城市污水全量循環(huán)方法學(xué)研究

張立輝 宮麗娟 周玉芬 徐敏敏

(山西省環(huán)境規(guī)劃院，太原 030002)

城市污水全量循環(huán)方法學(xué)研究

張立輝 宮麗娟 周玉芬 徐敏敏

(山西省環(huán)境規(guī)劃院，太原 030002)

城市的快速發(fā)展對(duì)水資源、水環(huán)境的壓力不斷增大，城市生活污水排放量逐年增長(zhǎng)。為節(jié)約水資源，改善水環(huán)境，將城市污水深度處理后回用于工業(yè)、市政等方面，設(shè)置不同情景對(duì)城市污水全量循環(huán)方法學(xué)開(kāi)展研究，以實(shí)現(xiàn)城市污水不外排。

城市污水；全量循環(huán)；污水零排放；節(jié)約水資源

前言

近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與城市化率的不斷提高使得環(huán)境污染問(wèn)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(shí)，再生水、雨水等非常規(guī)水資源的資源性被不斷認(rèn)知使得非常規(guī)水資源的利用成為了城市可持續(xù)發(fā)展的必需。同時(shí)，水處理技術(shù)的快速發(fā)展為非常規(guī)水資源的利用提供了可靠的技術(shù)保障[1]。諸多因素使得城市污水資源化成為可能和社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

高強(qiáng)度的城市化使得城市的水資源與水環(huán)境承載力均超過(guò)限值。為了節(jié)約水資源，保護(hù)水環(huán)境，應(yīng)當(dāng)最小化城市對(duì)自然水體在水量及水質(zhì)上的沖擊，協(xié)調(diào)城市發(fā)展與城市水資源及水環(huán)境之間的關(guān)系[2]?；谶@樣的觀點(diǎn)，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(jìn)入城市的水資源”的原則，以保障自然水循環(huán)健康，促進(jìn)社會(huì)水循環(huán)高效為目標(biāo)，建立最終實(shí)現(xiàn)城市污水全量循環(huán)的概念。以實(shí)現(xiàn)城市污水全量循環(huán)為核心，以改善我國(guó)流域水質(zhì)為根本目標(biāo)，以城市可持續(xù)發(fā)展理念為指導(dǎo)，對(duì)城市污水全量循環(huán)方法學(xué)開(kāi)展研究。

1．城市污水全量循環(huán)方法框架

城市污水全量循環(huán)即城市污水用傳統(tǒng)工藝處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后，根據(jù)不同的回用途徑進(jìn)行深度處理后，回用于城市雜用、工業(yè)用水、景觀環(huán)境、地下回灌等，實(shí)現(xiàn)城市污水的全部、多次循環(huán)利用。

城市污水全量循環(huán)方法學(xué)框架如圖1所示，由水資源利用現(xiàn)狀分析、水資源利用預(yù)測(cè)分析、再生水產(chǎn)生量預(yù)測(cè)分析、需水量與再生水量供需平衡分析四部分組成。

在對(duì)定額法中人均居民家庭生活用水量進(jìn)行確定時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)規(guī)劃區(qū)域的城市居民家庭生活用水現(xiàn)狀進(jìn)行充分調(diào)查與趨勢(shì)分析，參考當(dāng)?shù)爻鞘械耐度氤潭纫约凹夹g(shù)水平先進(jìn)城市的居民家庭生活用水現(xiàn)狀，合理、慎重地選取該參數(shù)的取值。

在居民家庭生活用水水平確定的基礎(chǔ)上，利用下式對(duì)城市市政公共服務(wù)用水水平進(jìn)行確定。

其中β為人均市政公共服務(wù)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(wù)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(zhì)、氣候、居民生活習(xí)慣等，隨著城市建設(shè)的日趨完善，城市生活用水的結(jié)構(gòu)將趨于穩(wěn)定，這個(gè)比例將保持相對(duì)穩(wěn)定。因此，在定額法中對(duì)該比值的確定要密切結(jié)合城市的實(shí)際情況。通常對(duì)于發(fā)展較快、規(guī)模較大城市來(lái)說(shuō)，隨著城市建設(shè)的完善，人民居住水平的提高，市政公共服務(wù)用水所占比例一段時(shí)間內(nèi)都會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但下降幅度要綜合考慮多種因素，合理確定；對(duì)于發(fā)展較晚，正在迅速建設(shè)的城市，隨著公共服務(wù)水平的不斷提高，市政公共服務(wù)用水所占比例一段時(shí)間內(nèi)都會(huì)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，同樣上升幅度要綜合考慮多種因素，合理確定。

（2）工業(yè)用水需水量分析

工業(yè)用水是指工、礦企業(yè)的各部門，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，制造、加工、冷卻、空調(diào)、洗滌、鍋爐等處使用的水及廠內(nèi)職工生活用水的總稱。與城市生活用水類似，本研究構(gòu)建的城市污水全量循環(huán)方法學(xué)中，也采用定額法預(yù)測(cè)工業(yè)用水需水量。對(duì)于基礎(chǔ)信息不完善的地區(qū)，采用該方法進(jìn)行需水量的預(yù)測(cè)，簡(jiǎn)單可行。

定額法采用萬(wàn)元增加值指標(biāo)法對(duì)工業(yè)用水進(jìn)行需水量預(yù)測(cè)，如下式所示：

其中：QI為工業(yè)用水量，EI為工業(yè)增加值，wI為單位工業(yè)增加值用水量。

萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量反映了工業(yè)用水水平，單位通常為m3/萬(wàn)元。全國(guó)及各省萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量不等，各省水平有較大差距。2010年山西省萬(wàn)元工業(yè)增加值平均耗水量為28.52m3/萬(wàn)元，太原市為29.56 m3/萬(wàn)元，均處于較低水平。

在對(duì)規(guī)劃區(qū)域萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量指標(biāo)進(jìn)行確定時(shí)，應(yīng)當(dāng)在保證規(guī)劃區(qū)域工業(yè)正常發(fā)展的前提下，對(duì)規(guī)劃區(qū)域的工業(yè)行業(yè)及其各行業(yè)的用水現(xiàn)狀進(jìn)行充分調(diào)查與趨勢(shì)分析，合理考慮各行業(yè)各種節(jié)水技術(shù)與措施對(duì)萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量的影響，參考當(dāng)?shù)爻鞘械墓?jié)水投入程度、節(jié)水水平先進(jìn)城市的萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量相應(yīng)的上位規(guī)劃與相關(guān)專業(yè)規(guī)劃，如城市總體規(guī)劃或工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)的專題研究等，在充分發(fā)揮當(dāng)?shù)毓?jié)水潛力的前提下，合理慎重取值。

（3）環(huán)境用水需水分析

環(huán)境用水主要是指城市范圍內(nèi)，為了維護(hù)城市生態(tài)環(huán)境發(fā)揮正常的作用，用于河湖、景觀等方面的用水。其需水計(jì)算公式如下：

其中QE為環(huán)境用水量，Qe為水面蒸發(fā)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(guī)劃和相關(guān)專業(yè)規(guī)劃的數(shù)據(jù)，如城市總體規(guī)劃或生態(tài)保護(hù)相關(guān)的專題研究。

（4）水系統(tǒng)漏損分析

水系統(tǒng)漏損是以管網(wǎng)漏損為主的城市水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中損失的水量，可以使用漏損率來(lái)進(jìn)行估算。漏損量計(jì)算公式如下：

其中，QU為水系統(tǒng)漏損量，u為水系統(tǒng)漏損率。

生活用水、工業(yè)用水、環(huán)境用水采用之前的計(jì)算結(jié)果。水系統(tǒng)漏損率可參考上位規(guī)劃和相關(guān)專業(yè)規(guī)劃的數(shù)據(jù)，如城市總體規(guī)劃或節(jié)水技術(shù)相關(guān)的專題研究；或根據(jù)城市節(jié)水目標(biāo)提出相應(yīng)的數(shù)值。

3.2 節(jié)水情景用水量預(yù)測(cè)分析

參照常規(guī)情景，通過(guò)設(shè)定新鮮水用水水平，分別從生活用水、工業(yè)用水、環(huán)境用水及漏損4個(gè)方面進(jìn)行節(jié)水情景用新鮮水量預(yù)測(cè)。

（1）生活用水需水量分析

節(jié)水技術(shù)的進(jìn)步及節(jié)水器具的推廣處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定期，在現(xiàn)狀情景已考慮，因此，節(jié)水情景主要考慮再生水的回用比例。

城鎮(zhèn)居民家庭用水中，沐浴、沖廁、清潔、飼養(yǎng)寵物、洗車等均可用回用水。市政公共服務(wù)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(jì)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(jù)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(wù)用水水平wLP組成，如式8所示。

表征城鎮(zhèn)居民家庭用水水平wLF'的指標(biāo)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(wù)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(chǔ)上，利用下式對(duì)城市市政公共服務(wù)用水水平進(jìn)行確定。

其中β為人均市政公共服務(wù)用水量與人均居民家庭生活用水量的比值。

（2）工業(yè)用水需水量分析

定額法采用萬(wàn)元增加值指標(biāo)法對(duì)工業(yè)用新鮮水進(jìn)行需水量預(yù)測(cè)，如下式所示：

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

（3）環(huán)境用水需水分析

環(huán)境用水基本可以完全用再生水替代。

（4）水系統(tǒng)漏損分析

水系統(tǒng)漏損是以管網(wǎng)漏損為主的城市水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中損失的水量，其可以使用漏損率來(lái)進(jìn)行估算。漏損量計(jì)算公式如下：

其中，QU'為水系統(tǒng)漏損量，u為水系統(tǒng)漏損率。

生活用水、工業(yè)用水、環(huán)境用水采用之前的計(jì)算結(jié)果。水系統(tǒng)漏損率可參考上位規(guī)劃和相關(guān)專業(yè)規(guī)劃的數(shù)據(jù)，比如城市總體規(guī)劃或節(jié)水技術(shù)相關(guān)的專題研究；或根據(jù)城市節(jié)水目標(biāo)提出相應(yīng)的數(shù)值。

4．再生水產(chǎn)生預(yù)測(cè)分析

隨著城市區(qū)域水資源短缺形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，水處理技術(shù)的快速發(fā)展，以再生水為代表的非常規(guī)水源已經(jīng)成為城市的重要資源之一。再生水源利用量的多少已經(jīng)成為一個(gè)城市水資源開(kāi)發(fā)利用先進(jìn)水平與可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程的重要標(biāo)志。

4.1 再生水水質(zhì)的識(shí)別

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保工作的重視及水處理技術(shù)的逐步完善，十二五期間基本實(shí)現(xiàn)縣縣建有城鎮(zhèn)污水處理廠，出水水質(zhì)達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。城市再生水回用不同途徑對(duì)應(yīng)有不同的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(zhì)相對(duì)較高。工業(yè)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(chǎn)品用水等方面。景觀環(huán)境用水主要是用于觀賞性景觀環(huán)境用水及娛樂(lè)性景觀環(huán)境用水，如河道、湖泊、水景等。地下水回灌指一種有計(jì)劃地將地表水、城市污水再生水在內(nèi)的任何水源，通過(guò)井孔、溝、渠、塘等水工構(gòu)筑物從地面滲入或注入地下補(bǔ)給地下水，增加地下水資源的技術(shù)措施。由表2可以看出，城鎮(zhèn)污水處理廠出水達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)后，與回用所要求的大部分指標(biāo)相一致，基本可以滿足工業(yè)、城市雜用、景觀用水及地下回灌的需求。當(dāng)對(duì)再生水回用水質(zhì)要求較高時(shí)，可通過(guò)在原污水處理工藝后增加相應(yīng)的水處理單元來(lái)解決。

城市再生水回用于城市雜用、工業(yè)以及景觀環(huán)境的技術(shù)比較成熟，已得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于再生水用于地下水回灌，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也開(kāi)展了很多研究[3,4]，但距離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離，暫時(shí)還沒(méi)有相應(yīng)的回灌標(biāo)準(zhǔn)和成熟的技術(shù)方法，

4.2 再生水可供水量的識(shí)別

再生水主要用于城市的工業(yè)、市政雜用、環(huán)境補(bǔ)水、地下回灌等方面，其可供水量的識(shí)別分為以下幾個(gè)步驟：

①再生水利用的現(xiàn)狀分析。通過(guò)分析規(guī)劃區(qū)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(shù)量、再生水生產(chǎn)規(guī)模等，識(shí)別規(guī)劃區(qū)域再生水的利用狀況與發(fā)展趨勢(shì)。

②再生水資源量的分析。根據(jù)規(guī)劃區(qū)域用戶的用水量以及排水特征，計(jì)算區(qū)域內(nèi)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(shù)， QI為工業(yè)用水量，kI為工業(yè)用水排水系數(shù)，f為城市污水收集率。

③再生水可供水量的識(shí)別。根據(jù)再生水資源量的分析，考慮到規(guī)劃區(qū)域的污水處理能力與再生水生產(chǎn)能力等因素，再生水可供水量的計(jì)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(gè)再生水廠的生產(chǎn)能力，i的取值范圍為1～n，n為區(qū)域內(nèi)再生水廠的個(gè)數(shù)。

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(guī)水源和非常規(guī)水源供水能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水資源的供給與需求的平衡分析。與傳統(tǒng)供需平衡分析不同，城市污水全量循環(huán)規(guī)劃中的供需平衡分析將區(qū)分不同用戶不同用水行為對(duì)水質(zhì)需求的差異。

常規(guī)情景與節(jié)水情景的需水量差值即為再生水需水量。當(dāng)再生水需水量不小于再生水產(chǎn)生量時(shí)，理論上來(lái)講，通過(guò)協(xié)調(diào)配置即可實(shí)現(xiàn)城市污水的全量循環(huán)。

（1）多水源供水的水量水質(zhì)分析

常規(guī)水源：通常包括地表水、地下水和外調(diào)水，通過(guò)城市統(tǒng)一的供水管網(wǎng)供給。該部分水源的水質(zhì)可以達(dá)到所有用戶的要求，也稱為高質(zhì)水源；

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

（2）多用戶需水的水量水質(zhì)分析

根據(jù)水質(zhì)需求的差異，對(duì)不同用戶不同水質(zhì)的需求進(jìn)行確定，如下式所示。

其中，Qi為對(duì)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(yè)需水中第i中水源所占比例，hEi為環(huán)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(jù)不同情景選取不同的數(shù)值。比例確定采用“就低不就高”的原則，即，對(duì)于既可以使用低質(zhì)水源也可以使用高質(zhì)水源的用戶用水，按使用低質(zhì)水源計(jì)算。

（3）多水源多用戶水量水質(zhì)供需平衡分析

多水源多用戶的水量水質(zhì)供需平衡分析是要針對(duì)不同水質(zhì)的水源進(jìn)行供需平衡分析，在此基礎(chǔ)上，還遵循以下三個(gè)原則：①高質(zhì)水源可以用于滿足用戶的低質(zhì)水需求；②低質(zhì)水源之間不存在差異，可以互補(bǔ)供應(yīng)滿足用戶的低質(zhì)水需求；③除工業(yè)、城市雜用及環(huán)境用水之外，多余的再生水可全部回灌于地下。

根據(jù)上述分析結(jié)果，再生水主要用于工業(yè)、城市雜用、景觀環(huán)境三個(gè)方面，而對(duì)于冬季需水量少時(shí)，不能全部回用的再生水可結(jié)合山西特有的山地及采空區(qū)等地形地質(zhì)條件，考慮回灌于地下含水層貯存，等缺水時(shí)再?gòu)牡叵抡{(diào)出，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)城市污水的全量循環(huán)。

6．結(jié)論

隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展速度加快，城鎮(zhèn)居民人口增加，導(dǎo)致城鎮(zhèn)生活污水排放量增加，成為導(dǎo)致地表水環(huán)境惡化的重要原因。城鎮(zhèn)生活污水若能有效利用，將是解決水資源緊缺的一個(gè)重要途徑。開(kāi)展城市污水全量循環(huán)利用方法學(xué)研究，實(shí)現(xiàn)污水的零排放，是解決水環(huán)境污染問(wèn)題的有效途徑，也是支撐城市可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)城市實(shí)現(xiàn)污水全量循環(huán)，但是各類物理、化學(xué)污水凈化技術(shù)日趨成熟，能夠滿足不同檔次再生水質(zhì)量要求。

通過(guò)多水源協(xié)調(diào)利用來(lái)實(shí)現(xiàn)城市污水全量循環(huán)，減輕由于城市發(fā)展對(duì)水資源、水環(huán)境的壓力，對(duì)于保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)城市持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

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

[2] 黎瑩,鐘麗錦, 傅濤. 我國(guó)城市綜合節(jié)水管理框架構(gòu)建及節(jié)水管理現(xiàn)狀分析[J]. 水資源保護(hù)，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(zhàn)略[J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2003, 4（29）: 10.

[4] 張猛， 成徐州，趙璇. 再生水補(bǔ)給地下水的新方式——組合式強(qiáng)化井灌[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(guān)計(jì)劃項(xiàng)目，《污水監(jiān)測(cè)及循環(huán)利用技術(shù)研究-汾河流域城市污水全量循環(huán)過(guò)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.