中水回用技术的发展和应用

武浩浩，肖志毅

(中铁建发展集团有限公司水处理技术研究中心，北京 100043)

1 引言

随着经济快速的发展、人口数量的激增、城市化进程的不断推进，如何协调人口增长引发社会资源供需不平衡矛盾是当下水环境研究的重点。水资源作为21世纪重要的话题受到各国政府的重视，广义的水资源中淡水仅占3.47%；狭义的水资源主要是冰川占淡水的2/3，目前人类容易利用的淡水仅有0.7%[1～3]。一方面，生活质量的提高使得人们对水资源的需求不断加大；另一方面，国民对可用水资源概念的模糊认识，单纯通过政府宣传节水必要性已无法解决水资源短缺的问题[2]。中水回用作为一种新的水资源，由于其供水可靠性成为各国政府和环保组织考虑的重要供水水源[4～6]。

中水是从改革开放以来在我国开始兴起，发展至今已有44年之久，因其水质介于给水和排水之间，故名“中水”，是即经过物化、生化等手段使出水水质达到回用标准的一类水[7～9]。一般用于农田灌溉、城市道路浇洒、居民冲厕、车辆冲洗、工业循环冷却水等方面，中水回用是在一定程度上经济可行的缓解城市水源危机的举措，应用范围从单一的工业园区循环冷却水和锅炉补充水到区域性的整体城区中水循环回用，对今后生态城市水平衡建设有重要的应用意义[10～12]。

中水的诞生源于人们急需上水的“平价替代”，开辟了城市的第二水源，也大大延长了淡水的“使用寿命”。从下水过渡到中水，需要经过一系列的反应，首先粪便污水因为有害物质较多从源头上被直接淘汰，其他的杂排污水经过生物处理、过滤和消毒等环节而达到中水回用标准。从总大肠菌群这个指标来说中水不能作为自来水使用。但某种程度上，中水用途较为宽泛，由于用水要求不高，满足城市非饮用水供水需求[13～15]。中水是人类探索水资源循环利用的一大结晶，合理利用和开发中水不仅可改善城市用水紧张的局面，而且对于江河湖泊的生态系统改善有很大的促进意义，同时，还可节省用水成本，推动经济高质量发展，有着良好的发展前景[16～18]。

2 中水回用发展现状

2.1 国外中水回用发展现状

中水回用技术的研究与应用有近百年历史，因其极大地满足了城市发展中生产生活用水需求，许多国家相继开展了中水回用技术实践活动。国外一些国家由于较早地开展污水处理工艺，相关技术和相关法规较为完善。接下来主要介绍一下美国、日本、以色列等一些发达国家的中水回用情况[19，20]。

(1)美国。美国是实施中水回用最早的国家，1912年在美国加州旧金山某公园进行了中水灌溉回用项目。20世纪80年代，美国就已经有540个城市中水利用工程，出于人口增长和气候变化考虑，美国50个州中有43个州均在实施中水回用项目，其中尤其以加州中水回用方式具有多样性，大约59%用于农业灌溉和地下水回灌，大约24%用于工业生产和园林绿化，13%用于城市公共建筑和居民家用冲厕，加利福尼亚州灌溉回用是其污水再生回用的最主要应用方向，为全国回用总量的22%，而德克萨斯州、蒙大拿州、科罗拉多州总共占全国回用总量的32%，为考虑城市远距离供水带来的供水不稳定和能耗问题，美国正将污水处理为饮用水，解决供水紧缺的现状[21～23]。

(2)日本。日本是中水回用的典型代表，再生水利用始于20世纪80年代，水资源再利用的历史分为3个阶段：第一阶段即厕所冲洗和景观灌溉；第二阶段即溪流流量增加和娱乐应用；第三阶段多用途应用，日本污水处理厂有水回收设施的仅占总污水处理厂的8%，提供安全再生水的同时降低能耗是其之后发展方向，其采用2种中水回用形式：闭路水循环系统和区域水循环系统。闭路系统发生在单独建筑物内的污水收集、处理和再循环，回用水多用于大厦或办公楼的冲厕供水；区域系统则是通过收集一片区域内多个建筑物的生活污水进行统一处理后，通过中水供水管道回用到该片区域的景观绿化、道路浇洒和冲厕水方面[24～26]。日本的中水回用典型工程见表1。

表1 日本的中水回用典型工程

(3)以色列。 以色列位处中东常年干旱地带，全国范围内严重缺水，近70%的饮用水来自海水淡化，各种高科技水务支撑和建立了完备的水系统。以色列中水的开发利用程度也位于世界前列，目前以色列建立了完善的输水及管网系统，具有全球最大的污水处理厂，污水回收率一再提升，当前已具有75%的回用率，成为世界上中水回用率最高的国家[27]。

(4)澳大利亚。 澳大利亚地广人稀，随着人口以1.5%速率增长同时且大部分地区降雨量较少，城市缺水问题日益凸显，20世纪80年代该国政府提出了水资源循环的构想，首次将中水回用列入了国家发展战略规划中，截至目前已经建立了600余个污水处理厂，实现了城镇污水的区域循环，国家自然灾害频发，森林火灾诱发新南威尔士和昆士兰州的城镇供水短缺情况更加促使政府部门加大了中水的回用举措，布里斯班将30%的再生水作为城市补充水源，资源循环同时确保供水水质安全[28]。

(5)德国。 德国作为开展中水回用应用较早的欧洲国家，20世纪80年代起，德国城市中75%～80%的污水经过二级生化处理后加以重复回用至公用设施，其在水资源可持续利用方面也是首屈一指，中水回用应用于工业生产、农业生产和城市用水等领域，污水处理率已达到100%，60%的污水剩余污泥可回用至农业生产肥料，水量供应和水质保证方面均以达到平衡状态，中水回用真正实现了水资源的再生利用[29]。

2.2 国内中水回用发展现状

我国的回用水利用相较发达国家起步甚晚，中水回用的处理技术、系统规划和研究应用尚有所欠缺，从20世纪50年代起，中水回用作为国家研究课题开始正式起步；至60年代，污水在经过处理后达到一定水质标准应用于农业灌溉方面；至70年代，用于回用的各种污水试验项目开展起来；至80年代，污水回用进而从农业拓展到了工业和民用建筑，北京、大连、太原等试点城市相继取得了成功[30]。

从1985～2000年启动阶段，在中国北方西安和天津等城市展开了大量的水再生利用项目，废水处理和在利用技术也相应地发展起来；从2000年进入快速发展阶段，水资源再利用成为水资源管理的一项长期战略，北方缺水等城市的废水处理和回用率由此飙升，集中式水再利用系统一直是城市地区的主导模式，分散式水再利用系统偶尔在一些个别建筑物和农村地区实施，2019年我国市政用水回用总量达到126.2亿m3，城市地区的水再利用率已达到相对较高的水平，约19.9%，带动了全国范围内的污水回用热潮[31]。国内部分城市的污水回用工程实例见表2。

表2 国内某些城市的污水回用工程

我国的中水回用工程较集中在大中城市及其邻近地区，主要用于市政杂用水、河道补给、农业灌溉和工业用水等方面。

(1)中水回用于农业灌溉。 中水回用于农业灌溉不仅减少了河道水的补给，而且利用就近原则节省了不必要的成本支出，城市污水和工业废水经过深度处理后一方面改善了土壤结构、增加了土壤肥力；另一方面由于工业废水中含有较多有毒物质，深度处理避免了土质恶化和农业减产，同时限制污染物因渗漏造成地下水污染[32]。

(2)中水回用于工业用水。 当下，我国污水回用主要应用于工业园区的生产用水方面，通过污水厂二级生物处理出水在满足一定水质的情况下作为工业冷却水用水，其中不乏有许多较成功的案例。北京某新区污水处理厂二级生化处理出水可为某热电厂提供1667 m3/h的循环冷却水供应；大庆市建成的3万m3/d的乘风污水处理厂经过深度处理后出水用于油田回注；大连春柳河污水处理厂运用MBR技术处理出水用于红星化工厂的冷却用水[33]。

经过近几年国家在污水资源化方面的建设和探索，污水再生利用得到了快速发展，但是水资源利用率和规模方面与发达国家仍有一定差距，为此国家将大力改善废水的回收利用率和处理渠道，旨在进一步提高工业、生态和农业应用中废水资源的系统利用率，希望在缺水城市实现25%以上的水再利用率，到2025年在相应配套市场、废水处理再利用的方针政策下重点地区回用水率实现35%以上，同时各地区建立系统化、安全、环保和经济可行的高效废水回用模式[34]。

3 中水回用处理工艺

因中水回用的用途不同、经济因素和环境因素限制，选择合适的中水处理方式以达到经济适用的目的至关重要，工业废水和生活污水的常规处理方法归纳如下。

3.1 物理法

物理法就是通过机械分离、沉淀、过滤等常规物理方式净化污水以达到出水水质标准，近年来气浮、沉淀和膜分离等物理处理技术得到了较为广泛的应用，配套的设备及构筑物包括格栅、膜处理设备、气浮池、调节池和沉淀池等[35]。

3.2 化学法

化学法即利用化学反应来将污水中的有毒有害物质转化或消除，常规的化学法主要有氧化还原法、中和法、混凝法和絮凝法等，但是由于反应过程中涉及药剂的投加造成工作量大、消耗量多和运行成本高等缺陷，其应用范围仍在中水回用处理技术中有所限制[36]。

3.3 物化法

物化法是利用物理手段和化学反应相结合的一种处理方法，主要包括混凝、吸附及膜技术，它不仅利用了药剂的化学作用，而且利用了物理分离等手段达到对污水中污染物质去除的目的。物化法中，采用吸附性能较强的生物炭、树脂和高岭土等吸附剂可达到出水水质良好、处理方式简便的效果，但同时伴随运行成本高和材料更替等缺陷，开发经济、高效和稳定的吸附剂将作为今后研究的方向[37]。

3.4 生物法

生物法是利用微生物的新陈代谢作用将污水中呈溶解态的难降解大分子污染物分解成小分子物质的处理技术。根据微生物在水中所处状态不同，生物法一般分为活性污泥法和生物膜法，2种方法的形式现已发展为多种如下：

(1)活性污泥法：包括传统和阶段曝气活性污泥法、CASS、UCT、SBR和氧化沟工艺等。

(2)生物膜法：包括普通生物滤池、高负荷生物滤池和生物接触氧化池等。

(3)厌氧处理法：UASB反应器、高效厌氧反应器、Biotower。

(4)其他处理方法：脱氮除磷A2/O法、改良A2/O法和稳定塘法等。

生物处理法由于出水水质稳定、占地面积小、去除效果良好、经济成本低等优势在污水处理工程中得到了大规模的应用，随着近些年技术更新及经济发展迅速，城镇化污水厂中水回用过程中广泛采用效果良好、效益高的生物法[38]。

3.5 膜生物反应器工艺(MBR)

MBR是将膜分离技术与生物处理技术相结合的污水回用处理技术，既利用了膜对不同分子量的选择透过性，又利用截留的微生物达到高效降解污染物的目的，MBR根据活性污泥的周期特性将水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)有机分开，系统内活性污泥浓度和污泥龄都一定程度的得到了提升，使得难降解有机物在处理过程中也因不断分解而去除，最大限度地强化了反应器的功能[16]。随着MBR近些年在技术方面的升级，城镇污水、医院废水和黑臭水体等特殊水质经过MBR处理后出水水质良好、有机物去除率高，是中水回用中稳定的成熟工艺[39]。

目前，中水回用工艺流程不断发展，依据进水水质特点、使用范围和出水水质要求选择合适的回用工艺满足供水和排放要求(图1～5)。

图1 物化处理工艺流程

图2 生物和物化相结合工艺流程

图3 预处理和膜分离相结合工艺流程

图4 曝气生物滤池处理工艺流程

图5 膜生物反应器处理工艺流程

4 中水回用应用实例

4.1 中水回用在钢铁行业的应用

日照市某钢铁企业在中水回用过程中采用了产水水量可达420 m3/h的“超滤+反渗透”双膜法处理工艺，其借鉴了新加坡新生水和海水淡化项目运行的经验，根据日照钢铁的水质和变化情况，优化膜工艺参数，模拟中试实验为规模生产提供了切实可靠的设计依据，利用膜工艺进行深度处理脱盐，实现零排放和减量化产水，该项工程采用原水池+超滤泵+自清过滤器+超滤膜+超滤集水池+RO进水泵+保安过滤器+RO膜装置+RO集水池的工艺流程，运行过程中超滤膜组总产水水量为560 m3/h，超滤水回收率大于90%；RO系统水回收率大于75%，脱盐率大于96%，产品水浊度小于0.1NTU，反渗透清洗周期可缩短至4月一次，采用梯度变化的膜装置进行分级产水，可适用较为复杂的水质，出水水质可达到回用要求[40]。

4.2 中水回用在建筑行业的应用

厦门市一高层建筑实现了建筑内部公共卫生间和冷却水箱的中水回用，该回用系统通过两阶段处理以使原水达到回用的标准，第一阶段进行生化处理，首先原水经过格栅和毛发收集器截留大颗粒杂质，为后续生化处理提供合适环境，预加曝气调节池可均匀水质过程中使悬浮物不易沉降而清除，通过一级提升泵至中水一体化设备处进行生化处理，降低COD、NH3-N等污染物；第二阶段进行物化处理，利用不同粒径石英砂可截留小分子颗粒物，配合活性炭过滤器对难降解有机物进行有效吸附，使回用水达到水质要求，该建筑中水原水平均时来水5.82 m3/h，处理水量为278.4 m3/d，配合雨水补充水可满足该建筑公共卫生间和冷却塔等用水要求(图6)[41]。

图6 某高层建筑中水回用工艺流程

4.3 中水回用在示范区域的应用

由于诸如道路浇洒和景观绿化中市政用水的紧缺问题，河南郑州某经济开发区采用了物化和生化相结合的工艺(紫外线消毒-生态床-蓄水塘)以使废水达到回用的目的，通过利用自然+人工干预的方式可使得回用水量可达到10000 m3/d，回用水处理过程中COD去除率可达到80%，NH3-N去除率达到60%，SS去除率可达到91.7%，出水均符合城市中水回用水质标准。采用蓄水塘工段不仅可以起到水量调节和水生植物净化污染物的作用，还能作为景观观赏提升经济效益的目的，选择中水回用不仅在缓解污水厂处理负荷而且在恢复和改善受纳水体方面均有一定的促进意义(图7)[42]。

图7 郑州某经济开发区中水回用工程工艺流程

4.4 中水回用在电力行业的应用

减少企业对自然水源的用水依赖性，从企业内部达到资源循环是行之有效的发展模式更是未来发展之趋势，某垃圾焚烧厂通过回用市政中水满足企业生产用水、循环冷却水和锅炉补充水的用水要求，该项目采用了更为先进的中水回用处理技术，通过介质过滤器对悬浮物和胶体物质进行截留，再通过膜分离技术利用物质的选择透过性原理将TDS截留，从而达到回用水的水质要求，在经过一系列深度处理后，出水COD可达到13 mg/L、NH3-N为2.5 mg/L相较允许排放更低的排放浓度，增加的反渗透装置可使回用水的脱盐率达到97%以上，回用水回收率可达到85%以上，不仅在缓解企业用水紧张问题和节省经济成本方面均有较好的参考意义(图8)[43]。

图8 某垃圾焚烧厂中水回用工程工艺流程

4.5 中水回用在印染行业的应用

印染行业废水作为工业废水排放比例中较高的一支，由于其排放量大、有机物成分复杂且含盐量高等特点，中水回用率却不足10%，某工业园区通过生化处理和深度膜处理相结合的方式处理3300 m3/h的印染废水，深度处理单元采用臭氧氧化→超滤+反渗透→回用的方式进行处理，印染废水经过深度处理后用于回用水的COD仅为5 mg/L、氨氮为1 mg/L、TDS为230 mg/L均低于排放标准，采用超滤和反渗透相结合的方式使得中水回用率达到83%，不仅满足园区工业生产用水，而且减少自然水源的供给量，在节水、减排和经济增效方面均有较为现实的回用意义[44]。

5 结论与展望

本文分别从中水回用的必要性、中水回用发展现状、处理工艺、中水回用在工业中的应用实例和中水回用目前存在的问题这几个方面进行了综合阐述，系统说明了当前水环境形势下中水回用工程规模化、系统化和有序化进行的必要性[45]。鉴于新时代水资源危机而引发的多项问题，加快推进流域治理和城市水环境生态平衡，在水资源短缺城市因地制宜进行水源多效利用、资源循环再生和可持续发展战略不仅能解决城市用水需求，而且可创造更多的经济效益和环境效益[46]。

中水回用作为新世纪协调水资源平衡的新型来水方式，不仅在维持水环境生态平衡可持续发展方面有增效作用，而且作为水资源循环体系的重要部分对城市健康发展有一定的促进作用[47]。但也间接展露出一些问题亟待深入探讨，主要表现在以下几个方面：

(1)技术层面：当前我国中水回用工艺采用生化和物化2种处理方式居多，但在工艺设计方面，工艺设计往往不能结合实际情况进行有效调整，以至于不切实际大大增加了基础设施的投资成本，与此同时，我国中水应用起步较晚，相应的配套设施还受限于国外进口，如何实现设备国产化，降低采购成本是今后考虑的方向，满足零排放和资源循环同时实现技术更新至关重要[48]。

(2)意识层面：我国的许多城市面临水资源短缺的情况，推行中水回用是形势所迫，但是由于政府部门针对水源供给的客观局限性忽视了回用的重要性，导致公民对中水回用意识淡薄，许多老旧污水处理厂回用设施较不完善，不能做到出水回用的有效引导，使得综合应用效率不高[49]。

(3)管理层面：中水回用作为一个复杂而庞大的系统投资工程，一些老旧的建筑企业因缺乏建设和投资条件进而放弃尝试，该应用大多推广在新型工业建设中，我国目前还没形成一套完整的中水回用制度体系，人员培训和部门监理方面仍有待提升，细化责任、管理制度完善和人员特种培训是当下企业中水应用的关键[50]。

以上存在的问题不难发现，我国无论在技术、意识还是管理层面都与发达国家存在着很大的差距，这也是限制我国经济高质量发展的重要因素。随着我国经济转型和深化改革一系列政策的提出，完善中水管理条例的同时提升回用技术水平，这些问题定会迎刃而解。

城市中水回用通过因地制宜和自然循环净化的方式利用植物和微生物的共生体系达到间接恢复水质的目的；工业中水回用鉴于水质复杂的特性，采用多种处理技术相组合的方式进行互补同时满足，达到技术创新的目的，物化处理技术和生物处理技术整合、膜生物反应器的创新应用是工业中水回用的重点方向。

中水回用是一项持续更新推进的水源再生工程，综合各项调研结果提出自己的一些见解，城市中水回用技术由于水质比较单一可将重点放在自然恢复再生的植物与微生物共生群落河道生态系统，既能满足城市景观需要，还能有效达到水质净化以此回用；工业中水回用由于水质波动大、含盐量高等特性，采用生化处理+超滤+反渗透的方式既能达到城镇污水排放水质标准的同时，还可高效去除盐类物质，真正实现工业中水回用，减轻水源供给压力，更能减轻环境自我净化的负担，实现水环境和人类生活的生态稳定。

我国的中水回用技术正逐步进入正轨，行之有效的中水改良技术和高效管理建设对于水环境系统稳定具有一定的促进意义[21]。