中水回用技術的發展和應用

武浩浩，肖志毅

(中鐵建發展集團有限公司水處理技術研究中心，北京 100043)

1 引言

隨著經濟快速的發展、人口數量的激增、城市化進程的不斷推進，如何協調人口增長引發社會資源供需不平衡矛盾是當下水環境研究的重點。水資源作為21世紀重要的話題受到各國政府的重視，廣義的水資源中淡水僅占3.47%；狹義的水資源主要是冰川占淡水的2/3，目前人類容易利用的淡水僅有0.7%[1～3]。一方面，生活質量的提高使得人們對水資源的需求不斷加大；另一方面，國民對可用水資源概念的模糊認識，單純通過政府宣傳節水必要性已無法解決水資源短缺的問題[2]。中水回用作為一種新的水資源，由于其供水可靠性成為各國政府和環保組織考慮的重要供水水源[4～6]。

中水是從改革開放以來在我國開始興起，發展至今已有44年之久，因其水質介于給水和排水之間，故名“中水”，是即經過物化、生化等手段使出水水質達到回用標準的一類水[7～9]。一般用于農田灌溉、城市道路澆灑、居民沖廁、車輛沖洗、工業循環冷卻水等方面，中水回用是在一定程度上經濟可行的緩解城市水源危機的舉措，應用范圍從單一的工業園區循環冷卻水和鍋爐補充水到區域性的整體城區中水循環回用，對今后生態城市水平衡建設有重要的應用意義[10～12]。

中水的誕生源于人們急需上水的“平價替代”，開辟了城市的第二水源，也大大延長了淡水的“使用壽命”。從下水過渡到中水，需要經過一系列的反應，首先糞便污水因為有害物質較多從源頭上被直接淘汰，其他的雜排污水經過生物處理、過濾和消毒等環節而達到中水回用標準。從總大腸菌群這個指標來說中水不能作為自來水使用。但某種程度上，中水用途較為寬泛，由于用水要求不高，滿足城市非飲用水供水需求[13～15]。中水是人類探索水資源循環利用的一大結晶，合理利用和開發中水不僅可改善城市用水緊張的局面，而且對于江河湖泊的生態系統改善有很大的促進意義，同時，還可節省用水成本，推動經濟高質量發展，有著良好的發展前景[16～18]。

2 中水回用發展現狀

2.1 國外中水回用發展現狀

中水回用技術的研究與應用有近百年歷史，因其極大地滿足了城市發展中生產生活用水需求，許多國家相繼開展了中水回用技術實踐活動。國外一些國家由于較早地開展污水處理工藝，相關技術和相關法規較為完善。接下來主要介紹一下美國、日本、以色列等一些發達國家的中水回用情況[19，20]。

(1)美國。美國是實施中水回用最早的國家，1912年在美國加州舊金山某公園進行了中水灌溉回用項目。20世紀80年代，美國就已經有540個城市中水利用工程，出于人口增長和氣候變化考慮，美國50個州中有43個州均在實施中水回用項目，其中尤其以加州中水回用方式具有多樣性，大約59%用于農業灌溉和地下水回灌，大約24%用于工業生產和園林綠化，13%用于城市公共建筑和居民家用沖廁，加利福尼亞州灌溉回用是其污水再生回用的最主要應用方向，為全國回用總量的22%，而德克薩斯州、蒙大拿州、科羅拉多州總共占全國回用總量的32%，為考慮城市遠距離供水帶來的供水不穩定和能耗問題，美國正將污水處理為飲用水，解決供水緊缺的現狀[21～23]。

(2)日本。日本是中水回用的典型代表，再生水利用始于20世紀80年代，水資源再利用的歷史分為3個階段：第一階段即廁所沖洗和景觀灌溉；第二階段即溪流流量增加和娛樂應用；第三階段多用途應用，日本污水處理廠有水回收設施的僅占總污水處理廠的8%，提供安全再生水的同時降低能耗是其之后發展方向，其采用2種中水回用形式：閉路水循環系統和區域水循環系統。閉路系統發生在單獨建筑物內的污水收集、處理和再循環，回用水多用于大廈或辦公樓的沖廁供水；區域系統則是通過收集一片區域內多個建筑物的生活污水進行統一處理后，通過中水供水管道回用到該片區域的景觀綠化、道路澆灑和沖廁水方面[24～26]。日本的中水回用典型工程見表1。

表1 日本的中水回用典型工程

(3)以色列。 以色列位處中東常年干旱地帶，全國范圍內嚴重缺水，近70%的飲用水來自海水淡化，各種高科技水務支撐和建立了完備的水系統。以色列中水的開發利用程度也位于世界前列，目前以色列建立了完善的輸水及管網系統，具有全球最大的污水處理廠，污水回收率一再提升，當前已具有75%的回用率，成為世界上中水回用率最高的國家[27]。

(4)澳大利亞。 澳大利亞地廣人稀，隨著人口以1.5%速率增長同時且大部分地區降雨量較少，城市缺水問題日益凸顯，20世紀80年代該國政府提出了水資源循環的構想，首次將中水回用列入了國家發展戰略規劃中，截至目前已經建立了600余個污水處理廠，實現了城鎮污水的區域循環，國家自然災害頻發，森林火災誘發新南威爾士和昆士蘭州的城鎮供水短缺情況更加促使政府部門加大了中水的回用舉措，布里斯班將30%的再生水作為城市補充水源，資源循環同時確保供水水質安全[28]。

(5)德國。 德國作為開展中水回用應用較早的歐洲國家，20世紀80年代起，德國城市中75%～80%的污水經過二級生化處理后加以重復回用至公用設施，其在水資源可持續利用方面也是首屈一指，中水回用應用于工業生產、農業生產和城市用水等領域，污水處理率已達到100%，60%的污水剩余污泥可回用至農業生產肥料，水量供應和水質保證方面均以達到平衡狀態，中水回用真正實現了水資源的再生利用[29]。

2.2 國內中水回用發展現狀

我國的回用水利用相較發達國家起步甚晚，中水回用的處理技術、系統規劃和研究應用尚有所欠缺，從20世紀50年代起，中水回用作為國家研究課題開始正式起步；至60年代，污水在經過處理后達到一定水質標準應用于農業灌溉方面；至70年代，用于回用的各種污水試驗項目開展起來；至80年代，污水回用進而從農業拓展到了工業和民用建筑，北京、大連、太原等試點城市相繼取得了成功[30]。

從1985～2000年啟動階段，在中國北方西安和天津等城市展開了大量的水再生利用項目，廢水處理和在利用技術也相應地發展起來；從2000年進入快速發展階段，水資源再利用成為水資源管理的一項長期戰略，北方缺水等城市的廢水處理和回用率由此飆升，集中式水再利用系統一直是城市地區的主導模式，分散式水再利用系統偶爾在一些個別建筑物和農村地區實施，2019年我國市政用水回用總量達到126.2億m3，城市地區的水再利用率已達到相對較高的水平，約19.9%，帶動了全國范圍內的污水回用熱潮[31]。國內部分城市的污水回用工程實例見表2。

表2 國內某些城市的污水回用工程

我國的中水回用工程較集中在大中城市及其鄰近地區，主要用于市政雜用水、河道補給、農業灌溉和工業用水等方面。

(1)中水回用于農業灌溉。 中水回用于農業灌溉不僅減少了河道水的補給，而且利用就近原則節省了不必要的成本支出，城市污水和工業廢水經過深度處理后一方面改善了土壤結構、增加了土壤肥力；另一方面由于工業廢水中含有較多有毒物質，深度處理避免了土質惡化和農業減產，同時限制污染物因滲漏造成地下水污染[32]。

(2)中水回用于工業用水。 當下，我國污水回用主要應用于工業園區的生產用水方面，通過污水廠二級生物處理出水在滿足一定水質的情況下作為工業冷卻水用水，其中不乏有許多較成功的案例。北京某新區污水處理廠二級生化處理出水可為某熱電廠提供1667 m3/h的循環冷卻水供應；大慶市建成的3萬m3/d的乘風污水處理廠經過深度處理后出水用于油田回注；大連春柳河污水處理廠運用MBR技術處理出水用于紅星化工廠的冷卻用水[33]。

經過近幾年國家在污水資源化方面的建設和探索，污水再生利用得到了快速發展，但是水資源利用率和規模方面與發達國家仍有一定差距，為此國家將大力改善廢水的回收利用率和處理渠道，旨在進一步提高工業、生態和農業應用中廢水資源的系統利用率，希望在缺水城市實現25%以上的水再利用率，到2025年在相應配套市場、廢水處理再利用的方針政策下重點地區回用水率實現35%以上，同時各地區建立系統化、安全、環保和經濟可行的高效廢水回用模式[34]。

3 中水回用處理工藝

因中水回用的用途不同、經濟因素和環境因素限制，選擇合適的中水處理方式以達到經濟適用的目的至關重要，工業廢水和生活污水的常規處理方法歸納如下。

3.1 物理法

物理法就是通過機械分離、沉淀、過濾等常規物理方式凈化污水以達到出水水質標準，近年來氣浮、沉淀和膜分離等物理處理技術得到了較為廣泛的應用，配套的設備及構筑物包括格柵、膜處理設備、氣浮池、調節池和沉淀池等[35]。

3.2 化學法

化學法即利用化學反應來將污水中的有毒有害物質轉化或消除，常規的化學法主要有氧化還原法、中和法、混凝法和絮凝法等，但是由于反應過程中涉及藥劑的投加造成工作量大、消耗量多和運行成本高等缺陷，其應用范圍仍在中水回用處理技術中有所限制[36]。

3.3 物化法

物化法是利用物理手段和化學反應相結合的一種處理方法，主要包括混凝、吸附及膜技術，它不僅利用了藥劑的化學作用，而且利用了物理分離等手段達到對污水中污染物質去除的目的。物化法中，采用吸附性能較強的生物炭、樹脂和高嶺土等吸附劑可達到出水水質良好、處理方式簡便的效果，但同時伴隨運行成本高和材料更替等缺陷，開發經濟、高效和穩定的吸附劑將作為今后研究的方向[37]。

3.4 生物法

生物法是利用微生物的新陳代謝作用將污水中呈溶解態的難降解大分子污染物分解成小分子物質的處理技術。根據微生物在水中所處狀態不同，生物法一般分為活性污泥法和生物膜法，2種方法的形式現已發展為多種如下：

(1)活性污泥法：包括傳統和階段曝氣活性污泥法、CASS、UCT、SBR和氧化溝工藝等。

(2)生物膜法：包括普通生物濾池、高負荷生物濾池和生物接觸氧化池等。

(3)厭氧處理法：UASB反應器、高效厭氧反應器、Biotower。

(4)其他處理方法：脫氮除磷A2/O法、改良A2/O法和穩定塘法等。

生物處理法由于出水水質穩定、占地面積小、去除效果良好、經濟成本低等優勢在污水處理工程中得到了大規模的應用，隨著近些年技術更新及經濟發展迅速，城鎮化污水廠中水回用過程中廣泛采用效果良好、效益高的生物法[38]。

3.5 膜生物反應器工藝(MBR)

MBR是將膜分離技術與生物處理技術相結合的污水回用處理技術，既利用了膜對不同分子量的選擇透過性，又利用截留的微生物達到高效降解污染物的目的，MBR根據活性污泥的周期特性將水力停留時間(HRT)和污泥停留時間(SRT)有機分開，系統內活性污泥濃度和污泥齡都一定程度的得到了提升，使得難降解有機物在處理過程中也因不斷分解而去除，最大限度地強化了反應器的功能[16]。隨著MBR近些年在技術方面的升級，城鎮污水、醫院廢水和黑臭水體等特殊水質經過MBR處理后出水水質良好、有機物去除率高，是中水回用中穩定的成熟工藝[39]。

目前，中水回用工藝流程不斷發展，依據進水水質特點、使用范圍和出水水質要求選擇合適的回用工藝滿足供水和排放要求(圖1～5)。

圖1 物化處理工藝流程

圖2 生物和物化相結合工藝流程

圖3 預處理和膜分離相結合工藝流程

圖4 曝氣生物濾池處理工藝流程

圖5 膜生物反應器處理工藝流程

4 中水回用應用實例

4.1 中水回用在鋼鐵行業的應用

日照市某鋼鐵企業在中水回用過程中采用了產水水量可達420 m3/h的“超濾+反滲透”雙膜法處理工藝，其借鑒了新加坡新生水和海水淡化項目運行的經驗，根據日照鋼鐵的水質和變化情況，優化膜工藝參數，模擬中試實驗為規模生產提供了切實可靠的設計依據，利用膜工藝進行深度處理脫鹽，實現零排放和減量化產水，該項工程采用原水池+超濾泵+自清過濾器+超濾膜+超濾集水池+RO進水泵+保安過濾器+RO膜裝置+RO集水池的工藝流程，運行過程中超濾膜組總產水水量為560 m3/h，超濾水回收率大于90%；RO系統水回收率大于75%，脫鹽率大于96%，產品水濁度小于0.1NTU，反滲透清洗周期可縮短至4月一次，采用梯度變化的膜裝置進行分級產水，可適用較為復雜的水質，出水水質可達到回用要求[40]。

4.2 中水回用在建筑行業的應用

廈門市一高層建筑實現了建筑內部公共衛生間和冷卻水箱的中水回用，該回用系統通過兩階段處理以使原水達到回用的標準，第一階段進行生化處理，首先原水經過格柵和毛發收集器截留大顆粒雜質，為后續生化處理提供合適環境，預加曝氣調節池可均勻水質過程中使懸浮物不易沉降而清除，通過一級提升泵至中水一體化設備處進行生化處理，降低COD、NH3-N等污染物；第二階段進行物化處理，利用不同粒徑石英砂可截留小分子顆粒物，配合活性炭過濾器對難降解有機物進行有效吸附，使回用水達到水質要求，該建筑中水原水平均時來水5.82 m3/h，處理水量為278.4 m3/d，配合雨水補充水可滿足該建筑公共衛生間和冷卻塔等用水要求(圖6)[41]。

圖6 某高層建筑中水回用工藝流程

4.3 中水回用在示范區域的應用

由于諸如道路澆灑和景觀綠化中市政用水的緊缺問題，河南鄭州某經濟開發區采用了物化和生化相結合的工藝(紫外線消毒-生態床-蓄水塘)以使廢水達到回用的目的，通過利用自然+人工干預的方式可使得回用水量可達到10000 m3/d，回用水處理過程中COD去除率可達到80%，NH3-N去除率達到60%，SS去除率可達到91.7%，出水均符合城市中水回用水質標準。采用蓄水塘工段不僅可以起到水量調節和水生植物凈化污染物的作用，還能作為景觀觀賞提升經濟效益的目的，選擇中水回用不僅在緩解污水廠處理負荷而且在恢復和改善受納水體方面均有一定的促進意義(圖7)[42]。

圖7 鄭州某經濟開發區中水回用工程工藝流程

4.4 中水回用在電力行業的應用

減少企業對自然水源的用水依賴性，從企業內部達到資源循環是行之有效的發展模式更是未來發展之趨勢，某垃圾焚燒廠通過回用市政中水滿足企業生產用水、循環冷卻水和鍋爐補充水的用水要求，該項目采用了更為先進的中水回用處理技術，通過介質過濾器對懸浮物和膠體物質進行截留，再通過膜分離技術利用物質的選擇透過性原理將TDS截留，從而達到回用水的水質要求，在經過一系列深度處理后，出水COD可達到13 mg/L、NH3-N為2.5 mg/L相較允許排放更低的排放濃度，增加的反滲透裝置可使回用水的脫鹽率達到97%以上，回用水回收率可達到85%以上，不僅在緩解企業用水緊張問題和節省經濟成本方面均有較好的參考意義(圖8)[43]。

圖8 某垃圾焚燒廠中水回用工程工藝流程

4.5 中水回用在印染行業的應用

印染行業廢水作為工業廢水排放比例中較高的一支，由于其排放量大、有機物成分復雜且含鹽量高等特點，中水回用率卻不足10%，某工業園區通過生化處理和深度膜處理相結合的方式處理3300 m3/h的印染廢水，深度處理單元采用臭氧氧化→超濾+反滲透→回用的方式進行處理，印染廢水經過深度處理后用于回用水的COD僅為5 mg/L、氨氮為1 mg/L、TDS為230 mg/L均低于排放標準，采用超濾和反滲透相結合的方式使得中水回用率達到83%，不僅滿足園區工業生產用水，而且減少自然水源的供給量，在節水、減排和經濟增效方面均有較為現實的回用意義[44]。

5 結論與展望

本文分別從中水回用的必要性、中水回用發展現狀、處理工藝、中水回用在工業中的應用實例和中水回用目前存在的問題這幾個方面進行了綜合闡述，系統說明了當前水環境形勢下中水回用工程規模化、系統化和有序化進行的必要性[45]。鑒于新時代水資源危機而引發的多項問題，加快推進流域治理和城市水環境生態平衡，在水資源短缺城市因地制宜進行水源多效利用、資源循環再生和可持續發展戰略不僅能解決城市用水需求，而且可創造更多的經濟效益和環境效益[46]。

中水回用作為新世紀協調水資源平衡的新型來水方式，不僅在維持水環境生態平衡可持續發展方面有增效作用，而且作為水資源循環體系的重要部分對城市健康發展有一定的促進作用[47]。但也間接展露出一些問題亟待深入探討，主要表現在以下幾個方面：

(1)技術層面：當前我國中水回用工藝采用生化和物化2種處理方式居多，但在工藝設計方面，工藝設計往往不能結合實際情況進行有效調整，以至于不切實際大大增加了基礎設施的投資成本，與此同時，我國中水應用起步較晚，相應的配套設施還受限于國外進口，如何實現設備國產化，降低采購成本是今后考慮的方向，滿足零排放和資源循環同時實現技術更新至關重要[48]。

(2)意識層面：我國的許多城市面臨水資源短缺的情況，推行中水回用是形勢所迫，但是由于政府部門針對水源供給的客觀局限性忽視了回用的重要性，導致公民對中水回用意識淡薄，許多老舊污水處理廠回用設施較不完善，不能做到出水回用的有效引導，使得綜合應用效率不高[49]。

(3)管理層面：中水回用作為一個復雜而龐大的系統投資工程，一些老舊的建筑企業因缺乏建設和投資條件進而放棄嘗試，該應用大多推廣在新型工業建設中，我國目前還沒形成一套完整的中水回用制度體系，人員培訓和部門監理方面仍有待提升，細化責任、管理制度完善和人員特種培訓是當下企業中水應用的關鍵[50]。

以上存在的問題不難發現，我國無論在技術、意識還是管理層面都與發達國家存在著很大的差距，這也是限制我國經濟高質量發展的重要因素。隨著我國經濟轉型和深化改革一系列政策的提出，完善中水管理條例的同時提升回用技術水平，這些問題定會迎刃而解。

城市中水回用通過因地制宜和自然循環凈化的方式利用植物和微生物的共生體系達到間接恢復水質的目的；工業中水回用鑒于水質復雜的特性，采用多種處理技術相組合的方式進行互補同時滿足，達到技術創新的目的，物化處理技術和生物處理技術整合、膜生物反應器的創新應用是工業中水回用的重點方向。

中水回用是一項持續更新推進的水源再生工程，綜合各項調研結果提出自己的一些見解，城市中水回用技術由于水質比較單一可將重點放在自然恢復再生的植物與微生物共生群落河道生態系統，既能滿足城市景觀需要，還能有效達到水質凈化以此回用；工業中水回用由于水質波動大、含鹽量高等特性，采用生化處理+超濾+反滲透的方式既能達到城鎮污水排放水質標準的同時，還可高效去除鹽類物質，真正實現工業中水回用，減輕水源供給壓力，更能減輕環境自我凈化的負擔，實現水環境和人類生活的生態穩定。

我國的中水回用技術正逐步進入正軌，行之有效的中水改良技術和高效管理建設對于水環境系統穩定具有一定的促進意義[21]。