城市節(jié)水技術(shù)與實踐綜述

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1. 節(jié)水（Water Conservation）的含義
　　節(jié)水的含義值得深入討論，如單從字面上理解，往往被認為就是節(jié)約用水，實際上節(jié)水的含義深廣，并不局限于用水的節(jié)約。它包括水資源（地面水和地下水）的保護，控制和開發(fā)，并保證其可獲得的最大水量進行合理經(jīng)濟利用，也有精心管理和文明使用自然資源之意。因此，對節(jié)水需作廣義理解，節(jié)水為水管理的一個不可分割的重要部分。
2. 我國目前節(jié)水的主要情況
　　中國水資源短缺、淡水資源總量約每年26200億立方米，人均占有量為每年2392立方米，為世界人均占有量的四分之一，名列第110位，而且這一緊缺的水資源在時空分布上很不均勻，利用難度很大。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和城市生活水平的提高，很多地區(qū)特別在北方和某些沿海城市發(fā)生水資源短缺和污染問題。嚴重缺水的城市如太原、青島、大連等已采取措施推動污水回用。近年來，我國政府更加關(guān)注水資源的短缺和污染問題，促進了自來水廠和污水處理廠的建設(shè)，至1997年底，中國的城市日供水量達1.90億立方米，但是現(xiàn)在我國668個城市中約有330個城市缺水，按目前經(jīng)濟增長速度估計，至2000年城市每年缺水量將超過200億立方米。目前城市污水排放總量約每年212億立方米，而污水處理率僅13.7%，大部分城市污水未經(jīng)處理排入水體，經(jīng)觀察，地面水受到嚴重污染。
　　我國約三分之二的城市以地下水為主要水源，而現(xiàn)在地下水開發(fā)和保護方面存在很多問題，其中管理不善，超量開采，造成地下水位連續(xù)下降，城市地下水資源普遍遭到污染，這些問題直接影響了地下水資源的可持續(xù)利用。因此很多城市別無選擇，只得采取遠距離取水，這樣，長距離引水工程項目的建設(shè)與日俱增，在此情況下，水資源的緊缺和污染已成為我國國民經(jīng)濟發(fā)展的一個制約因素。面對這一嚴峻形勢，必須實行水資源的統(tǒng)一規(guī)劃與管理，把用水問題，特別是將節(jié)水工作納入社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，建立與健全相應(yīng)的規(guī)章制度，認真貫徹開源節(jié)流并重方針，加強節(jié)水的科學(xué)管理，全面開展節(jié)水工作，通過多種途徑開辟新水源，加強污水處理，搞好污水回用，保護生態(tài)環(huán)境。
3. 水價
　　水價是節(jié)水中的一個重要事項，須加以合理制定，合理的水價能促進社會經(jīng)濟發(fā)展，減少水的消耗和改善水環(huán)境。眾所周知，水是一種商品，但現(xiàn)行水價遠低于其市場價值，低水價造成了人們對水的低價值觀念，不利于消費者采取有效的節(jié)水措施。由于城市給排水系統(tǒng)屬于公益性事業(yè)，其效益主要是社會環(huán)境效益，為了給排水事業(yè)和社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，適當(dāng)提高對所有有經(jīng)濟收入部門以及家庭用水的水價標準是完全必要的。在我國的多數(shù)城市，每戶都裝有水表，可根據(jù)自來水用量計算水費，這一水費包括制水的基建投資和運行維護費用等。對于污水收費可使用同一水表估算家庭污水量。下水道用戶付費也可使用水表中的水耗數(shù)據(jù)進行估算，污水付費將高于水費。為公平收費，需引進水和污水的累進付費制度，這樣，單位水價將隨水量的增加而增加。
　　本報告還介紹了日本大阪市下水道用戶付費系統(tǒng)，美國Florida州的供水和污水處理收費系統(tǒng)以及我國一些城市的城市污水處理付費系統(tǒng)。
4. 市政節(jié)水技術(shù)對策
　　宜從以下幾方面推進市政節(jié)水工作：
　　☆ 加強城市供水管網(wǎng)的維護管理、改進測漏技術(shù)、采取有效措施進行治漏、努力減少管網(wǎng)漏失量是城市節(jié)水的重要方面。有的城市使用的檢漏儀器比較敏感，發(fā)現(xiàn)漏水的管段十分準確。城市管網(wǎng)使用的管材的質(zhì)量和接口形式越來越引起人們的注意，我國已廣泛使用新型管材和接口，對于減少管網(wǎng)漏失率有一定作用。
　　☆ 凈水廠排水盡量自身回用以節(jié)約大量用水，我國近幾年新設(shè)計的水廠已考慮將濾池反沖洗水和沉淀池排水經(jīng)濃縮后將上清液進行回收。
　　☆ 選用質(zhì)量好的節(jié)水型用水器具，對節(jié)約居民生活用水和公共場所用水起到很大的作用。特別是抽水馬桶的設(shè)備，這不僅可節(jié)約大量用水，還可節(jié)約水費開支，宜加以推廣。
5. 工業(yè)節(jié)水技術(shù)對策
　　☆ 工業(yè)節(jié)水包括冷卻水的循環(huán)使用，工藝用水工序間的重復(fù)使用，其中，冷卻水的循環(huán)使用是工業(yè)節(jié)水的重要技術(shù)對策。
　　☆ 冷卻水循環(huán)利用的關(guān)鍵是冷卻塔的效率、水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)、提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)減少補給水用量，以及冷卻塔中填料的形式和種類。
　　☆ 革新和推廣采用節(jié)水型生產(chǎn)工藝甚為重要，工廠通過改進廢水處理工藝，使經(jīng)處理的廢水再用于生產(chǎn)，逐步達到零排放，形成閉路系統(tǒng)。
　　☆ 采用低水耗和零水耗工藝，以進一步提高節(jié)水效率。
6. 污水處理技術(shù)的新發(fā)展和應(yīng)用實踐
　　其中引進了所謂“先進一級處理（APT)”的概念，作為二級生物處理（BST）的替代工藝，以期在不需要增加多少資金（費用）的情況下即可提高污水處理廠的處理能力。APT法對懸浮固體和膠體物質(zhì)的去除具有明顯效果。一般可去除懸浮固體80%～90%，BOD為 70%～80%，COD 40%～60%，細菌80%-90%，磷75%-95%。而使用常規(guī)一沉池時，其去除率為：懸浮固體50%～60%，BOD 25%～40%，因此，在處理工藝的評價和選用中，對ATP法的關(guān)注及其與BST法的比較很有必要。
6.1 主要的二級生物處理(BST)工藝
　　有關(guān)水體的污染負荷方面,目前對于污水處理廠去除營養(yǎng)物質(zhì)效率的要求顯著提高了,為達到廢水排放標準,防止水體富營養(yǎng)化以及缺水地區(qū)的污水回用，對污水的除磷脫氮得到了重視。因此已經(jīng)在建設(shè)具有除磷脫氮功能的新污水處理廠，一些老廠也在改造使其具有除磷脫氮功能。傳統(tǒng)的二級生物處理 (BST) 可對有機物進行有效處理，大量去除廢水中的BOD,但除磷脫氮效率低，因此污水處理廠出水排入封閉性和半封閉性水體時，需要提高營養(yǎng)物質(zhì)的去除效率以防止水體富營養(yǎng)化。在污水除磷脫氮工藝中,將兩種已經(jīng)開發(fā)和應(yīng)用的除磷脫氮工藝簡述于后：
6.1.1 循環(huán)式活性污泥工藝 (CAST)
　　根據(jù)有關(guān)資料報道和筆者赴美對序批式活性污泥法的考察，其中由Goronszy開發(fā)的循環(huán)式活性污泥工藝(CAST)可有效地處理城市污水，通常采用4小時循環(huán)周期（2小時曝氣，2小時非曝氣），暴雨時采用2小時循環(huán)周期，沉淀和撇水順序時停止進水。因此，正常的運行系統(tǒng)由以下各階段組成，即充水/曝氣，沉淀，撇水，閑置。該系統(tǒng)設(shè)置厭氧選擇器，混合液從主曝氣區(qū)回流至選擇器。很多中國專家對CAST工藝甚為關(guān)注，由于水體富營養(yǎng)化問題的加劇，現(xiàn)在該工藝除在工業(yè)廢水中廣泛應(yīng)用外，已在我國城市污水處理中陸續(xù)采用。
6.1.2 氧化溝工藝
　　氧化溝工藝與常規(guī)法相比具有以下一些主要優(yōu)點：
　　無須設(shè)置初沉池；
　　工藝運行更為穩(wěn)定可靠；
　　工藝控制簡便；
　　污泥相對穩(wěn)定，可不經(jīng)厭氧消化直接脫水干化；
　　該系統(tǒng)的工作表明，可去除BOD 95~98%, COD 80~90%, 同時，對氨氮的去除程度較高，因此，其凈化效果優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)的氧化溝尚存在一些不足之處，例如因溝深的限制，使占地面積較大。
　　本報告介紹了三種類型的氧化溝，即卡魯塞爾(Crrousel)系統(tǒng)，交替運行系統(tǒng)和奧貝爾(Orbal) 系統(tǒng)。每種類型的氧化溝各有其優(yōu)缺點，其共同的特點是對氮、磷的處理能力提高了。單純采用氧化溝的生物除磷脫氮方法，可使出水的TN為6~10mg/L, TP為1~2mg/L。現(xiàn)在氧化溝處理城市污水在中國業(yè)已廣泛采用。
6.2 先進一級處理(ATP)
　　采用先進一級處理(ATP)去除磷、懸浮固體與有機物在一些國家已應(yīng)用多年，特別在Scandinavia半島、瑞士和加拿大的Ontario省使用較多，美國和德國不少采用ATP的污水處理廠現(xiàn)在也在運行。在常規(guī)法的污水處理中，化學(xué)沉淀往往與生物處理相結(jié)合，以提高磷的去除率。此外原水中的部分有機物得以去除，污水中的細菌、病毒、腸道寄生蟲卵和重金屬能有效地去除。
　　在Scandinavia由于氣候嚴寒且化學(xué)絮凝劑價格低廉，因此采用APT處理污水，在基建造價和運轉(zhuǎn)費用較低的情況下取得較好的處理效果。鑒于中國的具體情況與Scandinavia不同，處理工藝的選擇需符合中國國情，對于出水TP濃度要求大于0.5 mg/L時，去除1 mole磷的金屬鹽投加量為1~2 mole。為達到出水磷的嚴格要求，采用APT所需的運行費用將遠高于二級生物處理(BST)。APT的運行維護費用通常與系統(tǒng)的關(guān)系極為重要。運行費用包括投加的化學(xué)品、電耗、勞力以及污泥處理處置所增加的費用。APT所增加的化學(xué)污泥的處理和處置問題十分復(fù)雜，對于一個大型城市污水處理廠，金屬鹽的投加及所增加污泥的處理處置所需費用十分昂貴，對于一個小型污水處理廠，則所需費用便要少些。鑒于以上情況，目前APT系統(tǒng)可應(yīng)用于我國的小型城市和嚴寒地區(qū)的污水處理。
7. 污水回用
　　城市污水是中國城市地區(qū)的主要水源之一，因此對污水的需求及其與非飲用為目的的污水回用有關(guān)衛(wèi)生健康問題需進行研究。國家的經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高需要增加水資源，因此急需努力開發(fā)非常規(guī)水源。排放至水體（供應(yīng)生活和工農(nóng)業(yè)用水的河流、湖泊、地下水域）的處理水已成為國家非計劃內(nèi)的淡水供應(yīng)的重要組成部分，因此，污水必須經(jīng)過適當(dāng)處理去除和減少有害物質(zhì)，防止危害水體。實際上城市污水的回用已成為國家水資源開發(fā)利用和保護中的一個十分重要的問題。從80年代開始，中國在城市污水回用的開發(fā)方面作出很大努力，廢水經(jīng)適當(dāng)處理后可回用于工業(yè)和灌溉（包括農(nóng)作物、高爾夫球場、公園和其他娛樂場所等），處理水也用于回灌地下水。污水回用是節(jié)省有限的高質(zhì)量飲用水的一個重要措施，中國政府對再生污水回用作為非飲用水給予強有力的支持。
　　以下列舉了在中國實施的污水回用的三種重要途徑—農(nóng)業(yè)灌溉、地下水回灌和工業(yè)冷卻。
7.1 農(nóng)業(yè)灌溉
　　中國早在50年代就開始利用城市污水灌溉農(nóng)田，污水灌溉農(nóng)田除為缺水地區(qū)提供灌溉用水的附加水源以及農(nóng)作物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)外，污水歸田還可防止水體污染，保護飲用水源的水質(zhì)和安全性。過去由于大部分污水未經(jīng)處理直接灌田，造成土壤、作物和地下水受到一定程度的污染。根據(jù)污水灌溉對健康影響的流行病學(xué)研究分析結(jié)果證實，污水灌溉所引起的疾病傳播均與使用原污水或未經(jīng)合適處理的污水有關(guān)。總的看來，由于水資源的緊缺，灌溉用水得不到保證，污水灌溉不但需繼續(xù)進行，而且是污水回用的主要途徑，關(guān)鍵問題是必須加強污水處理，改善灌溉用水水質(zhì)。
7.2 地下水回灌
　　用再生污水和剩余地表水（雨水）回灌地下水是回用的一個重要方面，地下水回灌的目的是為了減少和停止地下水位的下降，甚至使水位有所上升，增加地下水供應(yīng)量。地下水回灌還可儲存雨水和經(jīng)處理的污水以備使用。地下水回灌系根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛩臈l件，以不同循環(huán)周期在布水場地上進行間歇充水。
　　再生水經(jīng)過土壤與地下水層的滲濾和滲透可提高整個污水處理系統(tǒng)的可靠程度，不飽和含水層處理污水的容量很大，其中，懸浮固體被過濾去除，溶解性有機物被生物降解去除，微生物通過吸附過濾去除。為防止再生水對含水層的影響，須將地下水回灌在時空上加以分離，這是地下水回灌在公共衛(wèi)生方面的一個重要考慮。因此，妥善的預(yù)處理對地下水回灌至關(guān)重要，處理要求根據(jù)污水來源和回灌地區(qū)有所不同。
7.3 工業(yè)冷卻
　　大型冷卻系統(tǒng)中有各種不同情況，如近海的大型發(fā)電站或煉油廠的非接觸冷卻，主要金屬工業(yè)相對惰性材質(zhì)的直接接觸冷卻，以及水資源短缺地區(qū)的內(nèi)陸大型工業(yè)的非接觸循環(huán)冷卻系統(tǒng)。
　　工業(yè)冷卻塔的運行面臨四個水質(zhì)問題，即熱交換器和冷凝器中結(jié)垢、堵塞、腐蝕和微生物繁殖，淡水和城市污水中均含有能產(chǎn)生上述問題的污染物，不過城市污水中污染物的濃度較高。當(dāng)再生水回用于冷卻系統(tǒng)時，為保護工作人員的健康，合適的消毒是個首要問題。通常使用再生城市污水的水質(zhì)要求與使用淡水相同，可設(shè)計采用污水深度處理，以減少磷（控制結(jié)垢），懸浮固體（控制堵塞），微生物（控制微生物和致病菌繁殖）。另外，為使其他的有害物質(zhì)引起的腐蝕作用減少到最低程度，有必要在工廠內(nèi)部采用化學(xué)處理如鋅/鉻處理方法，這些產(chǎn)生腐蝕作用的物質(zhì)包括總?cè)芙庑怨腆w，在常規(guī)處理單元過程和運行中加以去除，費用昂貴。
8. 石家莊橋東污水處理廠可行性研究實例分析
　　石家莊為“中國21世紀城市水管理”項目的示范城市，該市利用世界銀行貸款項目的“石家莊市污水治理工程可行性研究”已經(jīng)完成，該可行性研究提出了以下三個污水處理工藝方案（處理規(guī)模500,000m3/d）進行技術(shù)經(jīng)濟比較。
　　☆ A2/O工藝
　　☆ 氧化溝工藝
　　☆ 傳統(tǒng)活性污泥法工藝
　　傳統(tǒng)活性污泥法系統(tǒng)的負荷較高，相應(yīng)的水力停留時間較短，從而減少了所需的曝氣池池容。其剩余污泥通常進行厭氧消化，傳統(tǒng)活性污泥法系統(tǒng)所需的基建和運行費用也較低。其主要缺點為除磷脫氮效率不高。
　　A2/O工藝具有較高的除磷脫氮效果與運行的可靠性，其主要弱點是占地面積較大，所需基建費用較高。
　　氧化溝工藝與A2/O工藝以及傳統(tǒng)活性污泥法工藝相比，其抗沖擊負荷能力較強，運行管理更為穩(wěn)定簡便，除磷脫氮效果遠優(yōu)于傳統(tǒng)活性污泥法。對上述工藝進行了優(yōu)缺點的比較后，認為氧化溝工藝應(yīng)是石家莊市橋東污水處理廠采用的最佳工藝。
9. 城市污泥的土地處置和農(nóng)業(yè)利用
　　隨著我國城市污水處理事業(yè)的發(fā)展，需要處理利用的污泥量相應(yīng)增加，大部分城市污泥含有約50~60 % VS, 3.0 % TN, 2.0 % P2O5。污泥中營養(yǎng)物質(zhì)含量較高。我國的污泥農(nóng)業(yè)利用已有很長歷史，污泥農(nóng)業(yè)利用可節(jié)省農(nóng)民使用昂貴的化肥所需費用,因此十分經(jīng)濟。在我國的有些地區(qū)施用污泥時，進入土壤中的污泥水分是一種寶貴的資源，干固體含量為5~20%的污泥通常由農(nóng)民無償取走。我國的大部分城市污水污泥含有較大比例的工業(yè)排放物質(zhì)，這種污泥用于農(nóng)業(yè)，所含重金屬會污染農(nóng)田，影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。為避免上述問題的產(chǎn)生，對于污泥利用必須強調(diào)工業(yè)預(yù)處理和源頭控制。另外，在污水處理過程中，污水中的大量細菌、病毒和寄生蟲卵會濃縮在污泥中，其中，一小部分微生物是病原菌，可通過厭氧消化加以大量去除。
　　濕污泥和脫水污泥均可在農(nóng)田上施用，為節(jié)省運費，一般應(yīng)考慮污泥脫水。通常降低運費對于大城市更為重要，對于我國的一些小城鎮(zhèn)就不一定設(shè)置污泥脫水設(shè)施。應(yīng)將污泥的處置和利用兩者密切結(jié)合起來考慮，以實現(xiàn)城市污泥的長期持續(xù)利用。
10. 沿海城市的海水利用
　　在沿海城市充分利用海水作為工廠冷卻水或工藝用水是節(jié)約淡水的一個有效措施，對冷卻水系統(tǒng)的管道和設(shè)備應(yīng)作防腐。天津堿廠將處理后的海水先用作冷卻水，然后用于溶鹽既節(jié)約了淡水又利用了海水中的鹽分。大連、青島、寧波等許多沿海城市的電廠也都利用海水作為冷卻水，積累了豐富的實踐經(jīng)驗。海水淡化因耗能大、成本高，在短期內(nèi)還不能成為我國沿海城市供水的重要水源，但隨著淡水價值的不斷提高，海水淡化成本的降低，應(yīng)用海水淡化技術(shù)以獲取更多的淡水，是今后沿海城市節(jié)約淡水解決危機的重要方向。