上海城市污水再生利用的必要性和面臨的主要科學(xué)問題

充裕的水資源是現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)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(yán)重，水體污染造成的水質(zhì)型缺水問題，近年來己成為備受關(guān)注的環(huán)境熱點(diǎn)。

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

一、水資源短缺已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素

水資源是人類生產(chǎn)生活的最關(guān)鍵資源，但隨著城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大、人口的增多和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水體遭到嚴(yán)重污染，水污染造成的水資源短缺已成為現(xiàn)代社會最關(guān)注的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jīng)濟(jì)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(dá)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(gè)貧水國家之一。20世紀(jì)末，我國已有80%的城市缺水，北方和西部地區(qū)尤為嚴(yán)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(yán)峻。由于水資源是人類生活和經(jīng)濟(jì)活動的基礎(chǔ)資源之一，水資源的短缺會直接導(dǎo)致人民生活質(zhì)量降低，造成經(jīng)濟(jì)不穩(wěn)定和產(chǎn)值的損失。

據(jù)統(tǒng)計(jì)目前全國每年缺水總量約為1200億m³，每年因此而影響工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值達(dá) 2000億元以上，嚴(yán)重影響了人民生活，限制了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市的發(fā)展。水資源短缺已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活質(zhì)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(zhì)不佳，且近年來長江水源地展近岸水體的水質(zhì)也呈下降趨勢，缺乏就近可用的優(yōu)質(zhì)水資源己成為制約上海經(jīng)濟(jì)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(yán)重的嚴(yán)峻形勢之下，如何解決水資源的短缺問題和更好地保護(hù)環(huán)境，成為世界各國現(xiàn)階段亟待解決的問題。 應(yīng)對水資源的嚴(yán)重缺乏，解決途徑主要有：節(jié)約用水、加強(qiáng)水資源保護(hù)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(diào)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(jīng)濟(jì)效益，已成為世界各國解決水危機(jī)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(dá)國家在上世紀(jì)中期即已開展相關(guān)研究和應(yīng)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(jìn)行了污水深度處理試驗(yàn)研究，分別在電廠、鋼鐵廠、核電站、生活雜用水、地下水回灌領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國城市污水再生利用 62%用于農(nóng)業(yè)灌溉，30%用于工業(yè)，其余 8%則用于城市設(shè)施和地下水回灌。日本于1962年開始進(jìn)行污水再生利用技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，1990年日本已建成 1369座“中水”工程，瀨戶內(nèi)海地區(qū)污水再生回用量已達(dá)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(yán)重短缺的矛盾。新加坡是嚴(yán)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(chǎn)了一套產(chǎn)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(jīng)回用，最大規(guī)?？蛇_(dá)20萬m³/d。

污水再生后主要回用于農(nóng)業(yè)灌溉(42%)，地下水回灌 (30%)及工業(yè)及市政等途徑。為了進(jìn)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(gè)提供污水回用處理服務(wù)的國際協(xié)會。該協(xié)會致力于環(huán)境保護(hù)和保障國民能享用充足的水資源，在世界范圍內(nèi)具有很大的反響。

2.國內(nèi)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(jìn)展，但總體進(jìn)展緩慢，還處于剛剛起步的階段。根據(jù)中國水網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，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(jì)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(yàn)。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(shí)踐，至今已有很多城市進(jìn)入污水再生利用的推廣應(yīng)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(zhì)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(shè)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(nèi)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(zhì)有更高的要求。此外，有研究提出了污水經(jīng)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(bǔ)給地下水，減少地下水的開采量，以控制地面沉降。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(nèi)用量約1.1萬m³/d，廠外稀釋水或補(bǔ)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(dá)到20%的要求，上海尚需進(jìn)一步加大再生水使用的力度。

三、開展污水再生利用順應(yīng)“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(shè)施建設(shè)，提升基本環(huán)境公共服務(wù)水平、促進(jìn)主要污染物減排、改善水環(huán)境質(zhì)量，發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、環(huán)境保護(hù)部編制了《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，其中明確指出“到2015年，城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施再生水利用率達(dá)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(shè)施再生水利用率達(dá)到20%以上，較2010年底提高逾10%。為順應(yīng)該重大需求，亟需開展污水再生利用相關(guān)研究，為污水再生資源化利用提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，促進(jìn)污水處理和資源化利用的協(xié)同發(fā)展。上海屬于水質(zhì)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(yīng)用較少，相對應(yīng)的技術(shù)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(yīng)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(shí)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(zhì)量，構(gòu)建生態(tài)型城市具有重要意義。

四、保障再生水水質(zhì)是污水再生處理所需解決的重要科學(xué)問題

隨著國家環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質(zhì)逐漸提高，但尾水的有機(jī)物、氨氮、BOD5、SS、渾濁度、色度、有毒有害物質(zhì)、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(shí)，會引起管道內(nèi)微生物大量孳生，造成管網(wǎng)系統(tǒng)的堵塞、腐蝕和結(jié)垢，且城鎮(zhèn)污水處理廠尾水的色度和臭味等感官指標(biāo)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(jīng)過深度處理才能回用于工業(yè)生產(chǎn)與生活領(lǐng)域，保障再生水水質(zhì)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(zhì)保障技術(shù)主要是以 SS、COD、色度等常規(guī)污染指標(biāo)及有毒有害物質(zhì)、氮磷、病原微生物等關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因子為控制目標(biāo)，主要包括適度處理技術(shù)和深度處理技術(shù)。經(jīng)二級處理的城市生活污水水質(zhì)較好，主要采用混凝、沉淀、過濾和消毒等技術(shù)處理后即可回用到對水質(zhì)要求不高的循環(huán)水等系統(tǒng);而對于水質(zhì)比較復(fù)雜的工業(yè)污水，主要采用深度處理技術(shù)進(jìn)行再生處理，主要有膜分離、膜生物反應(yīng)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(zhì)成分復(fù)雜，色度較高，出水感官指標(biāo)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(zhì)，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(fēng)險(xiǎn)。再次，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水含有的微生物在回用時(shí)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(zhì)的基礎(chǔ)上，還需關(guān)有害有機(jī)污染物、病原微生物、氮磷等關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)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(zhì)安全和水質(zhì)穩(wěn)定性的研究。

臭氧具有強(qiáng)氧化性， 對污水同時(shí)具有殺菌、降低 COD 和脫色除臭的作用。美國最先于20世紀(jì)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(shù)已在污水殺菌、除臭、脫色和有機(jī)物控制上得到廣泛應(yīng)用。

膜分離技術(shù)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飲用水處理、污水處理、化工等行業(yè)。膜分離技術(shù)對有機(jī)物具有很好的去除效果，當(dāng)其作為末端工藝時(shí)，可以防止上級工藝如生物活性炭濾池、膜生物反應(yīng)器的微生物泄漏。

生物處理法是污水處理最常用也是最經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域應(yīng)用較廣的是將分離效果高的膜分離技術(shù)與廢水生物處理技術(shù)相結(jié)合衍生的膜生物反應(yīng)器，全世界已有超過100套膜生物反應(yīng)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(guān)鍵問題。

氯消毒因其具有效果可靠、操作方便等優(yōu)點(diǎn)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(jī)物易被氯消毒劑氧化生成有毒有害的消毒副產(chǎn)物，從而增加再生水水質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何處理好病原微生物滅活與水質(zhì)安全的矛盾，深入開展再生水消毒安全性和水質(zhì)穩(wěn)定性研究是目前再生水處理領(lǐng)域面臨的重要課題之一。

五、結(jié)論

目前，上海地區(qū)污水處理廠尾水再生利用率較低，實(shí)際工程案例較少，相應(yīng)尾水再生利用技術(shù)儲備不足。針對水體污染造成的水質(zhì)型缺水問題及提高城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施再生水利用率的重大社會需求，如何根據(jù)污水處理廠尾水水質(zhì)情況進(jìn)行尾水處理和資源化利用成為亟待解決的科學(xué)問題。污水處理廠尾水再生利用技術(shù)開發(fā)對上海建設(shè)生態(tài)型城市和經(jīng)濟(jì)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。