淺談日本的水資源管理與水處理工藝

文、圖/薛冰川

淺談日本的水資源管理與水處理工藝

Discussion on Japan's water resources management and treatment

文、圖/薛冰川

水資源，作為人類賴以生存的條件之一，不僅與自然生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性息息相關(guān)，還與人口、糧食、衛(wèi)生、防災(zāi)和安全保障等各種社會問題有著廣泛而密切的聯(lián)系。

全國范圍內(nèi)日趨嚴重的水危機已成為我國可持續(xù)發(fā)展的主要制約瓶頸，而借鑒國外在水資源管理方面的先進經(jīng)驗，對緩解我國水危機有著重要意義。本文主要對日本的水資源管理和處理工藝及案例進行分析介紹，希望對探討我國未來水資源管理提供一些啟示作用。

日本的水資源現(xiàn)狀

日本國土面積約37.78萬km2，大部分地區(qū)處于降水豐富的亞洲季風帶，年降水量約為6,400億km3（1981年至2010年的平均值），是世界平均數(shù)的2倍，約為中國降水量的2.6倍。盡管如此，由于日本地形比較險峻，南北狹長，中部又有脊梁山脈，主要河流的長度較短，河道狹窄且坡度大。同時，降雨多集中于梅雨期和臺風季節(jié)，降水量季節(jié)性偏大，河流流量變化也大。因此，豐富的降水量并沒有給日本帶來水資源上的優(yōu)勢。日本的水資源賦存量，即可供人使用的最大限度的水資源量僅為3200m3/人·年，不足世界平均值的二分之一。

另一方面，日本的年總用水量（按取水量計算）約為809億km3（2011年值），僅相當于平均水資源賦存量的五分之一。約有3000億km3以上的水資源未被開發(fā)利用，而是直接流入大海或形成地下水。按用途統(tǒng)計，城市生活用水約為152億km3/年，工業(yè)用水約為113億km3/年，農(nóng)業(yè)用水545億km3/年。其中，江河水約占取水總量的89%，地下水僅占取水總量的11%（如圖1所示）。

近年，全球氣候變化也對日本水資源的利用產(chǎn)生了很大的影響。降水量逐年減少且變動幅度增大，導(dǎo)致干旱和洪澇的風險增加。氣溫上升造成積雪量減少，融雪期提前。特別對給水資源依賴融雪水的日本東北部造成了較大影響，導(dǎo)致需水期的江河水流量減少，造成供水不足。同時，海平面上升使濱海沿岸地區(qū)的地下水鹽化，給水資源的利用造成了很大的困難和威脅。

另一種與淡水資源不足并駕齊驅(qū)的水危機是水質(zhì)污染問題，在日本部分地區(qū)同樣存在著這類問題。如東京等幾座大城市，由于生活污水的排放等原因，河流水質(zhì)受到了一些影響。農(nóng)村地區(qū)由于生活廢水排入河中，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用的灌溉水渠出現(xiàn)不同程度的水質(zhì)惡化。許多靠近城市湖泊的COD（化學氧需求量）環(huán)境達標率依然處于較低的水準，一些湖泊由于富營養(yǎng)化導(dǎo)致藻類大量繁殖，給用水和水環(huán)境都帶來影響。

水資源的管理制度與法律體系

盡管與中國一樣，日本各地同樣存在著各種水資源不足與水質(zhì)污染問題，但早在上個世紀，日本就致力于水資源問題的緩解，至今已形成了較完備的水資源管理制度和相關(guān)法律體系。

首先，日本政府對水資源問題十分重視，重大水資源政策以及相關(guān)法律的出臺都由內(nèi)閣會議和總理大臣親自審定。日本早在1896年就制定了《河川法》，以后根據(jù)情況的發(fā)展變化進行了多次修改，并陸續(xù)制定了諸如《水資源開發(fā)促進法》、《下水道法》和《水質(zhì)污濁防止法》等數(shù)十部法律法規(guī)。

日本水資源管理的實行以國土交通省為主，環(huán)境省和農(nóng)林水產(chǎn)省等相關(guān)部門協(xié)同配合。其中，國土交通省主要負責水資源方面長期的根本性、綜合性政策、法規(guī)的策劃、立項推行等相關(guān)工作以及河流管理、治水工程和下水道的監(jiān)理。環(huán)境省則主要負責水質(zhì)監(jiān)測及河川流域的水質(zhì)保護。厚生勞動省負責上水道（即通常所說的自來水）相關(guān)工程的監(jiān)督及協(xié)調(diào)管理。農(nóng)林水產(chǎn)省和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省則分別負責農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水的管理及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

近年來，日本政府正在積極推進“綜合水資源管理”的管理體系。即以水循環(huán)的基本流域為單位，從江河上游至海岸，從地表水到地下水進行整體把握；對于可利用的水資源量及所面臨的課題進行綜合考慮；是一種地方政府、居民和企業(yè)等共同參與的管理體系。內(nèi)容主要包括五個方面：(1)水資源設(shè)施的建設(shè)、運用和維護。包括現(xiàn)存設(shè)施的改造和維護、水資源設(shè)施利用效率的提高、新設(shè)施的建設(shè)、災(zāi)害及水質(zhì)污染事件發(fā)生時的危機管理、水利能源的使用。(2)流域的保護。主要有流域內(nèi)水循環(huán)的保全和水源地的保護。(3)水量水質(zhì)的一體化管理。在有需求地區(qū)以低成本、低能耗來確保必要的水質(zhì)和水量。(4)水資源的合理配置和高效利用。包括雨水利用及污水再生利用的推進。(5)地下水的保護和使用。

日本的水處理工藝及使用案例

日本成功的水資源管理還與其先進的水處理工藝密不可分，其中尤為突出的是膜處理技術(shù)的應(yīng)用。日本的膜處理技術(shù)在世界處于領(lǐng)先地位，在水處理用膜的供給市場中，日本的生產(chǎn)量約占全球的60%。目前被廣泛應(yīng)用的膜技術(shù)主要有微濾膜（MF膜）、超濾膜（UF膜）、納濾膜（NF膜）及反滲透膜（RO膜）。其中，反滲透法為如今海水淡化的主力，而日本在RO膜的生產(chǎn)份額高達全球市場的70%。此外，MF膜與UF膜也在飲用水處理及污水再生處理方面有著廣泛運用。以下通過日本的兩則案例，我們可以了解到，日本在水處理中不僅活用了世界領(lǐng)先的膜技術(shù)，并且在膜過濾系統(tǒng)的設(shè)計上充分考慮了高效節(jié)能的因素。

海水淡化案例

日本的九州福岡市由于淡水資源不足，經(jīng)歷了多次供水危機。福岡都市圈內(nèi)的水需求量為每日60萬km3，而該區(qū)域的供水自給能力只占需求量的三分之二。為了提高其供水自給率，該市將其目標轉(zhuǎn)向豐富的海水資源中，于2005年6月起正式啟動海水淡化事業(yè)。目前，福岡海中道奈多海水淡化中心為日本最大規(guī)模的海水淡化設(shè)施，其最大生產(chǎn)能力為每日5km3。

福岡海水淡化中心主要采用的水處理技術(shù)即為反滲透技術(shù)。位于640米的近海區(qū)域水深約11.5米的海底，鋪設(shè)了寬度約2萬km2的取水管，采用滲透取水方式進行取水，不僅利用了天然的沙層過濾方式，同時也避免了海浪的影響及對漁業(yè)及船舶運輸?shù)姆恋K。并且，通過利用海面與工廠取水口的水位差，用于取水的動力消耗幾乎為零。被取用的海水通過該中心的螺旋形UF膜的前處理工藝，被除去微生物及極細微粒子，再通過高壓RO膜及螺旋形RO膜的處理獲得符合一定標準的淡水水質(zhì)。而濃縮海水中的壓力則被作為能源進行回收，作為高壓RO泵的動力再次使用，充分實現(xiàn)了高效循環(huán)的能源利用。

圖1: 日本的水資源賦存量和利用量(來源: 國土交通省2014日本水資源白書P59)（單位：億立方米/年）

飲用水高度凈水案例

東京都羽村市，位于東京都心以西約45km處，其水源全部為地下水，由于水質(zhì)良好，該市歷來僅通過氯消毒來供給自來水。然而，地下水中存在著一種氯消毒無法殺滅的寄生蟲（隱孢子蟲），由此而引發(fā)的飲用水污染事件在周邊地區(qū)屢屢發(fā)生，因此羽村市于2004年引進了高度凈水設(shè)施。

該高度凈水設(shè)施于2004年4月正式運行，每日的最大處理量為3萬km3，能為6萬人供給2.75萬km3安全干凈的自來水。在深井中的地下水由原水槽被抽取上來后，利用10m水柱的自身壓力使地下水經(jīng)由大孔徑的MF膜過濾，將其中的隱孢子蟲完全去除。該大孔徑MF膜是專門為去除隱孢子蟲（直徑為5.0微米）而設(shè)計的產(chǎn)品，標準孔徑為2.0微米，與一般的MF膜（0.1-0.2微米）相比起來孔徑較大，由此便可以通過水柱的自身壓力來進行過濾，而無需另外使用抽水泵，是一種精巧的節(jié)能設(shè)計。

如此，通過完備的管理制度與先進的處理技術(shù)相結(jié)合，日本在水資源管理上擁有其獨特的優(yōu)越性。中國在緩解如今日益嚴重的水危機方面，不僅可以借鑒日本經(jīng)過多年摸索的管理制度，也可以引進其先進的工藝技術(shù)及設(shè)計理念，實現(xiàn)節(jié)水節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的供水體系。

作者單位：日本慶應(yīng)義塾大學