上海城市污水再生利用的必要性和面临的主要科学问题

充裕的水资源是现代社会经济稳定持续发展的重要基础之一，随着工业化和城市化的快速发展，水环境污染日益严重，水体污染造成的水质型缺水问题，近年来己成为备受关注的环境热点。上海作为中国重要的经济和科技中心，优质水资源极其匮乏，受到水质型水资源短缺的严重挑战。据统计，我国污水的排放量与城市缺水量大体相当，因此合理再生利用城市污水对维持上海经济良性发展、缓解水资源短缺、促进生态环境逐步恢复和平衡具有重要的社会、环境和经济意义。

1 水资源短缺已成为制约经济发展的重要因素

水资源是人类生产生活的最关键资源，但随着城市建设规模的扩大、人口的增多和经济的发展，水体遭到严重污染，水污染造成的水资源短缺已成为现代社会最关注的问题。据统计，地球上可以利用的水资源约占地球上总水量的 0.6 %， 而且分布不均。加上经济和人口的增长以及水源的污染，近年世界上许多国家发生了水荒。 我国淡水资源总量达到 28 000 亿 m3，为全球水资源的 6 %，居世界第六位，但人均水资源占有量仅 2 400 m3，只有世界人均占有量的四分之一，排在世界第 121 位，属世界 13个贫水国家之一。20 世纪末，我国已有80%的城市缺水，北方和西部地区尤为严重。目前，由于人口的剧增和城市的快速发展，淡水资源短缺的形势已更加严峻。由于水资源是人类生活和经济活动的基础资源之一，水资源的短缺会直接导致人民生活质量降低，造成经济不稳定和产值的损失。据统计目前全国每年缺水总量约为1 200 亿 m3，每年因此而影响工农业产值达 2 000 亿元以上，严重影响了人民生活，限制了工农业生产和城市的发展。水资源短缺已成为制约经济发展和人民生活质量提高的重要因素。上海地处黄浦江与长江交汇口，水资源丰富，但其黄浦江水源水质不佳，且近年来长江水源地展近岸水体的水质也呈下降趋势，缺乏就近可用的优质水资源己成为制约上海经济社会可持续发的因素之一。

2 污水再生利用是解决水资源短缺问题的主要策略

在水资源短缺问题日益严重的严峻形势之下，如何解决水资源的短缺问题和更好地保护环境，成为世界各国现阶段亟待解决的问题。 应对水资源的严重缺乏，解决途径主要有：节约用水、加强水资源保护和防止污染以及在天然水资源(地下水、地面水)之外开辟新水源。开辟新水源的途径包括异流域调水、海水淡化、雨水蓄用、极地拖冰、人工降雨和污水再生利用等。其中，污水再生资源化利用不仅可以缓解水资源短缺，又能减轻污水排放对水环境的污染，具有可观的社会、环境和经济效益，已成为世界各国解决水危机的主要策略。

2.1 国外污水再生利用现状

对于污水再生利用，国外发达国家在上世纪中期即已开展相关研究和应用。美国是最早开展污水回用的国家之一，早在1950年就利用模型进行了污水深度处理试验研究，分别在电厂、钢铁厂、核电站、生活杂用水、地下水回灌领域进行应用。据统计，美国城市污水再生利用 62 %用于农业灌溉，30%用于工业，其余 8 %则用于城市设施和地下水回灌。日本于1962年开始进行污水再生利用技术的开发和应用，1990 年日本已建成 1 369 座“中水”工程，濑户内海地区污水再生回用量已达到本地区淡水用量的 2/3，大大缓解了该地区水资源严重短缺的矛盾。新加坡是严重缺水国家，因此也十分重视污水回用。裕廊岛工业园区在2000年投产了一套产水规模30 000 m3 /d 的城市污水深度处理装置，其再生出水主要回用于化工给水和消防系统。以色列是节约用水特别是污水回用方面最具特色的国家，该国100 %的生活污水及72 %的城市污水已经回用，最大规模可达20万 m3/d。污水再生后主要回用于农业灌溉(42 %)，地下水回灌 (30%)及工业及市政等途径。为了进一步解决水资源缺乏问题，更好地使用回用水，欧盟国家还成立了一个提供污水回用处理服务的国际协会。该协会致力于环境保护和保障国民能享用充足的水资源，在世界范围内具有很大的反响。

2.2 国内污水再生利用现状

目前，我国的城市污水再生利用取得了一些进展，但总体进展缓慢，还处于刚刚起步的阶段。根据中国水网统计数据，到2010年底，全国城市污水处理再生水平均利用率(污水再生利用量/污水处理量)仅为8.5 %， 存在很大的发展空间。上世纪60年代，我国污水再生利用主要着重于污水灌溉。70年代中期开始开展城市污水再生利用的深度处理试验。1980 年以来，包括北京、大连、青岛、太原等缺水城市开始污水再生利用的研究和实践，至今已有很多城市进入污水再生利用的推广应用阶段。从全国范围来看，水量型缺水的北方污水再生利用比水质型缺水的南方成绩更为显著。

上海城市污水再生利用，除了供给市政绿化浇灌外，主要用于污泥脱水、设备冲洗、滤池反冲洗、厂区绿化、景观、道路冲洗等，用量超过污水处理厂内用水总量的 50 %。某些污水处理厂将再生水用于消防系统、污泥干化系统的冷却水、 污泥焚烧飞灰脱硫制浆以及厂外生活小区景观用水，这些污水再生利用方向均对再生水水质有更高的要求。此外，有研究提出了污水经处理后回用于防治地面沉降的新思想，将处理后的污水回灌地下补给地下水，减少地下水的开采量，以控制地面沉降。据统计，上海全市城镇污水处理厂再生水利用量约56.9万m3/d， 其中厂内用量约1.1 万m3/d，厂外稀释水或补充水用量约55.8 万 m3/d，回用比例约为 11 %，为满足“十二五”规划城市再生水利用率达到 20 %的要求，上海尚需进一步加大再生水使用的力度。

3 开展污水再生利用顺应“十二五”规划的重大需求

为加快全国城镇污水处理及再生利用设施建设，提升基本环境公共服务水平、促进主要污染物减排、改善水环境质量，发展改革委、住房城乡建设部、环境保护部编制了《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，其中明确指出“到2015年，城镇污水处理设施再生水利用率达到15%以上”。2013年颁布的国发 36 号文也明确提出，到2015年，城镇污水处理设施再生水利用率达到20 %以上，较2010年底提高逾10%。为顺应该重大需求，亟需开展污水再生利用相关研究，为污水再生资源化利用提供坚实的技术基础，促进污水处理和资源化利用的协同发展。上海属于水质型缺水地区，由于水资源较为充足， 现阶段再生水利用的工程应用较少，相对应的技术储备也显现不足。在上海地区开展污水再生利用， 不仅顺应上海市出台的涉及本地区的再生水利用的“十二五” 规划，也对提高水资源的循环利用率， 降低新鲜水消耗和污染物的排放总量，实现上海地区“十二五” 节能减排的要求，提升上海地区水环境质量，构建生态型城市具有重要意义。

4 保障再生水水质是污水再生处理所需解决的重要科学问题

随着国家环保要求日趋严格，城镇污水处理厂尾水水质逐渐提高，但尾水的有机物、氨氮、BOD5、SS、浑浊度、色度、有毒有害物质、微生物等含量仍无法满足回用要求，直接回用于绿化、生活及工业用水时，会引起管道内微生物大量孳生，造成管网系统的堵塞、腐蚀和结垢，且城镇污水处理厂尾水的色度和臭味等感官指标差，直接回用对居住环境影响较大，不易被民众接受。因此，城镇污水处理厂尾水仍需经过深度处理才能回用于工业生产与生活领域，保障再生水水质是污水再生利用所需解决的重要问题。污水再生处理过程中的水质保障技术主要是以 SS、COD、色度等常规污染指标及有毒有害物质、氮磷、病原微生物等关键风险因子为控制目标，主要包括适度处理技术和深度处理技术。经二级处理的城市生活污水水质较好，主要采用混凝、沉淀、过滤和消毒等技术处理后即可回用到对水质要求不高的循环水等系统;而对于水质比较复杂的工业污水，主要采用深度处理技术进行再生处理，主要有膜分离、膜生物反应器、活性炭吸附、臭氧氧化、曝气生物滤池等[18]。

上海地区污水处理厂接收来水大部分均为城市生活污水和工业污水的混合污水， 常常存在以下问题： 首先，水质成分复杂，色度较高，出水感官指标较差。其次，城镇污水处理厂尾水一般含有较高浓度的氮、磷等营养物质，直接回用于城市水环境与景观水体，存在爆发水华、影响生态安全的风险。再次，城镇污水处理厂尾水含有的微生物在回用时会对用水卫生安全造成影响。因此，对于污水处理厂尾水再生利用，需在保障再生水回用水质的基础上，还需关有害有机污染物、病原微生物、氮磷等关键风险因子，有必要开展再生水臭氧、膜处理、生物处理等深度处理工艺以及再生水水质安全和水质稳定性的研究。臭氧具有强氧化性， 对污水同时具有杀菌、降低 COD 和脱色除臭的作用。美国最先于20 世纪70 年代初利用臭氧处理生活污水，80 年代初将其用于循环冷却水处理，目前臭氧氧化技术已在污水杀菌、除臭、脱色和有机物控制上得到广泛应用。膜分离技术主要是利用水分子和污染物具有不同的透过性，在外力作用下使二者分离，具有能耗低、分离效率高、装置紧凑、操作简单等优点，广泛应用于饮用水处理、污水处理、化工等行业。膜分离技术对有机物具有很好的去除效果，当其作为末端工艺时，可以防止上级工艺如生物活性炭滤池、膜生物反应器的微生物泄漏。生物处理法是污水处理最常用也是最经济的一种方法，具有较好的脱氮除磷效果，现今在污水回用领域应用较广的是将分离效果高的膜分离技术与废水生物处理技术相结合衍生的膜生物反应器，全世界已有超过100套膜生物反应器装置用于城市污水回用处理。由于污水处理厂生物处理后的尾水可生化性较低，如何提高出水可生化性成为污水处理厂尾水生物处理所需解决的关键问题。氯消毒因其具有效果可靠、操作方便等优点是目前再生水较为常用的消毒方式，但是污水中的溶解性有机物易被氯消毒剂氧化生成有毒有害的消毒副产物，从而增加再生水水质安全风险。因此，如何处理好病原微生物灭活与水质安全的矛盾，深入开展再生水消毒安全性和水质稳定性研究是目前再生水处理领域面临的重要课题之一。

5 结论

目前，上海地区污水处理厂尾水再生利用率较低，实际工程案例较少，相应尾水再生利用技术储备不足。针对水体污染造成的水质型缺水问题及提高城镇污水处理设施再生水利用率的重大社会需求，如何根据污水处理厂尾水水质情况进行尾水处理和资源化利用成为亟待解决的科学问题。污水处理厂尾水再生利用技术开发对上海建设生态型城市和经济社会发展，提高上海城市污水再生利用率，降低污染物排放总量具有重要意义。

编辑：李丹