上海城镇污水处理厂尾水再生利用潜力分析
导读：除江河湖泊和地下水中的淡水资源以外的海水、苦咸水、雨水、污水处理再生水等水资源统称为非传统水资源。其中,污水处理再生利用与远距离引水或调水、海水淡化等相比更为经济,潜力更大。2021年1月,国家发展改革委等十部门联合印发了《关于推进污水资源化利用的指导意见》(以下简称《指导意见》),对全面推进水资源化利用进行了部署。《指导意见》指出,“污水资源化利用对优化供水结构、增加水资源供给、缓解供需矛盾和减少水污染、保障水生态安全具有重要意义”。假设城市污水排放系数取80%～90%,依据国家《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》,到2025年全国地级及以上缺水城市再生水利用率达到25%以上,则再生水利用量可占城市用水量的20%以上。根据“优质优用,低质低用”的原则,再生水可替代优质自来水用于工业、市政、景观、环境等对水质要求相对较低的用途,减少城市自来水的消耗。根据《2020年上海市水资源公报》,工业用水、农业用水和生态环境用水约占2020年全市用水总量的67%,这部分用水完全可以用再生水进行替换。
2020年上海市人均水资源量为235.9 m3,根据联合国环境发展署给出的人均水资源数据作为缺水评价划分标准,上海市人均水资源量小于500 m3,为极度缺水城市。因此,上海市需要通过“节流、开源、水资源管理体制改革”等措施,充分提高水利用效率。上海市水务局印发的《上海市排水“十四五”规划》提出,提升再生水利用水平为“十四五”重点任务之一。规划指出,应“研究推进污水再生利用设施建设与改造,城市生态景观、工业生产、城市绿化、道路清扫、车辆冲洗和建筑施工等,应当优先使用再生水,提升再生水利用水平,鼓励构建城镇良性水循环系统”。目前,上海市城镇污水处理厂尾水再生利用途径以厂区内部消化为主,个别示范工程有外供使用的情况,外供途径也以环境补水为主。如泰和污水处理厂出水水质达到地表准Ⅳ类水标准(水质不低于一级A标准,其中氨氮和总磷执行地表Ⅳ类水标准)后排入蕰藻浜用于环境补水。对照《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》到2025年全国地级及以上缺水城市再生水利用率达到25%以上的要求,上海尚需进一步加强再生水的开发利用。
本文主要通过研究我国再生水利用发展历程,以及上海市城镇污水处理厂概况、上海市城镇污水处理厂尾水潜在再生利用途径和尾水再生利用处理技术,论述上海市城镇污水处理厂尾水再生利用的潜力,以期为上海市城镇污水处理厂尾水再生回用的发展和推广应用提供参考。
1、我国再生水利用发展历程
我国城市污水处理再生利用起步较晚,到20世纪80年代,随着污水处理再生利用技术日趋成熟,污水处理再生利用的研究与实践才得以加速发展。截至2012年,总体可分为3个阶段：“六五”期间的起步阶段;“七五”到“九五”期间的示范工程引导和技术储备阶段;“十五”至2012年的全面发展阶段。具体历程如表1所示。从“十五”开始,再生水利用被写入5年规划纲要,表明国家对再生水利用的重视程度升级。并且,从“十一五”开始,陆续编制和颁布了一系列城镇污水再生利用于不同途径的国家标准,使污水再生利用的水质有章可循、有法可依,有力地推动了再生水利用工程化的进程,为实现水资源的可持续利用提供了技术保证。
表1 我国城市污水再生利用发展历程
2、上海市城镇污水处理厂概况
截至2020年,上海市共有城镇污水处理厂44座,出水水质基本达到《城镇污水厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A及以上标准,处理规模约为847.25万m3/d,其中,中心城区处理规模为604万m3/d,郊区总计处理规模为243.25万m3/d(表2)。经计算,上海市每年可产生约30.91亿m3的污水处理厂尾水,而目前这些尾水的去向基本为排海、排入长江或就近排入地表水体。为满足《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》提出的“到2025年全国地级及以上缺水城市再生水利用率达到25%以上”的要求,上海市每年需再生利用的水量约为7.73亿m3。
表2 上海市城镇污水处理厂概况(截至2020年底)
3、上海市城镇污水处理厂尾水潜在再生利用途径
根据《城市污水再生利用 分类》(GB/T 18919—2002),城镇污水再生利用按用途可分为工业用水、农林牧渔业用水、城市杂用水、环境用水和补充水源水5大类。不同的污水再生利用类型有对应的再生水回用水质标准(表3)。
表3 再生水回用水质标准对照
注：1为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准;2为《城市污水再生利用 工业用水水质》(GB/T 19923—2005);3为《城市污水再生利用 农田灌溉用水水质》(GB 20922—2007);4为《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T 18920—2020);5为《城市污水再生利用 绿地灌溉水质》(GB/T 25499—2010);6为《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T 18921—2019)河道类和景观湿地指标;7为《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T 18921—2019)湖泊类和水景类指标;8为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类指标;9为《城市污水再生利用 地下水回灌水质标准》(GB/T 19772—2005)地表回灌标准;10为《城市污水再生利用 地下水回灌水质标准》(GB/T 19772—2005)井灌标准。
3.1工业用水
2015年—2020年,上海市年均工业用水量为35.13亿m3,用水量最大,约占全市年均总用水量的46%。根据《上海市城市总体规划(2017—2035年)》的上海市域先进制造业发展空间规划,主城区优先发展高端生产性服务业和高附加值都市型工业,郊区集聚发展先进制造业,推进先进制造业相对集中布局。对比《城市污水再生利用 工业用水水质》(GB/T 19923—2005)和一级A标准可发现,一级A标准尾水基本满足工业水质,因此,上海市城镇污水处理厂尾水经深度处理后,可用于冷却用水、洗涤用水、锅炉补给水、工艺与产品用水等。且上海市城镇污水处理厂也基本分布于郊区,便于再生水管网的建设及就近供配水,是近期较为经济可行的再生水利用途径。
3.2农田灌溉用水
2015年—2020年,上海市年均农业用水量为15.49亿m3,用水量仅次于工业用水量,约占全市年均总用水量的20%。根据《上海市城市总体规划(2017—2035年)》的上海市域农业空间规划,上海市按照市-区-镇三级,建立永久基本农田集中区-保护区-保护地块管理体系,并在全市层面,划定永久基本农田集中区15片,促进永久基本农田集中成片。上海市永久基本农田分布于崇明三岛、黄浦江上游、杭州湾北岸和城市周边地区,与上海市城镇污水处理厂分布相近。并且,对比《城市污水再生利用 农田灌溉用水水质》(GB 20922—2007)和一级A标准可发现,一级A标准的污水处理厂尾水满足农业用水水质标准,因此,可考虑将污水处理厂尾水就近用于附近农田灌溉。但在利用过程中需重点关注再生水中可能存在的致病微生物、过量重金属元素等对农作物食用安全、土壤及地下水污染等方面的影响。
3.3城市杂用水
2015年—2020年,上海市年均城镇公共用水量为11.08亿m3,约占全市年均总用水量的15%。根据《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T 18920—2020),经消毒处理后的一级A尾水可用于城市绿化、道路清扫、消防、建筑施工等城市杂用水用途,消毒并稀释后的一级A尾水可用于冲厕、车辆冲洗等用途。一级A尾水经消毒处理后也满足《城市污水再生利用 绿地灌溉水质》(GB/T 25499—2010)对水质的要求。随着人民生活质量的提高,城市绿化率、道路覆盖率、私家车辆拥有数量等将不断增加,城市杂用水量也将逐渐增加。根据《上海市城市总体规划(2017—2035年)》,至2035年,中心城新增公园绿地30 km2以上,人均公园绿地面积从3.8 m2提高到7.6 m2;主城区全路网密度达到8 km/km2,其中中央活动区全路网密度达到10 km/km2。因此,再生水回用于城市杂用潜力巨大。
3.4环境用水
环境用水包含娱乐性景观环境用水、观赏性景观环境用水和湿地环境用水等方面。目前,将再生水用于公园景观环境用水在我国北方部分城市得到了广泛推广。根据《上海市生态环境保护“十四五”规划》,到2025年,人均公园绿地面积将达9.5 m2以上,湿地保护率维持50%以上。因此,再生水回用于环境用水在上海市也存在较高的潜在需求。对比《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T 18921—2019)和一级A标准可发现,除色度外,一级A标准基本满足景观环境用水河道类和景观湿地水质要求,因此,上海市城镇污水处理厂尾水经深度处理后,可用于河道、景观湿地等的补水。再生水回用于景观环境补水需关注氮、磷、色度、嗅味、大肠杆菌等指标,不仅要控制富营养化带来的水华,保证景观水体在视觉上清澈舒适、水体无异味,还要严格考虑是否会影响接触人群的健康。
3.5补充水源水
补充水源水可细分为补充地表水和补充地下水。补充地表水需满足受纳水体对补水水源的水质要求,2021年11月7日中共中央、国务院发布的《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》提出,到2025年全国县级及以上城市集中式饮用水水源水质达到或优于Ⅲ类比例总体高于93%。现阶段上海市城镇污水处理厂尾水水质还未能达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水的要求。补充地下水是通过地表回灌、井灌等方式,水质需满足《城市污水再生利用 地下水回灌水质》(GB/T 19772—2005)的要求。对比可发现,一级A标准无法满足地下水回灌水质要求。如将污水处理厂尾水用于补充水源水需进一步深度处理,无疑将增加回用水成本,现阶段可行性不高。
综上,不同再生水用途对再生水水质要求各不相同。根据《2020年上海市水资源公报》,2020年上海市全市用水总量为72.62亿m3,其中农业用水量为15.22亿m3,工业用水量为33.01亿m3,城镇公共用水量为9.66亿m3。2020年上海市潜在用户再生水需求量约为57.89亿m3,完全可接纳上海市每年需回用的再生水量为7.73亿m3(再生水利用率达到25%以上)。
4、尾水再生利用处理技术
污水处理厂尾水再生利用处理技术是指对污水处理厂二级处理出水进一步处理使其达到再生水水质要求的技术。经过国内外学者的长期研究与实践应用,已形成一套较为成熟的尾水再生利用处理技术体系,主要分为深度处理和消毒两个重要步骤,常用的技术单元及其主要去除指标如图1所示。
图1 常用的尾水再生利用处理技术及其主要去除指标
然而往往单一处理技术无法满足特定的再生水水质要求,需要采用组合工艺对尾水进行深度净化处理。部分尾水再生利用途径应重点关注水质指标及建议采用工艺如表4所示。目前,国内外已有许多尾水再生利用的成功案例。新加坡樟宜2新生水厂设计产水能力为22.8万m3/d,主要通过微滤(MF)和反渗透(RO)组成的双膜系统加上紫外消毒系统将污水处理厂二级出水转化为新生水,主要用于工业用水,部分补入蓄水池作为饮用水水源。该净化系统对浑浊度的去除率可达93.4%,对总有机碳的去除率可达99.4%,对氨氮的去除率可达88.4%,且出水水质稳定。日本福冈市在实践中发现再生水中有大量铁、锰等溶解性金属时会影响再生水的传输和利用,因此,在过滤工艺之前采用臭氧处理,使溶解性的铁、锰氧化析出,再将析出后的金属通过过滤去除。整体工艺采用絮凝沉淀、臭氧处理、砂滤/膜生物过滤、氯消毒处理系统,供水量合计8 800 m3/d,再生水主要用于大型建筑物及公园的冲厕用水、城市绿化、道路清扫等城市杂用水。深圳市截至2018年底已建成水质净化厂38座,其中横岗再生水厂设计规模为5万m3/d,采用UF、臭氧、次氯酸钠消毒处理系统,出水用于道路浇洒、市政绿化等城市杂用水和景观环境用水,出水水质稳定并满足相应城市污水再生利用水质要求。北京市污水处理厂再生水深度处理技术多采用臭氧、砂滤和UF工艺,消毒技术多采用紫外消毒,部分水厂采用氯消毒。再生水主要用于景观环境用水、工业用水和城市杂用水。
表4 不同尾水再生利用途径应重点关注水质指标及建议采用工艺
综上,因不同再生水用途对水质要求各不相同,在实际应用过程中,需结合意向再生水利用途径、进水水质情况等因素,选取相应适宜的组合工艺,以保障再生水水质。
5、尾水再生利用成本
尾水再生利用总成本主要包括投资成本和运行成本。水源水质、再生水用途、处理工艺和处理规模是影响尾水再生利用投资和运行成本的主要因素。水源水质越好、水量越大、出水水质要求越低,投资和运行成本越低。符家瑞等根据我国尾水再生利用实践,对部分常见深度处理工艺的投资和运营成本进行了整理。其中,混凝沉淀-过滤-消毒工艺的单位投资和运行成本相对较低,但该工艺污染物去除率较低,不能完全适用于不同用途的再生水处理。而膜处理工艺投资和运行成本相对适中,出水水质稳定,可满足多种再生水用途的水质要求。以深圳市横岗再生水厂为例,采用UF、臭氧、次氯酸钠消毒处理系统,其不同处理规模情况下,再生水价格如表5所示。2022年深圳非居民生活用水价格为3.77元/m3,横岗再生水厂再生水价格为深圳市非居民生活用水价格的22.4%～43.1%。可见，尾水再生利用于非居民生活用水途径具有经济可行性。
6、总结
综合分析再生水资源供需情况、水质要求、处理技术、再生利用成本等因素,上海市城镇污水处理厂尾水具有数量庞大、易于收集利用等优点,可再生回用于工业用水、农田灌溉用水、环境用水和城市杂用水,但用于补充水源水成本较高,且安全性仍需进一步研究,现阶段可行性不高。其中,上海市工厂与城镇污水处理厂均多分布于郊区,便于再生水管网的建设及就近供配水,是近期较为经济可行的再生水利用途径。并且,随着上海市城市绿化率、道路覆盖率等不断增加,城市杂用水量也将逐渐增加,上海市再生水回用于城市杂用潜力巨大。而将再生水就近回用于农田灌溉和环境用水过程中,需重点关注病原微生物、有毒有害有机物等对农作物食用安全、接触人群健康等方面的影响。
表5 深圳横岗再生水厂再生水价格
当前,上海市污水再生回用还处在发展阶段,在实际推广应用过程中,需要进一步提高再生水利用的技术水平,并持续开展新技术的研发工作,方可为再生水利用提供有效技术保障。
