城市污水全量循环方法学研究

张立辉 宫丽娟 周玉芬 徐敏敏

(山西省环境规划院，太原 030002)

城市污水全量循环方法学研究

张立辉 宫丽娟 周玉芬 徐敏敏

(山西省环境规划院，太原 030002)

城市的快速发展对水资源、水环境的压力不断增大，城市生活污水排放量逐年增长。为节约水资源，改善水环境，将城市污水深度处理后回用于工业、市政等方面，设置不同情景对城市污水全量循环方法学开展研究，以实现城市污水不外排。

城市污水；全量循环；污水零排放；节约水资源

前言

近年来，经济的快速发展与城市化率的不断提高使得环境污染问题日益加剧，城市所面临的水资源供需矛盾日益突出。与此同时，再生水、雨水等非常规水资源的资源性被不断认知使得非常规水资源的利用成为了城市可持续发展的必需。同时，水处理技术的快速发展为非常规水资源的利用提供了可靠的技术保障[1]。诸多因素使得城市污水资源化成为可能和社会发展的必然趋势。

高强度的城市化使得城市的水资源与水环境承载力均超过限值。为了节约水资源，保护水环境，应当最小化城市对自然水体在水量及水质上的冲击，协调城市发展与城市水资源及水环境之间的关系[2]。基于这样的观点，本研究遵循“尽可能减少城市自然的取水与排水量，尽可能多的利用进入城市的水资源”的原则，以保障自然水循环健康，促进社会水循环高效为目标，建立最终实现城市污水全量循环的概念。以实现城市污水全量循环为核心，以改善我国流域水质为根本目标，以城市可持续发展理念为指导，对城市污水全量循环方法学开展研究。

1．城市污水全量循环方法框架

城市污水全量循环即城市污水用传统工艺处理达到排放标准后，根据不同的回用途径进行深度处理后，回用于城市杂用、工业用水、景观环境、地下回灌等，实现城市污水的全部、多次循环利用。

城市污水全量循环方法学框架如图1所示，由水资源利用现状分析、水资源利用预测分析、再生水产生量预测分析、需水量与再生水量供需平衡分析四部分组成。

在对定额法中人均居民家庭生活用水量进行确定时，应当对规划区域的城市居民家庭生活用水现状进行充分调查与趋势分析，参考当地城市的投入程度以及技术水平先进城市的居民家庭生活用水现状，合理、慎重地选取该参数的取值。

在居民家庭生活用水水平确定的基础上，利用下式对城市市政公共服务用水水平进行确定。

其中β为人均市政公共服务用水量与人均居民家庭生活用水量的比值。

人均市政公共服务用水量与人均居民家庭生活用水量的比值由很多因素决定，如城市化水平、城市性质、气候、居民生活习惯等，随着城市建设的日趋完善，城市生活用水的结构将趋于稳定，这个比例将保持相对稳定。因此，在定额法中对该比值的确定要密切结合城市的实际情况。通常对于发展较快、规模较大城市来说，随着城市建设的完善，人民居住水平的提高，市政公共服务用水所占比例一段时间内都会呈现下降的趋势，但下降幅度要综合考虑多种因素，合理确定；对于发展较晚，正在迅速建设的城市，随着公共服务水平的不断提高，市政公共服务用水所占比例一段时间内都会呈现上升的趋势，同样上升幅度要综合考虑多种因素，合理确定。

（2）工业用水需水量分析

工业用水是指工、矿企业的各部门，在工业生产过程中，制造、加工、冷却、空调、洗涤、锅炉等处使用的水及厂内职工生活用水的总称。与城市生活用水类似，本研究构建的城市污水全量循环方法学中，也采用定额法预测工业用水需水量。对于基础信息不完善的地区，采用该方法进行需水量的预测，简单可行。

定额法采用万元增加值指标法对工业用水进行需水量预测，如下式所示：

其中：QI为工业用水量，EI为工业增加值，wI为单位工业增加值用水量。

万元工业增加值用水量反映了工业用水水平，单位通常为m3/万元。全国及各省万元工业增加值用水量不等，各省水平有较大差距。2010年山西省万元工业增加值平均耗水量为28.52m3/万元，太原市为29.56 m3/万元，均处于较低水平。

在对规划区域万元工业增加值用水量指标进行确定时，应当在保证规划区域工业正常发展的前提下，对规划区域的工业行业及其各行业的用水现状进行充分调查与趋势分析，合理考虑各行业各种节水技术与措施对万元工业增加值用水量的影响，参考当地城市的节水投入程度、节水水平先进城市的万元工业增加值用水量相应的上位规划与相关专业规划，如城市总体规划或工业产业发展相关的专题研究等，在充分发挥当地节水潜力的前提下，合理慎重取值。

（3）环境用水需水分析

环境用水主要是指城市范围内，为了维护城市生态环境发挥正常的作用，用于河湖、景观等方面的用水。其需水计算公式如下：

其中QE为环境用水量，Qe为水面蒸发量，Ql为河湖渗漏量，Qb为河道基流量，Qd为稀释污染物用水量。

以上各值可主要参考上位规划和相关专业规划的数据，如城市总体规划或生态保护相关的专题研究。

（4）水系统漏损分析

水系统漏损是以管网漏损为主的城市水系统运行过程中损失的水量，可以使用漏损率来进行估算。漏损量计算公式如下：

其中，QU为水系统漏损量，u为水系统漏损率。

生活用水、工业用水、环境用水采用之前的计算结果。水系统漏损率可参考上位规划和相关专业规划的数据，如城市总体规划或节水技术相关的专题研究；或根据城市节水目标提出相应的数值。

3.2 节水情景用水量预测分析

参照常规情景，通过设定新鲜水用水水平，分别从生活用水、工业用水、环境用水及漏损4个方面进行节水情景用新鲜水量预测。

（1）生活用水需水量分析

节水技术的进步及节水器具的推广处于一个相对稳定期，在现状情景已考虑，因此，节水情景主要考虑再生水的回用比例。

城镇居民家庭用水中，沐浴、冲厕、清洁、饲养宠物、洗车等均可用回用水。市政公共服务用水中，车船码头等的用水以及道路浇洒、绿化、消防等方面的用水亦可用回用水。

定额法中城市居民生活用新鲜水量的计算公式如下：

其中，QL'为城市生活用新鲜水量，Pu为城市人口，wL'为生活用新鲜水水平。

根据城市生活用水的组成，城市生活用新鲜水水平wL'由居民家庭用新鲜水水平wLF和市政公共服务用水水平wLP组成，如式8所示。

表征城镇居民家庭用水水平wLF'的指标为人均居民家庭生活用新鲜水量，单位通常为升/人•日。γ1和γ2分别为居民家庭和市政公共服务用水中再生水的比例。

在居民家庭生活用水水平确定的基础上，利用下式对城市市政公共服务用水水平进行确定。

其中β为人均市政公共服务用水量与人均居民家庭生活用水量的比值。

（2）工业用水需水量分析

定额法采用万元增加值指标法对工业用新鲜水进行需水量预测，如下式所示：

其中：QI'为工业用新鲜水量，EI为工业增加值，wI'为单位工业增加值用新鲜水量。δ为工业用水中回用水的比例。

（3）环境用水需水分析

环境用水基本可以完全用再生水替代。

（4）水系统漏损分析

水系统漏损是以管网漏损为主的城市水系统运行过程中损失的水量，其可以使用漏损率来进行估算。漏损量计算公式如下：

其中，QU'为水系统漏损量，u为水系统漏损率。

生活用水、工业用水、环境用水采用之前的计算结果。水系统漏损率可参考上位规划和相关专业规划的数据，比如城市总体规划或节水技术相关的专题研究；或根据城市节水目标提出相应的数值。

4．再生水产生预测分析

随着城市区域水资源短缺形势的日趋严峻，水处理技术的快速发展，以再生水为代表的非常规水源已经成为城市的重要资源之一。再生水源利用量的多少已经成为一个城市水资源开发利用先进水平与可持续发展进程的重要标志。

4.1 再生水水质的识别

随着国家对环保工作的重视及水处理技术的逐步完善，十二五期间基本实现县县建有城镇污水处理厂，出水水质达《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。城市再生水回用不同途径对应有不同的标准，对比如表2所示。

城市杂用水主要是指适用于厕所便器冲洗、道路清扫、消防、城市绿化、车辆冲洗、建筑施工杂用等

方面。其中，车辆冲洗、冲厕要求水质相对较高。工业用再生水主要用于冷却用水、洗涤用水、锅炉用水、工艺用水、产品用水等方面。景观环境用水主要是用于观赏性景观环境用水及娱乐性景观环境用水，如河道、湖泊、水景等。地下水回灌指一种有计划地将地表水、城市污水再生水在内的任何水源，通过井孔、沟、渠、塘等水工构筑物从地面渗入或注入地下补给地下水，增加地下水资源的技术措施。由表2可以看出，城镇污水处理厂出水达到一级A标准后，与回用所要求的大部分指标相一致，基本可以满足工业、城市杂用、景观用水及地下回灌的需求。当对再生水回用水质要求较高时，可通过在原污水处理工艺后增加相应的水处理单元来解决。

城市再生水回用于城市杂用、工业以及景观环境的技术比较成熟，已得到广泛应用。对于再生水用于地下水回灌，国内许多学者也开展了很多研究[3,4]，但距离实际应用还有一定距离，暂时还没有相应的回灌标准和成熟的技术方法，

4.2 再生水可供水量的识别

再生水主要用于城市的工业、市政杂用、环境补水、地下回灌等方面，其可供水量的识别分为以下几个步骤：

①再生水利用的现状分析。通过分析规划区域历年的再生水使用总量、各用户的再生水使用量、再生水厂的数量、再生水生产规模等，识别规划区域再生水的利用状况与发展趋势。

②再生水资源量的分析。根据规划区域用户的用水量以及排水特征，计算区域内再生水的资源能力，如下式所示。

其中，SRS为再生水的资源能力， QL为生活用水量，kL为生活用水排水系数， QI为工业用水量，kI为工业用水排水系数，f为城市污水收集率。

③再生水可供水量的识别。根据再生水资源量的分析，考虑到规划区域的污水处理能力与再生水生产能力等因素，再生水可供水量的计算公式如下所示：

其中，SR为再生水可供水量，f '为城市污水处理率，SRAi为第i个再生水厂的生产能力，i的取值范围为1～n，n为区域内再生水厂的个数。

5．供需平衡分析

供需平衡分析是在明确用户需求水量与常规水源和非常规水源供水能力的基础上，进行水资源的供给与需求的平衡分析。与传统供需平衡分析不同，城市污水全量循环规划中的供需平衡分析将区分不同用户不同用水行为对水质需求的差异。

常规情景与节水情景的需水量差值即为再生水需水量。当再生水需水量不小于再生水产生量时，理论上来讲，通过协调配置即可实现城市污水的全量循环。

（1）多水源供水的水量水质分析

常规水源：通常包括地表水、地下水和外调水，通过城市统一的供水管网供给。该部分水源的水质可以达到所有用户的要求，也称为高质水源；

再生水水源：指城市集中污水处理厂的出水经过深度处理后的再生水，其水质限制了其用途，通常用于城市景观、河湖补水、绿化、冲厕、冷却和洗涤等方面。

（2）多用户需水的水量水质分析

根据水质需求的差异，对不同用户不同水质的需求进行确定，如下式所示。

其中，Qi为对第i种水源的需求量，hLi为生活需水中第i中水源所占比例，hIi为工业需水中第i中水源所占比例，hEi为环境需水中第i中水源所占比例。

第i种水源在不同用户需水中所占比例可以根据不同情景选取不同的数值。比例确定采用“就低不就高”的原则，即，对于既可以使用低质水源也可以使用高质水源的用户用水，按使用低质水源计算。

（3）多水源多用户水量水质供需平衡分析

多水源多用户的水量水质供需平衡分析是要针对不同水质的水源进行供需平衡分析，在此基础上，还遵循以下三个原则：①高质水源可以用于满足用户的低质水需求；②低质水源之间不存在差异，可以互补供应满足用户的低质水需求；③除工业、城市杂用及环境用水之外，多余的再生水可全部回灌于地下。

根据上述分析结果，再生水主要用于工业、城市杂用、景观环境三个方面，而对于冬季需水量少时，不能全部回用的再生水可结合山西特有的山地及采空区等地形地质条件，考虑回灌于地下含水层贮存，等缺水时再从地下调出，进而可实现城市污水的全量循环。

6．结论

随着城镇化发展速度加快，城镇居民人口增加，导致城镇生活污水排放量增加，成为导致地表水环境恶化的重要原因。城镇生活污水若能有效利用，将是解决水资源紧缺的一个重要途径。开展城市污水全量循环利用方法学研究，实现污水的零排放，是解决水环境污染问题的有效途径，也是支撑城市可持续发展的重要内容。目前国内尚无城市实现污水全量循环，但是各类物理、化学污水净化技术日趋成熟，能够满足不同档次再生水质量要求。

通过多水源协调利用来实现城市污水全量循环，减轻由于城市发展对水资源、水环境的压力，对于保护环境、实现城市持续发展具有重大意义。

[1] 施汉昌. 污水处理技术的研究与发展[J]. 给水排水. 2013（2）, 1-3.

[2] 黎莹,钟丽锦, 傅涛. 我国城市综合节水管理框架构建及节水管理现状分析[J]. 水资源保护，2010（5）：21-25.

[3] 单连斌，赵离堪，张聪璐等. 地下回灌——污水回用的重要战略[J]. 环境保护科学，2003, 4（29）: 10.

[4] 张猛， 成徐州，赵璇. 再生水补给地下水的新方式——组合式强化井灌[J]. 清华大学学报（自然科学版）, 2009, 49（9）: 118-120.

Study on methodology of urban sewage full recycle

Zhang Li-hui Gong Lijuan Zhou Yufen Xu Minmin
(Shanxi Academy for Environmental Planning, Taiyuan 030002 )

The rapid development of city is increasing the pressure of water environment and water resource. The urban sewage emission is increasing every year. In order to save water resource and improve water environment, the urban sewage after advanced treatment was used in industry and municipal, etc. Different scenarios were set to study the methodology of urban sewage full recycle, in order to realize urban sewage zero discharge.

Urban sewage；Full Recycle；sewage Zero Discharge；Saving the Water Resource

X24

A

1674-6252（2014）04-0026-06

2012年山西省科技攻关计划项目，《污水监测及循环利用技术研究-汾河流域城市污水全量循环过程中水量平衡模型的研究》阶段成果.

张立辉（1980—），女，汉族，河北省南宫市（籍贯），工程师（职称），博士研究生，研究方向：水污染控制与废水资源化.