适合中国应用的再生回用水经验

Glen T. Daigger, 博士, P.E., DEE
第一副主席
CH2M HILL

　　摘　要：中国正着手开展一项远大的开发计划，来发展其污水处理的基础建设，以增进公众健康和促进环境保护，同时还将通过减小现有地表和地下水资源的污染来扩大水资源。这将提供一个进一步利用水资源的机会-水的回收和利用。中国清楚地认识到了这一点，并积极地抓住这一时机使回用水纳入开发计划之中。与此同时，中国也在努力地学习其他国家的经验，来实施该项计划。
　　本文要讲述三条有助于中国实施这项计划的指导性原则，即：
　　1． 回用水是整个水管理系统的一个组成部分。
　　2． 需要用系统的方法来评价水回用的经济效益。
　　3． 有很多方法可以用来减小回用水对公众健康和环境造成的风险。
　　在本文中讨论了每条原则对于在中国成功的实现废水回用的适用性。

　　前言

　　中国正在致力于开展一项有远大的开发计划以发展其污水处理的基础建设。结果不仅将增进公众健康和环境保护，同时还由于减轻了现有地表和地下水资源的污染而扩大了水资源。后者对于象中国这样人均水资源相对较低的国家来说尤为重要。扩建废水处理基础设施，也为中国提供了一个进一步利用水资源的机会--污水的回用。中国清楚地认识到了这一点，并抓住时机将水回用列入到正在进行的开发计划之中。与此同时，中国也在认真学习其他国家的经验，来实施该项计划。
　　本文的目的是对中国进行水回用提出一些建议。这些建议都是根据美国和世界其他国家的广泛经验提出来的。本文不可能提供关于水回用的所有相关知识，在别的文献（美国EPA,1998）和这次会议的其他资料中都有许多经验需要我们学习。但是，这里提到的经验是中国决策者决定回用水计划实施和应用的关键。这些建议包括三个指导性的原则，如表1所示。文章后面将对这三个指导性原则进行一一论述。

表1 水回用的指导性原则 1． 水回用是整个水管理系统的一个组成部分。 2． 需要用系统的方法来评价水回用的经济效益。 3． 有很多方法可以用来减小回用水对公众健康和环境造成的风险。

　　Paper Presented at "The 21st Century International Conference & Exhibition on Developing Strategy of Urban Wastewater Treatment and Reuse", Sponsored by the Chinese Ministry of Construction, The World Bank, and the United Nations Industrial Development Organization, Beijing, China, November 27-29, 2001.
　　6060 South Willow Drive, Greenwood Village, Colorado 80111, USA. [email protected].
　　

　　指导性原则之一：水回用是整个水管理系统的一个组成部分

　　任何水回用计划的主要目的之一是通过以回用水替代现有的使用水来扩大水资源。结果这些淡水资源被替代后就可另做它用。水回用就整个水资源来说得了两方面利益。其一，很简单，处理后的水连同其所含的污染物不再被排放，因此不污染现存的水资源（即于水质有益）。其二，处理后的水再回用减少了为了满足用水要求而必须从环境中取水的数量（即于水量有益）。
　　现有几种不同目的的回用水方式，包括：
　　●农田灌溉
　　●工业用水
　　●城市非饮用水（浇灌，冲厕，环境修复）
　　●非直接饮用性的回用
　　 表2列举了每一种水回用的例子，表明了在发达国家如美国、新加坡每一种水回用的方式都得到广泛的应用。这些应用都是以水处理技术作为支持的。总之，采取可利用的水处理技术来支持每一种水回用的方式，使水超过或达到（就水质而言）非直接饮用的要求，而非饮用水的增加也就直接地增加了供水量（无论是如表2所列举的地表水供给还是地下水供给）。因此，合适的回用水处理技术的可行性使水回用不受限制。随着膜技术的发展这将变为现实。膜技术包括两个方面，其一是在二级处理后的膜处理技术，即应用微滤或超滤，再紧接着应用反渗透的技术（AWWA，1996）；其二是应用膜生物反应器（Gunder,2001;Stephenson,等，2000）。这些技术将在本次会议的其他论文中进行详细的讨论。当需求高质量的回用水时，应当使处理水平得到极大的提高。
　　当处理方式和系统构造成为回用水总体布置考虑的一个因素时，废水的收集和分配系统的也是一个要着重考虑的因素。图1表示的是加利福尼亚州洛杉矶市的水回用系统的布置情况：回用的水来自洛杉矶、Glendale、Donald C.Tillman和西部流域水回用厂（WRPs）。洛杉矶、Glendale、Donald C.Tillman回用水厂处理系统由基本的初级处理、二级处理、过滤和高级消毒系统组成。他们利用收集系统收集原污水并进行处理，再利用双配水系统将经过处理的水分配到附近的地区进行使用。他们将处理过程中产生的固体废物返回到收集系统，然后运送到Hiperion污水处理厂（WWTP）对其进行充分的去除和处置。Hiperion污水处理厂位于洛杉矶市的工业区，同Terminal岛污水处理厂一样，收集到的污水多数是城市里产生的工业污水，也收集到了没有被上游的WRPs回收水厂处理的污水。洛杉矶、Glendale、Donald C.Tillman回用水厂（WRPs）位于生活区污水截留管的附近，这样就会使处理后的污水所含的工业废水较少。西部流域回用水厂与此不同，它收集的是Hiperion WWTP的二级出水，对其进行一系列的处理后，将水用于非限制性城镇浇灌用水，或注入地下水以防止海水入侵地下水含水层，或用于工业冷却用水。随着人们对回用水水质水量需求的提高，西部流域回用水厂长期以来不断地进行改造。上述的例子说明决定水回用系统布置的方面有许多，主要包括以下几个方面：
　　1． 废水收集系统布置在工业极少的服务区内。
　　2． 回用水厂厂址应选在接收的废水中少有或没有工业组分的地方。
　　3． 回用水厂厂址应选在靠近现在或将来应用回用水的地方，将双配水系统的配水距离 减至最小。
　　废水收集系统和水分配系统的经济寿命很长，一般是100年或更长，因此许多年来原有的收集系统的布置和处理设施的位置在几十年内影响着水的回用。另一方面，每隔20年，处理设施需要进行革新。不但如此，为了提高处理水平，水厂也需要革新。因此，对回用水的计划影响最大的不是现有的处理方法，而是回用水厂的整体布置。
　　现有的整体系统结构也能够被利用。城镇农业回用水系统要具备对污水和（或者）处理后水的收集和长距离运输的能力。农业回用低质的经处理的城镇污水，可将原来用于农业的淡水用于城镇生活使用。由于农业回用水系统所需的处理费用较低和（或）所产生的水资源价值弥补了输送设施的费用。非直接饮用回用水系统与此不同，既然回用水同原有的供水相混和，经过后续的处理设施的处理，是通过现有的饮用配水系统的分配可用于非直接饮用回用，那么输水系统和配水系统的费用将达到最小。但是，在非直接饮用回用水系统中，为了保护公众供水水源不受污染，就需要对回用水进行高度处理，这样处理费用将最高。
　　总的说来，回用水系统提高了现有的水资源水质和可利用的水量，因而增大了现有的水资源量。回用水系统由集水、处理和配水系统组成。由于集水和配水系统的使用期较长，所以选择合适的回用水系统时，集水和配水系统的布置比处理系统更重要。现在已有几个模式适合于特殊的应用。

　　指导性原则2：评估回用水经济效益需要系统方法

　　通常情况下，人们希望在简单的基础上对回用水进行评估，即确定水回用的处理和配水费用后，同水的商业价格进行对比。如果回用水经过处理和分配的费用比现有的用水价格较低,那么水的回用是可行的和经济有效的。如果回用水处理和分配的费用比现有的水的商业价格高，那么水的回用是不经济的。然而，这样的经济估算忽略了回用水对现有供水系统的增大的作用。当然，必须把用于再生回用的投资与扩建供水系统所需增加的一般都超过平均水价或商业水价的费用进行比较，上述的这种简单的水再生回用经济计算方法将为回用水的应用确立机会。
　　图2简单的说明了一种应当被采用的估算回用水可行的方法。比如对社区现有的四个水源进行考虑，其中两个是区域井水供给，注明区域井水A和B；另两个是地表水源供给，注明地表水源A和B。每一种水源供水的费用包括从环境中取水的费用、贮水（原水或处理后的水的贮存）费用、处理费用和配水费用。取水步骤包括凿井（区域井水供给）和地表水的引入（地表水的供给）。贮水包括建造地表水的贮存池和处理后水的储存池。处理步骤包括对地下水要进行简单的消毒处理，或者建造地表水处理水厂。配水费用用于配水系统的建造、运行和维护方面。这四种水源的相对费用情况如图2所示。假定用水费用建立在费用平均的基础上，那么消费者的用水价格是这四种水源费用的平均价格，如图2所示。平均价格是相对费用的55%。
　　如图2所示，回用水的价格是居民用水价格或用水率（即平均用水价格）的一小部分。原因是人们通常认为回用水不象饮用水那样有价值，对其使用需要某种动机。回用水的价格取决于其水质同饮用水的比较。然而，回用水的价格相当于饮用水的70~80%也并不少见。但这种价格并不能反应出回用水的价值。总的说来，水的再生回用是增大供水系统的一种方法。当为了这个目的而使用回用水时，只要水再生回用的总费用少于自来水供水的总体费用（包括取水、贮存、处理和配水费用），采用回用水系统供水是可行的。所以，对于图2中的例子，供水总费用为100%时，回用水费用占40%。回用水除去增加供水外，还有一个潜在的作用是代替了现有的供水资源。在这种情形下，如果水回用费用比最昂贵的水源供水费用低，那么水的回用也就降低了成本，例如图2中地表水源B相对费用最大为75%，。因此，对回用水的使用进行评估时，仅仅考虑那些比用水价格少的情形，将要忽略回用水的真正经济效益。例如，假定使用回用水的费用同地表水源供水B费用相等，那么水的回用对社区来说是经济有效的。由于供水的增长，用水率有时不得不增长，或许达到相对费用的60%左右，此时回用水的费用占45%。
最后，对水再生回用成本进行评估。通常情况下，合理的废水管理需要采用一些处理方式以保证废水的排入环境而不会使环境受到危害。这些成本同水的再生回用没有联系起来，自然没包括在水的再生回用的经济评估之中。而通常仅把废水的额外处理的费用，即超出了排入环境的要求的处理的费用，包括在回用水的经济分析之内。
　　总的说来，水再生回用的经济评估需要包括以下几个方面：
　　1． 所有的供水费用进行评估，包括取水、贮水、处理和配水的费用。
　　2． 再生回用水费用同下一个最值得花费的扩建社区供水方案的总的供水费用相比 较。
　　3．水的价格通常基于所有社区供水费用的平均价格，并不指最大的费用。
　　4．回用水的价格通常占用水价格的一小部分，有时没有提供足够的收益资助再生回用水系统。然而，即使回用水水价不为再生回用水系统提供资助，但是从供水系统整体背景来说水的再生回用也是有效益的。
　　4． 通常水再生回用费用定为比排放环境所需的水处理的费用多出来费用。

　　指导性原则3：采取可利用的方法以减轻水回用对公众健康和环境造成的风险

　　人们对使用回用水的安全性很关心。废水中含有许多影响公众健康和环境的污染物质。去除废水中主要污染物是减轻其对公众健康和环境影响的主要措施，这样就需要对实施再生回用水计划所需的污水处理方法进行严格的规定。然而，必须认识到，几种方法对减轻回用水对公众健康和环境影响都是有效的，如表3所示。

表3. 减轻回用水对公众健康和环境风险的方法 - 水源控制（从服务区来的回用水少含或不含有工业废水）。 - 使用双配水（或多级配水）系统。 - 将回用水同潜在的暴露途径进行隔离。 - 将低质水同高质水混和使用。 - 处理。

　　我们还要关注工业污水中有毒和其他污染物质潜在的危害，这些污染物有可能存在于原污水中，因此也就有可能存在于回用水中。去除这些污染物质是消除其威胁的一种方法。而另一种方法是控制水源，以减少污染物质进入回用水的机会。例如，作为回用水水源的服务区限定在主要是生活性污水区域，避免明显的工业排放物的影响。对那些已存在的工厂排放的废水，应该进行严格控制，使其排入要再生废水中的污染物质减到最少。这就需要成熟的处理技术来去除这些污染物质，处理结果能使回用水系统更加可靠和安全。
　　将回用水和饮用水系统分开是消除对公众健康和环境威胁的另一种方法。在这种情形下，将回用水用于风险比较低的情况，例如用于工业生产过程用水、灌溉用水和卫生间冲洗用水。回用水配水系统的使用数量和范围，以及公众同回用水接触的隔离程度不仅决定这种回用系统的费用，而且还决定着对公众健康和环境的保护程度。然而，这种回用系统的费用和风险的减少程度同所选择的处理方式有关。
　　还有一种消减风险的方法是将回用水与可能暴露的途径隔离开来。例如，应用回用水进行浇灌公共绿地时，使用滴灌系统灌溉比使用喷洒系统安全。同样，回用水用于浇灌直接食用的作物时，使用漫灌或滴灌灌溉比使用喷洒系统安全。原因是这种措施减少了回用水同作物中的粮食直接接触的机会。
　　将低质水同高质水相混和，可以减少低质水源中的污染物质浓度，从而减少了低质水带来的危险。例如，如果回用水用于饮用目的时，在其进行分配之前可同高质的饮用水相混和。非直接饮用水回用方法一般是将回用水同原水源混和，混合后的水再进入水厂经过处理，然后通过配水系统供给用户。直接饮用水回用方式与此不同，回用水直接进入配水系统而没有进行混和。这样的回用水使用方式将导致一部分用户使用的是大量的回用水，而一部分使用的是少量的回用水，从而对健康形成不同的威胁。
　　最后，利用成熟的和多重的处理技术可减少回用水对公众和环境的影响。但是由于处理技术不可能达到100%的去除和完全的可靠，可能会使一些污染物穿过处理系统出来，因此处理技术本身也存在着一定的风险。正因为如此，采用一种以上的去除相同污染物的处理技术去除污染物质，可以改善污染和处理过程的可靠性。
　　上述这些消减回用水对公众健康和环境风险的方法便引出了多级屏障的概念。在回用水系统设计中，可以采用多种屏障方法来减少风险，也就是说，当一种屏障方式的有效性是暂时的话，那么就可以采用另一种屏障的方法保证回用系统的可靠性和效用。例如，我们可以选择适当的处理方法对水进行处理使其满足特别的用途，但是回用水系统收集的废水是来自于工厂很少的服务区，而使整个系统的可靠性得以提高。另外，如果由于某种原因，处理系统只是暂时有效，但是因为没有工业污染物质，回用水的安全性仍可得到保证。与此相同，如果灌溉系统中不仅采用适当的处理方式，并且能有效地减少灌溉系统（比如淹没式滴流系统）的用水同公众或食用性作物的接触机会，那么整个灌溉系统的安全性就提高了。这样的话，对回用系统的效用进行评价要基于系统的表现形式。这分为两种情形，或者系统的所有组成部分运行良好，或者一个或多个组成部分运行没有达到预期目的。回用系统对公众健康和环境影响的消减程度也可以根据这些进行评估和对比。通过采用不同的风险减轻办法可逐步改进处理系统带来的风险。既然回用系统的某些单元（特别是处理单元）可以分阶段的实施，因此，逐步实施这些单元，就可以逐步地减少对公众和环境的风险。

总结和结论

　　总的说来，中国正在着手于一项有远见的宏伟计划，该项计划将扩大污水处理的基础设施，这不仅能够减少地表水和地下水资源的污染，而且还能够加强对公众健康和环境的保护。这将为另一个水资源，即回用水的使用提供机会。中国已经意识到了这样的机会，并且积极地将水回用纳入正在实施的计划中。同时，中国为了完成这项宏伟的计划，也在认真地学习其他国家的经验。
　　这篇文章讨论了三个指导性原则，以帮助中国实施水回用的计划。它们是：
　　1． 回用水是整个水管理系统的一部分。
　　2． 需要一种系统方法来评价回用水的经济可行性。
　　3． 可以采用许多方式和方法来消减回用水对公众健康和环境风险。
　　水的回用既减少了对水资源的污染，也减少了必须从环境中去除的水量，因此，水的回用就是增加了水资源。有些水回用的模式是可行的，可以根据当地的情形不同而采用不同的回用模式。由于废水收集和分配系统同处理系统相比，其使用期更长，所以确定收集和配水系统的形式比处理系统更为重要。如果必要的话，处理系统可以分阶段建造。而对于收集和分配系统分阶段建造则很困难。
　　对回用水进行经济评估要求全面了解整个供水系统的经济性。水再生回用的费用必须同社区即将采用的费用最高的供水系统总费用相比较。供水的费用包括环境中去除的水量的费用（地表引水和井群）、贮水费用（贮存原水及生产出的水）、处理费用和配水费用。如果再生回用水比扩建的供水系统费用低，那么它就是经济的。然而，扩建供水系统的费用通常比平均水价高。既然回用水的价格定位在某种程度上低于饮用水价，出售回用水直接得到的收入也将低于再生回用水系统的建造费用，即使如此，回用水系统是经济有效的。
　　消减回用水系统对公众健康和环境的风险的许多可行的方法，提高了实施的回用水系统的可靠性。这样的回用水系统通常是由多级安全屏蔽组成的，包括处理和其他步骤。实施新增的单元，可以使风险进一步降低。

参考文献

　　American Water Works Association, Water Treatment Membrane Processes, McGraw-Hill, New York, 1996.
　　Gunder, B., The Membrane-Coupled Activated Sludge Process in Municipal Wastewater Treatment, Technomic Publishing Co., Lancaster, PA, 2001.
　　Stephenson, T., S Judd, B. Jefferson, and K. Brindle, Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment, IWA Publishing, London, 2000.
　　United States Environmental Protection Agency, Guidelines for Water Reuse, EPA/625/R-92/004, 1992.

表2 回用水应用实例 类型 位置 处理方式 用途 农业 Grand Strand, 南卡罗来州 二级处理 水果树和草地的淹没式灌溉 农业 Santa Rosa, 加利福尼亚州 二级处理、过滤和高度消毒
( 标题22) 用于许多灌溉用途，特别是奶牛牧场的灌溉 农业 Monterey, 加利福尼亚州 二级处理、过滤和高度消毒
( 标题22) 食用性作物例如莴苣，椰菜，和朝鲜蓟的灌溉 农业 Salem, Oregon,俄勒冈州 二级处理 植树造林 工业 Geysers Recharge, 加利福尼亚州 氧化塘处理 补充发电地热用水 工业 Colorado Springs, 科罗拉多州 混凝、过滤、离子交换 电厂的冷却循环用水 工业 Mobile Refinery, 加利福尼亚州 石灰软化、过滤 冷却用水 工业 新加坡 微滤、反渗透、紫外线消毒 微电子高纯水 城镇非饮用水 West Basin, 加利福尼亚州 多级流程： (1)过滤和高度消毒 (2) 微滤和反渗透 (3)生物曝气过滤 非限制性灌溉用水、工业冷却用水、防止海水入侵的屏障用水 城镇非饮用水 Santa Monica, 加利福尼亚州 微滤和紫外线消毒 非限制性灌溉用水 城镇非饮用水 Jacksonville, 佛罗里达州 过滤和高度消毒 非限制性灌溉用水 城镇非饮用水 Laei, 弗吉尼亚州 过滤和高度消毒 非限制性灌溉用水 非直接饮用水 Upper Occoquan Sewage Authority, 弗吉尼亚州 一级和二级处理（硝化）、石灰、过滤、活性炭、过滤、氯消毒 补充地表水供给 非直接饮用水 丹佛, 科罗拉多州 石灰、过滤、离子交换（脱氨）、活性炭或反渗透、消毒 补充地表水供给 非直接饮用水 Gwinett County, 佐治亚州 一级和二级处理（硝化）、石灰、过滤、臭氧、活性炭 补充地表水供给 非直接饮用水 新加坡 微滤、反渗透、紫外线消毒 补充地表水供给