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污水资源化是突破经济社会发展水资源瓶颈的根本途径

污水资源化是突破经济社会发展水资源瓶颈的根本途径

发布日期:2021-04-02 编辑:王洪臣 点击:

本文梳理了我国水资源特征以及用水状况,提出水资源是制约我国经济社会可持续发展的瓶颈;分析了以色列和美国污水再生利用的进展,认为污水资源化是突破经济社会发展水资源瓶颈的根本途径;根据国际污水再生利用经验,认为我国污水资源化利用的重点方向应是农业灌溉和工业冷却,并建议编制《全国水资源可持续循环利用综合规划》,明确方向、控制风险、健全政策,引导污水资源化工作稳步发展。

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王洪臣  威尼斯网上玩官方网站-威尼斯网站手机版下载人民大学教授、博士生导师/威尼斯网上玩官方网站-威尼斯网站手机版下载人民大学低碳水环境技术研究中心主任

原文标题:污水资源化是突破社会发展水资源瓶颈的根本途径;编辑:王洪臣;编辑单位:威尼斯网上玩官方网站-威尼斯网站手机版下载人民大学,威尼斯网上玩官方网站-威尼斯网站手机版下载人民大学低碳水环境技术研究中心。将刊登在《给水排水》2021年4期水业导航栏目。

污水资源化包括污水中碳、氮、磷等物质资源的循环利用和其中蕴含能量的回收利用,但重点还是将污水再生后替代传统水资源,也就是水资源化方向的利用。本世纪初,水利部门启动全国性水资源普查及规划工作,于2011年发布并实施《全国水资源综合规划》。限于当时条件,这一规划只是针对传统水资源,没有将污水资源纳入规划。随着污水处理设施快速建设,全国已形成超过2亿立方米每日的污水处理能力,年污水处理量超过700亿立方米,为全面推动污水资源化创造了前提条件。最近,发改、住建、生态环境、水利、农业以及科技等十个国家部委联合发布《关于推进污水资源化利用的引导意见》,对全国污水资源化工作进行了部署。笔者认为,在这样一个历史阶段,应结合现有传统水资源规划,尽快编制并实施以污水资源化为核心的《全国水资源可持续循环利用综合规划》,突破制约我国经济社会发展的水资源瓶颈。

1.水资源是制约我国经济社会可持续发展的瓶颈

我国水资源总量大,但人均水资源占有量低。根据1956-1979年统计,全国多年平均水资源总量为2.8万亿立方米,这个数值通常被认为是一般意义上的全国水资源量。我国水资源总量占全球的6%,低于巴西、俄罗斯和加拿大,与美国相当。虽然总量较大,但人均只有2300立方米,仅为世界平均水平的1/4,在世界上名列121位,是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。随着人口数量的不断增加,人均水资源量还将继续降低。我国水资源的特点使水资源短缺问题更加突出。特点之一是年际水资源量差别较大。近二十年来,水资源量最多的是2010年,达到3.09万亿立方米,比常年值偏多11.5%;最少的是2011年,仅为2.3亿立方米,比常年值偏少16.1%,也是1956年以来最少的一年。一般认为,随着气候变暖等因素的影响,水资源的年际变化还将进一步加大。另一个特点是南北分布严重不均。在全国十个水资源片区中,南方四区(长江、珠江两大流域和东南诸河、西南诸河)的水资源量占到全国总量的83.3%,但土地面积仅占全国36.5%,耕地面积仅占全国40%;北方六区(松花江、辽河、海河、黄河和淮河5大流域以及西北诸河)的水资源量仅占全国的16.7%,但土地和耕地却远高于南方4区。我国水资源空间分布和土地资源、人口分布不相匹配,极不均衡。

我国节水力度大,近十年来的总用水量已经趋于零增长。上世纪五十年代,全国年用水量平均仅为1000亿立方米左右。随着人口增加和经济发展,用水量持续增加,2010年达到约6000亿立方米,年均增加50亿立方米。可以合理开发利用的水资源一般仅占水资源总量的30%,如按水资源总量2.5~2.8万亿立方米计,全国可利用水资源总量实际仅为7500-8500亿立方米,考虑到水资源的年际变化和空间分布不均,我国用水量已经接近可利用水资源量,许多地区水资源已经枯竭。因此,国家从“十二五”开始施行“最严格的水资源管理制度”,划定用水红线,控制用水量增长。2010年全国用水量6022亿立方米,2019年6021亿立方米,总用水量实现了零增长。分析近十年用水量变化,农业灌溉一直维持在3700亿立方米左右,工业用水有减少,生活用水有增加。2010年全国工业增加值为16万亿元,2019年增加到32万亿元,而工业用水量则由1450亿立方米下降到1220亿立方米,这一成绩来源于工业的大力节水,把万元工业增加值用水量由2010年的90立方米降低到2019年的38立方米。2010年城乡居民生活用水量为765亿立方米,2019年增加到870亿立方米,这些增加是由于改善卫生状况和城镇化率的不断提高。随着城乡卫生状况的不断改善,城镇人均日生活用水量(含公共用水)由2010年的193升提高到2019年的225升,农村居民人均生活用水量由2010年的83升提高到2019年的89升。2010年全国城镇化率仅为49.9%,而2019年则达到60.6%,而城镇居民维持正常生活比农村居民需要更多的水量。

水资源已经成为我国经济社会可持续发展的瓶颈。2019年,全国工业用水重复利用率超过80%,京津冀地区则超过90%,2019年全国万元工业增加值用水量低于40立方米,海河、黄河和淮河流域则低于了20立方米,这样的水平已经远超发达国家,提前十年达到了《全国水资源综合规划》提出的2030年目标,最近召开的全国水利工作会议提出“十四五”期间万元工业增加值用水量将在2020年的基础上再下降16%。实际上,工业进一步节水的空间将主要集中在水资源丰富地区,缺水地区工业领域已没有太大节水的空间,要继续快速增长反而需要增加用水量,那么支撑工业增长的水资源在哪里?过去十年,城镇化率每年增长1%,由城镇化导致的供水量增加被工业用水量的降低所抵消。今年两会提出将继续推进新型城镇化战略,2025年将常住人口城镇化率提高到65%,发展壮大城市群和都市圈,那么支撑城镇化的水资源又在哪里?两会提出,为保障好14亿人的粮食安全,粮食综合生产能力需保持在1.3万亿斤以上,这决定了3700亿立方米的农业灌溉用水会像18亿亩基本农田一样不可动摇。另外,我国生态环境用水量虽逐年增长,但多年处于低水平,到2019年也仅占总用水量的4%,也亟需逐步增加。综上,我国现有水资源状况难以支撑工业增长、进一步城镇化以及水生态安全,黄河、淮河、海河等流域只能提出“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”,水资源已经成为我国经济社会可持续发展的瓶颈。

2.污水资源化利用是突破水资源瓶颈的根本途径

2011年发布实施的《全国水资源综合规划》,全面摸清了我国水资源及其开发利用状况,划定了用水量红线,提出了用水效率指标,对于解决我国水资源短缺问题发挥着基础作用。但是,这个规划重在节流,只强调了提高传统水资源用水效率及用水量控制,没有对污水再生利用和海水淡化等非传统水资源的开发进行系统规划,没有通过开源突破水资源瓶颈。纵观解决水资源紧缺问题的国际经验,跨流域调水可以部分缓解一定地区范围内的紧缺状况,但根本上还是依靠非传统水资源的开发利用,以色列、新加坡、澳大利亚、南非、纳米比亚等缺水国家都是开发利用非传统水资源的典范。

以色列60%国土是沙漠,其余部分属于半干旱地区,年降水量435毫米(2017)。1962年,以色列人均水资源为786立方米,随着各地犹太人不断返回,2017年人均水资源降低到214立方米,水资源极度缺乏。但是,以色列政府2013年10月宣布全国用水不再受天气制约,水安全问题已经彻底解决,其根本途径就是污水再生利用和海水淡化等非传统水资源的开发。从上世纪九十年代开始,以色列建设了大量污水再生、输配、储存、利用设施,全国污水再生利用率超过了75%,最新报道,现在的污水再生利用率已超过90%,下一步是达到100%,实现全部污水的再生利用。以色列再生水90%用于农业灌溉,支撑起现代高效农业,除了自给自足,还成为农产品出口国。美国作家赛斯·西格尔(Seth M. Siegel)在深入考察以色列水务后认为,“没有再生水,就没有以色列的农业,也就没有这样一个中东强国” 。

美国年降水量715毫米(2017),人均水资源量9459立方米(2017),是我国的四倍多。我国水资源南北分布不均,美国是东西分布不均,东部的大湖地区和密西西比河流域水资源极其丰富,大量水资源用于直排式热电冷却,而西部则严重缺水,有限的水资源主要用于农业灌溉。美国年用水量4450亿立方米(2015),其中热电冷却用水占41%,农业灌溉占37%,市政供水占12%,工业自备用水占5%,水产和畜牧业用水占3%,采矿和居民生活自备各占1%。美国五十年前就开始了污水再生利用的研究与实践,在南加州以及佛罗里达等地区陆续建设了一批污水再生利用设施,但全国的污水再生利用率只有6%~7%,不能应对水资源紧缺状况。2014年,美国国会的政府问责局(GAO)认为单纯通过提高用水效率无法满足粮食安全和经济持续增长的需要,面对多方面压力,预计2025年将有超过40个州面临缺水状态,责成联邦政府采取措施应对水危机。2019年,联邦政府宣布实施国家水回用行动计划(WRAP),全面规划并实施包括市政污水、工业废水、农田径流、油气开采废水和雨水六大方向的收集、再生与回用,目标是保障美国水安全以及水资源的可持续性和韧性。正在编制的行动计划包括11个战略主题、37个具体行动、28个各方独立责任人、80个合作机构和200个行动里程碑,涵盖了政策制定、规划建设、评估监测、责任追究、科学研究以及国际合作等各方面。按照总统签署的第13834号行政命令,联邦政府成立了跨部门工作组,统一协调各方,实施“高效联邦行动”。

非传统水资源开发包括市政污水和工业废水再生利用、海水淡化以及雨水收集利用,美国还提出了农田径流的收集利用。在沿海城市,海水淡化是重要的开发方向,但是高能耗以及浓缩水的生态影响制约了大规模开发利用。多年前,以色列的一个政策是在污水资源被充分再生利用之前不开展大规模海水淡化,现有的海水淡化设施也主要用作饮用水水源。美国国家水回用行动计划也暂时没有部署海水淡化,美国能源部作为WRAP的责任单位之一,负责低能耗海水淡化技术的开发,目前的一个方向是太阳能海水淡化。阿拉伯国家普遍缺水,但部分国家是产油国,不存在能源约束,海水淡化是解决缺水问题的主要手段。除科威特污水资源化比例较高外,最高的是沙特,目前只有20%。降水是水文循环的关键环节,雨水本就是传统水资源的主要来源,作为非传统水资源的雨水利用主要是指人工收集的小规模利用,不是非传统水资源开发的重点。综上,当前非传统水资源开发重点是包括市政污水和工业废水的污水资源化利用。

以色列通过开发非传统水资源成功解决了水安全问题,我国北方许多地区年降水量、许多城市的人均水资源量均低于以色列,这些地区或城市应借鉴以色列污水资源化成功经验,开发非传统水资源,解决当地缺水问题。在国家尺度上,我国水资源总量及特征总体上与美国有相似之处,两国也都有通过大规模跨流域调水应对缺水的实践,但都没有解决水资源紧缺问题。另外,美国五大湖的淡水储存量占了全球总淡水储量的25%,人均水资源也远高于我国。在这样的背景下,我国应当像美国那样系统谋划,全面开展以污水资源化为重点的水回用,突破水资源瓶颈,支撑经济社会可持续发展。

3.科学编制并实施以污水资源化为核心的《全国水资源可持续循环利用综合规划》

污水资源化利用方向很多,涉及工业、农业以及城镇建设和居民生活等各方面,流域或地区水资源特征及经济社会状况差别也较大,因此,应系统组织、多部门协同,在充分调查研究的基础上科学编制《全国水资源可持续循环利用综合规划》,引导污水资源化沿着正确的方向稳步推进。

3.1 在准确把握用水需求的基础上明确污水资源化的重点方向

污水再生利用的方向包括农业灌溉、工业利用、市政杂用以及生态环境等方面。工业利用包括冷却水和工艺用水,冷却水用量通常远大于工艺用水,澳大利亚将再生水用于矿山开采、美国用于油气开采也都属于工业利用。市政杂用包括道路压尘、车辆冲洗、冲厕、景观娱乐及园林绿化,冲厕用量较大,其它部分用量较少。生态环境用水包括河湖补水、湿地构建,沿海地区回灌地下阻挡海水入侵也属于生态环境用水。大部分国家或地区再生水利用方向通常根据项目当地的具体需求自然形成,例如美国南加州地区,其利用方向多元化,有农业灌溉、回灌地下阻挡海水入侵、生态环境用水以及市政杂用。

以色列是目前公认污水再生利用最成功的国家,美国将以色列作为唯一的国际合作伙伴纳入了国家水回用行动计划。上世纪九十年代,随着世界各地越来越多的犹太人回国定居,以色列决定开始大规模进行污水再生利用,解决严重的缺水问题。经过反复研究,决定以农业灌溉为污水再生利用的主要方向,事实上,到现在为止也基本是唯一方向。以色列目前800万人口,年产生污水5亿立方米,污水再生处理率约95%,90%的再生水用于农业灌溉,超过灌溉用水量的60%,其余排入自然水体。为实现90%的利用率,以色列投入巨资建设了200多座再生水水库,总库容超过2亿立方米,敷设了大批从水库放射到灌溉点的输配管道,覆盖了绝大部分国土面积。如果不选择农业灌溉作为首要利用方向,如果不建设这些水库和管道,即使建设了再生水厂,也没有高达90%的再生利用率,也就没有以色列今天的高效农业。

2019年我国城镇污水产生量约750亿立方米,其中工业废水约200亿立方米,其余为居民家庭和公共服务产生的生活污水,这些污水或废水总体上已经得到了较高等级处理,具备了规模化再生利用的条件。农村常驻人口约6~7亿人,预计年产生综合污水约250亿立方米,虽然目前处理率很低,但污水资源化可与污水治理同步进行。按照以上统计和测算,全国每年约有1000亿立方米的污水资源可供开发利用,这是一笔稳定可靠的水资源。另一方面,我国是个人口大国,必须确保粮食安全,要在20亿亩耕地上产出1.3万亿斤粮食就必须确保灌溉用水。2019年,全国灌溉用水约3800亿立方米,其中北方六区2000立方米,南方四区1800亿立方米。从环境抽取大量灌溉用水,必然限制工业用水,制约工业发展,一些地区甚至影响了下游的饮水安全;许多流域灌溉季节无法保证生态需水量,水生态环境受到干扰。综上,笔者初步认为,我国污水再生利用是否应借鉴以色列的经验,以农业灌溉为重点利用方向?如系统规划建设储存与输配设施,未来实现500~800亿立方米再生水进行农业灌溉,将从根本上缓解工业和生活用水紧缺状况,并同时改善水生态环境。再生水进行农业灌溉的另外一个利益是可以降低污水脱氮除磷标准,保留再生水中的氮磷降低化肥的施用量,这对于污水碳氮比天然失调的地区尤其重要。农村污水处理设施规模小,水量水质波动大,可以较稳定地脱碳但难以脱氮除磷,如果以就地灌溉为主要方向,就不需要脱氮除磷,建设投资和运行成本都将大大降低。事实上,从1990年到2010年的二十年间,以色列主要是用污水二级出水进行灌溉,2010年之后才逐步普及了以脱碳为目标的深度处理,脱氮除磷标准并不高。我国许多地区已有许多再生水灌溉的实践,缺水的关中地区历史上村村都有一个涝池,实际上就是村边低洼处的一个半天然湿地,全村的生活污水都排进去,时间长了水就变清,之后作为灌溉水源。近几年,当地有组织地恢复了大批涝池,一开始建设的都是工程涝池,加上污水处理设施运行不正常,涝池很快变黑发臭,后来按生态技术建设的生态涝池都获得了成功。新疆阿克苏的车库市建设了一个库容30万立方米的调蓄水库,注入河东污水处理厂出水冬储夏灌。

污水再生利用的第二个方向应是热电及工业大户的冷却水,这个方向用量较大,用水点集中,只需从再生水厂到用水点的点对点连接,管道敷设难度小。如果市政杂用,用水量小且分散,再生水沿城市建成区逆向扩散,既没有空间建设储存设施,也难以找到敷设输配管线的路由,利用率就提高不上去。生态环境补水方向可以作为接受剩余再生水的备用,不宜作为重要方向,道理很简单,既然能从环境少取,就没有必要多取了再补。

污水再生利用的一个敏感方向是生活饮用,这个方向从学界到工程界争论了多年,近年来逐渐明晰,这就是在那些饮水困难的地区应该规划建设再生水生活饮用设施。再生水生活饮用包括直接饮用和间接饮用,直接饮用是指污水再生后作为供水处理厂的水源或超深度再生后直接饮用,间接饮用是指将再生水注入天然水体或地下经过环境缓冲后再与清洁水混合作为供水处理厂的水源,新加坡的新生水就是间接饮用,纳米比亚和南非很多年前就开始将再生水间接用于生活饮用水,美国加州地区也建设了数座再生水间接饮用设施。我国的西北甚至华北存在许多饮水困难地区,那些年降水量不足150毫米而又没有过境水资源的地区理论上都属于饮水困难地区,都需要规划建设再生水生活饮用设施。美国德克萨斯州埃尔帕索市一个叫Carollo的再生水生活饮用工程已经完成设计,将于今年开工建设,Bustamante污水处理厂出水经过该工程处理后直接输配到供水管网供居民生活饮用,既没有自然环境缓冲,也不经过供水处理厂,建成后将是全球第一个再生水直接生活饮用项目。该项目2012年开始可行性研究,最大设计供水能力45000立方米/天,经过中间试验确定以双膜过滤+紫外催化高级氧化+活性炭吸附为核心工艺单元,并开展了各种风险情景的模拟评估,最后决定正式立项建设。

3.2 科学认识并理性评估污水资源化风险

规模化长期使用再生水存在一定的风险,关于病原体、盐度以及内分泌干扰物等新兴污染物对人体健康和生态影响的研究一直在进行,争论也一直在持续。以色列在开始大规模农业灌溉以后,发现部分地区地下水有盐渍化倾向,随后开展了全国性源头减盐行动,包括工业企业减少用盐或寻找替代品、严禁高盐废水排入下水道以及倡导公众避免过度耗盐等措施,无法避免的高盐水则另外处理后排入水体,沿海地区则直接排到海洋,通过这些对策,有效控制了地下水盐渍化倾向。Carollo中试试验也确认所采用的工艺流程可以有效氧化新兴污染物。Carollo工程设计团队模拟评估了深度再生直饮和再生水经过自然环境缓冲再经过供水处理厂处理两个方案,发现前者综合指标尤其是卫生学指标的安全性远优于后者,这也是最终决定开始建设的的重要因素。越来越多的研究表明,再生水在利用工程中经过自然环境缓冲,除了混合和储存以外并没有明显的化学或生物学作用,只是满足了公众心理缓冲的需要。另一个较为清晰的评估是,现有成熟技术装备总体上已能保障污染物稳定去除,以满足各方向再生利用的需要,污水再生利用的最大风险来自于操作层面,包括质量监测偏差、运行操作不当乃至错接漏接等运维失误等方面,而这些不足可以通过规范管理予以纠正。

3.3 健全有力的行业政策

污水资源化涉及多行业多部门,与社会公众利益息息相关,制定并施行有力的行业政策是关键。美国二十年前就制定了财政补贴政策,对西部14个缺水州的污水再生利用项目,联邦政府补贴25%的建设费用。正在开展的国家水回用行动计划,所有涉水部门都是责任部门,农业部、能源部以及卫生部门都支撑再生利用,农业部高度支撑农业灌溉利用。截止目前,美国有40各州都制定了鼓励污水再生利用的相关政策。以色列的水务管理是“ONE WATER”体制,由国家水务部门统一协调涉水事务,所有水务投资由国家统一承担。另外,以色列制定了鼓励再生水农业灌溉利用的价格政策,一是提高传统水资源的用水水价,二是降低再生水水价,达不到深度处理标准的再生水农业灌溉时一律免费,对达到深度处理标准的再生水象征性收取少量水费。总之,行业政策应是《全国水资源可持续循环利用综合规划》重要部分。

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