齊嘯緣,賀 凱,2*,于海霞,劉丙軍

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東 珠海 519082;2.廣東省環(huán)境資源利用與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640)

隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類社會(huì)對(duì)水資源的需求正在急劇增加,然而由于世界水資源量的不足以及氣候變化所帶來的不利影響,全球仍然面臨著嚴(yán)峻的缺水問題。與自然水資源相比,再生水具有量大穩(wěn)定、取水便利、不受氣候條件約束等優(yōu)點(diǎn),若將城市污水經(jīng)過適當(dāng)處理再生回用后,能夠在很大程度上緩解全球水資源短缺的情況[1]。2015年,聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展峰會(huì)提出了17個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),第六條“到2030年確保人人都能享有水和衛(wèi)生設(shè)施”(SDG6)中“到2030年提高水質(zhì),以及在全球范圍內(nèi)大幅增加安全再生水的回用(目標(biāo)6.3)”和“到2030年,加強(qiáng)國際合作,支持再生水利用技術(shù)方面的人力資源開發(fā)(目標(biāo)6.A)”[2]也明確體現(xiàn)出再生水回用的重要性。

日本位于亞洲季風(fēng)區(qū)的東部邊緣,是世界上較潮濕的地區(qū)之一,年降雨量約1 697 mm,是全球(陸地)降雨量約1 171 mm的1.4倍。但是由于國土面積狹窄,日本人均年降雨量約為5 000 m3/(人·a),僅為世界平均水平(20 000 m3/(人·a))的四分之一[3]。并且,降雨、天然水資源的不均勻分布以及人類活動(dòng)更加劇了日本脆弱地區(qū)的缺水狀況。例如,在沖繩、四國和關(guān)東地區(qū),地表水和地下水供應(yīng)不足,干旱等極端天氣頻發(fā),水資源的供需矛盾突出。水的循環(huán)利用是克服缺水和提高生產(chǎn)力的重要手段之一。日本大規(guī)模使用再生水的歷史可以追溯到1980年,福岡市為了應(yīng)對(duì)1978年的異常干旱而全面開展污水再生利用工作[4]。經(jīng)過40多年的發(fā)展和日本政府的大力引導(dǎo),日本已經(jīng)制定較為完善的再生水利用體系,包括制度、政策、規(guī)范等。本文對(duì)日本再生水利用的總體情況、相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)、再生水利用實(shí)例以及研究現(xiàn)狀加以梳理和總結(jié),為中國再生水的發(fā)展提供一定的參考和借鑒。

1 日本再生水標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

在國際再生水領(lǐng)域,為了促進(jìn)再生水技術(shù)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)化,日本于2013年6月成立水的再利用技術(shù)委員會(huì)(ISO/TC282),旨在制定再生水使用的相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)以及評(píng)估膜處理技術(shù)的可靠性,加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)的國際競爭力。

TC282由4個(gè)分委員會(huì)組成:“SC1處理后的污水回用于灌溉”“SC2城市地區(qū)的再生水回用”“SC3再生水回用系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)和性能評(píng)估”“SC4工業(yè)用水回用”。其中,由日本擔(dān)任主席的TC282/SC3分委員會(huì)制定了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),第一工作組/WG1(健康風(fēng)險(xiǎn))制定的ISO20426(非飲用水再利用的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理指南)和ISO20469(再生水回用水質(zhì)等級(jí)分類指南)已于2018年作為ISO標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。ISO20426的框架見圖1。

為了能夠正確地評(píng)價(jià)再生水處理技術(shù)的特性,確保再生水處理技術(shù)的特點(diǎn)和效益得到重視,第二工作組/WG2(性能評(píng)估)制定了較為重要的再生水性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(ISO20468),該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)共包含8個(gè)部分,分別是:ISO20468-1(一般概念)、ISO20468-2(基于溫室氣體排放的再生水生產(chǎn)系統(tǒng)性能評(píng)估方法)、ISO20468-3(臭氧處理工藝)、ISO20468-4(紫外線消毒)、ISO20468-5(膜過濾)、ISO20468-6(離子交換)、ISO20468-7 (加速氧化法)和ISO20468-8(基于全生命周期成本的再生水生產(chǎn)技術(shù)評(píng)估)。其中,ISO20468-1標(biāo)準(zhǔn)的概要見表1。

表1 ISO20468-1標(biāo)準(zhǔn)概要

作為再生水處理技術(shù)的性能要求以及保證人體健康,處理工藝中去除病原微生物的能力需引起足夠的重視,這些被定義為 “功能性要求”,并需要始終滿足標(biāo)準(zhǔn)。如果無法滿足,責(zé)任主體必須立即采取糾正措施或關(guān)閉再生水利用系統(tǒng)。另一方面,從可持續(xù)發(fā)展的角度來看,除了關(guān)注水質(zhì)和健康安全以外,還應(yīng)考慮生態(tài)效率,如減少能源消耗和廢棄物產(chǎn)生,因此ISO20468-2第二部分從溫室氣體排放的角度評(píng)估了再生水處理系統(tǒng)的環(huán)境性能。生態(tài)效率被認(rèn)為是一種“非功能性要求”,并且與功能性要求不同的是,即使無法滿足標(biāo)準(zhǔn),無須立即采取糾正措施或停止再生水供應(yīng),可以通過持續(xù)的改進(jìn)以滿足要求[5]。

2 日本再生水利用概況

污水再生水和雨水的利用,可以減少正常情況下對(duì)地表水和地下水的依賴,有效保護(hù)水資源;在發(fā)生地震、干旱等災(zāi)害時(shí)還可作為緊急用水,緩和自來水供應(yīng)不足的問題。雨水和再生水作為一種穩(wěn)定的水資源,如果對(duì)其加以科學(xué)的管理利用,可對(duì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn),產(chǎn)生一定的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 污水再生利用狀況

根據(jù)日本國土交通省下水道部調(diào)查結(jié)果,日本全國約2 200個(gè)污水處理廠年總出水量約146.4億m3/a(2018年底數(shù)據(jù))[3]。日本污水處理廠的污水處理工藝可分為一級(jí)、二級(jí)和深度處理3種,一級(jí)處理主要為絮凝沉淀法,二級(jí)處理工藝包括A2/O、AO、SBR和傳統(tǒng)活性污泥法等生化處理工藝,深度處理以膜過濾為主。其中,與中國類似,二級(jí)處理是日本污水處理廠最主要的處理工藝,出水量約為102.9億m3/a,占2018年總出水量的70.3%[6]。在日本,共有296座污水處理廠生產(chǎn)再生水,再生水水量為2.2億m3/a[3]。圖2所示,日本再生水主要用途包括:景觀維護(hù)用水、親水用水和河道補(bǔ)水用水等環(huán)境用水(約占再生水總利用量60.1%)以及沖廁用水、農(nóng)業(yè)用水等。其中,河流補(bǔ)水用水以日本目黑河的清流恢復(fù)項(xiàng)目最為典型,每日從東京落合再生水處理中心輸送的再生水河流補(bǔ)水水量約30 000 m3[7]。

圖2 2018年日本再生水利用各部分占比

2.2 雨水再生利用的狀況

雨水利用是水資源高效利用的一種方式,具有“流域防洪”降低城市洪澇災(zāi)害、減少自來水使用量等優(yōu)點(diǎn)。此外,鑒于近年來暴雨頻發(fā)所造成的破壞越來越嚴(yán)重,日本政府在2020年6月修訂的《水循環(huán)基本計(jì)劃》中,也明確指出需要促進(jìn)雨水收集設(shè)施的安裝。根據(jù)日本國土交通省水資源部調(diào)查,截至2020年3月底,日本全國使用雨水的公共設(shè)施和辦公樓共有3 770座,雨水的利用總量約為1 231萬m3[3]。雨水的主要用途是沖廁和灑水用水,其次是消防用水、景觀用水和冷卻用水等。

按地區(qū)劃分,關(guān)東沿海地區(qū)和東海地區(qū)使用雨水的公共設(shè)施和辦公建筑約占全國總數(shù)的57%[3],特別是集中在東京,因?yàn)樵摰貐^(qū)自20世紀(jì)70年代中期以來一直在推動(dòng)雨水利用工作。在日本,雨水利用的主要場所是學(xué)校和體育館等具有較大集水面積的建筑物,主要處理方式為自然沉淀處理、過濾處理和消毒處理,雨水利用的系統(tǒng)流程為:將落入集水面(建筑屋頂)的雨水自然沉淀處理清除雜物后流入雨水收集箱,接著進(jìn)入過濾和消毒裝置,最后流進(jìn)利用水槽中進(jìn)行供水。對(duì)于集水面積較小的建筑如居民住宅、店鋪等,主要處理方式則是除去初期雨水、無紡布/纖維/活性炭過濾和自然沉淀[8]。

3 日本再生水相關(guān)政策及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 日本再生水制度及其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

日本的再生水管理由中央政府和地方政府共同負(fù)責(zé)。中央政府主要包括內(nèi)閣機(jī)構(gòu)、環(huán)境省、國土交通省等部門,它們負(fù)責(zé)制定國家層面的再生水法律法規(guī)、政策和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。地方政府則根據(jù)各地的具體需求制定地方層面的法規(guī)政策。再生水利用項(xiàng)目的實(shí)施主要由各級(jí)政府、公用事業(yè)公司和私營企業(yè)共同完成,政府部門負(fù)責(zé)項(xiàng)目規(guī)劃、審批和監(jiān)督;公用事業(yè)公司和私營企業(yè)負(fù)責(zé)項(xiàng)目的建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)。

為了規(guī)范再生水利用市場,日本政府制訂了完善的法律法規(guī),相關(guān)的法律法規(guī)主要涵蓋了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、水資源管理和再生水利用等方面,如《水污染防治法》規(guī)定了水污染防治的基本原則和管理措施,包括再生水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、使用限制和監(jiān)測(cè)要求[9];《工業(yè)用水法》規(guī)定了再生水在工業(yè)領(lǐng)域的管理原則和使用要求[10];《再生水利用指南》則詳細(xì)規(guī)定了再生水的生產(chǎn)、使用和管理要求,為實(shí)施再生水利用項(xiàng)目提供了法律依據(jù)[11]。日本內(nèi)閣于2015年發(fā)布了《水循環(huán)基本計(jì)劃》,該計(jì)劃旨在系統(tǒng)地推進(jìn)日本水循環(huán)相關(guān)措施的發(fā)展,并將其定位為日本水循環(huán)相關(guān)措施的基本計(jì)劃[12],根據(jù)對(duì)該計(jì)劃的歸納和整理,關(guān)于再生水利用方面的規(guī)劃包括:①對(duì)于再生水,從水量/水質(zhì)、生態(tài)、城市景觀、節(jié)能等角度繼續(xù)開發(fā)技術(shù),促進(jìn)再生水的活用,并根據(jù)當(dāng)?shù)匦枨蟮葼顩r,推進(jìn)再生水利用工作;②推進(jìn)干旱等時(shí)期再生水緊急利用的設(shè)備的開發(fā);③推進(jìn)再生水的使用以及再生水處理技術(shù),如更高效的膜處理技術(shù)以及合適的水質(zhì)檢測(cè)技術(shù);④通過使用再生水來維護(hù)河流和水道,促進(jìn)濱水空間的創(chuàng)造和再生;⑤通過有效利用可再生能源來減少溫室氣體的排放,包括污水處理節(jié)能措施、利用雨水和再生水以及利用污水熱能進(jìn)行區(qū)域供暖和供冷等。除了立法,日本政府提供了一系列補(bǔ)助計(jì)劃、貸款等經(jīng)濟(jì)方案[13],如發(fā)布《污水、雨水的雜用水等再利用處理設(shè)施的優(yōu)惠待遇》,《對(duì)再生水設(shè)施的建筑實(shí)行特殊的容積率限制制度》,由日本開發(fā)銀行發(fā)放對(duì)生態(tài)建筑改善項(xiàng)目的低息貸款。此外,為了提高民眾對(duì)再生水和雨水使用積極性和建設(shè)節(jié)水型社會(huì),日本政府還設(shè)立了再生水利用專項(xiàng)基金,為再生水利用項(xiàng)目提供資金支持,降低項(xiàng)目的實(shí)施成本,鼓勵(lì)技術(shù)人員進(jìn)行相關(guān)研究和開發(fā)[10],同時(shí),積極舉辦水資源教育活動(dòng),以政企合作的方式開設(shè)講座、研討會(huì);制訂再生水利用的宣傳口號(hào)和統(tǒng)一標(biāo)識(shí)[11],大力宣傳再生水的環(huán)保意義;并在日本各地設(shè)立再生水展示設(shè)施,如東京都的江東凈水場[10],讓市民親身參觀了解再生水的處理過程和利用價(jià)值,提高日本民眾對(duì)再生水利用的理解和認(rèn)識(shí),增強(qiáng)對(duì)再生水利用的信心。

日本地方政府也積極響應(yīng)國家的號(hào)召,根據(jù)各地實(shí)際情況制定了關(guān)于再生水利用的法規(guī)、條例和綱要[3],見表2。

表2 日本地方政府制定的制度

在水價(jià)方面,各地通過制定合理的定價(jià)政策,使再生水價(jià)格具備競爭力。日本的再生水定價(jià)政策主要基于成本,即再生水的生產(chǎn)、處理和運(yùn)輸成本[11],并根據(jù)再生水的用途和質(zhì)量實(shí)行分級(jí)定價(jià)政策,用于農(nóng)業(yè)、綠化等非飲用用途的再生水價(jià)格較低,而用于飲用水供應(yīng)的再生水價(jià)格較高,再生水的標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格約為飲用水價(jià)格的80%[10]。例如,神戶市政府規(guī)定該市再生水價(jià)格采用統(tǒng)一的費(fèi)率進(jìn)行計(jì)費(fèi),在學(xué)校、醫(yī)院和社會(huì)福利單位等公共設(shè)施的一般類再生水價(jià)為120日元/m3(不含稅);商業(yè)類再生水價(jià)格則為200日元/m3(不含稅)[14]。此外日本的再生水定價(jià)政策也考慮了用戶的用水量,即按照實(shí)際用水量收費(fèi),倡導(dǎo)居民節(jié)約用水,東京下水道局將再生水的價(jià)格統(tǒng)一定為260日元/m3(不含消費(fèi)稅),而自來水的價(jià)格則采用“基本水價(jià)+使用量水價(jià)”進(jìn)行計(jì)費(fèi),其中,基本水價(jià)根據(jù)水管口徑(30～100 mm)進(jìn)行劃分,水價(jià)范圍在3 435～94 568日元不等;使用量水價(jià)則采用階梯水費(fèi)的方式進(jìn)行定價(jià),三級(jí)階梯水價(jià)為372日元/m3[15]。

在水質(zhì)方面,日本國土交通省于2005年4月頒布的《污水處理水的再利用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等使用指南》對(duì)再生水水質(zhì)做出了明確規(guī)定[16],主要水質(zhì)指標(biāo)見表3。

表3 各種用途再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

此外,各地方政府也制定了相應(yīng)的再生水的水質(zhì)供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),各指標(biāo)一般均高于國家標(biāo)準(zhǔn),例如在神戶市建設(shè)局制定的《神戶市港島水循環(huán)利用事業(yè)》中,對(duì)各類用途再生水的大腸桿菌指標(biāo)規(guī)定為“不檢出”,色度指標(biāo)規(guī)定為“10度以下”,并且相關(guān)管理人員應(yīng)每月檢查一次以上再生水的水質(zhì)并妥善保存水質(zhì)檢查表[17]。

3.2 再生水管網(wǎng)建設(shè)措施及其相關(guān)制度

再生水中含有高濃度的氯離子、硫酸根離子、微生物和有機(jī)物,在長期的使用中可能會(huì)導(dǎo)致再生水供應(yīng)設(shè)施和利用設(shè)施的管道和設(shè)備發(fā)生腐蝕,造成漏水和堵塞。例如,當(dāng)管網(wǎng)中的閥門、水泵等裸露的鐵質(zhì)部件與再生水直接接觸時(shí),接觸部分容易發(fā)生腐蝕。為此,日本規(guī)定采用耐腐蝕且不影響水質(zhì)的再生水配管和結(jié)構(gòu)。根據(jù)再生水利用中關(guān)于腐蝕問題的調(diào)查結(jié)果,除了考慮土壤的腐蝕性和地下水等埋設(shè)條件外,日本建議使用具有氯乙烯和聚乙烯內(nèi)外襯的再生水鋼管,因?yàn)樵诼入x子濃度為50～800 mg/L的再生水浸泡實(shí)驗(yàn)中,使用上述2種材料的樹脂鋼管內(nèi)外徑和壁厚均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi),未發(fā)現(xiàn)腐蝕情況。

在對(duì)再生水管網(wǎng)系統(tǒng)的腐蝕控制中,余氯濃度的管理也尤為重要。當(dāng)再生水中余氯的濃度過高時(shí),供水管道中的溶解鐵被余氯和溶解氧氧化,析出不溶性的鐵,在管道彎曲部分造成堵塞,出現(xiàn)供水問題。另外,若濃度過低則可能導(dǎo)致病原微生物的生長,破壞再生水水質(zhì)安全。為了確保合理的余氯濃度,可以考慮在二次處理或再生處理中,盡可能多地去除氨氮,因?yàn)榘钡窃偕褂脮r(shí)最可能的氯氣消耗源;合理的選用管材,例如使用內(nèi)表面環(huán)氧樹脂粉末涂層的球墨鑄鐵管比砂漿內(nèi)襯管道消耗的余氯少,防腐效果好;根據(jù)再生水處理設(shè)施的供應(yīng)管道長度以及到目的地的距離分段加入氯氣或在供水管中部安裝消毒設(shè)備,使余氯濃度保持均勻。

為了讓用戶能放心使用再生水,防止再生水管道與其他用途的管道之間出現(xiàn)錯(cuò)接,日本國土交通省對(duì)再生水管道的施工提出了相應(yīng)要求(表4),并且在正式供水前,再生水利用設(shè)施管理人員必須對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行檢查和測(cè)試,確保沒有錯(cuò)接或錯(cuò)管[18]。

表4 防止誤接和誤用的措施

再生水管網(wǎng)工程的建設(shè)以及運(yùn)維服務(wù)主要由公用事業(yè)公司和私營企業(yè)承擔(dān),依據(jù)國家和地方的法規(guī)、政策和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),確保再生水的水質(zhì)、供應(yīng)量和安全性。政府部門負(fù)責(zé)對(duì)再生水管網(wǎng)工程的實(shí)施和運(yùn)營進(jìn)行監(jiān)管。監(jiān)管內(nèi)容包括項(xiàng)目審批、建設(shè)監(jiān)督、運(yùn)營監(jiān)測(cè)等。此外,政府還需要對(duì)再生水管網(wǎng)的運(yùn)營和維護(hù)進(jìn)行定期檢查和評(píng)估,確保項(xiàng)目符合法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求,并定期對(duì)再生水進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),將檢測(cè)結(jié)果向公眾公開,提高市民對(duì)再生水利用的信任度。

3.3 再生水生產(chǎn)技術(shù)

確保衛(wèi)生與安全是促進(jìn)再生水使用的重要因素[19],特別是在使用再生水時(shí),管理病原微生物感染的風(fēng)險(xiǎn)非常重要?！段鬯幚硭脑倮盟|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等使用指南》主要針對(duì)大腸桿菌和大腸菌群進(jìn)行衛(wèi)生安全評(píng)估。再生水中對(duì)人類健康造成危害的主要是腸道系統(tǒng)的病原微生物,大致可分為細(xì)菌、原生動(dòng)物和病毒。當(dāng)再生水被用作沖廁用水、景觀用水和綠化用水時(shí),采用日本污水處理廠二次處理后的原水加氯消毒后能有效去除細(xì)菌和原生動(dòng)物。然而再生水用作親水用水時(shí),還需進(jìn)行額外的再生處理以去除和滅活病毒。尤其是在污水和處理過的污水中常年能檢測(cè)到諾如病毒[20]。污水和消毒的處理工藝主要可分為如下4種[21]:單純消毒的處理工藝、快速過濾法和消毒相組合的處理工藝、包括臭氧處理法的組合處理工藝以及包括膜過濾法的組合處理工藝。

詳細(xì)的處理流程見表5,其中a、b、c、d代表消毒處理工藝:單純消毒的處理工藝、快速過濾法和消毒相組合的處理工藝、包括臭氧處理法的組合處理工藝以及包括膜過濾法的組合處理工藝。

表5 再生水處理工藝

在建設(shè)成本和用電量方面,按照氯消毒、紫外線消毒、臭氧消毒的順序依次增加;在維護(hù)成本方面,紫外線消毒和氯消毒大致相同,紫外線消毒消耗電力,而氯消毒主要消耗化學(xué)品[22]。

為了促進(jìn)再生水的使用并根據(jù)各種用途為用戶提供穩(wěn)定水質(zhì)與水量的再生水,經(jīng)濟(jì)和節(jié)能環(huán)保的技術(shù)必不可少,日本近些年來也一直致力于開發(fā)各種高效的污水回用技術(shù)。這些技術(shù)包括:作為新型消毒技術(shù)的UV紫外線照射工藝和臭氧處理工藝,還有使用MF、UF、RO等的膜分離技術(shù)以及集水處理和分離一體化的MBR技術(shù)。這些技術(shù)可以緩解全球水資源緊張的問題,并對(duì)再生水利用業(yè)務(wù)的國際發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

2018年3月,日本國土技術(shù)政策綜合研究所制定了一份指南草案,介紹了一種低成本、高效的“采用UF超濾膜和紫外線消毒的高級(jí)再生水系統(tǒng)”創(chuàng)新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)使用來自糸滿市污水處理設(shè)施中的二級(jí)處理水(最終沉淀池出水)作為原水,結(jié)合UF膜過濾和紫外線消毒組合工藝去除病毒,為農(nóng)業(yè)灌溉等用途提供低成本且安全的再生水。

與傳統(tǒng)技術(shù)(添加絮凝劑+砂濾+紫外線消毒)相比,該技術(shù)具有相同的病毒去除效果,在再生水水量為10 000 m3/d的條件下,該技術(shù)能夠降低13%生命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)、27%維護(hù)費(fèi)用和23.6% 溫室氣體(Greenhouse Gas,GHG)的減排效果[23]。簡要的流程見圖3。

圖3 UF膜過濾和UV消毒系統(tǒng)處理流程

該技術(shù)將二級(jí)處理水送入U(xiǎn)F膜過濾裝置去除病毒,同時(shí)提高紫外線透射率以確保在隨后的紫外線消毒階段對(duì)病毒進(jìn)行滅活。在紫外線消毒裝置中,可以根據(jù)UF超濾膜過濾水流量和紫外線透射率的變化自動(dòng)調(diào)控紫外線燈的亮度,達(dá)到降低成本的作用,并且經(jīng)過短時(shí)間的紫外線照射即可獲得無殘留、無副產(chǎn)物的安全再生水。此外,為了進(jìn)一步確保再生水紫外線消毒后的安全性,該工藝還設(shè)置了監(jiān)測(cè)系統(tǒng),監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)到最低0.1%的UF超濾膜破損情況,并使用高靈敏度濁度儀不間斷檢測(cè)膜過濾后水的濁度,以此來判斷膜的完整性。

該技術(shù)的再生水水質(zhì)要求包括:濁度達(dá)到2度以下(實(shí)際為0.2度以下),大腸桿菌全部未檢出,病毒去除率5.2log以上或未檢出,其中,處理前后的病毒濃度比率用對(duì)數(shù)表示,5.2log以上的去除率表明處理后的病毒濃度為處理前的10-5.2(約16萬分之1)以下。由此可見,經(jīng)過該工藝處理后的再生水水質(zhì)能夠滿足日本國家標(biāo)準(zhǔn),并且濁度和病毒的去除效果好。并由于該法不使用傳統(tǒng)技術(shù)中所需的絮凝劑,因此可以顯著降低由添加絮凝劑產(chǎn)生的維護(hù)成本和GHG的排放,進(jìn)而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。此外,將處理后的再生水用于農(nóng)業(yè)灌溉時(shí),原水中所含的氮被重新輸送回農(nóng)田,也減少了化肥的使用;消毒工藝不使用氯,避免了因殘留氯氣而抑制農(nóng)作物生長的風(fēng)險(xiǎn)。

4 日本再生水利用工程及代表城市

日本政府根據(jù)使用規(guī)模的不同,將再生水利用方式分為單獨(dú)循環(huán)、地區(qū)循環(huán)、廣域循環(huán)和雨水利用4種模式,利用途徑涵蓋工業(yè)用水、城市用水、消防用水、農(nóng)業(yè)用水等方面。福岡市作為日本最早使用再生水的城市之一,在法規(guī)政策、再生水處理設(shè)施和管網(wǎng)以及處理工藝方面積累了許多經(jīng)驗(yàn),值得學(xué)習(xí)和借鑒。

4.1 再生水的工業(yè)利用

部分再生水因具有熱量在工業(yè)領(lǐng)域得到了關(guān)注,由于污水的溫度比大氣溫度更加穩(wěn)定,將再生水作為熱源可以提高熱泵系統(tǒng)的效率。此外,再生水還可用作冷卻用水。東京燃?xì)夤驹跈M須賀市沿海地區(qū)建造的大型火力發(fā)電廠就采用水冷的方式進(jìn)行冷卻,經(jīng)過中試廠的技術(shù)試驗(yàn),最終將污水處理廠的再生水作為冷卻用水[24],既節(jié)約了修建管道的成本,又避免了采用海水冷卻后對(duì)附近漁業(yè)造成的不利影響,這也是日本再生水在工業(yè)利用方面的新嘗試。

4.2 再生水的農(nóng)業(yè)利用

再生水的農(nóng)業(yè)利用主要集中在日本西部,每年的用水量約為1 400萬m3[25],有通過農(nóng)用水渠供應(yīng)再生水,用于種植水稻,也有農(nóng)民自行到污水處理廠取運(yùn)再生水,用于種植桔子、草莓、甜瓜等。在絕大多數(shù)情況下,供農(nóng)業(yè)使用的再生水不需要額外的處理,經(jīng)二級(jí)處理以及加氯消毒后即可灌溉。以熊本市為例,中部污水處理中心于1985年開始供應(yīng)再生水用于農(nóng)業(yè)。污水處理廠通過再生水管,將再生水排放到附近農(nóng)業(yè)用水渠或農(nóng)用運(yùn)河,由農(nóng)民自行取水,日本三木市也采用類似的供水方式。此外,為了保持向農(nóng)業(yè)用水排放的良好水質(zhì),熊本市在2條子再生水處理線(A和B)中,通過將B線的污泥解吸液加入A線的水處理中,降低B線水處理的負(fù)荷,將水質(zhì)穩(wěn)定的B線污水再生水與地下水一起供給農(nóng)業(yè)用水[26]。

4.3 福岡市再生水利用工程

由于福岡市內(nèi)缺少一級(jí)河流,因此該市的水資源并不豐沛。1978年的低降雨量直接導(dǎo)致福岡市經(jīng)歷一場大旱,水壩完全干涸,全市有278 d供水受限。旱災(zāi)發(fā)生后,市政府和居民深刻地認(rèn)識(shí)到水是一種有限的資源。1979年,為了穩(wěn)定供應(yīng)居民生活和城市發(fā)展所必需的水資源并創(chuàng)建節(jié)水型城市,福岡市制定了《福岡市節(jié)水型水利用等相關(guān)措施綱要》,同年福岡市下水道局(現(xiàn)道路下水道局)啟動(dòng)了“污水處理水循環(huán)利用示范工程”[27],并在1980年開始供應(yīng)再生水。值得注意的是,這是日本歷史上首次將污水再生處理后循環(huán)利用。在當(dāng)時(shí)再生水主要被用于沖廁所和澆灌樹木。

目前,福岡市分別在中部水處理中心和東部水處理中心建造了再生水處理設(shè)施,并在市內(nèi)各區(qū)鋪設(shè)再生水管道,根據(jù)用戶的需求通過加壓泵供應(yīng)再生水。中部再生水處理設(shè)施再生水供給量為10 000 m3/d,東部再生水處理設(shè)施為1 600 m3/d。1979年,中部水處理中心再生水處理設(shè)施日處理能力為400 m3,并于次年開始向市中心等12個(gè)公共設(shè)施供應(yīng)再生水[25]。為了進(jìn)一步擴(kuò)大再生水的利用,中部水處理中心于1989年開始向大型私人建筑物供水。2003年,第二座再生水處理設(shè)施東部水處理中心開始向福岡市東部香椎地區(qū)、島城地區(qū)提供再生水。隨后,福岡市的再生水供給設(shè)施以每年約10個(gè)左右的速度增加,截至2016年底,平均每天約有5 500 m3的再生水供應(yīng)給435個(gè)再生水利用設(shè)施,供水區(qū)域?yàn)? 457 hm2。

對(duì)于再生水處理工藝,以中部再生水處理中心為例,采用厭氧好氧活性污泥法的二級(jí)處理水作為原水,首先添加聚合氯化鋁混凝沉淀,去除雜質(zhì),隨后用纖維材料預(yù)過濾雜質(zhì),接著臭氧處理脫色、除臭,加氯消毒,最后通過纖維過濾介質(zhì)和32 μm濾網(wǎng)進(jìn)行最終過濾并作為再生水供給。在再生水管方面,福岡市在路面下鋪設(shè)球墨鑄鐵再生水管,管直徑為75～350 mm,總長度超過100 km。為了便于識(shí)別和避免腐蝕,再生水管用黃色聚乙烯套管包裹,并在管道頂部纏繞標(biāo)明“再生水”的膠帶以防止在道路施工時(shí)被破壞。在再生水系統(tǒng)安全性層面,為防止再生水管的誤接,福岡市的做法是首先對(duì)再生水接收設(shè)施中的再生水進(jìn)行著色,打開再生水系統(tǒng)加壓泵或閥門同時(shí)關(guān)閉自來水生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行供水,以確保有色水是來自再生水生產(chǎn)系統(tǒng)。然后打開自來水系統(tǒng)關(guān)閉再生水系統(tǒng),并再次檢查所有供水設(shè)備,二次確認(rèn)清澈的水來自飲用水系統(tǒng),并確定是否存在錯(cuò)接。此外,福岡市還鼓勵(lì)使用便攜式電導(dǎo)率計(jì),通過判斷再生水和自來水之間的電導(dǎo)率差異檢查是否誤接。

5 結(jié)論與展望

日本政府、企業(yè)和公眾在再生水利用過程中承擔(dān)了各自的責(zé)任,政府負(fù)責(zé)制定法規(guī)、政策和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);企業(yè)負(fù)責(zé)項(xiàng)目的建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù);公眾需要積極參與再生水利用,提高自身的節(jié)水意識(shí)。通過以上措施,日本在再生水管理方面形成了多層次、多主體的合作格局,有效推動(dòng)了再生水利用率和利用量的提高。這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)其他國家和地區(qū)的再生水利用具有一定的借鑒意義。

未來,為了充分發(fā)揮雨水/再生水作為替代水源、環(huán)境資源和能源資源的潛力,急需進(jìn)一步考慮成本、水質(zhì)、能源效率等因素[28]。日本將繼續(xù)推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)工作,通過有效利用雨水、再生水和污水熱能實(shí)現(xiàn)節(jié)能和低碳的水循環(huán)。在再生水處理工藝方面,日本將從風(fēng)險(xiǎn)管理、能源消耗和成本3個(gè)角度出發(fā),積極開發(fā)和使用低風(fēng)險(xiǎn)以及能源消耗與成本相結(jié)合的再生水處理技術(shù),通過高效的再生水利用為城市創(chuàng)造活力。

雖然中國在再生水利用方面起步較晚,但是發(fā)展迅速,許多地方也制定了再生水的相關(guān)指南、規(guī)劃等。以廣州市為例,2020年6月廣州市政府就《廣州市非常規(guī)水資源利用規(guī)劃(2018—2035)》(以下簡稱《規(guī)劃》)公開征求意見?！兑?guī)劃》提出重點(diǎn)將再生水用于河道水量補(bǔ)充,并且推動(dòng)大型單體建筑、公共建筑配建再生水回用系統(tǒng)。在雨水利用方面,對(duì)新建或改、擴(kuò)建區(qū)域要求進(jìn)行雨水利用工程設(shè)計(jì),建設(shè)雨水滯留設(shè)施[29]。相信在不久的將來,通過科學(xué)的再生水管理和利用以及進(jìn)一步完善再生水管網(wǎng)的建設(shè)工作,中國在節(jié)水行動(dòng)方面必能邁上一個(gè)新臺(tái)階。