胡洪营教授团队：日本污水处理与再生利用现状分析
研究背景：日本位于亚洲东部，国土面积约37.8万平方公里，人均GDP超过4万美元，是亚洲国土面积最大的发达国家。截至2021年1月，日本总人口（包括日本居民和在日外国居民）约1.27亿，世界排名第十一位。自2008年以来，日本人口持续减少，老龄化率不断加剧。日本人口分布严重不均，主要集中在三大都市圈（东京圈、名古屋圈和关西圈）。2021年，三大都市圈的总人口达6639.6万，已连续15年超过全国总人口的一半。人口减少和老龄化程度严重的地区，面临水处理设施维修管理成本入不敷出等问题；人口集中地区，面临水资源需求大、供水压力大等问题。
日本降雨充沛，但由于地形、气候等原因导致水资源分布不均，例如关东沿海和北九州等地区经常遭遇干旱。一些地区地震、台风等自然灾害亦频发，导致部分城市经常遭遇缺水、断水等问题，给人们的生活、生产带来不便。自20世纪70年代以来，日本相继开展了再生水利用工作，再生水最初主要用于工业利用用途，目前再生水已广泛用作城市杂用水、农业用水、环境用水和补充水源水。
相比而言，我国再生水利用起步较晚，再生水利用途径较为有限，借鉴日本再生水相关发展经验与管理方法，可为我国开展再生水利用研究和工程实践提供支撑。
摘 要
本文对日本水资源赋存状况、供水用水状况和污水处理与再生利用状况进行了系统梳理和分析。日本水资源总体较为充沛，但关东沿海、北九州和东海等地区严重缺水。日本年人均综合用水量稳定在630 m3左右，约为中国的1.5倍；全国年污水处理总量约为146.4亿m3，平均污水处理成本为142.5日元/m3。日本的再生水利用总量2亿m3/年左右，再生水利用率不足1.5%。大型城市，如东京等城市的集中式再生水利用率为3.2%，显著高于全国平均水平。日本的再生水利用途径广泛，再生水分类统计工作细致且全面，针对冲厕、景观环境、融雪等九种用途进行分别统计。再生水的主要用途为补充地表水用水、观赏性景观环境用水和融雪用水，约占再生水利用总量的78.0%。日本在污水处理与再生利用信息统计、收集、分类等方面的经验和方法可为我国再生水利用规范化管理和发展提供重要参考。
01、水资源与供水用水状况
1. 水资源情况
日本位于亚洲季风东端，全年气候温和湿润，是世界上降雨量最多的地区之一，年平均降水量约为1697毫米，约为全球（陆地）年降雨量平均水平（1,171毫米）的1.4倍。日本陆地面积小，地势陡峭，河道短，河流迅速流向海洋，难以蓄水。如表 1所示，日本降雨量地区分布不均，北海道、东北、关东内陆、关东沿海和中国山阳地区低于日本全国平均水平，其他地区高于全国平均水平。日本首都圈（东京都、神奈川县、埼玉县和千叶县）的水资源量和中东与北非地区（约526 m3/人/年）相当，按照联合国用水标准，属于严重缺水地区。此外，日本降雨量季节分布不均，太平洋一侧，台风多、雨季长、冬季少雨，而日本海一侧，冬天雨雪较多。地势地貌与降雨量空间和时间的分布不均，导致日本人均水资源量（约3300 m3/人/年）不到全球平均水平（约7300 m3/人/年）的一半。
淡水供应不足给水资源管理带来了困难和挑战，此外日本部分城市和地区还面临严重干旱问题。例如，1955年东京旱灾、1967年长崎旱灾、1973年高松旱灾、1978年福冈旱灾、1984年日本全国冬季旱灾、1986年日本西部冬季旱灾和1994年日本列岛旱灾。干旱年，日本人均水资源量降低25~45%，缺水地区用水安全受到严峻挑战，国民生活和社会经济活动均受到较大影响。
2. 供水用水状况
1）用水量和用水结构。
如图 1所示，1975~2018年，日本年用水量呈现先增后减的变化趋势。1975年的用水量为871亿m3，到1992年增加至894亿m3，到2018年减少至791亿m3。在这段时间内，日本人口（仅包括日本居民）也呈现先增后减的变化趋势，1975年日本约1.10亿人，到2006年达到1.27亿人，到2018年减少至1.25亿人。同时期，日本人均综合用水量呈现先减再增后稳定的变化趋势，1975年，日本的年人均用水量为766 m3/人，1988年减少至719 m3/人，1991年增加至726 m3/人，到2017减少至631 m3/人，2014~2018年保持相对稳定。2000~2020年，中国的年人均综合用水量在412~456 m3/人波动，日本的年人均综合用水量约为中国的1.5倍。
1975~2018年，日本的年生活用水量呈现先增后减的变化趋势。1975年的年生活用水量为114亿m3，1997年增至165亿m3，1994~2002年相对保持稳定，随后逐年小幅下降，到2017年，减少至146亿m3，2018年微增至150亿m3。日本的工业用水呈现逐年减少趋势，1975年的工业用水量为166亿m3，到2018年减少至106亿m3，这主要归功于工业废水循环利用。例如，耗水量大的三个行业中，化工和钢铁行业的废水循环利用率在80%~90%之间，制浆造纸和纸制品加工行业的废水循环利用率保持在40%左右。日本的农业用水呈现先增后减的变化趋势，1975年农业用水量为570亿m3，1996年增加至590亿m3，2018年减少至535亿m3，自2005年以来，农业用水量虽小幅下降，但总体基本持平。用水习惯、用水结构和用水效率的改变可能是导致日本年用水量变化的主要因素。
从用水结构来看，2018年，日本生活用水约占总用水量的19.0%、工业用水约占13.4%、农业用水约占67.6%。相比而言，2019年，中国的生活用水约占总用水量的14.5%、工业用水约占20.2%、农业用水约占61.0%、生态用水约占4.1%。农业用水是日本和中国最主要的用水途径，日本的农业用水比例略高于中国；其生活用水比例高于工业用水，与中国相反。
2）供水成本和电耗情况。
2017年，日本全国平均供水成本为166.4日元/m3。图 2为1975~2017年，日本供水成本明细情况。其中，人员费和利息费比例逐年下降，而折旧费比例逐年上升。
日本水费通常根据用途和口径差异化收取。对大多数企业采用现收现付的收费方式，针对某些企业还采用了随使用量的增加单价增加的阶梯式收费方式。对于居民用水，2017年日本全国平均家庭水费为152日元/m3（按13毫米口径为收费基准）。
图 3为日本1987~2017年给排水系统电耗情况。给水系统电耗变化相对较小，而排水系统电耗呈明显上升趋势，且近年来超过了给水系统电耗。虽然给排水系统的电耗持续增加，但其占日本总电耗的比例变化不大，2007年给排水系统电耗占日本总电耗的1.4%，2017年占1.6%。日本排水系统电耗的增长与污水处理人口普及率增长、污水处理工艺选择、污水达标排放的水质要求提升等因素有关。
02、污水处理与再生利用情况
1. 污水处理量和再生水利用量
日本再生水利用主要集中于水资源短缺、发生干旱较为频繁的关东沿海地区（东京都、横滨市等）、北九州地区（福冈市）和东海地区。如图 4所示，2009~2018年，日本的再生水利用量稳定在2亿m3/年，再生水利用率约为1.5%。虽然日本早在1973年就开始了再生水利用实践，但目前全国的再生水利用率仍然偏低。典型城市，如东京的再生水利用率较高，东京区域集中式再生水系统的利用率为3.2%，东京流域（除市区以外的其他区域）的利用率为8.4%，东京市区（包括23区）的利用率为2%，分散式和分布式再生水系统的利用情况未纳入统计。
日本的再生水利用分为就地循环、局域循环和广域循环三种模式，分别指建筑物内部处理后利用、小规模处理设施处理后利用和大规模集中处理厂处理后利用。就地循环模式对应我国分散式再生水利用模式，其管网输送距离短，可根据再生水水质灵活就近使用，但管理难度较大，运行不稳定。广域循环模式对应我国集中式模式，具有规模效应，经济节能，但管网建设费用高，输送距离长，难以实现分质供水。局域循环模式对应我国分布式模式，是介于分散式和集中式之间的模式，再生水管网输送距离较短，且经济效应和生态效应显著。
图 5为日本再生水处理设施建设逐年变化情况，2009~2018年，污水处理厂和再生水厂数量的变化均较小，再生水厂在污水处理厂的占比也相对稳定。2009年日本污水厂约2099个，再生水厂290个，再生水厂占比为13.8%；2018年污水厂约2200个，再生水厂296个，再生水厂占比为13.5%。
2. 污水处理人口普及率和成本
污水处理模式可分为集中式和分散式2种形式。集中式污水处理指污水由下水道管网排入污水处理厂进行集中处理，分散式污水处理指污水由分散设施进行处理。图 6为日本污水处理人口普及率和集中式污水处理人口普及率，2000~2020年，总体呈上升趋势。集中式处理是日本污水处理的主要方式。2000年污水处理人口普及率和集中式污水处理人口普及率分别为71.4%和62.0%，2020年分别达到了92.1%和80.1%，约10%的人口由分散式处理方式覆盖，分散式处理在人口稀疏的地区更为经济有效。
日本的污水处理系统兼具收集和处理污水与雨水的功能，污水收集和处理的部分费用由用户承担，雨水处理的费用由政府支付。2019年，日本全国平均污水处理成本（不包括公款承担的费用）为142.46日元/m3，与用户直接相关的自来水使用费为 137.81 日元/ m3。日本污水管道的标准使用寿命为50年，2018年污水管道总长约48万公里，达到标准使用寿命的管道长度约1.9万公里，管道老化率为4.0%，由于下水管道设施老化造成的道路坍塌约3100起。污水管道老化，造成维护成本逐年上升，但由于资本成本逐年下降，污水处理总成本仍保持下降趋势。然而，管道老化率逐年增长，未来可能造成污水处理成本上升。
3. 再生水利用途径和利用量
日本的再生水利用途径统计工作较为细致全面。如图 8所示，日本再生水利用途径主要包括补充地表水用水（34.7%）、观赏性景观环境用水（23.7%）、融雪用水（19.6%）、直接供应公共机构用水（9.6%）和农业用水（5.1%）。其他用途的再生水利用量不到总用水量的10%，包括冲厕用水（3.6%）、娱乐性景观环境用水（1.7%）、工业用水（1.3%）及城市绿化和街道清扫用水（0.7%）等九类。相比而言，我国的再生水利用途径分类主要包括农、林、牧、渔业用水、城市杂用水、工业用水、景观环境用水和补充水源水等五类。
图 9为2009~2018年，日本再生水利用量和利用途径的变化情况。日本的再生水利用量稳定在2亿m3/年，2018年再生水利用量为2.2亿m3，污水处理量为146.4亿m3，再生利用率（再生水利用量与污水处理量之比）为1.5%。其中，补充地表水用水、观赏性景观环境用水和融雪用水的再生水利用量较高，但年际变化幅度较大；近年来，城市绿化、街道清扫和工业用水的再生水利用量有上升趋势，但利用率依然较低；其他利用途径的再生水利用量则保持相对稳定。
日本一直致力于研发高效节能的再生水处理工艺。例如，2009—2015年，日本京都大学的研究团队开展了革新科技核心项目（CREST），该项目评价了四种不同再生水处理工艺：混凝+UF（超滤）、UF+UV（紫外线消毒）、UF+NF（纳滤）和UF+RO（反渗透）。研究表明，除混凝+UF工艺外，其他工艺均能有效去除MS2噬菌体。以UF+UV工艺为例，该工艺对病毒能实现大于5.2个log的去除率，且能维持长期稳定运行，同时，它的能耗水平较低，被认为可有效满足再生水农业利用的水质需求。
此外，日本也制定了再生水处理和利用相关的标准指南，并积极参与国际标准化组织（ISO）水回用国际标准的制定，从政策、框架、指南等角度，积极推进和鼓励再生水利用。
03、结论
日本是一个水资源丰沛的国家，但存在水资源地域和季节的分布不均等问题。目前，日本的再生水利用主要集中在缺水地区，全国的再生水利用量和利用率仍然较低。按照再生水利用规模主要分为3种利用模式：就地循环、局域循环和广域循环模式，利用途径包括了工业用水、城市杂用水、农业用水、环境用水和补充地表水用水等。
日本再生水利用工作有很多经验方法值得学习借鉴，同时亦有一些问题值得注意：
1）再生水利用分类统计工作细致全面。日本的统计工作涵盖了水循环的全部过程，包括取水、用水、污水处理、再生水利用到排水等关键环节；细化了全国及各地的污水处理及再生利用信息，包括利用途径、利用量、利用率、处理成本和电耗等。面对“十四五”期间我国污水资源化发展需求，需进一步加强我国重点城市、重点地区的再生水分类配置和再生水利用分类统计等工作，以提高再生水利用效益。
2）积极开展再生水处理技术研发和国际合作。日本的再生水利用率低于1.5%，尽管现有标准指南已满足再生水利用需求，日本仍然积极开展再生水处理技术和工艺研发、国际标准制定等工作，为进一步推广和扩大再生水利用做好充分理论和技术储备。
3）污水管道老化问题日益凸显。日本城市建设较早，污水管道老化问题逐渐出现，目前已开始统计下水管道寿命及造成道路塌方事故的数据，但尚未找到有效解决污水管道老化问题的方法。污水管道老化不可避免，我国也应尽早开展污水管道寿命的跟踪研究，尽可能减轻或避免管道老化对污水处理和再生利用造成的影响。
陆慧闽1 陈卓2 倪欣业3 巫寅虎2 胡洪营1,2*
（1. 清华苏州环境创新研究院，江苏 苏州 215163；2. 清华大学环境学院 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室，环境前沿技术北京实验室，北京 100084；3.中国城市规划设计研究院，北京 100044)
