再生水回用的研究現狀綜述

張國珍，孫加輝，武福平

(1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，甘肅蘭州 730070；2.西安航天動力試驗技術研究所，陜西西安 710100)

隨著世界工業(yè)、經濟發(fā)展和城市化進程的加快與人類生活水平的逐漸提高，我國水資源供需矛盾日益突出，由于世界上的淡水資源是有限的，遠遠不能滿足人類對水資源的需求量。為了解決水資源短缺帶來的諸多問題，人們經多渠道開發(fā)研究提出了解決途徑：雨水與冰川水的收集利用，海水的開發(fā)，苦咸水的利用，空中水利用，城市污水資源化等。通過多方技術分析比較得知城市污水資源化是最有效的解決方法，它由于水量大，比較穩(wěn)定，易于收集與處理[1]，不僅能緩解城市供用水的矛盾，而且還能改善水環(huán)境、減少水災害, 具有巨大的社會效益和生態(tài)效益[2]。因此實行再生水回用必將更有廣泛的現實意義。

1 再生水回用的研究現狀

再生水即城市污水資源化，是指城市污水和工業(yè)廢水經過適當處理達到一定的水質標準, 使之變?yōu)槌鞘兴吹囊徊糠?，以達到充分利用水資源和減輕環(huán)境污染負荷的目的[2]。再生水因其水源比較穩(wěn)定、可靠，受季節(jié)影響較小，環(huán)境效益明顯，成本低，可實現水生態(tài)的良性循環(huán)，因此人們熱衷于將再生水回用。由于再生水的回用是一個系統(tǒng)工程[3]，涉及許多方面及領域。目前，它的研究領域主要集中在幾個方面：(1)再生水回用的投資來源；(2)再生水回用的途徑及標準；(3)再生水的處理技術；(4)再生水回用的效益和風險分析；(5)再生水回用的相關政策。

1.1 再生水回用的投資來源

再生水回用工程是一個龐大的工程，其需要的資金數額巨大，因而，再生水回用工程的資金來源分析是一個重要的研究方向。目前，我國再生水回用工程一般是在城市污水廠的基礎上發(fā)展起來的，因此國有性質的污水處理廠一般為該項目的承擔者，繼而其資金來源通常就是國家或地方政府的財政撥款、污水處理廠自有資金、污水處理廠獲得國內外貸款、自籌資金、外資利用、股票債券等[4]。其中國家或地方政府的財政撥款是其資金的主要來源，但是已存在的該部分資金量受到經濟發(fā)展水平的限制，往往不能滿足巨大的資金需求。于是，賀明珠等[5]宏觀地分別從項目資本金，債務籌資，項目融資模式三方面提出獲得資金的相關途徑。

目前水廠采用的融資模式常為PPP(public-private-partnership)，即公私合作伙伴，作為公共部門與私人企業(yè)合作的一種模式，可以有效地緩解基礎設施建設資金緊張的狀況，是一種基于雙贏或多贏理念基礎上而形成的模式。其擁有融資性、高效性、低風險性，包含BOT、TOT、BTB、DBFO等多種模式。如圖1～圖3所示，2007年高旭闊等[6]詳細地介紹了PPP模式中三種主要應用于再生水回用項目的項目融資方式：BOT模式為政府持有再生水項目的特許經營權，由投資者負責項目的設計、建設與管理，待經營期滿后由政府收回。該模式由于吸收國外與外來資金減少了政府的投資風險，已經成為我國城市污水處理設施建設和運行的重要選擇之一[7]，但該模式不僅周期長，而且對企業(yè)來講有投資風險較大的弊端[8]；TOT模式是政府將已建再生水項目的產權和特許經營權移交給投資者，投資者一次性的付給政府一定金額，待期滿后由政府收回。該模式有利于政府提高再生水項目開發(fā)效率，同時降低了投資者前期費用的風險，由于項目已經建成，其運營風險也得到了很好的控制；TBT模式是BOT模式與TOT模式的結合，政府將建設完成的再生水項目移交給投資者，投資者在一定的期限內且一次性向政府交納一定資金，同時政府將新建項目設施的建設與運營權在一定的期限內轉讓給同一投資者，雙方合約期滿后由政府收回新舊項目的經營權。TOT是輔助作用促成新建一個BOT，該模式吸引社會資金減少政府財政壓力，有利于促進社會資源的合理配置，提高了資源使用效率，投資者可以從新建和已建項目中收益，但雙方在達成合約前都需對對方進行嚴格的審核考察，以達到雙方預期的效益。高旭闊等[6]指出TOT模型相對于其他兩種方式更容易得到投資者的資金。

圖1 BOT融資模式Fig.1 BOT Financing Mode

圖2 TOT融資模式Fig.2 TOT Financing Mode

圖3 TBT融資模式Fig.3 TBT Financing Mode

1.2 再生水回用的途徑及標準

目前，國內外再生水回用的主要途徑有農業(yè)、工業(yè)、補充水源及地下水、環(huán)境娛樂、城市公共用水等[9]。

在農業(yè)中，再生水主要應用于農田灌溉、造林育苗、農牧場和水產養(yǎng)殖[10]。農業(yè)用水量在水資源利用中占據著半壁江山，據統(tǒng)計我國每年用于農業(yè)灌溉的水約為60億m3[11]。再生水回用于農業(yè)被視為緩解農業(yè)水資源短缺和促進農業(yè)增產的有效措施。農業(yè)灌溉對水質要求較低，一般經過二級處理的水經適當處理即可。二級處理對氮磷等營養(yǎng)物質的去除率是比較低的，如果再生水作為農業(yè)回用就有可能省去這一環(huán)節(jié)或者降低處理要求，即達到了對農業(yè)提供穩(wěn)定的水源，同時也提高了肥效、降低了水處理費用。由于農田水影響著大氣、土壤、地下水、農業(yè)產量的大小和產物的健康問題，因此灌溉水的標準是一個必須重視的問題。我國對用于灌溉的再生水標準為《城市污水再生利用農田灌溉用水水質》(GB 20922—2007)[12]。在工業(yè)中，再生水可用于工業(yè)循環(huán)冷卻水、洗滌用水、鍋爐補給水、產品用水和工藝用水等領域，從而能有效減少工業(yè)污水的產生和工業(yè)設備的腐蝕[13]，其中工業(yè)冷卻水對水質要求不高，發(fā)展?jié)摿Υ笄覒梅秶鷱V，然而鍋爐用水與工藝用水對水質要求較高通常很少采用再生水回用。但是不同工業(yè)的工藝用水卻有著不同的要求，于是，我國在2005年頒布了工業(yè)再生用水的標準《城市污水再生利用工業(yè)用水水質》(GB/T 18923—2005)。在補充水源以及地下水方面，再生水回灌通常采用噴灑法和注入法，再生水回灌體現了減量化、無害化、資源化的原則和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想，是擴大污水回用最為有益的一種方式也是防止地下水降低與地面下沉的有效措施。因其對再生水的要求很高和循環(huán)周期長，國家在保證不污染地下水體的前提下，結合對污水深度處理的最大能力制定了《城市污水再生利用地下水回灌水質》(GB/T 19772—2005)。雖然美國、以色列、德國、丹麥等國都在大力推行，尤其以色列在該方面始終處于世界領先地位，但是我國目前在該方面的應用還是屈指可數。在環(huán)境娛樂方面，再生水可以提供景觀用水，而且可以通過景觀河道,為沿途的城市綠化提供用水還可以在體育運動方面得以利用，如：游泳，劃船，釣魚，跳水等。由于回用水相對于天然水體在景觀用水中的不足之處是再生水易使水中藻類過度生長，甚至出現水華等環(huán)境問題，因此我國對再生水用于景觀用水的水質制定了相關要求：《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質》(GB/T 18921—2002)。2002年在城市公共用水[14]方面，包括沖廁，道路清掃，沖洗車輛，建筑施工與消防用水等，國家提出《城市污水再生利用城市雜用水水質》(GB/T 18920—2002)。雖然城市公共用水的水質要求不高，但在回用過程中會與人有間接或直接的接觸，因此應嚴格控制其生化與衛(wèi)生學指標。目前對于重金屬、有機污染物及內分泌干擾物等一些有毒物質和反映水質的關鍵性指標尚未有完整的規(guī)范要求。

再生水回用應持著“優(yōu)質優(yōu)用、低質低用”的原則[9]，合理有效的去利用再生水，應結合當地的地理、氣候、經濟與社會等實際情況，采取有效的利用途徑，讓再生水發(fā)揮其最大的成效來緩解我國水資源短缺現狀，促使水生態(tài)與經濟的可持續(xù)發(fā)展。

1.3 再生水的處理技術

根據原水水質、水量與再生水回用途徑及用水水質要求的不同，進而就需不同的再生水處理工藝。我國再生水處理回用工藝可歸納為三類[15]：(1)傳統(tǒng)的老三段——混凝、沉淀、過濾加消毒，該技術對某些溶解性有機物去除率較低，對一些水質復雜的污水處理很難達到處理效果；(2)膜處理工藝——利用膜的選擇透過性截留大分子溶質，實現處理的效果。膜分離技術主要有：微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)、電滲析(ED)等，該處理技術對SS去除率高，出水穩(wěn)定，占地面積小，但運行費用較高，膜污染問題難以解決；(3)生物處理技術——利用水中微生物吸附分解水中有機物達到凈化的目的。包括：人工濕地系統(tǒng)、曝氣生物濾池系統(tǒng)、SBR、AO、AAO、CASS、氧化溝、UASB法等，該方法常用于有機物污染較嚴重的污水，處理效果穩(wěn)定，抗沖擊負荷強，剩余污泥產量低[16]，但工藝運行管理復雜，對大氣環(huán)境有著明顯的污染。

隨著技術不斷發(fā)展及對水質要求的提高，通常的處理工藝已不能保證人類的水質安全，因此隨著水處理新技術的發(fā)展,處理方式趨向生化、物化和膜法的統(tǒng)一聯(lián)合應用[17]——將混凝、沉淀、過濾、活性炭吸附、臭氧氧化、離子交換、電滲析、反滲透、MF、UF、RO、MBR等進行組合[18]，從而達到較高的處理效果。Sara等[19]將MF與RO結合對含藥劑水進行再生回用，得出該技術可以高效去除混合物。目前我國應用典型的再生水處理工藝主要有幾種[12]。

(1) 工藝1(混凝、沉淀和過濾):

(2) 工藝2(MBR工藝):

(3)工藝3(MBR+RO工藝):

(4)工藝4(二級RO工藝):

(5)工藝5(生態(tài)唐工藝):

(6)工藝6(兩級過濾工藝):

科技人員針對生物濾池存在易出現布氣不均、易堵塞、環(huán)境衛(wèi)生較差等問題，將傳統(tǒng)生物濾池不斷改進，研發(fā)出多種新型生物濾池在再生水回用方面的應用。曝氣生物濾池(biological aerated filter，BAF)是集生物接觸氧化與濾床截留于一體的高效處理工藝，其承受BOD5容積負荷可達常規(guī)活性污泥法或接觸氧化法的6～12倍[23]，去除有機物的效率較高，對進水SS要求一般不超過100 mg/L，王強[24]指出BAF對于不易降解的氮有明顯的去除效果，通過實驗得出對COD去除率達到50%，出水未檢測到SS，色度的去除率達到70%。其優(yōu)點是出水水質好，耐沖擊，系統(tǒng)總水力停留時間短，基建投資低，無需二沉池占地面積小，無污泥膨脹，不受氣溫影響，自動化程度高，對環(huán)境影響小。因其具有一定的優(yōu)勢決定了它在再生水回用中具有廣闊的應用前景，將它與其他水處理技術優(yōu)化組合,能得到高質量的再生水。其不足之處為污泥量較大，日常藥劑費用比較高，許多研究結果顯示在室溫條件下，布水布氣系統(tǒng)需要進一步研究，BAF成功啟動一般需約1個月的時間[25]。濾布濾池(cloth media filtration，AquaDisk)是近十年中迅速發(fā)展起來的應用在污水深度處理及回用工程的一項高新尖端技術，其主要特征為處理效率高，出水穩(wěn)定，能承受較大的水力及懸浮物沖擊負荷,占地面積小[26]，運行能耗低，運行維護簡便。

張慶康等[27]指出常規(guī)處理與膜處理出水質量均不能達到地下水回灌的標準，主要是由于氨氮與環(huán)境激素DBP不達標。選擇再生水處理技術在實際中應用，應基于原水水質及用水水質的情況，綜合考慮工藝特點、投資、經濟效益、環(huán)境效益、社會效益等因素的不同，選擇合適的處理工藝路線，實現合理的工藝構筑，以至于設計經濟合理的再生水回用處理系統(tǒng)。

1.4 再生水回用的效益和風險分析

再生水回用可解決水資源短缺問題，實現水資源的可持續(xù)發(fā)展。但如果在再生水回用過程中投資與處理不當，必然會對人類健康和環(huán)境造成深遠的影響，從而帶來無法衡量的損失。因此在再生水回用過程中，必須加強對再生水回用過程可能產生的風險加以系統(tǒng)性的分析與評估，有針對性的采取相應的控制措施，以便進一步細化和完善再生水利用的水質標準[28],使再生水回用過程中的風險和效益達到平衡，促進再生水回用事業(yè)的健康發(fā)展。在再生水回用過程中最大的兩個風險為人類健康風險和環(huán)境污染風險。

健康風險評價是對再生水水體中病原體微生物對人體健康影響的分析，通常評價的方法有現實風險評價方法和定量風險評價方法。目前國際上健康風險評價采用的是“四步法”——危害鑒定；暴露評估；劑量-反應關系分析；風險表征[7]。再生水危害鑒定主要是分析哪些物質對人體產生危害。暴露評估主要是對于一些危害因子出現狀況的分析，以確定合理安全的環(huán)境。暴露評估步驟：確定暴露環(huán)境，明確暴露途徑，估算暴露濃度。劑量-反應關系分析是研究外來化合物的劑量與在群體中呈現某種特定效應個體百分數之間的關系。風險表征是對前期工作結果的分析，確定不良健康發(fā)生的概率與危害強度。張建龍等[29]對再生水回用過程對人類健康風險進行了評估，得出了從飲食方式進入人體的再生水對人體健康產生的影響非常小，因此滿足飲用標準的再生水是可以安全回用。再生水雖經過處理，但仍不可避免的有殘存有機物、重金屬、致病微生物、營養(yǎng)鹽及消毒副產物等有毒有害物質，可能使水體富營養(yǎng)化、污染土地、污染地下水與動植物等，因此我們在回用過程中應重視環(huán)境污染風險的評估，致使危害降到最低。

李明等[30]通過對再生水回用的效益進行分析，得出再生水是節(jié)水治污的最有效途徑。在回用過程中，帶有很大的公益性，也就是說在再生水回用中必然政府要發(fā)揮調控作用，制定相關的政策來合理控制再生水回用的風險，給人類帶來長遠的效益。

1.5 再生水回用的相關政策

再生水回用是一個龐大的系統(tǒng)，其中涉及方方面面的問題。為了解決這些問題，不僅企業(yè)要不斷的改革，創(chuàng)新，政府也應提出一些措施和政策。使得國家的再生水相關政策可為污水回用提供堅實的保障和嶄新的契機[31]。再生水利用在我國被定位于公益型、環(huán)保型、資源型產業(yè),政府應完善財政、稅收、價格等政策體系[32]。發(fā)達國家如日本，美國等，他們?yōu)榱颂岢偕赜?，從政府方面做出了三方面的努力?1)制定相關的法律法規(guī)；(2)協(xié)調政府部門間的合作；(3)建立合理的再生水管理運營模式。借鑒國外的經驗，李純等[33]提出我國政府不僅應該完善相關的法律法規(guī)，而且應加強對再生水回用研究的投資,用經濟杠桿促進再生水回用事業(yè)的快速發(fā)展[34]，使再生水生產單位取得環(huán)境效益和經濟效益雙贏,達到再生水回用的可持續(xù)發(fā)展。

2 再生水回用的發(fā)展趨勢

再生水回用的相關研究已經取得一定的研究成果，但從研究現狀中可以得到再生水回用于地下水回灌中的技術還不是很完善，成本很高且存在一定的環(huán)境風險，不利于實際的應用，如何廣泛地應用于實際還有待進一步研究。同時，再生水回用中的環(huán)境破壞風險研究以及如何平衡再生水回用中的風險和效益都是以后要重點研究的方向。在技術上我們應開展再生水利用的關鍵技術研究及不斷研究開發(fā)經濟有效的處理技術、途徑、設備是再生水回用在我國長足發(fā)展的前提。同時應加強培養(yǎng)節(jié)能環(huán)保型服務業(yè)，從源頭上遏制水體的污染。在我國，政府應該如何制定相關政策來引導和規(guī)范再生水回用的市場運行更是一個重點需要解決的問題[35]。