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[水资源及节水] 城市污水再生利用现状分析

城市污水再生利用现状分析

1.1 我国的供水状况
1.1.1 水资源状况
  
地球上总的水体积大约为14亿km3,其中只有2.5%是淡水,大部分以永久性冰或雪的形式封存于南极洲和格陵兰岛,而可供人类利用的部分仅有20万km3 [1]。中国多年平均水资源总量28100亿m3,人均水资源量2200m3,排在世界第88位,人均水资源仅为世界人均的四分之一[2~3]。根据“国际人口行动”对我国水资源进行的总体评价,预计到21世纪中叶我国人口达到16亿高峰时,人均水资源量将下降到1760m3,全国将接近用水紧张国家的边缘[4]。而且,我国水资源的时空分布不均,南方多北方少,更加剧了局部水资源的短缺状况。北方干旱半干旱地区全年的降水量主要集中在7、8、9三个月,使得这些地区可以利用的水资源尤其显得不足。
1.1.2 供水现状调查
  从20世纪50年代中期到90年代末期,我国城市年总供水量从9.6亿m3增加到470.5亿m3,其中工业用水289.4亿m3,占61.5%;城市生活用水181m3,占38.5%。目前城市年总供水量已达640亿m3,2000年底日供水能力达21.8亿m3,供水普及率达到96.7%,估计目前城市用水缺水率平均为10%[5]。其中,经济发展比较迅速的沿海地区缺水严重的城市供水情况如表1所示。

表1 沿海地区缺水严重的城市分区统计表(不含市辖县)

分区

城市数(个)

1990年城区人口(万人)

1990年供水量(亿m3)

2000年城区人口(万人)

2000年供水量(亿m3)

沿海地区合计

48

7133.44

129.76

9565.50

153.54

北方片

环渤海区

25

4087.59

55.52

4760.30

60.13

苏沪区

9

1575.52

48.59

2122.10

55.17

小计

34

5663.11

104.11

6882.30

115.3

南方片

浙闽区

5

488.20

8.72

868.20

10.74

两广区

7

908.60

16.0

1719.50

22.21

海南

2

73.33

0.93

95.50

5.29

小计

14

1470.13

25.65

2683.20

38.24

       资源来源:根据水利部1993、2000年关于我国城市缺水情况的报告(整理)
1.1.3 各用水方向的用量及比例情况
  
城市工业用水由工业规模大小和工业行业结构确定。工业用水中火电是第一大部门,占工业用水量的1/4左右,其次是造纸、化工、冶金、食品4个行业。主要工业行业单位产品用水量见表2。(其中包括市政环境用水、商业、办公、事业单位用水和居民生活用水等)近年来,随着我国城市人口增加和生活水平提高,生活用水急剧增长,全国城市生活用水年平均增长速度为3~5%。我国不同城市规模城市生活用水量见表3。从表3可以看出:特大、大城市生活综合用水量在177~260.8L/人•d之间;中、小城市生活综合用水量在136~208L/人•d之间;北方城市用水量明显低于南方城市;居民生活用水占综合用水的50.5%~79.2%。2000年底全国城市平均生活用水量为220.2L/人•d。
  当前工业用水占城市供水总量的61.5%,到2030年将占68~73%,表明城市水资源利用结构总体来说是从生产、生活并重型向生产主导型转换,因此,注重城市工业节水是减缓城市水资源供需矛盾的关键。

表2 主要行业单位产品用水量[5]


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Re:楼主

1.2 国外的污水再生利用
  
20世纪上半叶在水和废水处理的物理、化学和生物方面的技术进步,导致了“污水再生利用时代”的到来[10]。国际上,美国、日本、以色列、南非、澳大利亚、俄罗斯等国早已开展污水经处理后回用的工作[11]
1.2.1 美国模式
  美国的城市污水处理等级基本上都在二级以上,处理率达到100%。自1920年在亚利桑那州修建第一个分质供水系统用于浇灌绿地、冲厕、洗车、冷却水和建筑等以来,美国的城市污水再生利用已经从试验研究阶段进入生产应用阶段,再生水作为一种合法的替代水源,正在得到越来越广泛的利用,成为城市水资源的重要组成部分,城市再生水利用设施的数量和规模随之迅速增长。美国再生水利用的范围涉及农业、工业、地下水回灌和娱乐等方面,其比例大致为62%用于各种灌溉和景观,31.5%用于工业,5%用于地下回灌,1.5%用于娱乐、渔业等。
  美国再生水利用模式的突出特点是集中处理回用、很少直接用于城市生活杂用。这大概与美国市政管网和污水处理厂普及、生活用水水质标准严格有关。再生水利用工程主要分布于水资源短缺,地下水严重超采的西南部和中南部的加利福尼亚、亚利桑那、德克萨斯和佛罗里达等州。
  美国的回用水标准各州不一,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(Title22),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[12]。而且,美国环保局会同有关方面于1992年提出水回用建议指导书,包括了废水回用各个方面,回用处理工艺、水质要求、监测项目与频率、安全距离和条文说明,它对那些尚无法则可遵循的地方提供了重要的指导信息[13]
  水的回用在美国经久不衰,值得我们借鉴。下面再从几个实例加以详细说明。
  (1) 回用于电厂冷却系统
  美国电厂冷却水是仅次于农业的主要用水者,生化后的城市污水是可靠的冷却水水源,在西南地区的几个主要发电厂,包括核发电厂,普遍使用处理后的城市污水作为冷却水。在沙漠中兴建的赌城拉斯维加斯,有充足的电力供应,该市二个电厂科拉拉电厂和森路士电厂的冷却水使用拉斯维加斯市污水厂出水。污水厂1981年投产,规模24万m3/d。二级处理出水BOD<3mg/L,SS<30mg/L。深度处理BOD<7mg/L,SS<7mg/L,浊度<1º,TP<0.5mg/L,该水质满足电厂冷却水质要求。污水回用解决了沙漠城市的供水问题。
  (2) 钢厂回用
  位于马里兰州巴尔的摩海口的伯利衡钢厂使用背河污水厂40万m3/d再生水已有40年历史。背河污水厂规模68万m3/d,曝气池停留时间6小时,滤池为移动罩滤池,滤后水浊度5以下。用城市污水厂再生水的处理流程为:

           

  (3) 美国21世纪水厂
  位于加州橘县水管理区,命名为21世纪水厂。1965年开始研究将深度处理出水回灌地下,以阻止海水入侵,1972年兴建有关工程,1976年投入运行,再生工艺如下。21世纪水厂再生水通过23座多套管井回注地下含水层出水TOC<2mg/L,TN<10mg/L,电导率100μm/cm,浊度0.1 NTU。出水中不得检出大肠杆菌。回注水总量检制在9.5万m3/d。处理流程如下。

         

  (4) 城市绿地浇灌
  美国加州的农灌用再生水量很大,占回用水量的60%以此解除该地区干旱威胁。在城镇,大片绿地、树木、高尔夫球场、公园,也是靠再生水浇灌,这部分水占16%。到美国考察,在污水厂内,在市区街道旁,在居民庭院里,随处可见一些管道上标有Reclaimed Water(回收水、再生水、中水)字样,居民每天都要使用再生水浇灌住宅前后草地,污水厂经常进出标有再生水字样的拉水车。污水的再生回用已被居民接受。加州规定的用于粮食作物灌溉的再生处理流程如下。

          

1.2.2日本模式
  日本是个面积窄小的岛国,河流急湍入海,没有大江大湖可作跨流域调水之用,那么日本靠什么支撑了六十年代的经济复兴呢,靠的就是污水回用,他们叫下水处理水的再利用,在各大城市创建并保留使用至今的“工业用水道”,纵穿全市,形成和自来水管道并存的又一条城市动脉。1955年日本开始再生水利用,1978年左右受节能政策调整和城市



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Re:楼主

1.2.3 以色列模式
  以色列再生水利用最突出的特点是它已经把再生水作为国家水量平衡的重要组成部分。以色列长期缺水,认为把城市污水作为非传统的水资源加以开发利用是唯一的出路,也是容易实现的,早在20世纪60年代,就把回用所有污水列为一项国家政策,规定:废水如果没有用尽,不可采用海水淡化;城市的每一滴水至少应回用一次。污水再生成本大约是海水谈化的1/3~1/5,这种经济性使人们认识到必须优失利用污水。截至1987年,该国已建造了210个市政再生水利用工程,100%的生活污水和72%的市政污水已经回用,回用规模最大为20万m3/d,最小为27m3/d,一般介于0.5~1万m3/d之间。以色列42%的再生水直接回用于灌溉,30%回灌地下和排入河道供间接回用,其余的用于工业和城市杂用。回灌地下的再抽出至管网系统,输送到南部地区,最南部地区甚至将它作为饮用水源。
  在以色列,由于水资源异常短缺,因此污水回用量在总供水量中所占的比例很大,目前已超过了10%。具体回用量与供水量见表5。表6是以色列灌溉回用水水质标准。

表5 污水回用量占以色列全国总供水量的比例关系(104m3/a) [15]

年份

1985

1990/1991

2000

2010

全国总供水量

205000

145000

209000

224000

农业用水量

149000

77000

126000

125000

市政、生活用水量

44500

56000

68500

77000

废水回收量

21500

26000

38000

52000

农业上污水回用量

11000

18800

35000

45000

污水回用量占总供水量的比例(%)

5.4

13.0

14.6

20.1

表6 以色列灌溉回用水水质标准[19]

灌溉项目

BOD(mg/L)

SS(mg/L)

溶解氧(mg/L)

大肠菌值(个/100mL)

余氯(mg/L)

其它要求

干饲料、纤维、甜菜、谷物、森林

60

50

0.5

   

限制喷灌

青饲料、干果

45

40

0.5

     

果园、熟食蔬菜、高尔夫球场

35

30

0.5

100

0.15

 

其它农作物、公园、草地

15

15

0.5

12

0.5

需过滤处理

直接食用作物

即使是再生水也不能用于灌溉

 

 

 

 

 

  其它部分国家的再生水利用实例见表7,此外阿根廷、巴西、智利、秘鲁、科威特、塞浦路斯、突尼斯等国都开始利用再生水,用于农业灌溉的比例最大。

表7 部分国家再生水利用实例[17][20]



国家

城市

再生水利用规模(104m3/d)

回用对象

俄罗斯

莫斯科

55.5

工业

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Re:楼主

1.3.3污水再生利用现状
  我国的再生水利用理论研究和实践经历了“六五”期间的起步阶段(1980~1985),“七五”到“九五”期间的技术储备和示范工程引导阶段(1986~2000)和目前的发展阶段[8],主要活动如表8所示。

表8 我国再生水利用历程概括

阶段

时期

研究课题

重大实践项目

政策法规

标准、规范

起步阶段

六五

建设部“六五”计划再生水利用课题

北京市环保研究所中水试点工程;北京国际贸易中心中水工程

   

引导阶段

七五

水污染防治及城市污水资源化技术

以北京市为首的一批建筑(小区)中水工程

北京市中水设施建设管理试行办法(1987)

生活杂用水水质标准
(CJ 25.1-89)

八五

污水净化与资源化技术

建设部“城市中水设施管理暂行办法”(1995)

景观娱乐用水水质标准
(GB 12941-91);行业规范:建筑中水设计规范,污水回用设计规范

九五

污水处理与水工业关键技术研究

一些集中再生水利用工程

 

行业标准:再生水回用于景观水体水质标准

发展阶段

十五

污水资源化利用技术与示范

再生水利用被写入“十五”纲要

国标:建筑中水设计规范,污水回用设计规范

  目前,我国再生水的用途有以下方面:城市、工业、农业、环境娱乐和补充水源水等。根据具体的使用目的和水质要求不同,水源、污水再生利用的设施和技术也随之不同。
  再生水用于城市杂用的具体用途有:绿化用水、冲洗车辆用水、浇洒道路用水、厕所冲洗水、建筑施工和消防用水。市政杂用的再生水与人体接触的可能性较大,因此需要进行严格的消毒。再生水用于农业可以采用直接灌溉和排至灌溉渠或自然水体进行间接回用两种方式。农业用水需求量大,水质要求一般也不高,是污水再生利用产业的主要需求者之一。一般经二级处理的城市污水出水水质都能达到或超过农业灌溉用水标准。国外再生水利用的经验告诉我们,用于农业的再生水量通常都占较大的比重。再生水用于工业包含两方面:工业利用再生的城市污水和工业废水的内部循环。工业对再生水的需求量很大,对水质的要求也多种多样。再生水可用于量大面广的冷却水、洗涤冲洗用水及其它工艺低质用水,因此它最适合冶金、电力、石油化工、煤化工等工业部门的利用[17]。环境娱乐性用水主要为形成娱乐性或观赏性湖泊等。娱乐用水又可以分为主要接触和次要接触两大类。主要接触是指人体同水的接触是长时间的和直接的,并且有吸入的可能,比如游泳;次要接触是指诸如划船、钓鱼和进行观赏等活动,一般情况下并无浸水的可能。根据用水与人体接触的方式不同,必须采用不同的处理程度[24]。污水再生利用的其它方式还包括地下水回灌和饮用型回用。地下水回灌用于防止地面沉降、海水及苦咸水入侵及补充地下水储量。再生水用于生活饮用水源我国尚无先例,但在国外已有应用,如南非的温得霍克市和美国堪萨斯州的查纽特等,而且由于处理得当都未发生卫生问题。但是大多数地区对此仍保持保守态度,如美国环保局认为,除非别无水源可用,尽可能不以再生水作为饮用水源[25]。表9为我国北方部分城市集中污水处理回用工程,表10是我国部分城市建筑(小区)中水系统建设情况,部分工程的处理工艺如下[26]
  1. 中国市政工程东北设计研究院与大连春柳河污水厂经过长期科技攻关与工程实践提出的城市废水回用于工业循环冷却的再生水处理流程:

       

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