中国缺水城市污水回收与再用探讨

王 宝 贞
哈尔滨建筑大学教授

　　一、引言

　　尽管中国淡水年均总贮量达28000亿m³，居世界第6位，但12亿余之众的人口总数使其人均年贮水量仅为2500m³，约为世界人均值的1/4，属12个贫水国家之一。此外，中国有限的淡水资源的分布随地域和季节有很大的差别；南方较丰水，而北方缺水；在北方6-9月份降水量占年总降水量的70%-80%。
　　在中国北部以及一些沿海城市，随着城市建设的扩大，人口的增多和经济的发展，缺水问题愈益严峻，80年代中期有236座城市缺水，其日缺水总量达1200万m³，而预计到2000年，在中国的644座城市中将有450座城市面临缺水问题。
　　近年来随着全球性大气污染引起的温室效应，厄尔尼诺现象影响以及大面积植被的破坏，导致中国的母亲河––––黄河中下游断流日数逐年延长，最近两年黄河下游东营市城河段（包括河口）年断流日数超过220天，其相应的年径流量也在逐年减少；如80年代年均径流量为284亿m³，而90年代前五年的年均径流量为187亿m³。如此严重的水荒，严重威胁当地的工农业生产和人民生活。
　　一些城市为了解决水资源短缺问题，千方百计寻找和开发新的水源。例如，天津的“引滦入津”工程，引水渠道全长234公里，年流量1亿m³，于1983年9月份建成通水，基本上解决了该市严重缺水问题；青岛的“引黄入青”工程，包括引水渠道297公里及库容1.4亿m³的棘洪滩水库，使该市增加了30万m³的日供水能力。大连的碧流河引水工程长达68余公里，工程的投资为30亿人民币。上海市黄浦引水一期工程于1987年7月建成投产引水能力430万m³/d，全长18km。西安的引黑工程、自贡的葫芦口水库引水工程，河北秦皇岛市和邯郸市引水工程等。太原城区120km²范围内60%地区因严重缺水不得不采取间断供水和低压供水，其中12.3%的地区白天基本无水，全市总缺水量是43.7万m³/d。到2000年，在计入引黄的前提下仍将缺水50.4万m³/d。许多城市即使远出数百公里之外，已找不到新的淡水资源，致使污水的回收与再用，使其作为一种再生的水资源，用于农业灌溉、工业用水、生活杂用水、市政用水等已势在必行，而且在中国一些城市已有较多的实践。

　　二、城市污水回用的经济性

　　城市污水采取分区集中回收再用，与开发其它水资源相比，在经济上的优势是：
　　1、比远距离引水便宜。将城市污水处理到回用作生活杂用水或工业冷却用水的程度，其基建投资只相当于从30 km外引水；若处理到可回用作较高要求的生产工艺用水，其投资相当于从40-60km外引水。
　　2、比海水淡化经济。城市污水中所含的杂质小于0.1%，而且可用深度处理方法加以去除，而海水则含3.5%的溶解盐和大量有机物，其杂质含量为污水二级处理出水的35倍以上，需要采用复杂的预处理和反渗透或闪蒸等昂贵的处理技术，因此无论基建费或单位成本，海水淡化都高于污水回用。
　　3、污水回用于中水工程，规模越大者，基建和运行费单价越便宜。如表1所示：

　　三、中国城市污水回收与再用的现状

　　中国北方一些城市由于严重缺水，在无新水源可开发的情况下，只能将城市污水和工业废水作为一种再生水资源进行适当处理后予以回收与再用。其主要用途有农田灌溉，养鱼或其它水产养殖，工业用水和市政用水等。
　　3.1 农田灌溉、土地处理与利用系统
　　在中国北方城市，城市污水和工业废水已成为其郊区农田（包括菜田、稻田和麦田等）灌溉用水的主要水源之一。
　　这些污水在进入农田灌溉之前，大都进行预处理和一级处理，（大多数是简易的一级处理如土沉淀池或塘等）；少数污水灌溉工程是用污水处理厂出水进行灌溉的，其环境卫生和农产品的卫生学状况最好；直接用原生污水灌溉农田，由于其中油类、悬浮物和有毒有害物质含量较高，而导致农田和作物污染，以及由于土壤孔隙被堵塞，引起根系的厌氧或缺氧，影响作物的正常生长甚至死亡。中国一些失败的农田污水灌溉工程，主要是因使用未经任何处理的原生污水，尤其是含有较高浓度的有毒有害污染物的工业废水所致。因此在中国40余年农田污水灌溉经验证明，如污水回用于农田灌溉，应首先进行一级处理或二级处理，这包括格栅、沉砂池、沉淀池、活性污泥曝气池、生物滤池、稳定塘等处理单元的不同组合。
　　* 高的净化效果
　　污水用于灌溉农田后，通过土壤过滤、吸附、离子交换、化学反应、土壤微生物代谢和作物根系的吸收等机理，能有效地去除污水中多种多样的污染物，其代表性的去除效率为：
　　TSS、BOD₅、TP和细菌 ≥95%；
　　酚、氰、微量重金属等 90%左右；
　　COD、TN 80%左右
　　北京、沈阳、天津等三个城市污水灌溉农田的净化效果示于表2。
　　* 经济效益
　　由于改良了土壤结构，增加了水分和肥分，导致作物增产，平均每1m³生活污水，可增产小麦或稻谷0.5公斤。
　　* 缺点
　　部分农田（约占污水灌溉总面积的10%），由于用有毒有害的工业废水灌溉而导致农田恶化和农业减产；
　　地下水、土壤和农产品受污染。
　　因此中国污水灌溉面积发展情况迅速，可见表3所示数据。

　　3.2 污水养鱼
　　中国珠江三角洲和长江三角洲以及长江以南的多水地区，将人畜粪便及其污水倒入鱼塘，作为肥分促进浮游植物和浮游植物的生长和繁殖，后者作为鱼饵料促进鱼的增长，这一实践已有两千多年的历史。继承这一传统技术，中国许多城市利用处理后的污水进行养鱼及其它水产养殖。据估计，在农村和村镇约有数十万座污水养鱼塘，它们往往起净化污水与利用污水增加水产的双重作用。为了更加有效地净化污水和保障水产品的卫生质量，在养鱼塘之前加设厌氧塘和水葫芦、水浮莲或水花生等水生植物塘，用以去除污水中的重金属和有毒有害污染物，防止其进入养鱼塘，并通过塘中的食物链进入鱼体中。
　　在中国有许多城市用处理后的污水养鱼。例如，湖南省会长沙，每日约有25万m³污水（占全市污水总量的75%）和5万m³工业废水，如屠宰、食品加工、酿造等废水用于养鱼，养鱼塘总面积达1430公顷。在污水水力负荷400-500m³/公顷/日，BOD₅负荷20-30kg/ha/d和水温15-25℃的条件下，养鱼塘具有如下处理效率：TSS：74-83%，BOD₅：75-91%和TN：70%；同时每年鱼产量达4500-5000kg/ha，相应的经济收益约为9000-10000元/公顷。
　　天津市两座污水处理厂的出水以及其它污水，被农民引入鱼塘中进行多天静置沉淀和净化后用于养鱼，养鱼水面达1000余公顷。
　　长沙市污水处理厂的一级出水和二级出水被用来进行生产规模的养鱼试验并获得成功，其中二级出水养鱼，其产量较一级出水养鱼较少；但卫生质量好，对鱼体检验的各项指标均符合鱼的食用标准。因此，建议用二级处理出水或相当于二级处理的出水水质养鱼。英国泰晤士河水公司和德国鲁尔河协会所属的一些污水处理厂，其二沉池后设置熟化塘或最后净化塘，在其中放养鲤科鱼类，其产鱼的质量好，符合食用标准，但其养鱼如红鲤，主要供观赏和作指示生物用。
　　3.3 处理后污水往地下回注
　　污水经二级处理后，通过土地快滤系统或慢滤系统（即农田灌溉系统）渗滤于地下补充地下水源。我国许多城市由于地下水过度开采而导致地下水位大幅度下降，形成大面积的漏斗区，导致许多水井枯竭，草木枯萎，严重破坏了地面生态系统。而处理后污水的回注地下有助于缓解这一问题。我们为山东省胶州市设计和指导修建的污水处理与利用工程工程：格栅→沉砂池→初沉池→厌氧塘→兼性塘→好氧塘→农田灌溉系统，其塘系统出水相当于二级处理出水，用于灌溉附近2000公顷农田，其渗滤水质很好，达到地表水质Ⅱ-Ⅳ类标准（见表4）。附近井水水位比农田灌溉前回升2-3m，有效地防止了10 km之外的海水入浸，保护了当地的淡水资源，而胶东半岛沿海的许多地方由于地下水过量开采和地下水位的大幅度下降，导致海水入侵，使本来就有限的淡水资源更加贫乏。

　　3.4 处理后污水回用作工业用水
　　污水处理厂的二级处理出水，根据用途的不同，可直接地或者再经进一步处理达到更高的水质后应用工业生产过程中，如用作冷却水，熄焦、熄炉渣用水，灰渣水力输送用水，工厂绿地浇洒、地面、设备、车辆冲洗、消防等用水，其中最具普遍性和代表性的用途是工业冷却用水，我国在污水厂二级出水或先进二级处理出水用作工业冷却水方面进行了大量的试验研究，并有运行成功的实例。大连春柳河污水处理厂的部分二级出水（1万m³/d）送到附近的红星化工厂用作冷却水，在通过冷却塔的过程中通过鼓风曝气吹脱和填料上生物膜的生物氧化等机理，使二级出水得到进一步的净化。SS、BOD₅、COD、总氢、氨氮都明显减少，经此处理后可满足工业冷却水的水质要求。为了更加安全可靠起见，二沉池出水可经双层滤料滤池过滤，微絮凝接触过滤，或者生物曝气滤池，以进一步去除水中的TSS、COD、BOD₅、TN、NH⁺₄-N、TP、细菌等以使其成为更加稳定和可靠的冷却用水，或其它工业用水，如油田注水。
　　污水处理厂二级出水还可用作发电厂燃煤、燃油锅炉废气、炼钢、炼铁、工业熔炉等废气、垃圾焚烧厂废气水力除尘设备（如水膜、喷淋式等除尘器）的工作用水，已可用作炉灰渣水力输送用水。我们的试验研究发现，生活污水或工业废水（如纺织印染废水）用于除尘或输送灰渣后，经过一定时间的接触、吸附和化学反应，污水可得到高度净化，灰渣场的滤出水的TSS和BOD₅可降至≤5mg/L，COD≤20mg/L，色度≤10度，它可用作更高级的工业用水，如冷却水，冲洗设备和洗车用水，浇洒街道路面和景观（如人工湖、河、池塘）等用水。
　　污水处理厂二级出水可对附近用水量大的工厂进行较集中的供水，不宜对过多用户的分散供水，这会导致供水管道系统太长而投资太大。为了防止供水管道结垢堵塞、流动不畅，宜于在二沉池之后增建双层滤料滤池，或曝气生物滤料，以供应更加稳定的和质量更好的回用水。
　　这种回用水可用作生活杂用水浇洒绿地，冲厕等，但是如果用于更高水质的工业用水，如车间、地面、设备、车辆等的冲洗、生产工艺用水，需要根据具体水质要求或标准进行相应的深度处理，其单元工艺有：臭氧、H₂O₂和CLO₂氧化或其与紫外线相结合的深度氧化技术，活性炭过滤吸附和生物氧化降解，膜法分离，包括超滤、纳滤和反渗透。上述几种单元工艺的组合应用，可获得优良水质的出水，可满足各种各样的工业用水的需要。
　　我们于1993年在大庆市设计和建成了日处理能力3万m³/d乘风庄污水回收再用厂，在其中对污水进行较深度的处理，即活性污泥法二级处理后加纤维过滤器过滤，最后出水TSS和BOD₅≤5mg/L，COD≤30mg/L，已成功地用于油田回注，最近我们又开始另一座污水处理厂（800垧污水回收再用厂）的设计，其处理能力为5万m³/d，其处理流程为格栅→旋流沉砂池→调节池→A/O淹没式生物膜/活性污泥法复合生物曝气池→新型穿孔管－溢流筒式辐流沉淀池→双层滤料压力滤罐→投氯消毒→清水池→油田回注，计划明年建成投产。
　　3.5 城市污水回用作市政用水
　　市政用水包括城市绿化带和公园等浇洒，人工湖、河、池塘注水和补充用水，街道喷洒，消防、冲厕和冲洗地面等用水，可见用途很多，用水量也大。
　　具体可做如下几方面的考虑：
　　3.5.1 现有集中污水处理厂出水用作市政用水
　　污水处理厂出水可作如下市政用水：
　　☆ 可敷设管道通至附近的建筑小区、建筑群或大型建筑物（建筑面积〉2万m²）建立中水道系统，通至用户作为生活杂用水，如冲厕，浇洒绿地、花园等。
　　☆ 可在低洼荒地上建造水上公园，可包括建造观赏性鱼类池塘、观赏性水禽池塘、藕塘、莲塘、苇塘以及人工湖等，充分发挥景观用水的作用，建成引人入胜的水上景观和旅游场所。
　　☆ 在污水厂附近建立市政绿化苗围和花卉基地，就近利用该厂出水灌溉和污泥施肥。
　　3.5.2 小区中水或建筑中水系统
　　对小区的污水汇集起来进行处理，达到生活杂用水标准，然后输入中水道系统，通至用户用来冲厕和浇洒绿地等，也可作小区公园、花园或绿化带的池塘、人工湖等景观用水。
　　对于建筑群或大型建筑物，亦可就地建立较小规模的中水系统，即其中的轻污染生活污水，如沐浴，盥洗、洗衣等废水通过专用下水管道排出并汇集起来送至污水处理设备中进行处理，使最后出水达到生活杂用水或中水水质标准，再通过中水管道送至用户做冲厕、浇洒绿地等用水。
　　我们已在深圳、青岛等缺水城市共建成了中水工程13处，其中小区规模的2处，服务于建筑群或大型建筑的11处，其处理流程为：
　　轻污染生活污水→旋流沉砂及除毛发器→曝气调节池→A/O淹没式生物膜曝气池/斜板沉淀池/曝气生物滤池一元化设备→双层滤料滤池→次氯酸钠或ClO₂消毒→中水道，其处理能力分别为5m³/h、10m³/h、20m³/h、40m³/h和50m³/h。
　　建造建筑小区，建筑群或大型建筑中水系统的优点有：
　　其出水水质达到：TSS 5mg/L， BOD₅£5mg/L，COD£30mg/L，NH₃-N£5mg/L，细菌总数〈1000MPN/ml。
　　☆ 就地汇集和处理污水并且生产中水就地回用，比从集中污水处理厂远距离调运出水，其管道基建费和运行维护费大为节省。
　　☆ 减少了集中污水处理厂的污水处理总量，因为轻污染污水被就地收集、处理和回收再用。而洗浴、盥洗、洗衣、冲洗地面等轻污染污水约占生活污水总量的30-40%，在南方城市夏季可达50%以上，如果在缺水城市普及中水系统，可使集中污水处理厂的处理规模减少20%-30%。
　　☆ 城市集中污水处理厂的进水有机物和氮、磷等营养物浓度也有所增加，这可改善我国许多城市污水处理厂进水BOD₅浓度过低（≤100mg/L），不宜维持正常和经济运行的状况。
　　根据我们多年从事中水工程的经验，建造居住小区的污水处理与回收再用工程或称小区中水道系统最为适宜，它可以就近收集和处理小区的全部污水或轻污染污水，然后进行综合利用，且其基建和运行维护费单价比建筑物中水便宜。
　　

　　四、石家庄市城市污水回收与再用设想

　　为了有效地控制石家庄市的水污染，计划到2000年共建成3座城市污水处理厂并投产运行，其总处理能力为80万m³/d，其中第一座污水处理厂－桥西污水处理厂已于1993年8月分投产运行，其处理能力为20万m³/d，运行状况良好，其最后出水的TSS和BOD₅通常分别小于20和15mg/L，其外观清彻透明。遗憾的是，质量如此好的水竟白白排放掉而未曾予以回收再用，这对一个严重缺水的城市来说是很不合理的。
　　到本世纪来，另两座污水处理厂，即桥东污水处理厂（其处理能力为50万m³/d）和技术开发区污水处理厂（10万m³/d）将建成并投入运行。到时将从这三座污水处理厂生产80万m³/d（或每年2.55亿m³）二级出水，它可作为一种重要的水资源予以多种应用，诸如，农田灌溉、水产养殖、人工湖、河、池塘等的景观用水，工业用水和在居住小区建筑群和建筑物中。用作生活杂用水的中水道系统。其中在农业回用上作为重点考虑，因为农田灌溉用水量因缺水而急剧下降。例如石家庄市所在的河北省农业用水70年代减少1.5亿m³，现在减少3亿m³。因此必须寻找能取代地表水源和地下水源的其它水源来解决农业用水的短缺，而污水处理厂的出水就是农业用水最可取的水源。按中国传统的灌溉技术，该市污水处理厂的出水可用于灌溉5.1万公顷种植小麦和其它谷物的农田，其水力负荷为5000m³/公顷/年。如果采用先进的灌溉技术，如滴灌，可用于灌溉10万公顷农田。
　　该市用污水灌溉农田已有多年的历史，并通过污水灌溉的试验研究获得了成功的经验。该市在70年代就在其郊区西三教村建成了多级氧化塘→农田污水灌溉系统的示范试验工程，其数年的试验研究结果证明，城市污水首先经预处理和多级氧化塘（包括跌水曝气塘和水葫芦塘），能有效地去除水中的多种污染物，如酚、氰、焦油、重金属等，其出水进入农田灌溉，能达到进一步净化污水，改良农田土壤和使农作物增产的多种效益。
　　桥西污水处理厂建成运行后，其出水水质良好，排于附近水体后，被引出灌溉下游一些农田，获得明显的增产效益。
　　根据一些城市多年利用城市处理污水灌溉农田的经验，在正常运行条件下，由污水灌溉提供的水分和肥分促进了农业的增产，小麦和谷类每公顷增产1500公斤，约增产20%，按灌溉10万公顷农田，可增产1.5亿公斤或15万吨小麦，可解决30万人的用粮。
　　用城市污水处理厂出水灌溉农田的另一个优点是节省大量化肥，因为出水中仍含有总氮30-40mg/L，总磷5-7mg/L，这相当于每公顷污水灌溉农田上施加150-200kgTN和25-35kgTP，或约1吨硫铵1吨和100公斤磷肥，这将节约化肥购置费1500元，这会使农民比使用化肥和清水灌溉获得更大的经济收益。
　　用污水处理厂出水种植水田如稻田和藕田等，比灌溉旱田会获得更大的收益，以种植藕田为例，每公顷藕塘的藕产量约为3万公斤，按每公斤藕售价1元，每公顷藕田经济收益3万元。此外，藕塘在夏季盛开荷花，极为美观，可以成为引人入胜的景观点，其环境和社会效益均好。
　　用污水处理厂出水养鱼也会获得很大的经济效益，根据北方一些城市净化污水养鱼的经验，每公顷水面年鱼产量为5000-6000公斤，按每公斤鱼售价4元计，每公顷收益2.5-3万元。
　　污水处理厂出水进入鱼塘、藕塘、稻田旱田等，通过渗滤最后进入地下，补充地下水，提高地下水位，可控制地下水位的急剧下降，甚至可恢复到原有的地下水位，可有效地补充地下水资源。
　　在石家庄市由于地下水的过度开采，使地下水位下降最大达44m，因此用处理后污水进行地下回注是很必要的，这可使地下水位逐渐回升。而开辟和建立较大面积的污水灌溉区进行土地慢滤渗入地下是最为可取，这主要是其净化污水的效率高，可保证渗入地下的净化污水达到最好的净化水质，能保障地下水的质量，符合卫生学标准，不致发生水传染疾病，而快速渗滤系统在这方面的危险性较大，故不宜采用。
　　综上所述，建议在该市建立一座示范性污水处理厂出水农业综合利用示范工程，其中建有养鱼塘、藕塘、稻田、麦田、苗圃等，其流程如下：

　　石家庄市三个污水处理厂建成后可用其出水建立2000公顷的养鱼塘，2000公顷藕田，20000公顷稻田和10万公顷旱田和2000公顷苗圃。其渗出水可建成上千公顷的水工湖供游览娱乐用，其渗滤水回注地下，每年可补充地下水约1.3亿m³（按蒸发、蒸腾及其它损失50%计）。其经济、环境和社会效益都是巨大的。
　　其次，在该市应建立居住小区和建筑中水示范工程，将小区或建筑群，建筑物的生活污水收集起来进行处理，达到生活杂用水水质标准后，通过中水道送至用户供作冲厕，洗洒绿地等用。
　　第三，对该市工厂用水进行调查，选择一些急需较大量用水的工厂，为了经济起见，最好选择处理厂附近的工厂作为供水对象，首先集中解决一两家用水量大的工厂进行试点，取得成功经验后逐步扩广。