再生水回用的研究现状综述

张国珍，孙加辉，武福平

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070；2.西安航天动力试验技术研究所，陕西西安 710100)

随着世界工业、经济发展和城市化进程的加快与人类生活水平的逐渐提高，我国水资源供需矛盾日益突出，由于世界上的淡水资源是有限的，远远不能满足人类对水资源的需求量。为了解决水资源短缺带来的诸多问题，人们经多渠道开发研究提出了解决途径：雨水与冰川水的收集利用，海水的开发，苦咸水的利用，空中水利用，城市污水资源化等。通过多方技术分析比较得知城市污水资源化是最有效的解决方法，它由于水量大，比较稳定，易于收集与处理[1]，不仅能缓解城市供用水的矛盾，而且还能改善水环境、减少水灾害, 具有巨大的社会效益和生态效益[2]。因此实行再生水回用必将更有广泛的现实意义。

1 再生水回用的研究现状

再生水即城市污水资源化，是指城市污水和工业废水经过适当处理达到一定的水质标准, 使之变为城市水源的一部分，以达到充分利用水资源和减轻环境污染负荷的目的[2]。再生水因其水源比较稳定、可靠，受季节影响较小，环境效益明显，成本低，可实现水生态的良性循环，因此人们热衷于将再生水回用。由于再生水的回用是一个系统工程[3]，涉及许多方面及领域。目前，它的研究领域主要集中在几个方面：(1)再生水回用的投资来源；(2)再生水回用的途径及标准；(3)再生水的处理技术；(4)再生水回用的效益和风险分析；(5)再生水回用的相关政策。

1.1 再生水回用的投资来源

再生水回用工程是一个庞大的工程，其需要的资金数额巨大，因而，再生水回用工程的资金来源分析是一个重要的研究方向。目前，我国再生水回用工程一般是在城市污水厂的基础上发展起来的，因此国有性质的污水处理厂一般为该项目的承担者，继而其资金来源通常就是国家或地方政府的财政拨款、污水处理厂自有资金、污水处理厂获得国内外贷款、自筹资金、外资利用、股票债券等[4]。其中国家或地方政府的财政拨款是其资金的主要来源，但是已存在的该部分资金量受到经济发展水平的限制，往往不能满足巨大的资金需求。于是，贺明珠等[5]宏观地分别从项目资本金，债务筹资，项目融资模式三方面提出获得资金的相关途径。

目前水厂采用的融资模式常为PPP(public-private-partnership)，即公私合作伙伴，作为公共部门与私人企业合作的一种模式，可以有效地缓解基础设施建设资金紧张的状况，是一种基于双赢或多赢理念基础上而形成的模式。其拥有融资性、高效性、低风险性，包含BOT、TOT、BTB、DBFO等多种模式。如图1～图3所示，2007年高旭阔等[6]详细地介绍了PPP模式中三种主要应用于再生水回用项目的项目融资方式：BOT模式为政府持有再生水项目的特许经营权，由投资者负责项目的设计、建设与管理，待经营期满后由政府收回。该模式由于吸收国外与外来资金减少了政府的投资风险，已经成为我国城市污水处理设施建设和运行的重要选择之一[7]，但该模式不仅周期长，而且对企业来讲有投资风险较大的弊端[8]；TOT模式是政府将已建再生水项目的产权和特许经营权移交给投资者，投资者一次性的付给政府一定金额，待期满后由政府收回。该模式有利于政府提高再生水项目开发效率，同时降低了投资者前期费用的风险，由于项目已经建成，其运营风险也得到了很好的控制；TBT模式是BOT模式与TOT模式的结合，政府将建设完成的再生水项目移交给投资者，投资者在一定的期限内且一次性向政府交纳一定资金，同时政府将新建项目设施的建设与运营权在一定的期限内转让给同一投资者，双方合约期满后由政府收回新旧项目的经营权。TOT是辅助作用促成新建一个BOT，该模式吸引社会资金减少政府财政压力，有利于促进社会资源的合理配置，提高了资源使用效率，投资者可以从新建和已建项目中收益，但双方在达成合约前都需对对方进行严格的审核考察，以达到双方预期的效益。高旭阔等[6]指出TOT模型相对于其他两种方式更容易得到投资者的资金。

图1 BOT融资模式Fig.1 BOT Financing Mode

图2 TOT融资模式Fig.2 TOT Financing Mode

图3 TBT融资模式Fig.3 TBT Financing Mode

1.2 再生水回用的途径及标准

目前，国内外再生水回用的主要途径有农业、工业、补充水源及地下水、环境娱乐、城市公共用水等[9]。

在农业中，再生水主要应用于农田灌溉、造林育苗、农牧场和水产养殖[10]。农业用水量在水资源利用中占据着半壁江山，据统计我国每年用于农业灌溉的水约为60亿m3[11]。再生水回用于农业被视为缓解农业水资源短缺和促进农业增产的有效措施。农业灌溉对水质要求较低，一般经过二级处理的水经适当处理即可。二级处理对氮磷等营养物质的去除率是比较低的，如果再生水作为农业回用就有可能省去这一环节或者降低处理要求，即达到了对农业提供稳定的水源，同时也提高了肥效、降低了水处理费用。由于农田水影响着大气、土壤、地下水、农业产量的大小和产物的健康问题，因此灌溉水的标准是一个必须重视的问题。我国对用于灌溉的再生水标准为《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》(GB 20922—2007)[12]。在工业中，再生水可用于工业循环冷却水、洗涤用水、锅炉补给水、产品用水和工艺用水等领域，从而能有效减少工业污水的产生和工业设备的腐蚀[13]，其中工业冷却水对水质要求不高，发展潜力大且应用范围广，然而锅炉用水与工艺用水对水质要求较高通常很少采用再生水回用。但是不同工业的工艺用水却有着不同的要求，于是，我国在2005年颁布了工业再生用水的标准《城市污水再生利用工业用水水质》(GB/T 18923—2005)。在补充水源以及地下水方面，再生水回灌通常采用喷洒法和注入法，再生水回灌体现了减量化、无害化、资源化的原则和可持续发展的战略思想，是扩大污水回用最为有益的一种方式也是防止地下水降低与地面下沉的有效措施。因其对再生水的要求很高和循环周期长，国家在保证不污染地下水体的前提下，结合对污水深度处理的最大能力制定了《城市污水再生利用地下水回灌水质》(GB/T 19772—2005)。虽然美国、以色列、德国、丹麦等国都在大力推行，尤其以色列在该方面始终处于世界领先地位，但是我国目前在该方面的应用还是屈指可数。在环境娱乐方面，再生水可以提供景观用水，而且可以通过景观河道,为沿途的城市绿化提供用水还可以在体育运动方面得以利用，如：游泳，划船，钓鱼，跳水等。由于回用水相对于天然水体在景观用水中的不足之处是再生水易使水中藻类过度生长，甚至出现水华等环境问题，因此我国对再生水用于景观用水的水质制定了相关要求：《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921—2002)。2002年在城市公共用水[14]方面，包括冲厕，道路清扫，冲洗车辆，建筑施工与消防用水等，国家提出《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920—2002)。虽然城市公共用水的水质要求不高，但在回用过程中会与人有间接或直接的接触，因此应严格控制其生化与卫生学指标。目前对于重金属、有机污染物及内分泌干扰物等一些有毒物质和反映水质的关键性指标尚未有完整的规范要求。

再生水回用应持着“优质优用、低质低用”的原则[9]，合理有效的去利用再生水，应结合当地的地理、气候、经济与社会等实际情况，采取有效的利用途径，让再生水发挥其最大的成效来缓解我国水资源短缺现状，促使水生态与经济的可持续发展。

1.3 再生水的处理技术

根据原水水质、水量与再生水回用途径及用水水质要求的不同，进而就需不同的再生水处理工艺。我国再生水处理回用工艺可归纳为三类[15]：(1)传统的老三段——混凝、沉淀、过滤加消毒，该技术对某些溶解性有机物去除率较低，对一些水质复杂的污水处理很难达到处理效果；(2)膜处理工艺——利用膜的选择透过性截留大分子溶质，实现处理的效果。膜分离技术主要有：微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、电渗析(ED)等，该处理技术对SS去除率高，出水稳定，占地面积小，但运行费用较高，膜污染问题难以解决；(3)生物处理技术——利用水中微生物吸附分解水中有机物达到净化的目的。包括：人工湿地系统、曝气生物滤池系统、SBR、AO、AAO、CASS、氧化沟、UASB法等，该方法常用于有机物污染较严重的污水，处理效果稳定，抗冲击负荷强，剩余污泥产量低[16]，但工艺运行管理复杂，对大气环境有着明显的污染。

随着技术不断发展及对水质要求的提高，通常的处理工艺已不能保证人类的水质安全，因此随着水处理新技术的发展,处理方式趋向生化、物化和膜法的统一联合应用[17]——将混凝、沉淀、过滤、活性炭吸附、臭氧氧化、离子交换、电渗析、反渗透、MF、UF、RO、MBR等进行组合[18]，从而达到较高的处理效果。Sara等[19]将MF与RO结合对含药剂水进行再生回用，得出该技术可以高效去除混合物。目前我国应用典型的再生水处理工艺主要有几种[12]。

(1) 工艺1(混凝、沉淀和过滤):

(2) 工艺2(MBR工艺):

(3)工艺3(MBR+RO工艺):

(4)工艺4(二级RO工艺):

(5)工艺5(生态唐工艺):

(6)工艺6(两级过滤工艺):

科技人员针对生物滤池存在易出现布气不均、易堵塞、环境卫生较差等问题，将传统生物滤池不断改进，研发出多种新型生物滤池在再生水回用方面的应用。曝气生物滤池(biological aerated filter，BAF)是集生物接触氧化与滤床截留于一体的高效处理工艺，其承受BOD5容积负荷可达常规活性污泥法或接触氧化法的6～12倍[23]，去除有机物的效率较高，对进水SS要求一般不超过100 mg/L，王强[24]指出BAF对于不易降解的氮有明显的去除效果，通过实验得出对COD去除率达到50%，出水未检测到SS，色度的去除率达到70%。其优点是出水水质好，耐冲击，系统总水力停留时间短，基建投资低，无需二沉池占地面积小，无污泥膨胀，不受气温影响，自动化程度高，对环境影响小。因其具有一定的优势决定了它在再生水回用中具有广阔的应用前景，将它与其他水处理技术优化组合,能得到高质量的再生水。其不足之处为污泥量较大，日常药剂费用比较高，许多研究结果显示在室温条件下，布水布气系统需要进一步研究，BAF成功启动一般需约1个月的时间[25]。滤布滤池(cloth media filtration，AquaDisk)是近十年中迅速发展起来的应用在污水深度处理及回用工程的一项高新尖端技术，其主要特征为处理效率高，出水稳定，能承受较大的水力及悬浮物冲击负荷,占地面积小[26]，运行能耗低，运行维护简便。

张庆康等[27]指出常规处理与膜处理出水质量均不能达到地下水回灌的标准，主要是由于氨氮与环境激素DBP不达标。选择再生水处理技术在实际中应用，应基于原水水质及用水水质的情况，综合考虑工艺特点、投资、经济效益、环境效益、社会效益等因素的不同，选择合适的处理工艺路线，实现合理的工艺构筑，以至于设计经济合理的再生水回用处理系统。

1.4 再生水回用的效益和风险分析

再生水回用可解决水资源短缺问题，实现水资源的可持续发展。但如果在再生水回用过程中投资与处理不当，必然会对人类健康和环境造成深远的影响，从而带来无法衡量的损失。因此在再生水回用过程中，必须加强对再生水回用过程可能产生的风险加以系统性的分析与评估，有针对性的采取相应的控制措施，以便进一步细化和完善再生水利用的水质标准[28],使再生水回用过程中的风险和效益达到平衡，促进再生水回用事业的健康发展。在再生水回用过程中最大的两个风险为人类健康风险和环境污染风险。

健康风险评价是对再生水水体中病原体微生物对人体健康影响的分析，通常评价的方法有现实风险评价方法和定量风险评价方法。目前国际上健康风险评价采用的是“四步法”——危害鉴定；暴露评估；剂量-反应关系分析；风险表征[7]。再生水危害鉴定主要是分析哪些物质对人体产生危害。暴露评估主要是对于一些危害因子出现状况的分析，以确定合理安全的环境。暴露评估步骤：确定暴露环境，明确暴露途径，估算暴露浓度。剂量-反应关系分析是研究外来化合物的剂量与在群体中呈现某种特定效应个体百分数之间的关系。风险表征是对前期工作结果的分析，确定不良健康发生的概率与危害强度。张建龙等[29]对再生水回用过程对人类健康风险进行了评估，得出了从饮食方式进入人体的再生水对人体健康产生的影响非常小，因此满足饮用标准的再生水是可以安全回用。再生水虽经过处理，但仍不可避免的有残存有机物、重金属、致病微生物、营养盐及消毒副产物等有毒有害物质，可能使水体富营养化、污染土地、污染地下水与动植物等，因此我们在回用过程中应重视环境污染风险的评估，致使危害降到最低。

李明等[30]通过对再生水回用的效益进行分析，得出再生水是节水治污的最有效途径。在回用过程中，带有很大的公益性，也就是说在再生水回用中必然政府要发挥调控作用，制定相关的政策来合理控制再生水回用的风险，给人类带来长远的效益。

1.5 再生水回用的相关政策

再生水回用是一个庞大的系统，其中涉及方方面面的问题。为了解决这些问题，不仅企业要不断的改革，创新，政府也应提出一些措施和政策。使得国家的再生水相关政策可为污水回用提供坚实的保障和崭新的契机[31]。再生水利用在我国被定位于公益型、环保型、资源型产业,政府应完善财政、税收、价格等政策体系[32]。发达国家如日本，美国等，他们为了提倡再生水回用，从政府方面做出了三方面的努力：(1)制定相关的法律法规；(2)协调政府部门间的合作；(3)建立合理的再生水管理运营模式。借鉴国外的经验，李纯等[33]提出我国政府不仅应该完善相关的法律法规，而且应加强对再生水回用研究的投资,用经济杠杆促进再生水回用事业的快速发展[34]，使再生水生产单位取得环境效益和经济效益双赢,达到再生水回用的可持续发展。

2 再生水回用的发展趋势

再生水回用的相关研究已经取得一定的研究成果，但从研究现状中可以得到再生水回用于地下水回灌中的技术还不是很完善，成本很高且存在一定的环境风险，不利于实际的应用，如何广泛地应用于实际还有待进一步研究。同时，再生水回用中的环境破坏风险研究以及如何平衡再生水回用中的风险和效益都是以后要重点研究的方向。在技术上我们应开展再生水利用的关键技术研究及不断研究开发经济有效的处理技术、途径、设备是再生水回用在我国长足发展的前提。同时应加强培养节能环保型服务业，从源头上遏制水体的污染。在我国，政府应该如何制定相关政策来引导和规范再生水回用的市场运行更是一个重点需要解决的问题[35]。