上海城市污水再生利用的必要性和面臨的主要科學問題

充裕的水資源是現(xiàn)代社會經濟穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展的重要基礎之一，隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，水環(huán)境污染日益嚴重，水體污染造成的水質型缺水問題，近年來己成為備受關注的環(huán)境熱點。

上海作為中國重要的經濟和科技中心，優(yōu)質水資源極其匱乏，受到水質型水資源短缺的嚴重挑戰(zhàn)。據統(tǒng)計，我國污水的排放量與城市缺水量大體相當，因此，合理再生利用城市污水對維持上海經濟良性發(fā)展、緩解水資源短缺、促進生態(tài)環(huán)境逐步恢復和平衡具有重要的社會、環(huán)境和經濟意義。

一、水資源短缺已成為制約經濟發(fā)展的重要因素

水資源是人類生產生活的最關鍵資源，但隨著城市建設規(guī)模的擴大、人口的增多和經濟的發(fā)展，水體遭到嚴重污染，水污染造成的水資源短缺已成為現(xiàn)代社會最關注的問題。據統(tǒng)計，地球上可以利用的水資源約占地球上總水量的 0.6%， 而且分布不均。加上經濟和人口的增長以及水源的污染，近年世界上許多國家發(fā)生了水荒。 

我國淡水資源總量達到 28000億 m³，為全球水資源的 6%，居世界第六位，但人均水資源占有量僅 2400m³，只有世界人均占有量的四分之一，排在世界第121位，屬世界 13個貧水國家之一。20世紀末，我國已有80%的城市缺水，北方和西部地區(qū)尤為嚴重。

目前，由于人口的劇增和城市的快速發(fā)展，淡水資源短缺的形勢已更加嚴峻。由于水資源是人類生活和經濟活動的基礎資源之一，水資源的短缺會直接導致人民生活質量降低，造成經濟不穩(wěn)定和產值的損失。

據統(tǒng)計目前全國每年缺水總量約為1200億m³，每年因此而影響工農業(yè)產值達 2000億元以上，嚴重影響了人民生活，限制了工農業(yè)生產和城市的發(fā)展。水資源短缺已成為制約經濟發(fā)展和人民生活質量提高的重要因素。上海地處黃浦江與長江交匯口，水資源豐富，但其黃浦江水源水質不佳，且近年來長江水源地展近岸水體的水質也呈下降趨勢，缺乏就近可用的優(yōu)質水資源己成為制約上海經濟社會可持續(xù)發(fā)的因素之一。

二、污水再生利用是解決水資源短缺問題的主要策略

在水資源短缺問題日益嚴重的嚴峻形勢之下，如何解決水資源的短缺問題和更好地保護環(huán)境，成為世界各國現(xiàn)階段亟待解決的問題。 應對水資源的嚴重缺乏，解決途徑主要有：節(jié)約用水、加強水資源保護和防止污染以及在天然水資源(地下水、地面水)之外開辟新水源。

開辟新水源的途徑包括異流域調水、海水淡化、雨水蓄用、極地拖冰、人工降雨和污水再生利用等。其中，污水再生資源化利用不僅可以緩解水資源短缺，又能減輕污水排放對水環(huán)境的污染，具有可觀的社會、環(huán)境和經濟效益，已成為世界各國解決水危機的主要策略。

1.國外污水再生利用現(xiàn)狀

對于污水再生利用，國外發(fā)達國家在上世紀中期即已開展相關研究和應用。美國是最早開展污水回用的國家之一，早在1950年就利用模型進行了污水深度處理試驗研究，分別在電廠、鋼鐵廠、核電站、生活雜用水、地下水回灌領域進行應用。

據統(tǒng)計，美國城市污水再生利用 62%用于農業(yè)灌溉，30%用于工業(yè)，其余 8%則用于城市設施和地下水回灌。日本于1962年開始進行污水再生利用技術的開發(fā)和應用，1990年日本已建成 1369座“中水”工程，瀨戶內海地區(qū)污水再生回用量已達到本地區(qū)淡水用量的2/3，大大緩解了該地區(qū)水資源嚴重短缺的矛盾。新加坡是嚴重缺水國家，因此也十分重視污水回用。裕廊島工業(yè)園區(qū)在2000年投產了一套產水規(guī)模30 000m³/d 的城市污水深度處理裝置，其再生出水主要回用于化工給水和消防系統(tǒng)。以色列是節(jié)約用水特別是污水回用方面最具特色的國家，該國100%的生活污水及72%的城市污水已經回用，最大規(guī)?？蛇_20萬m³/d。

污水再生后主要回用于農業(yè)灌溉(42%)，地下水回灌 (30%)及工業(yè)及市政等途徑。為了進一步解決水資源缺乏問題，更好地使用回用水，歐盟國家還成立了一個提供污水回用處理服務的國際協(xié)會。該協(xié)會致力于環(huán)境保護和保障國民能享用充足的水資源，在世界范圍內具有很大的反響。

2.國內污水再生利用現(xiàn)狀

目前，我國的城市污水再生利用取得了一些進展，但總體進展緩慢，還處于剛剛起步的階段。根據中國水網統(tǒng)計數據，到2010年底，全國城市污水處理再生水平均利用率(污水再生利用量/污水處理量)僅為8.5%， 存在很大的發(fā)展空間。

上世紀60年代，我國污水再生利用主要著重于污水灌溉。70年代中期開始開展城市污水再生利用的深度處理試驗。1980 年以來，包括北京、大連、青島、太原等缺水城市開始污水再生利用的研究和實踐，至今已有很多城市進入污水再生利用的推廣應用階段。從全國范圍來看，水量型缺水的北方污水再生利用比水質型缺水的南方成績更為顯著。

上海城市污水再生利用，除了供給市政綠化澆灌外，主要用于污泥脫水、設備沖洗、濾池反沖洗、廠區(qū)綠化、景觀、道路沖洗等，用量超過污水處理廠內用水總量的 50 %。某些污水處理廠將再生水用于消防系統(tǒng)、污泥干化系統(tǒng)的冷卻水、 污泥焚燒飛灰脫硫制漿以及廠外生活小區(qū)景觀用水，這些污水再生利用方向均對再生水水質有更高的要求。此外，有研究提出了污水經處理后回用于防治地面沉降的新思想，將處理后的污水回灌地下補給地下水，減少地下水的開采量，以控制地面沉降。

據統(tǒng)計，上海全市城鎮(zhèn)污水處理廠再生水利用量約56.9萬m³/d， 其中廠內用量約1.1萬m³/d，廠外稀釋水或補充水用量約55.8萬m³/d，回用比例約為11%，為滿足“十二五”規(guī)劃城市再生水利用率達到20%的要求，上海尚需進一步加大再生水使用的力度。

三、開展污水再生利用順應“十二五”規(guī)劃的重大需求

為加快全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設，提升基本環(huán)境公共服務水平、促進主要污染物減排、改善水環(huán)境質量，發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設部、環(huán)境保護部編制了《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設規(guī)劃》，其中明確指出“到2015年，城鎮(zhèn)污水處理設施再生水利用率達到15%以上”。

2013年頒布的國發(fā)36號文也明確提出，到2015年，城鎮(zhèn)污水處理設施再生水利用率達到20%以上，較2010年底提高逾10%。為順應該重大需求，亟需開展污水再生利用相關研究，為污水再生資源化利用提供堅實的技術基礎，促進污水處理和資源化利用的協(xié)同發(fā)展。上海屬于水質型缺水地區(qū)，由于水資源較為充足， 現(xiàn)階段再生水利用的工程應用較少，相對應的技術儲備也顯現(xiàn)不足。在上海地區(qū)開展污水再生利用， 不僅順應上海市出臺的涉及本地區(qū)的再生水利用的“十二五” 規(guī)劃，也對提高水資源的循環(huán)利用率， 降低新鮮水消耗和污染物的排放總量，實現(xiàn)上海地區(qū)“十二五” 節(jié)能減排的要求，提升上海地區(qū)水環(huán)境質量，構建生態(tài)型城市具有重要意義。

四、保障再生水水質是污水再生處理所需解決的重要科學問題

隨著國家環(huán)保要求日趨嚴格，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質逐漸提高，但尾水的有機物、氨氮、BOD5、SS、渾濁度、色度、有毒有害物質、微生物等含量仍無法滿足回用要求，直接回用于綠化、生活及工業(yè)用水時，會引起管道內微生物大量孳生，造成管網系統(tǒng)的堵塞、腐蝕和結垢，且城鎮(zhèn)污水處理廠尾水的色度和臭味等感官指標差，直接回用對居住環(huán)境影響較大，不易被民眾接受。因此，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水仍需經過深度處理才能回用于工業(yè)生產與生活領域，保障再生水水質是污水再生利用所需解決的重要問題。

污水再生處理過程中的水質保障技術主要是以 SS、COD、色度等常規(guī)污染指標及有毒有害物質、氮磷、病原微生物等關鍵風險因子為控制目標，主要包括適度處理技術和深度處理技術。經二級處理的城市生活污水水質較好，主要采用混凝、沉淀、過濾和消毒等技術處理后即可回用到對水質要求不高的循環(huán)水等系統(tǒng);而對于水質比較復雜的工業(yè)污水，主要采用深度處理技術進行再生處理，主要有膜分離、膜生物反應器、活性炭吸附、臭氧氧化、曝氣生物濾池等。

上海地區(qū)污水處理廠接收來水大部分均為城市生活污水和工業(yè)污水的混合污水， 常常存在以下問題： 首先，水質成分復雜，色度較高，出水感官指標較差。其次，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水一般含有較高濃度的氮、磷等營養(yǎng)物質，直接回用于城市水環(huán)境與景觀水體，存在爆發(fā)水華、影響生態(tài)安全的風險。再次，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水含有的微生物在回用時會對用水衛(wèi)生安全造成影響。因此，對于污水處理廠尾水再生利用，需在保障再生水回用水質的基礎上，還需關有害有機污染物、病原微生物、氮磷等關鍵風險因子，有必要開展再生水臭氧、膜處理、生物處理等深度處理工藝以及再生水水質安全和水質穩(wěn)定性的研究。

臭氧具有強氧化性， 對污水同時具有殺菌、降低 COD 和脫色除臭的作用。美國最先于20世紀70年代初利用臭氧處理生活污水，80年代初將其用于循環(huán)冷卻水處理，目前臭氧氧化技術已在污水殺菌、除臭、脫色和有機物控制上得到廣泛應用。

膜分離技術主要是利用水分子和污染物具有不同的透過性，在外力作用下使二者分離，具有能耗低、分離效率高、裝置緊湊、操作簡單等優(yōu)點，廣泛應用于飲用水處理、污水處理、化工等行業(yè)。膜分離技術對有機物具有很好的去除效果，當其作為末端工藝時，可以防止上級工藝如生物活性炭濾池、膜生物反應器的微生物泄漏。

生物處理法是污水處理最常用也是最經濟的一種方法，具有較好的脫氮除磷效果，現(xiàn)今在污水回用領域應用較廣的是將分離效果高的膜分離技術與廢水生物處理技術相結合衍生的膜生物反應器，全世界已有超過100套膜生物反應器裝置用于城市污水回用處理。由于污水處理廠生物處理后的尾水可生化性較低，如何提高出水可生化性成為污水處理廠尾水生物處理所需解決的關鍵問題。

氯消毒因其具有效果可靠、操作方便等優(yōu)點是目前再生水較為常用的消毒方式，但是污水中的溶解性有機物易被氯消毒劑氧化生成有毒有害的消毒副產物，從而增加再生水水質安全風險。因此，如何處理好病原微生物滅活與水質安全的矛盾，深入開展再生水消毒安全性和水質穩(wěn)定性研究是目前再生水處理領域面臨的重要課題之一。

五、結論

目前，上海地區(qū)污水處理廠尾水再生利用率較低，實際工程案例較少，相應尾水再生利用技術儲備不足。針對水體污染造成的水質型缺水問題及提高城鎮(zhèn)污水處理設施再生水利用率的重大社會需求，如何根據污水處理廠尾水水質情況進行尾水處理和資源化利用成為亟待解決的科學問題。污水處理廠尾水再生利用技術開發(fā)對上海建設生態(tài)型城市和經濟社會發(fā)展，提高上海城市污水再生利用率，降低污染物排放總量具有重要意義。