城市节水技术与实践综述

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1. 节水（Water Conservation）的含义
　　节水的含义值得深入讨论，如单从字面上理解，往往被认为就是节约用水，实际上节水的含义深广，并不局限于用水的节约。它包括水资源（地面水和地下水）的保护，控制和开发，并保证其可获得的最大水量进行合理经济利用，也有精心管理和文明使用自然资源之意。因此，对节水需作广义理解，节水为水管理的一个不可分割的重要部分。
2. 我国目前节水的主要情况
　　中国水资源短缺、淡水资源总量约每年26200亿立方米，人均占有量为每年2392立方米，为世界人均占有量的四分之一，名列第110位，而且这一紧缺的水资源在时空分布上很不均匀，利用难度很大。随着国民经济的发展和城市生活水平的提高，很多地区特别在北方和某些沿海城市发生水资源短缺和污染问题。严重缺水的城市如太原、青岛、大连等已采取措施推动污水回用。近年来，我国政府更加关注水资源的短缺和污染问题，促进了自来水厂和污水处理厂的建设，至1997年底，中国的城市日供水量达1.90亿立方米，但是现在我国668个城市中约有330个城市缺水，按目前经济增长速度估计，至2000年城市每年缺水量将超过200亿立方米。目前城市污水排放总量约每年212亿立方米，而污水处理率仅13.7%，大部分城市污水未经处理排入水体，经观察，地面水受到严重污染。
　　我国约三分之二的城市以地下水为主要水源，而现在地下水开发和保护方面存在很多问题，其中管理不善，超量开采，造成地下水位连续下降，城市地下水资源普遍遭到污染，这些问题直接影响了地下水资源的可持续利用。因此很多城市别无选择，只得采取远距离取水，这样，长距离引水工程项目的建设与日俱增，在此情况下，水资源的紧缺和污染已成为我国国民经济发展的一个制约因素。面对这一严峻形势，必须实行水资源的统一规划与管理，把用水问题，特别是将节水工作纳入社会经济发展规划，建立与健全相应的规章制度，认真贯彻开源节流并重方针，加强节水的科学管理，全面开展节水工作，通过多种途径开辟新水源，加强污水处理，搞好污水回用，保护生态环境。
3. 水价
　　水价是节水中的一个重要事项，须加以合理制定，合理的水价能促进社会经济发展，减少水的消耗和改善水环境。众所周知，水是一种商品，但现行水价远低于其市场价值，低水价造成了人们对水的低价值观念，不利于消费者采取有效的节水措施。由于城市给排水系统属于公益性事业，其效益主要是社会环境效益，为了给排水事业和社会经济的持续发展，适当提高对所有有经济收入部门以及家庭用水的水价标准是完全必要的。在我国的多数城市，每户都装有水表，可根据自来水用量计算水费，这一水费包括制水的基建投资和运行维护费用等。对于污水收费可使用同一水表估算家庭污水量。下水道用户付费也可使用水表中的水耗数据进行估算，污水付费将高于水费。为公平收费，需引进水和污水的累进付费制度，这样，单位水价将随水量的增加而增加。
　　本报告还介绍了日本大阪市下水道用户付费系统，美国Florida州的供水和污水处理收费系统以及我国一些城市的城市污水处理付费系统。
4. 市政节水技术对策
　　宜从以下几方面推进市政节水工作：
　　☆ 加强城市供水管网的维护管理、改进测漏技术、采取有效措施进行治漏、努力减少管网漏失量是城市节水的重要方面。有的城市使用的检漏仪器比较敏感，发现漏水的管段十分准确。城市管网使用的管材的质量和接口形式越来越引起人们的注意，我国已广泛使用新型管材和接口，对于减少管网漏失率有一定作用。
　　☆ 净水厂排水尽量自身回用以节约大量用水，我国近几年新设计的水厂已考虑将滤池反冲洗水和沉淀池排水经浓缩后将上清液进行回收。
　　☆ 选用质量好的节水型用水器具，对节约居民生活用水和公共场所用水起到很大的作用。特别是抽水马桶的设备，这不仅可节约大量用水，还可节约水费开支，宜加以推广。
5. 工业节水技术对策
　　☆ 工业节水包括冷却水的循环使用，工艺用水工序间的重复使用，其中，冷却水的循环使用是工业节水的重要技术对策。
　　☆ 冷却水循环利用的关键是冷却塔的效率、水质稳定技术、提高循环水的浓缩倍数减少补给水用量，以及冷却塔中填料的形式和种类。
　　☆ 革新和推广采用节水型生产工艺甚为重要，工厂通过改进废水处理工艺，使经处理的废水再用于生产，逐步达到零排放，形成闭路系统。
　　☆ 采用低水耗和零水耗工艺，以进一步提高节水效率。
6. 污水处理技术的新发展和应用实践
　　其中引进了所谓“先进一级处理（APT)”的概念，作为二级生物处理（BST）的替代工艺，以期在不需要增加多少资金（费用）的情况下即可提高污水处理厂的处理能力。APT法对悬浮固体和胶体物质的去除具有明显效果。一般可去除悬浮固体80%～90%，BOD为 70%～80%，COD 40%～60%，细菌80%-90%，磷75%-95%。而使用常规一沉池时，其去除率为：悬浮固体50%～60%，BOD 25%～40%，因此，在处理工艺的评价和选用中，对ATP法的关注及其与BST法的比较很有必要。
6.1 主要的二级生物处理(BST)工艺
　　有关水体的污染负荷方面,目前对于污水处理厂去除营养物质效率的要求显著提高了,为达到废水排放标准,防止水体富营养化以及缺水地区的污水回用，对污水的除磷脱氮得到了重视。因此已经在建设具有除磷脱氮功能的新污水处理厂，一些老厂也在改造使其具有除磷脱氮功能。传统的二级生物处理 (BST) 可对有机物进行有效处理，大量去除废水中的BOD,但除磷脱氮效率低，因此污水处理厂出水排入封闭性和半封闭性水体时，需要提高营养物质的去除效率以防止水体富营养化。在污水除磷脱氮工艺中,将两种已经开发和应用的除磷脱氮工艺简述于后：
6.1.1 循环式活性污泥工艺 (CAST)
　　根据有关资料报道和笔者赴美对序批式活性污泥法的考察，其中由Goronszy开发的循环式活性污泥工艺(CAST)可有效地处理城市污水，通常采用4小时循环周期（2小时曝气，2小时非曝气），暴雨时采用2小时循环周期，沉淀和撇水顺序时停止进水。因此，正常的运行系统由以下各阶段组成，即充水/曝气，沉淀，撇水，闲置。该系统设置厌氧选择器，混合液从主曝气区回流至选择器。很多中国专家对CAST工艺甚为关注，由于水体富营养化问题的加剧，现在该工艺除在工业废水中广泛应用外，已在我国城市污水处理中陆续采用。
6.1.2 氧化沟工艺
　　氧化沟工艺与常规法相比具有以下一些主要优点：
　　无须设置初沉池；
　　工艺运行更为稳定可靠；
　　工艺控制简便；
　　污泥相对稳定，可不经厌氧消化直接脱水干化；
　　该系统的工作表明，可去除BOD 95~98%, COD 80~90%, 同时，对氨氮的去除程度较高，因此，其净化效果优于常规系统。然而，传统的氧化沟尚存在一些不足之处，例如因沟深的限制，使占地面积较大。
　　本报告介绍了三种类型的氧化沟，即卡鲁塞尔(Crrousel)系统，交替运行系统和奥贝尔(Orbal) 系统。每种类型的氧化沟各有其优缺点，其共同的特点是对氮、磷的处理能力提高了。单纯采用氧化沟的生物除磷脱氮方法，可使出水的TN为6~10mg/L, TP为1~2mg/L。现在氧化沟处理城市污水在中国业已广泛采用。
6.2 先进一级处理(ATP)
　　采用先进一级处理(ATP)去除磷、悬浮固体与有机物在一些国家已应用多年，特别在Scandinavia半岛、瑞士和加拿大的Ontario省使用较多，美国和德国不少采用ATP的污水处理厂现在也在运行。在常规法的污水处理中，化学沉淀往往与生物处理相结合，以提高磷的去除率。此外原水中的部分有机物得以去除，污水中的细菌、病毒、肠道寄生虫卵和重金属能有效地去除。
　　在Scandinavia由于气候严寒且化学絮凝剂价格低廉，因此采用APT处理污水，在基建造价和运转费用较低的情况下取得较好的处理效果。鉴于中国的具体情况与Scandinavia不同，处理工艺的选择需符合中国国情，对于出水TP浓度要求大于0.5 mg/L时，去除1 mole磷的金属盐投加量为1~2 mole。为达到出水磷的严格要求，采用APT所需的运行费用将远高于二级生物处理(BST)。APT的运行维护费用通常与系统的关系极为重要。运行费用包括投加的化学品、电耗、劳力以及污泥处理处置所增加的费用。APT所增加的化学污泥的处理和处置问题十分复杂，对于一个大型城市污水处理厂，金属盐的投加及所增加污泥的处理处置所需费用十分昂贵，对于一个小型污水处理厂，则所需费用便要少些。鉴于以上情况，目前APT系统可应用于我国的小型城市和严寒地区的污水处理。
7. 污水回用
　　城市污水是中国城市地区的主要水源之一，因此对污水的需求及其与非饮用为目的的污水回用有关卫生健康问题需进行研究。国家的经济发展和人民生活水平的提高需要增加水资源，因此急需努力开发非常规水源。排放至水体（供应生活和工农业用水的河流、湖泊、地下水域）的处理水已成为国家非计划内的淡水供应的重要组成部分，因此，污水必须经过适当处理去除和减少有害物质，防止危害水体。实际上城市污水的回用已成为国家水资源开发利用和保护中的一个十分重要的问题。从80年代开始，中国在城市污水回用的开发方面作出很大努力，废水经适当处理后可回用于工业和灌溉（包括农作物、高尔夫球场、公园和其他娱乐场所等），处理水也用于回灌地下水。污水回用是节省有限的高质量饮用水的一个重要措施，中国政府对再生污水回用作为非饮用水给予强有力的支持。
　　以下列举了在中国实施的污水回用的三种重要途径—农业灌溉、地下水回灌和工业冷却。
7.1 农业灌溉
　　中国早在50年代就开始利用城市污水灌溉农田，污水灌溉农田除为缺水地区提供灌溉用水的附加水源以及农作物生长所需的营养物质外，污水归田还可防止水体污染，保护饮用水源的水质和安全性。过去由于大部分污水未经处理直接灌田，造成土壤、作物和地下水受到一定程度的污染。根据污水灌溉对健康影响的流行病学研究分析结果证实，污水灌溉所引起的疾病传播均与使用原污水或未经合适处理的污水有关。总的看来，由于水资源的紧缺，灌溉用水得不到保证，污水灌溉不但需继续进行，而且是污水回用的主要途径，关键问题是必须加强污水处理，改善灌溉用水水质。
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个重要方面，地下水回灌的目的是为了减少和停止地下水位的下降，甚至使水位有所上升，增加地下水供应量。地下水回灌还可储存雨水和经处理的污水以备使用。地下水回灌系根据当地气候水文条件，以不同循环周期在布水场地上进行间歇充水。
　　再生水经过土壤与地下水层的渗滤和渗透可提高整个污水处理系统的可靠程度，不饱和含水层处理污水的容量很大，其中，悬浮固体被过滤去除，溶解性有机物被生物降解去除，微生物通过吸附过滤去除。为防止再生水对含水层的影响，须将地下水回灌在时空上加以分离，这是地下水回灌在公共卫生方面的一个重要考虑。因此，妥善的预处理对地下水回灌至关重要，处理要求根据污水来源和回灌地区有所不同。
7.3 工业冷却
　　大型冷却系统中有各种不同情况，如近海的大型发电站或炼油厂的非接触冷却，主要金属工业相对惰性材质的直接接触冷却，以及水资源短缺地区的内陆大型工业的非接触循环冷却系统。
　　工业冷却塔的运行面临四个水质问题，即热交换器和冷凝器中结垢、堵塞、腐蚀和微生物繁殖，淡水和城市污水中均含有能产生上述问题的污染物，不过城市污水中污染物的浓度较高。当再生水回用于冷却系统时，为保护工作人员的健康，合适的消毒是个首要问题。通常使用再生城市污水的水质要求与使用淡水相同，可设计采用污水深度处理，以减少磷（控制结垢），悬浮固体（控制堵塞），微生物（控制微生物和致病菌繁殖）。另外，为使其他的有害物质引起的腐蚀作用减少到最低程度，有必要在工厂内部采用化学处理如锌/铬处理方法，这些产生腐蚀作用的物质包括总溶解性固体，在常规处理单元过程和运行中加以去除，费用昂贵。
8. 石家庄桥东污水处理厂可行性研究实例分析
　　石家庄为“中国21世纪城市水管理”项目的示范城市，该市利用世界银行贷款项目的“石家庄市污水治理工程可行性研究”已经完成，该可行性研究提出了以下三个污水处理工艺方案（处理规模500,000m3/d）进行技术经济比较。
　　☆ A2/O工艺
　　☆ 氧化沟工艺
　　☆ 传统活性污泥法工艺
　　传统活性污泥法系统的负荷较高，相应的水力停留时间较短，从而减少了所需的曝气池池容。其剩余污泥通常进行厌氧消化，传统活性污泥法系统所需的基建和运行费用也较低。其主要缺点为除磷脱氮效率不高。
　　A2/O工艺具有较高的除磷脱氮效果与运行的可靠性，其主要弱点是占地面积较大，所需基建费用较高。
　　氧化沟工艺与A2/O工艺以及传统活性污泥法工艺相比，其抗冲击负荷能力较强，运行管理更为稳定简便，除磷脱氮效果远优于传统活性污泥法。对上述工艺进行了优缺点的比较后，认为氧化沟工艺应是石家庄市桥东污水处理厂采用的最佳工艺。
9. 城市污泥的土地处置和农业利用
　　随着我国城市污水处理事业的发展，需要处理利用的污泥量相应增加，大部分城市污泥含有约50~60 % VS, 3.0 % TN, 2.0 % P2O5。污泥中营养物质含量较高。我国的污泥农业利用已有很长历史，污泥农业利用可节省农民使用昂贵的化肥所需费用,因此十分经济。在我国的有些地区施用污泥时，进入土壤中的污泥水分是一种宝贵的资源，干固体含量为5~20%的污泥通常由农民无偿取走。我国的大部分城市污水污泥含有较大比例的工业排放物质，这种污泥用于农业，所含重金属会污染农田，影响农产品的质量和产量。为避免上述问题的产生，对于污泥利用必须强调工业预处理和源头控制。另外，在污水处理过程中，污水中的大量细菌、病毒和寄生虫卵会浓缩在污泥中，其中，一小部分微生物是病原菌，可通过厌氧消化加以大量去除。
　　湿污泥和脱水污泥均可在农田上施用，为节省运费，一般应考虑污泥脱水。通常降低运费对于大城市更为重要，对于我国的一些小城镇就不一定设置污泥脱水设施。应将污泥的处置和利用两者密切结合起来考虑，以实现城市污泥的长期持续利用。
10. 沿海城市的海水利用
　　在沿海城市充分利用海水作为工厂冷却水或工艺用水是节约淡水的一个有效措施，对冷却水系统的管道和设备应作防腐。天津碱厂将处理后的海水先用作冷却水，然后用于溶盐既节约了淡水又利用了海水中的盐分。大连、青岛、宁波等许多沿海城市的电厂也都利用海水作为冷却水，积累了丰富的实践经验。海水淡化因耗能大、成本高，在短期内还不能成为我国沿海城市供水的重要水源，但随着淡水价值的不断提高，海水淡化成本的降低，应用海水淡化技术以获取更多的淡水，是今后沿海城市节约淡水解决危机的重要方向。