日本再生水利用介紹及前沿研究進展

齊嘯緣,賀 凱,2*,于海霞,劉丙軍

(1.中山大學土木工程學院,廣東 珠海 519082;2.廣東省環境資源利用與保護重點實驗室,廣東 廣州 510640)

隨著人口增長和經濟的快速發展,人類社會對水資源的需求正在急劇增加,然而由于世界水資源量的不足以及氣候變化所帶來的不利影響,全球仍然面臨著嚴峻的缺水問題。與自然水資源相比,再生水具有量大穩定、取水便利、不受氣候條件約束等優點,若將城市污水經過適當處理再生回用后,能夠在很大程度上緩解全球水資源短缺的情況[1]。2015年,聯合國可持續發展峰會提出了17個可持續發展目標,第六條“到2030年確保人人都能享有水和衛生設施”(SDG6)中“到2030年提高水質,以及在全球范圍內大幅增加安全再生水的回用(目標6.3)”和“到2030年,加強國際合作,支持再生水利用技術方面的人力資源開發(目標6.A)”[2]也明確體現出再生水回用的重要性。

日本位于亞洲季風區的東部邊緣,是世界上較潮濕的地區之一,年降雨量約1 697 mm,是全球(陸地)降雨量約1 171 mm的1.4倍。但是由于國土面積狹窄,日本人均年降雨量約為5 000 m3/(人·a),僅為世界平均水平(20 000 m3/(人·a))的四分之一[3]。并且,降雨、天然水資源的不均勻分布以及人類活動更加劇了日本脆弱地區的缺水狀況。例如,在沖繩、四國和關東地區,地表水和地下水供應不足,干旱等極端天氣頻發,水資源的供需矛盾突出。水的循環利用是克服缺水和提高生產力的重要手段之一。日本大規模使用再生水的歷史可以追溯到1980年,福岡市為了應對1978年的異常干旱而全面開展污水再生利用工作[4]。經過40多年的發展和日本政府的大力引導,日本已經制定較為完善的再生水利用體系,包括制度、政策、規范等。本文對日本再生水利用的總體情況、相關政策標準、再生水利用實例以及研究現狀加以梳理和總結,為中國再生水的發展提供一定的參考和借鑒。

1 日本再生水標準現狀

在國際再生水領域,為了促進再生水技術和系統的國際標準化,日本于2013年6月成立水的再利用技術委員會(ISO/TC282),旨在制定再生水使用的相關國際標準以及評估膜處理技術的可靠性,加強優勢技術的國際競爭力。

TC282由4個分委員會組成:“SC1處理后的污水回用于灌溉”“SC2城市地區的再生水回用”“SC3再生水回用系統的風險和性能評估”“SC4工業用水回用”。其中,由日本擔任主席的TC282/SC3分委員會制定了多項標準,第一工作組/WG1(健康風險)制定的ISO20426(非飲用水再利用的健康風險評估和管理指南)和ISO20469(再生水回用水質等級分類指南)已于2018年作為ISO標準發布。ISO20426的框架見圖1。

為了能夠正確地評價再生水處理技術的特性,確保再生水處理技術的特點和效益得到重視,第二工作組/WG2(性能評估)制定了較為重要的再生水性能評價標準(ISO20468),該評價標準共包含8個部分,分別是:ISO20468-1(一般概念)、ISO20468-2(基于溫室氣體排放的再生水生產系統性能評估方法)、ISO20468-3(臭氧處理工藝)、ISO20468-4(紫外線消毒)、ISO20468-5(膜過濾)、ISO20468-6(離子交換)、ISO20468-7 (加速氧化法)和ISO20468-8(基于全生命周期成本的再生水生產技術評估)。其中,ISO20468-1標準的概要見表1。

表1 ISO20468-1標準概要

作為再生水處理技術的性能要求以及保證人體健康,處理工藝中去除病原微生物的能力需引起足夠的重視,這些被定義為 “功能性要求”,并需要始終滿足標準。如果無法滿足,責任主體必須立即采取糾正措施或關閉再生水利用系統。另一方面,從可持續發展的角度來看,除了關注水質和健康安全以外,還應考慮生態效率,如減少能源消耗和廢棄物產生,因此ISO20468-2第二部分從溫室氣體排放的角度評估了再生水處理系統的環境性能。生態效率被認為是一種“非功能性要求”,并且與功能性要求不同的是,即使無法滿足標準,無須立即采取糾正措施或停止再生水供應,可以通過持續的改進以滿足要求[5]。

2 日本再生水利用概況

污水再生水和雨水的利用,可以減少正常情況下對地表水和地下水的依賴,有效保護水資源;在發生地震、干旱等災害時還可作為緊急用水,緩和自來水供應不足的問題。雨水和再生水作為一種穩定的水資源,如果對其加以科學的管理利用,可對社會的可持續發展作出貢獻,產生一定的環境和經濟效益。

2.1 污水再生利用狀況

根據日本國土交通省下水道部調查結果,日本全國約2 200個污水處理廠年總出水量約146.4億m3/a(2018年底數據)[3]。日本污水處理廠的污水處理工藝可分為一級、二級和深度處理3種,一級處理主要為絮凝沉淀法,二級處理工藝包括A2/O、AO、SBR和傳統活性污泥法等生化處理工藝,深度處理以膜過濾為主。其中,與中國類似,二級處理是日本污水處理廠最主要的處理工藝,出水量約為102.9億m3/a,占2018年總出水量的70.3%[6]。在日本,共有296座污水處理廠生產再生水,再生水水量為2.2億m3/a[3]。圖2所示,日本再生水主要用途包括:景觀維護用水、親水用水和河道補水用水等環境用水(約占再生水總利用量60.1%)以及沖廁用水、農業用水等。其中,河流補水用水以日本目黑河的清流恢復項目最為典型,每日從東京落合再生水處理中心輸送的再生水河流補水水量約30 000 m3[7]。

圖2 2018年日本再生水利用各部分占比

2.2 雨水再生利用的狀況

雨水利用是水資源高效利用的一種方式,具有“流域防洪”降低城市洪澇災害、減少自來水使用量等優點。此外,鑒于近年來暴雨頻發所造成的破壞越來越嚴重,日本政府在2020年6月修訂的《水循環基本計劃》中,也明確指出需要促進雨水收集設施的安裝。根據日本國土交通省水資源部調查,截至2020年3月底,日本全國使用雨水的公共設施和辦公樓共有3 770座,雨水的利用總量約為1 231萬m3[3]。雨水的主要用途是沖廁和灑水用水,其次是消防用水、景觀用水和冷卻用水等。

按地區劃分,關東沿海地區和東海地區使用雨水的公共設施和辦公建筑約占全國總數的57%[3],特別是集中在東京,因為該地區自20世紀70年代中期以來一直在推動雨水利用工作。在日本,雨水利用的主要場所是學校和體育館等具有較大集水面積的建筑物,主要處理方式為自然沉淀處理、過濾處理和消毒處理,雨水利用的系統流程為:將落入集水面(建筑屋頂)的雨水自然沉淀處理清除雜物后流入雨水收集箱,接著進入過濾和消毒裝置,最后流進利用水槽中進行供水。對于集水面積較小的建筑如居民住宅、店鋪等,主要處理方式則是除去初期雨水、無紡布/纖維/活性炭過濾和自然沉淀[8]。

3 日本再生水相關政策及水質標準

3.1 日本再生水制度及其水質標準

日本的再生水管理由中央政府和地方政府共同負責。中央政府主要包括內閣機構、環境省、國土交通省等部門,它們負責制定國家層面的再生水法律法規、政策和技術標準。地方政府則根據各地的具體需求制定地方層面的法規政策。再生水利用項目的實施主要由各級政府、公用事業公司和私營企業共同完成,政府部門負責項目規劃、審批和監督;公用事業公司和私營企業負責項目的建設、運營和維護。

為了規范再生水利用市場,日本政府制訂了完善的法律法規,相關的法律法規主要涵蓋了水質標準、水資源管理和再生水利用等方面,如《水污染防治法》規定了水污染防治的基本原則和管理措施,包括再生水的水質標準、使用限制和監測要求[9];《工業用水法》規定了再生水在工業領域的管理原則和使用要求[10];《再生水利用指南》則詳細規定了再生水的生產、使用和管理要求,為實施再生水利用項目提供了法律依據[11]。日本內閣于2015年發布了《水循環基本計劃》,該計劃旨在系統地推進日本水循環相關措施的發展,并將其定位為日本水循環相關措施的基本計劃[12],根據對該計劃的歸納和整理,關于再生水利用方面的規劃包括:①對于再生水,從水量/水質、生態、城市景觀、節能等角度繼續開發技術,促進再生水的活用,并根據當地需求等狀況,推進再生水利用工作;②推進干旱等時期再生水緊急利用的設備的開發;③推進再生水的使用以及再生水處理技術,如更高效的膜處理技術以及合適的水質檢測技術;④通過使用再生水來維護河流和水道,促進濱水空間的創造和再生;⑤通過有效利用可再生能源來減少溫室氣體的排放,包括污水處理節能措施、利用雨水和再生水以及利用污水熱能進行區域供暖和供冷等。除了立法,日本政府提供了一系列補助計劃、貸款等經濟方案[13],如發布《污水、雨水的雜用水等再利用處理設施的優惠待遇》,《對再生水設施的建筑實行特殊的容積率限制制度》,由日本開發銀行發放對生態建筑改善項目的低息貸款。此外,為了提高民眾對再生水和雨水使用積極性和建設節水型社會,日本政府還設立了再生水利用專項基金,為再生水利用項目提供資金支持,降低項目的實施成本,鼓勵技術人員進行相關研究和開發[10],同時,積極舉辦水資源教育活動,以政企合作的方式開設講座、研討會;制訂再生水利用的宣傳口號和統一標識[11],大力宣傳再生水的環保意義;并在日本各地設立再生水展示設施,如東京都的江東凈水場[10],讓市民親身參觀了解再生水的處理過程和利用價值,提高日本民眾對再生水利用的理解和認識,增強對再生水利用的信心。

日本地方政府也積極響應國家的號召,根據各地實際情況制定了關于再生水利用的法規、條例和綱要[3],見表2。

表2 日本地方政府制定的制度

在水價方面,各地通過制定合理的定價政策,使再生水價格具備競爭力。日本的再生水定價政策主要基于成本,即再生水的生產、處理和運輸成本[11],并根據再生水的用途和質量實行分級定價政策,用于農業、綠化等非飲用用途的再生水價格較低,而用于飲用水供應的再生水價格較高,再生水的標準價格約為飲用水價格的80%[10]。例如,神戶市政府規定該市再生水價格采用統一的費率進行計費,在學校、醫院和社會福利單位等公共設施的一般類再生水價為120日元/m3(不含稅);商業類再生水價格則為200日元/m3(不含稅)[14]。此外日本的再生水定價政策也考慮了用戶的用水量,即按照實際用水量收費,倡導居民節約用水,東京下水道局將再生水的價格統一定為260日元/m3(不含消費稅),而自來水的價格則采用“基本水價+使用量水價”進行計費,其中,基本水價根據水管口徑(30～100 mm)進行劃分,水價范圍在3 435～94 568日元不等;使用量水價則采用階梯水費的方式進行定價,三級階梯水價為372日元/m3[15]。

在水質方面,日本國土交通省于2005年4月頒布的《污水處理水的再利用水質標準等使用指南》對再生水水質做出了明確規定[16],主要水質指標見表3。

表3 各種用途再生水水質標準

此外,各地方政府也制定了相應的再生水的水質供應標準,各指標一般均高于國家標準,例如在神戶市建設局制定的《神戶市港島水循環利用事業》中,對各類用途再生水的大腸桿菌指標規定為“不檢出”,色度指標規定為“10度以下”,并且相關管理人員應每月檢查一次以上再生水的水質并妥善保存水質檢查表[17]。

3.2 再生水管網建設措施及其相關制度

再生水中含有高濃度的氯離子、硫酸根離子、微生物和有機物,在長期的使用中可能會導致再生水供應設施和利用設施的管道和設備發生腐蝕,造成漏水和堵塞。例如,當管網中的閥門、水泵等裸露的鐵質部件與再生水直接接觸時,接觸部分容易發生腐蝕。為此,日本規定采用耐腐蝕且不影響水質的再生水配管和結構。根據再生水利用中關于腐蝕問題的調查結果,除了考慮土壤的腐蝕性和地下水等埋設條件外,日本建議使用具有氯乙烯和聚乙烯內外襯的再生水鋼管,因為在氯離子濃度為50～800 mg/L的再生水浸泡實驗中,使用上述2種材料的樹脂鋼管內外徑和壁厚均在標準值范圍內,未發現腐蝕情況。

在對再生水管網系統的腐蝕控制中,余氯濃度的管理也尤為重要。當再生水中余氯的濃度過高時,供水管道中的溶解鐵被余氯和溶解氧氧化,析出不溶性的鐵,在管道彎曲部分造成堵塞,出現供水問題。另外,若濃度過低則可能導致病原微生物的生長,破壞再生水水質安全。為了確保合理的余氯濃度,可以考慮在二次處理或再生處理中,盡可能多地去除氨氮,因為氨氮是再生水使用時最可能的氯氣消耗源;合理的選用管材,例如使用內表面環氧樹脂粉末涂層的球墨鑄鐵管比砂漿內襯管道消耗的余氯少,防腐效果好;根據再生水處理設施的供應管道長度以及到目的地的距離分段加入氯氣或在供水管中部安裝消毒設備,使余氯濃度保持均勻。

為了讓用戶能放心使用再生水,防止再生水管道與其他用途的管道之間出現錯接,日本國土交通省對再生水管道的施工提出了相應要求(表4),并且在正式供水前,再生水利用設施管理人員必須對供水系統進行檢查和測試,確保沒有錯接或錯管[18]。

表4 防止誤接和誤用的措施

再生水管網工程的建設以及運維服務主要由公用事業公司和私營企業承擔,依據國家和地方的法規、政策和技術標準,確保再生水的水質、供應量和安全性。政府部門負責對再生水管網工程的實施和運營進行監管。監管內容包括項目審批、建設監督、運營監測等。此外,政府還需要對再生水管網的運營和維護進行定期檢查和評估,確保項目符合法規和技術標準的要求,并定期對再生水進行質量檢測,將檢測結果向公眾公開,提高市民對再生水利用的信任度。

3.3 再生水生產技術

確保衛生與安全是促進再生水使用的重要因素[19],特別是在使用再生水時,管理病原微生物感染的風險非常重要。《污水處理水的再利用水質標準等使用指南》主要針對大腸桿菌和大腸菌群進行衛生安全評估。再生水中對人類健康造成危害的主要是腸道系統的病原微生物,大致可分為細菌、原生動物和病毒。當再生水被用作沖廁用水、景觀用水和綠化用水時,采用日本污水處理廠二次處理后的原水加氯消毒后能有效去除細菌和原生動物。然而再生水用作親水用水時,還需進行額外的再生處理以去除和滅活病毒。尤其是在污水和處理過的污水中常年能檢測到諾如病毒[20]。污水和消毒的處理工藝主要可分為如下4種[21]:單純消毒的處理工藝、快速過濾法和消毒相組合的處理工藝、包括臭氧處理法的組合處理工藝以及包括膜過濾法的組合處理工藝。

詳細的處理流程見表5,其中a、b、c、d代表消毒處理工藝:單純消毒的處理工藝、快速過濾法和消毒相組合的處理工藝、包括臭氧處理法的組合處理工藝以及包括膜過濾法的組合處理工藝。

表5 再生水處理工藝

在建設成本和用電量方面,按照氯消毒、紫外線消毒、臭氧消毒的順序依次增加;在維護成本方面,紫外線消毒和氯消毒大致相同,紫外線消毒消耗電力,而氯消毒主要消耗化學品[22]。

為了促進再生水的使用并根據各種用途為用戶提供穩定水質與水量的再生水,經濟和節能環保的技術必不可少,日本近些年來也一直致力于開發各種高效的污水回用技術。這些技術包括:作為新型消毒技術的UV紫外線照射工藝和臭氧處理工藝,還有使用MF、UF、RO等的膜分離技術以及集水處理和分離一體化的MBR技術。這些技術可以緩解全球水資源緊張的問題,并對再生水利用業務的國際發展做出貢獻。

2018年3月,日本國土技術政策綜合研究所制定了一份指南草案,介紹了一種低成本、高效的“采用UF超濾膜和紫外線消毒的高級再生水系統”創新技術。這項技術使用來自糸滿市污水處理設施中的二級處理水(最終沉淀池出水)作為原水,結合UF膜過濾和紫外線消毒組合工藝去除病毒,為農業灌溉等用途提供低成本且安全的再生水。

與傳統技術(添加絮凝劑+砂濾+紫外線消毒)相比,該技術具有相同的病毒去除效果,在再生水水量為10 000 m3/d的條件下,該技術能夠降低13%生命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)、27%維護費用和23.6% 溫室氣體(Greenhouse Gas,GHG)的減排效果[23]。簡要的流程見圖3。

圖3 UF膜過濾和UV消毒系統處理流程

該技術將二級處理水送入UF膜過濾裝置去除病毒,同時提高紫外線透射率以確保在隨后的紫外線消毒階段對病毒進行滅活。在紫外線消毒裝置中,可以根據UF超濾膜過濾水流量和紫外線透射率的變化自動調控紫外線燈的亮度,達到降低成本的作用,并且經過短時間的紫外線照射即可獲得無殘留、無副產物的安全再生水。此外,為了進一步確保再生水紫外線消毒后的安全性,該工藝還設置了監測系統,監測系統能檢測到最低0.1%的UF超濾膜破損情況,并使用高靈敏度濁度儀不間斷檢測膜過濾后水的濁度,以此來判斷膜的完整性。

該技術的再生水水質要求包括:濁度達到2度以下(實際為0.2度以下),大腸桿菌全部未檢出,病毒去除率5.2log以上或未檢出,其中,處理前后的病毒濃度比率用對數表示,5.2log以上的去除率表明處理后的病毒濃度為處理前的10-5.2(約16萬分之1)以下。由此可見,經過該工藝處理后的再生水水質能夠滿足日本國家標準,并且濁度和病毒的去除效果好。并由于該法不使用傳統技術中所需的絮凝劑,因此可以顯著降低由添加絮凝劑產生的維護成本和GHG的排放,進而達到節能環保的效果。此外,將處理后的再生水用于農業灌溉時,原水中所含的氮被重新輸送回農田,也減少了化肥的使用;消毒工藝不使用氯,避免了因殘留氯氣而抑制農作物生長的風險。

4 日本再生水利用工程及代表城市

日本政府根據使用規模的不同,將再生水利用方式分為單獨循環、地區循環、廣域循環和雨水利用4種模式,利用途徑涵蓋工業用水、城市用水、消防用水、農業用水等方面。福岡市作為日本最早使用再生水的城市之一,在法規政策、再生水處理設施和管網以及處理工藝方面積累了許多經驗,值得學習和借鑒。

4.1 再生水的工業利用

部分再生水因具有熱量在工業領域得到了關注,由于污水的溫度比大氣溫度更加穩定,將再生水作為熱源可以提高熱泵系統的效率。此外,再生水還可用作冷卻用水。東京燃氣公司在橫須賀市沿海地區建造的大型火力發電廠就采用水冷的方式進行冷卻,經過中試廠的技術試驗,最終將污水處理廠的再生水作為冷卻用水[24],既節約了修建管道的成本,又避免了采用海水冷卻后對附近漁業造成的不利影響,這也是日本再生水在工業利用方面的新嘗試。

4.2 再生水的農業利用

再生水的農業利用主要集中在日本西部,每年的用水量約為1 400萬m3[25],有通過農用水渠供應再生水,用于種植水稻,也有農民自行到污水處理廠取運再生水,用于種植桔子、草莓、甜瓜等。在絕大多數情況下,供農業使用的再生水不需要額外的處理,經二級處理以及加氯消毒后即可灌溉。以熊本市為例,中部污水處理中心于1985年開始供應再生水用于農業。污水處理廠通過再生水管,將再生水排放到附近農業用水渠或農用運河,由農民自行取水,日本三木市也采用類似的供水方式。此外,為了保持向農業用水排放的良好水質,熊本市在2條子再生水處理線(A和B)中,通過將B線的污泥解吸液加入A線的水處理中,降低B線水處理的負荷,將水質穩定的B線污水再生水與地下水一起供給農業用水[26]。

4.3 福岡市再生水利用工程

由于福岡市內缺少一級河流,因此該市的水資源并不豐沛。1978年的低降雨量直接導致福岡市經歷一場大旱,水壩完全干涸,全市有278 d供水受限。旱災發生后,市政府和居民深刻地認識到水是一種有限的資源。1979年,為了穩定供應居民生活和城市發展所必需的水資源并創建節水型城市,福岡市制定了《福岡市節水型水利用等相關措施綱要》,同年福岡市下水道局(現道路下水道局)啟動了“污水處理水循環利用示范工程”[27],并在1980年開始供應再生水。值得注意的是,這是日本歷史上首次將污水再生處理后循環利用。在當時再生水主要被用于沖廁所和澆灌樹木。

目前,福岡市分別在中部水處理中心和東部水處理中心建造了再生水處理設施,并在市內各區鋪設再生水管道,根據用戶的需求通過加壓泵供應再生水。中部再生水處理設施再生水供給量為10 000 m3/d,東部再生水處理設施為1 600 m3/d。1979年,中部水處理中心再生水處理設施日處理能力為400 m3,并于次年開始向市中心等12個公共設施供應再生水[25]。為了進一步擴大再生水的利用,中部水處理中心于1989年開始向大型私人建筑物供水。2003年,第二座再生水處理設施東部水處理中心開始向福岡市東部香椎地區、島城地區提供再生水。隨后,福岡市的再生水供給設施以每年約10個左右的速度增加,截至2016年底,平均每天約有5 500 m3的再生水供應給435個再生水利用設施,供水區域為1 457 hm2。

對于再生水處理工藝,以中部再生水處理中心為例,采用厭氧好氧活性污泥法的二級處理水作為原水,首先添加聚合氯化鋁混凝沉淀,去除雜質,隨后用纖維材料預過濾雜質,接著臭氧處理脫色、除臭,加氯消毒,最后通過纖維過濾介質和32 μm濾網進行最終過濾并作為再生水供給。在再生水管方面,福岡市在路面下鋪設球墨鑄鐵再生水管,管直徑為75～350 mm,總長度超過100 km。為了便于識別和避免腐蝕,再生水管用黃色聚乙烯套管包裹,并在管道頂部纏繞標明“再生水”的膠帶以防止在道路施工時被破壞。在再生水系統安全性層面,為防止再生水管的誤接,福岡市的做法是首先對再生水接收設施中的再生水進行著色,打開再生水系統加壓泵或閥門同時關閉自來水生產系統進行供水,以確保有色水是來自再生水生產系統。然后打開自來水系統關閉再生水系統,并再次檢查所有供水設備,二次確認清澈的水來自飲用水系統,并確定是否存在錯接。此外,福岡市還鼓勵使用便攜式電導率計,通過判斷再生水和自來水之間的電導率差異檢查是否誤接。

5 結論與展望

日本政府、企業和公眾在再生水利用過程中承擔了各自的責任,政府負責制定法規、政策和技術標準;企業負責項目的建設、運營和維護;公眾需要積極參與再生水利用,提高自身的節水意識。通過以上措施,日本在再生水管理方面形成了多層次、多主體的合作格局,有效推動了再生水利用率和利用量的提高。這些經驗對其他國家和地區的再生水利用具有一定的借鑒意義。

未來,為了充分發揮雨水/再生水作為替代水源、環境資源和能源資源的潛力,急需進一步考慮成本、水質、能源效率等因素[28]。日本將繼續推進節水型社會的建設工作,通過有效利用雨水、再生水和污水熱能實現節能和低碳的水循環。在再生水處理工藝方面,日本將從風險管理、能源消耗和成本3個角度出發,積極開發和使用低風險以及能源消耗與成本相結合的再生水處理技術,通過高效的再生水利用為城市創造活力。

雖然中國在再生水利用方面起步較晚,但是發展迅速,許多地方也制定了再生水的相關指南、規劃等。以廣州市為例,2020年6月廣州市政府就《廣州市非常規水資源利用規劃(2018—2035)》(以下簡稱《規劃》)公開征求意見。《規劃》提出重點將再生水用于河道水量補充,并且推動大型單體建筑、公共建筑配建再生水回用系統。在雨水利用方面,對新建或改、擴建區域要求進行雨水利用工程設計,建設雨水滯留設施[29]。相信在不久的將來,通過科學的再生水管理和利用以及進一步完善再生水管網的建設工作,中國在節水行動方面必能邁上一個新臺階。