大唐四季花園再生水回用系統將該小區內部產生的生活污水處理回用于綠化、洗車和景觀補充用水等，據統計，每年可以節約水費8萬余元，這是太原第一個利用再生水的建筑小區[22]。

但到目前為止，太原再生水回用的推進一直較為緩慢，這主要是由于市民對于再生水存在一些戒備心，以及目前相對較為滯后的管網配套設施。

據統計，2010年全國城鎮污水處理再生水生產能力約為1.21×107m3/d，年再生水利用總量約為3.37×109m3，大致為總處理量的9.63%。“十二五”方案要求，到2015年，全國城鎮污水處理廠的再生水利用率須從之前的不足10%提高到15%以上[1]。

“十五”綱要明確提出要污水回用，同時將污水回用列為指標來考核節水城市。2003年5月開始，《城市污水再生利用分類》、《城市污水再生利用城市雜用水水質》、《城市污水再生利用景觀用水水質》3項國家標準正式實施[23]，這標志我國不僅開始推廣再生水技術，也逐漸重視以標準為依據來實施污水資源的可持續利用[24]。

目前，我國再生水主要應用于農業、工業、景觀、市政雜用等，幾乎不涉及城市居民生活用水，后者不僅需要采用更加先進的技術，也需要人們觀念上的逐漸接受[25]。

2.3 國內外污水回用對比

雖然我國的污水回用已經得到足夠重視，但是從目前國內的現狀來看，我國的污水回用仍處于初級階段。和一些發達國家或污水回用起步較早的發展中國家相比，我國的污水回用無論是從規模還是應用方面來看都還遠遠落后[26]。從數據上看，我國的水資源利用率并不高，城市污水利用率和二級處理率分別僅有30%和15%，污水平均回用率也只有10%。但在各方支持下，目前我國污水回用的發展非常迅速，預計到2020年，全國城市污水回用率可以達到55%以上[1]。

3 污水回用用途

目前，基于不同的污水再生處理要求，即再生水指標，再生水回用工程大致應用于農業灌溉、工業冷卻、娛樂景觀、生活雜用、地下水回灌、市政用水、居民飲用等方面。

3.1 農業灌溉

國內現階段將污水用于農業灌溉已經較為普遍，這種應用尤以北方為主[27]。何婷婷等[28]的研究表明，我國將再生水用于農業灌溉的研究起步較晚，大范圍使用時也需要注意區分情況，不能盲目使用。盡管存在缺點，但再生水回用于農業灌溉可以有效緩解水資源短缺帶來的用水壓力。

3.2 工業冷卻

用水難的問題在一定程度上限制了我國的工業發展，而工業用水水量大且水質要求不高的特性給再生水的使用開辟了道路。徐圃青等[29]的研究表明，工業冷卻用再生水中的一些有機污染物并不會對人體造成危害，只要控制好工業污水的回用比例就可以最大化地降低風險。

3.3 景觀環境

景觀環境用水分為觀賞性和娛樂性景觀環境用水，基本要求是無漂浮物，無令人不愉快的氣味[30]。伴隨著城市缺水以及環境水體水質變差問題的日益凸顯，水量穩定的非常規水源——再生水用于景觀用水的需求規模越來越大。田宇等[31]對北京陶然亭公園的研究表明，再生水回用于景觀用水對氮磷含量的要求比較高，只要嚴格控制再生水的氮磷指標，就可以對緩解城市缺水起到一定的幫助。

3.4 生活雜用

生活雜用水大部分用于沖廁、洗車、城市綠化以及掃除等，因而對于水的色度以及濁度要求較高，不能使使用者產生不能信任的心理。

3.5 地下水回灌

近年來由于人類活動大量開采地下水，導致地下水位下降，進而使得地面下沉。于是人們開始采用地下水回灌來保障地下水的水量，因為回灌量巨大，人們開始考慮使用再生水進行回灌。

4 污水回用技術

目前國內的污水回用技術根據處理的程度分為一級處理、二級處理和三級處理[32]。

4.1 一級處理

通過物理方法去除城市污水中大量懸浮顆粒物以及漂浮垃圾等不溶性物理雜質的方法稱為一級處理，也就是預處理，主要采用格柵過濾、沉淀、氣浮等方法。目前國內也有工程通過各種方法來改進、強化一級處理，以提高處理效率。河南省潢川站的生活污水采用化學—生物聯合強化一級處理工藝[33]，其運行實踐表明，鐵路中小站區以及經濟欠發達地區很適合這種強化的一級處理方法，有很高的經濟、環境效益。

4.2 二級處理

二級處理，就是在一級處理的基礎上采用生物處理來進一步去除水中存在的懸浮物以及溶解性污染物，又稱生物處理。生物處理技術分為好氧法和厭氧法，城市污水回用領域采用的主要是好氧法工藝，該工藝分為活性污泥法和生物膜法。早期的二級處理只需要去除SS和BOD，隨著環境要求的提高，氮磷的去除要求逐漸被加入。從而，以傳統活性污泥法為核心[2]演變出許多新型技術，如AO法、AAO法、氧化溝工藝和SBR工藝等[32]。

韓亞梅等[34]的研究表明，采用氫基質膜生物反應器可以有效去除飲用水中溴酸鹽污染，氫自養還原菌可以將水中氧化性污染物降解成無毒無害的物質。這項技術可以結合其他工藝組合應用至污水回用于飲用水，效果明顯且能耗較低。

4.3 三級處理(深度處理)

三級處理，又稱深度處理，就是在二級處理的基礎上，采用物理或化學方法降低水體的濁度和色度，去除水中殘留的難生物降解有機物[35]、高分子物質、某些重金屬毒物和放射性物質以及可造成水體富營養化的氮、磷化合物等可溶性物質[36]，從而進一步提高水質的過程。目前國內外主要采用混凝、過濾、消毒、臭氧高級氧化和膜處理技術等[32]。

4.3.1 混凝-過濾技術

在污水回用的深度處理中，一般采用該聯用技術來提高出水水質。該方法主要通過向污水中投加特定的化學藥劑，使水體中的懸浮顆粒及膠體脫穩凝聚，并進一步產生絮凝體；接著通過濾料介質層(石英砂等)的作用，截留這些固體顆粒，將這些污染物從水中去除，從而讓水體達到澄清。這一方法可以有效降低水體的色度和濁度，在水處理中得到了廣泛應用。

王穎[37]采用混凝-過濾技術深度處理昆明第五污水廠的二級出水，主要采用聚鋁、硫酸鋁及PAM復配的混凝劑對二級出水進行混凝預處理，進而以石英砂和煤渣做成的濾渣進行過濾處理。試驗表明，出水的水質非常理想，各項指標均達到了我國《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)的二類水質標準，并且深度處理6 h后的水質可以回用于補充地表水源水。說明這種聯用技術工藝簡單、經濟、效果好，可以用于深度處理污水處理廠排放的尾水。

目前，在此基礎上還有一種新型技術稱為微絮凝-直接過濾法，其主要是在污水進入濾池前加入絮凝劑，然后利用水體自身在濾柱內產生的微漩渦同步進行反應、沉淀和截留。這種改進技術相比傳統的混凝沉淀工藝可以減少80%的構筑物體積[38]。

4.3.2 消毒聯用技術

二級處理過后的污水水質雖然得到有效改善，但是水體中的細菌數還是很多的，其中就包含了大量的致病菌。因此，對于污水回用深度處理來說，消毒是必不可少的一個環節。因此大多數技術后續都會聯用消毒技術。主要是通過投加消毒劑或者使用其他的消毒手段來殺滅水體中的病原微生物。最常用的消毒方式有氯氣消毒、臭氧消毒、紫外線消毒和二氧化氯消毒。

傳統的深度處理消毒技術一般采用氯消毒和臭氧消毒，但大量研究表明其存在著嚴重的副作用，所以大多數水廠采用的是紫外線消毒，且是傳統的低壓紫外燈。當然也有一部分大型水廠采用的是低壓、中壓高強度紫外燈，因為采用高強度燈可以有效減少紫外燈的布置面積[39]，同時消毒效果也很明顯。

4.3.3 氧化還原技術

氧化還原技術作為污水深度處理中一種非常有效的方法，近年來逐漸得到了人們的關注。其通過化學反應將水中的溶解性污染物氧化或還原成無害的化合物，可以高效地去除水中的污染物，或將它們無害化，其本質就是電子轉移。經常用的氧化還原法分為氧化法、還原法和電解法三類，具有處理效果好、無有害副產物、反應速度快等優點。

目前國內采用較多的是臭氧高級氧化技術，該技術對色度、濁度、CODCr等指標具有很好的去除效果。喬峰等[40]采用該技術深度處理垃圾滲濾液MBR出水；代莎莎等[41]將此技術用于印染廢水的深度處理；張博廉等[40]使用該技術深度處理氣田鉆井廢水。這些研究結果都表明，無論處理何種類型的污水，臭氧高級氧化技術都能使最終出水的各項指標達到對應污水的出水標準。

4.3.4 膜分離技術

膜技術從實驗室研究到實際工程運用，經歷了半個多世紀，當前發展成為污水深度處理中廣泛運用的一項技術[38]。該技術利用由特殊材料制成的膜在外界因素(如壓力、濃度、電勢差等)的促進下選擇性分離混合液中不同組分，從而達到分離、純化、濃縮的目的[43]。因其存在工藝簡單、回收效率高、污染程度小等優點[44]，所以比一般的分離技術(如蒸發、萃取等)應用更加廣泛。根據分離膜種類的不同，膜分離技術分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)[45-46]。隨著技術的發展，也出現了如電滲析(ED)、氣體滲透(GP)等更多的污水回用處理方法。常用膜分離技術的作用原理和功能如表1所示[45-47]。

表1 各種膜技術的作用原理和功能[45-47]Tab.1 Principles and Functions of Various Membrane Technologies[45-47]

天津市大港油田生活污水處理系統中的深度處理單元采用的就是膜技術，主要處理的是油田自身產生的含油污水和生活污水。系統長期運行的結果表明，該油田的污水經過深度處理后，脫鹽率達97.4%，達到了回用的標準[48]。更多研究表明，目前膜技術已經是一項比較成熟的技術，因而其在污水深度處理中的應用將會有非常廣闊的前景。

4.4 工程應用

針對目前國內水資源短缺的現象，越來越多的工程采用深度處理將污水回用于生產。劉蘭英[49]的研究表明，西北某鋼鐵公司采用“調節—絮凝—濃縮—過濾—反滲透”的工藝處理冶金工業生活混合型廢水，出水水質可以達到國家一級標準以及再生水用作工業用水的水質指標要求。段方超[50]介紹了某廠采用“石灰軟化—絮凝—高效沉淀—過濾—超濾—反滲透”工藝流程深度處理工業廢水，出水水質達到回用水水質標準，但是由于部分原件需要進口，所以處理成本偏高，這也是目前深度處理中需要解決的一個問題。賀俊蘭等[51]的研究表明，中石化采用連續微濾、超濾+反滲透的多膜深度處理工藝，將規模為1.0萬t/d的工業廢水回用于補充循環冷卻水，可以提高冷卻循環濃縮倍率，并大幅節約用水成本；同時，該法中的連續膜過濾可以有效地為后續反滲透提供優質進水，是一種非常合理的深度處理工藝。

5 我國污水回用的發展趨勢和存在的問題

5.1 發展趨勢

我國污水回用起步較晚，但是發展速度很快，“十八大”提出的“五位一體”將生態文明建設提上日程，國家開始重視水環境質量，加大環保支出以保障水資源的可持續利用。

我國近年來污水回用的應用區域逐漸從水質污染較輕的地區推廣至污染較嚴重的地區，技術服務的對象也從對水質要求相對較低的農業灌溉水逐步轉向水質標準非常嚴格的飲用水。從污水回用的發展方向上來看，我國當初的目標是采用經濟合理的方法盡量使污水被資源化回收利用，目前已發展到致力開發新技術，在保障嚴格的水質標準的同時提高回收利用率。現階段，國際上已有部分國家和地區的先進污水處理廠開始采用礦物質技術，國內也開始研究光催化以及超聲波處理技術，這都是污水回用技術未來的發展趨勢[2]。

5.2 存在的問題

(1)資金問題。推廣污水回收利用需要一定數量和規模的污水處理廠，以及匹配的儀器設備，這些都需要大量的資金支持。然而目前國內許多地方政府在環保上的資金投入都非常有限，同時國內的水價相對于發達國家很低，經濟效益過低，無法支撐污水處理廠的技術更新，這就造成了很多地區的污水處理率以及回收利用率很低。

(2)技術問題。污水回用需要考慮水質、地理位置、時間季節等諸多實際因素，而目前國內大部分污水處理廠采用的技術都借鑒國外的經驗，并不一定適合我國復雜多變的污水狀況，這也是國內大部分地區污水處理效率低下的主要原因。

(3)群眾接受度。目前國內群眾對于污水回用技術的認知不夠，會產生回用水使用的心理障礙。北京一項面向大眾的問卷調查顯示[52]，人們對于將污水回用作為飲用水和可接觸身體水的接受度非常低，這也是國內無法將再生水廣泛回用于各方面的主要原因之一。

6 總結

污水回收再利用可以緩解水資源短缺、減少污染排放、提高土壤質量、節約生產成本，具有良好的環境和經濟效益，是解決目前水資源短缺及水體污染問題非常有效的辦法。我國在發展污水回用的過程中也遇到了很多問題，但是未來在不斷革新污水回用技術以及逐步完善污水回用水的水質指標等各種條件的基礎上，污水將逐步實現資源化管理，這對于水資源可持續利用以及社會可持續發展有著巨大的意義。