1 概论

1.1 我国的供水状况
1.1.1 水资源状况
　　地球上总的水体积大约为14亿km³，其中只有2.5%是淡水，大部分以永久性冰或雪的形式封存于南极洲和格陵兰岛，而可供人类利用的部分仅有20万km^{3 [1]}。中国多年平均水资源总量28100亿m³，人均水资源量2200m³，排在世界第88位，人均水资源仅为世界人均的四分之一^[2~3]。根据“国际人口行动”对我国水资源进行的总体评价，预计到21世纪中叶我国人口达到16亿高峰时，人均水资源量将下降到1760m³，全国将接近用水紧张国家的边缘^[4]。而且，我国水资源的时空分布不均，南方多北方少，更加剧了局部水资源的短缺状况。北方干旱半干旱地区全年的降水量主要集中在7、8、9三个月，使得这些地区可以利用的水资源尤其显得不足。
1.1.2 供水现状调查
　　从20世纪50年代中期到90年代末期，我国城市年总供水量从9.6亿m³增加到470.5亿m³，其中工业用水289.4亿m³，占61.5%；城市生活用水181m³，占38.5%。目前城市年总供水量已达640亿m³，2000年底日供水能力达21.8亿m³，供水普及率达到96.7%，估计目前城市用水缺水率平均为10%^[5]。其中，经济发展比较迅速的沿海地区缺水严重的城市供水情况如表1所示。

表1 沿海地区缺水严重的城市分区统计表(不含市辖县)

　　　　　　　资源来源：根据水利部1993、2000年关于我国城市缺水情况的报告(整理)
1.1.3 各用水方向的用量及比例情况
　　城市工业用水由工业规模大小和工业行业结构确定。工业用水中火电是第一大部门，占工业用水量的1/4左右，其次是造纸、化工、冶金、食品4个行业。主要工业行业单位产品用水量见表2。（其中包括市政环境用水、商业、办公、事业单位用水和居民生活用水等）近年来，随着我国城市人口增加和生活水平提高，生活用水急剧增长，全国城市生活用水年平均增长速度为3～5%。我国不同城市规模城市生活用水量见表3。从表3可以看出：特大、大城市生活综合用水量在177～260.8L/人•d之间；中、小城市生活综合用水量在136～208L/人•d之间；北方城市用水量明显低于南方城市；居民生活用水占综合用水的50.5%～79.2%。2000年底全国城市平均生活用水量为220.2L/人•d。
　　当前工业用水占城市供水总量的61.5%，到2030年将占68～73%，表明城市水资源利用结构总体来说是从生产、生活并重型向生产主导型转换，因此，注重城市工业节水是减缓城市水资源供需矛盾的关键。

表2 主要行业单位产品用水量^[5]

表3 我国不同城市规模生活用水量(单位: t/人•d) ^[6]

1.1.4 制水和输水成本及供水价格
　　为了应对水资源供需日益尖锐的矛盾，传统上人们通常采用开发地表水，开采地下水资源，以及跨流域调水作为传统解决方案。在传统方式之外，开发非传统水源是解决水资源短缺问题的另一条行之有效的途径，在非传统水源中，污水再生利用具有广阔的应用前景^[7]。
　　首先，在未充分利用城市污水的水资源能力前，不应上长距离调水和海水淡化项目。目前城市污水处理（二级处理）投资大约在900～1400元/(m³•d)，在此基础上的再生处理约400～600元/(m³•d)。加上管网配套总计600～1000元/(m³•d)。到“十五”末期形成40亿立方米水源的投资大约在100亿元左右。而形成同样规模的长距离引水，以大连引英入连为例^[8]，则需600亿元左右，海水淡化则需1000亿元左右，可见污水回用在经济上具有明显的优势。
　　其次，在适用的地方使用再生水可以使供需双方获利。国内外同类经验与测算表明，对城市污水厂二级处理出水，采用混凝-沉淀-过滤-消毒技术处理，在管网长度适宜条件下，每日10 000 m³回用量以上工程的吨水投资都应在800元以下，处理成本0.7元以下，远低于城市水价。按现在国内外通行惯例，中水价格一般为自来水价格的50%~70%。以长春市为例，长春市水价4.17元/m³，中水价格以自来水价格的中值60%计，应为2.5元，需水方吨水节省1.67元，供水方吨水获利1.8元左右^[9]。供水方两年内可收回投资，供需双方经济效益都十分显著。
1.2 国外的污水再生利用
　　20世纪上半叶在水和废水处理的物理、化学和生物方面的技术进步，导致了“污水再生利用时代”的到来^[10]。国际上，美国、日本、以色列、南非、澳大利亚、俄罗斯等国早已开展污水经处理后回用的工作^[11]。
1.2.1 美国模式
　　美国的城市污水处理等级基本上都在二级以上，处理率达到100%。自1920年在亚利桑那州修建第一个分质供水系统用于浇灌绿地、冲厕、洗车、冷却水和建筑等以来，美国的城市污水再生利用已经从试验研究阶段进入生产应用阶段，再生水作为一种合法的替代水源，正在得到越来越广泛的利用，成为城市水资源的重要组成部分，城市再生水利用设施的数量和规模随之迅速增长。美国再生水利用的范围涉及农业、工业、地下水回灌和娱乐等方面，其比例大致为62%用于各种灌溉和景观，31.5%用于工业，5%用于地下回灌，1.5%用于娱乐、渔业等。
　　美国再生水利用模式的突出特点是集中处理回用、很少直接用于城市生活杂用。这大概与美国市政管网和污水处理厂普及、生活用水水质标准严格有关。再生水利用工程主要分布于水资源短缺，地下水严重超采的西南部和中南部的加利福尼亚、亚利桑那、德克萨斯和佛罗里达等州。
　　美国的回用水标准各州不一，并且针对不同的回用对象所制定的标准也不一样，但标准都很严格。加州执行的是22号条例（Title22），克罗拉多州执行的是84号规范（Regulation＃84），这些文件都详细地规定了不同回用对象的水质标准，如：用于农业灌溉、工业冷却、市政景观等^[12]。而且，美国环保局会同有关方面于1992年提出水回用建议指导书，包括了废水回用各个方面，回用处理工艺、水质要求、监测项目与频率、安全距离和条文说明，它对那些尚无法则可遵循的地方提供了重要的指导信息^[13]。
　　水的回用在美国经久不衰，值得我们借鉴。下面再从几个实例加以详细说明。
　　(1) 回用于电厂冷却系统
　　美国电厂冷却水是仅次于农业的主要用水者，生化后的城市污水是可靠的冷却水水源，在西南地区的几个主要发电厂，包括核发电厂，普遍使用处理后的城市污水作为冷却水。在沙漠中兴建的赌城拉斯维加斯，有充足的电力供应，该市二个电厂科拉拉电厂和森路士电厂的冷却水使用拉斯维加斯市污水厂出水。污水厂1981年投产，规模24万m³/d。二级处理出水BOD<3mg/L，SS<30mg/L。深度处理BOD<7mg/L，SS<7mg/L，浊度<1º，TP<0.5mg/L，该水质满足电厂冷却水质要求。污水回用解决了沙漠城市的供水问题。
　　(2) 钢厂回用
　　位于马里兰州巴尔的摩海口的伯利衡钢厂使用背河污水厂40万m³/d再生水已有40年历史。背河污水厂规模68万m³/d，曝气池停留时间6小时，滤池为移动罩滤池，滤后水浊度5以下。用城市污水厂再生水的处理流程为：

　　(3) 美国21世纪水厂
　　位于加州橘县水管理区，命名为21世纪水厂。1965年开始研究将深度处理出水回灌地下，以阻止海水入侵，1972年兴建有关工程，1976年投入运行，再生工艺如下。21世纪水厂再生水通过23座多套管井回注地下含水层出水TOC＜2mg/L，TN＜10mg/L，电导率100μm/cm，浊度0.1 NTU。出水中不得检出大肠杆菌。回注水总量检制在9.5万m³/d。处理流程如下。

　　(4) 城市绿地浇灌
　　美国加州的农灌用再生水量很大，占回用水量的60%以此解除该地区干旱威胁。在城镇，大片绿地、树木、高尔夫球场、公园，也是靠再生水浇灌，这部分水占16%。到美国考察，在污水厂内，在市区街道旁，在居民庭院里，随处可见一些管道上标有Reclaimed Water(回收水、再生水、中水)字样，居民每天都要使用再生水浇灌住宅前后草地，污水厂经常进出标有再生水字样的拉水车。污水的再生回用已被居民接受。加州规定的用于粮食作物灌溉的再生处理流程如下。

1.2.2日本模式
　　日本是个面积窄小的岛国，河流急湍入海，没有大江大湖可作跨流域调水之用，那么日本靠什么支撑了六十年代的经济复兴呢，靠的就是污水回用，他们叫下水处理水的再利用，在各大城市创建并保留使用至今的“工业用水道”，纵穿全市，形成和自来水管道并存的又一条城市动脉。1955年日本开始再生水利用，1978年左右受节能政策调整和城市水荒的影响，从中央到地方制定了中水利用指导计划，从1980年开始以东京为首的中水利用设施建设迅速发展。到1983年3月底，全国有中水项目473个，总回用水量约6.6万ｍ³/ｄ。近年来，平均每年建设130处。到1993年全国有1963套中水利用设施投入使用，其中东京都建设的中水利用设施数量约占全国的44%，福冈地区占19%。中水使用量为27.7万ｍ³/ｄ，占全国生活用水量的0.7%。截止1993年，使用雨水作中水的设施全日本共有528处，水量为500万ｍ³/ａ。其中东京的雨水利用设施占全国65%，福冈占7%。至1996年，全国有中水设施2100套投入使用，用水量达32.4万ｍ³/ｄ，占全国生活用水量的0.8%。再生水中41%被用于工业用水，32%被用于环境用水，8%用于农业灌溉。日本是工业国，主要用于工业，近几年增加了环境用水，它用于农灌的比例远小于美国。
　　在日本，城市污水集中处理回用和分散处理回用都大量存在，然而其最突出的特点有两个：（1）分散处理并回用于城市生活杂用的再生水所占的比例很大，（2）独特的工业水道，我们称之为日本模式。对工业用水道的水质各个城市都有不同的标准，日本市政杂用水和景观用水水质标准见表4。下面是日本再生水利用的几个实例及其处理流程。
　　1. 日本东京都江东地区工业用水使用城市污水厂再生水的处理流程如下：

　　2. 日本江崎市工业用水使用城市污水厂再生水的处理流程如下。

　　3. 东京千代田区某楼使用再生水回用于生活杂用水的处理流程。

　　4. 东京港区某楼使用再生水回用于生活杂用水的处理流程。

　　5. 日本川崎市的“亲水”再生利用于景观水体的处理流程如下。

表4 市政杂用水和景观游览用水水质标准^[13]

　　日本政府对供水设施建设和在水价上有较高的补贴，水价对于中水的建设影响并不是主要的；而且中水对国家总体上节水的贡献并不大，不超过全国生活用水量的1%，微观经济效益也并不明显。对于中水建设国家并无硬性的法律规定，公众也未普遍接受。尽管如此，每年仍有上百套的中水建成。这是因为：水荒给社会留下了深刻的影响，从局部地区来讲，人们希望提高供水的保障程度，摆脱水荒的影响。同时，有一些地区，地方政府明文规定要求建设中水。另有一些地区是面临环境对其污水的外排标准比较高，必须进行三级处理，出水经过消毒即可回用。为了扩大规模降低中水的成本，目前中水正在以新建小区为重点，普及中水建设。而一些大城市如东京，则建设了全地区的城市中水系统^[14]。
1.2.3 以色列模式
　　以色列再生水利用最突出的特点是它已经把再生水作为国家水量平衡的重要组成部分。以色列长期缺水，认为把城市污水作为非传统的水资源加以开发利用是唯一的出路，也是容易实现的，早在20世纪60年代，就把回用所有污水列为一项国家政策，规定：废水如果没有用尽，不可采用海水淡化；城市的每一滴水至少应回用一次。污水再生成本大约是海水谈化的1/3~1/5，这种经济性使人们认识到必须优失利用污水。截至1987年，该国已建造了210个市政再生水利用工程，100%的生活污水和72%的市政污水已经回用，回用规模最大为20万m³/d，最小为27m³/d，一般介于0.5~1万m³/d之间。以色列42%的再生水直接回用于灌溉，30%回灌地下和排入河道供间接回用，其余的用于工业和城市杂用。回灌地下的再抽出至管网系统，输送到南部地区，最南部地区甚至将它作为饮用水源。
　　在以色列，由于水资源异常短缺，因此污水回用量在总供水量中所占的比例很大，目前已超过了10%。具体回用量与供水量见表5。表6是以色列灌溉回用水水质标准。

表5 污水回用量占以色列全国总供水量的比例关系(10⁴m³/a) ^[15]

表6 以色列灌溉回用水水质标准^[19]

　　其它部分国家的再生水利用实例见表7，此外阿根廷、巴西、智利、秘鲁、科威特、塞浦路斯、突尼斯等国都开始利用再生水，用于农业灌溉的比例最大。

表7 部分国家再生水利用实例^[17][20]

1.3　国内的污水再生水利用
1.3.1污水资源分析
　　经济建设和城市化的快速发展，使城市污水排放量增长很快。目前，我国城市污水年排放量已达414亿立方米，已建污水处理设施400余座，城市污水处理率达到30%，二级处理率达到15%。根据“十五”计划纲要要求，到2005年中国城市污水处理规模将超过4 000万m³/d，城市污水集中处理率将达到45%，这就给城市污水再生利用创造了基本条件。
1.3.2污水再生利用的适用性
　　经济的发展和城市化进程的加快，以及水污染问题的日益严重，也导致我国的城市缺水问题十分突出。据统计，我国目前668座城市中有400多座城市存在不同程度缺水，其中136座城市严重缺水，日缺水量达1600万立方米，年缺水量60亿立方米，由于缺水每年影响工业产值2000多亿元人民币^[4~5]。严重缺水城市主要集中在北方，占全国的2/3，占南方城市总数的30%；南方占全国的1/3，占南方城市总数的17.8%。北方缺水城市中主要是资源型缺水，即城市发展的需水量超过当地水资源承受能力；南方缺水城市中除沿海少数城市外，基本上属于工程型或污染型缺水，即因工程设施不足或水质受污染造成。
　　一方面城市缺水十分严重，一方面大量的城市污水经治理后又白白流失，浪费了大量的可利用资源。和城市供水量几乎相等的城市污水中，只有0.1%的污染物质，远低于海水中3.5%的量值。水在自然界中是唯一不可替代的、也是唯一可重复利用的资源。城市污水就近可得，易于收集，再生处理比海水淡化成本低廉，基建投资比远距离引水经济^[18~19]。城市污水可以作为可靠的第二水源，这已成为当今世界各国在解决缺水问题时的共识。但是，由于污水再生利用的复杂性，在我国开展污水再生利用必须注意以下几个方面的工作：
　　第一，制定污水再生利用系统的总体规划。由于再生水的需求者通常比较分散，用水量较小，因此铺设再生水管道系统是推广污水再生利用的关键。为了保证处理后的再生水能够送到各个用户，首先必须编制城市污水再生利用规划，确定污水深度处理的规模、位置、再生水管道系统的布局，以指导再生水厂和再生水管道的建设和管理。由于以前的道路和市政管道建设时未能预留再生水管道的位置，或者即使可以安排再生水管道也需要破路才能施工，这便造成了推广城市污水再生利用的一个主要困难。
　　第二，正确评价污水再生利用所具有的环境和公众健康风险。若污水再生利用技术缺乏或不当，会造成严重后果。因此，在计划污水再生利用工程以前，要对其环境和健康风险进行详细、科学的不确定性分析和风险评价^[20]。但是这一过程涉及的系列环境评价和经济评价技术在我国都未尽完善，从而增加了发展污水再生利用的风险。
　　第三，建立国家专项节水基金，发行债券，也可借助民间和外资力量，多方面多渠道筹集资金，支持、鼓励建设节水和污水再生回用设施。目前，污水再生利用的成本还比较高，尤其是规模较小的中水工程。按北京市统计，只有水量大于150m³/d的污水再生利用工程在经济上才是可行的，而现有建筑中水的规模大多小于该值^[21]。因此对于分散型污水再生利用设施而言，中水成本与自来水价格以及城市污水处理费相比并不低，在成本上往往不具有竞争优势。此外，建筑中水系统还要涉及室内甚至整个城市上下水系统等的改造，给用户和市政增加了额外的负担^[22]。
　　第四，对公众进行适当的宣传、引导。国内公众仍未完全接受污水再生利用，主要是由于信息不充分，对健康的担忧，心理的障碍以及出于成本上的考虑所造成的。由于缺乏相应的宣传和公众参与，公众意识不到水资源管理面临的严重问题，意识不到污水再生利用对于保护水资源的重要性，对污水再生利用产生了误解和对健康不必要的担忧，这些都会阻碍他们接受再生水^[23]。
　　第五，制定城市节水和污水再生利用的技术指标体系；定期发布适用集成的技术措施；制订适度超前的标准、规范，为技术发展留下空间。本着“优水优用，劣水劣用”的原则，依不同的回用对象和相应标准，确定不同的处理技术，可大大节省工程投资和运行成本。
　　第六，制定鼓励污水再生利用的相关政策。首先是水价体系的不合理。长期来，我国的传统水资源价格一直处于较低的水平，对于用户而言使用再生水并不比使用自来水在成本上有多大的节约，因此我国的水价体系不能够激励用户自动地采用再生水。其次是尚未建立起再生水的收费机制，在这种情况下，污水处理厂不愿意也没有相应的财力进行污水深度处理和管网的投资。最后是污水缺乏污水再生利用产业的投资激励政策，造成了投资来源的匮乏。
1.3.3污水再生利用现状
　　我国的再生水利用理论研究和实践经历了“六五”期间的起步阶段（1980～1985），“七五”到“九五”期间的技术储备和示范工程引导阶段（1986～2000）和目前的发展阶段^[8]，主要活动如表8所示。

表8 我国再生水利用历程概括

　　目前，我国再生水的用途有以下方面：城市、工业、农业、环境娱乐和补充水源水等。根据具体的使用目的和水质要求不同，水源、污水再生利用的设施和技术也随之不同。
　　再生水用于城市杂用的具体用途有：绿化用水、冲洗车辆用水、浇洒道路用水、厕所冲洗水、建筑施工和消防用水。市政杂用的再生水与人体接触的可能性较大，因此需要进行严格的消毒。再生水用于农业可以采用直接灌溉和排至灌溉渠或自然水体进行间接回用两种方式。农业用水需求量大，水质要求一般也不高，是污水再生利用产业的主要需求者之一。一般经二级处理的城市污水出水水质都能达到或超过农业灌溉用水标准。国外再生水利用的经验告诉我们，用于农业的再生水量通常都占较大的比重。再生水用于工业包含两方面：工业利用再生的城市污水和工业废水的内部循环。工业对再生水的需求量很大，对水质的要求也多种多样。再生水可用于量大面广的冷却水、洗涤冲洗用水及其它工艺低质用水，因此它最适合冶金、电力、石油化工、煤化工等工业部门的利用^[17]。环境娱乐性用水主要为形成娱乐性或观赏性湖泊等。娱乐用水又可以分为主要接触和次要接触两大类。主要接触是指人体同水的接触是长时间的和直接的，并且有吸入的可能，比如游泳；次要接触是指诸如划船、钓鱼和进行观赏等活动，一般情况下并无浸水的可能。根据用水与人体接触的方式不同，必须采用不同的处理程度^[24]。污水再生利用的其它方式还包括地下水回灌和饮用型回用。地下水回灌用于防止地面沉降、海水及苦咸水入侵及补充地下水储量。再生水用于生活饮用水源我国尚无先例，但在国外已有应用，如南非的温得霍克市和美国堪萨斯州的查纽特等，而且由于处理得当都未发生卫生问题。但是大多数地区对此仍保持保守态度，如美国环保局认为，除非别无水源可用，尽可能不以再生水作为饮用水源^[25]。表9为我国北方部分城市集中污水处理回用工程，表10是我国部分城市建筑（小区）中水系统建设情况，部分工程的处理工艺如下^[26]。
　　1. 中国市政工程东北设计研究院与大连春柳河污水厂经过长期科技攻关与工程实践提出的城市废水回用于工业循环冷却的再生水处理流程：

　　2. 清华大学与太原化工厂等单位合作，提出城市污水回用于化工循环冷却水的再生处理流程：

　　3. 中国科学院生态环境研究中心与北京燕山石油化工公司提出石油化工废水回用于冷却的处理流程：

　　4. 中国市政工程华北设计研究院提出再生水回用于景观水体的工艺流程：

　　5. 我国以石油污水为原水再生处理回注油田地下的处理流程：

表9 我国北方部分城市集中污水处理回用工程^[20][27][28]

表10 我国部分城市建筑（小区）中水系统建设情况*^[27]

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　*截止到1996年底，含在建项目

　　最近，为贯彻我国水污染防治和水资源开发利用的方针，提高城市污水利用效率，做好城市节约用水工作，合理利用水资源，实现城市污水资源化，减轻污水对环境的污染，促进城市建设和经济建设可持续发展，城市污水再生利用国家标准化管理委员会批准发布并实施的三项国家标准：《城市污水再生利用 分类》（GB/T18919-2002）；《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）；《城市污水再生利用景观环境用水水质》（GB/T18921-2002）。这三项城市污水再生利用国家标准的颁布实施填补了我国城市污水再生利用水质标准的空白，为实现污水资源化提供了技术依据。该系列标准还包括《城市污水再生利用补充水源水质》和《城市污水再生利用工业用水水质》。
　　再生水的价格是污水再生利用市场化的核心要素。一方面，在再生水的水质和水量能满足安全性和稳定性的情况下，价格是决定需求的主要因素，合理的价格机制能够对再生水的需求产生经济激励。另一方面，再生水的价格水平又决定了污水再生利用企业是否能够得到足够的收益以满足其财务平衡的需求。因此为了培育再生水市场并为污水再生利用产业的良性运转提供资金保证，应当建立起再生水的收费制度，以补偿污水再生利用设施的投资、建设和运营的支出。
　　目前我国再生水的收费制度存在的主要问题是：再生水水价过低或甚至没有价格，以及再生水的价格管制政策沿袭了传统的收益率管制政策。在前一种情况下，由于没有其它措施保证污水再生利用产业投资者的基本收益，使得该产业缺乏足够的市场资金投入。而后者可能会造成污水再生利用企业的成本膨胀，而不利于提高产业效率。因此，必须建立我国再生水价格的合理体系，保障我国污水再生利用产业的良性运行。
　　污水再生利用产业在我国尚处于发展之初，它在未来是否能够发展到一定的市场规模，成为缓减水资源短缺和水污染严重的重要手段，将不仅取决于其自身的经济技术可行性，而且还与政府的产业政策密切相关。健全的污水再生利用产业政策可以发展污水再生利用产业，扩大再生水的需求，提高污水再生利用在解决水资源短缺的诸多解决方案中的重要性；可以规范污水再生利用产业，保障再生水安全性和经济效率目标的实现；可以激励污水再生利用企业提高运营效率、降低成本；可以优化政府职能，为污水再生利用产业的发展提供良好的体制环境。

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