胡洪營團(tuán)隊:北京市城鎮(zhèn)污水再生利用現(xiàn)狀與潛力分析
作者介紹：
徐傲1 巫寅虎2? 陳卓2 崔琦3 白宇4 李魁曉4 時玉龍4 高強5 胡洪營2,6
(1. 清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院,江蘇 蘇州 215163; 2. 清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點實驗室,北京 100084; 3. 中建水務(wù)環(huán)保有限公司,北京 100044;4. 北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100061; 5. 中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會,北京 100082;6. 清華-伯克利深圳學(xué)院 環(huán)境與新能源技術(shù)工程實驗室,廣東 深圳 518055）
研究背景
水是生命之源，是人類日常生產(chǎn)生活不可缺少的部分。北京市是華北地區(qū)嚴(yán)重缺水的城市，截至2018年末，北京市常駐人口2154.2萬，全市人均水資源量僅為164m3，按照聯(lián)合國的分類屬于極度缺水地區(qū)。2018年北京市全年供水量23.7%依靠南水北調(diào)工程提供。北京市下轄16個區(qū)縣，2018年GDP達(dá)到30320億元，二、三產(chǎn)業(yè)占GDP總量的99.6%，已成為北京市經(jīng)濟(jì)重要支撐產(chǎn)業(yè)。水資源短缺已成為北京市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要制約因素。
城市污水排放量大，水質(zhì)穩(wěn)定，是穩(wěn)定的城市第二水源。污水經(jīng)過適當(dāng)處理，污染物可得到有效去除，生產(chǎn)的再生水可以安全用于日常生產(chǎn)生活中。城市污水再生利用已經(jīng)在多個國家得到廣泛應(yīng)用。其生產(chǎn)的再生水已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、市政等多個領(lǐng)域，有效地降低了對新鮮水源的需求。污水再生利用是緩解城市用水緊張、改善城市水環(huán)境、保障城市水生態(tài)的關(guān)鍵措施。本文將根據(jù)北京市污水排放處理、再生水利用情況，結(jié)合具體案例，梳理北京市再生水利用現(xiàn)狀，分析北京市再生水利用潛力。
摘 要
北京市水資源嚴(yán)重匱乏，污水再生利用是支撐城市可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要途徑和必然選擇。近年來，北京市總用水量逐年遞增，其中生態(tài)用水量增幅最大，截至2018年已達(dá)到13.4億m3，占全市用水總量的34.1%。同年，北京市城鎮(zhèn)污水處理能力達(dá)到19.1億m3，污水處理率達(dá)到93.4%，污水處理量達(dá)到16.7億m3，90%以上處理出水的COD、氨氮、總磷指標(biāo)均已達(dá)到GB/T18921—2019《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（湖、庫）。目前，北京市的污水再生利用率約為56.3%。如將以色列82%的污水再生利用率作為發(fā)展目標(biāo)，未來仍然有4.9億m3的增長空間（以2018年北京市污水處理量為計算依據(jù)），相當(dāng)于2018年南水北調(diào)供水量的53%、全市生態(tài)用水量的37%。北京市農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水均存在再生水利用潛力。但污水再生水利用不同于常規(guī)水資源利用，目前利用體系仍有需要完善的部分，需要政策、科研、宣傳教育等多方面提供支持。污水再生利用是解決北京市水資源短缺問題的重要途徑，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
01 北京市水資源狀況與用水需求分析
北京市全年用水總量（指各類用水戶取用的包括輸水損失在內(nèi)的毛水量）及城鎮(zhèn)化率變化趨勢如圖1和表1所示。2002—2011年，全市年用水總量在34.3億~36.0億m3波動；從2012年開始，用水總量逐年遞增，于2017年達(dá)到39.5億m3，2018年用水總量略有下降，為39.3億m3。
圖1 北京市年用水量及城鎮(zhèn)化率變化情況
近年來，北京市經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷轉(zhuǎn)型，城市發(fā)展重心不斷轉(zhuǎn)變。北京市漸向和諧宜居的生態(tài)城市發(fā)展，而用水結(jié)構(gòu)也逐漸改變。從2001年開始，隨著節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用和取水定額的實施，工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水逐年減少。而隨著市民生活水平提高和北京市生態(tài)環(huán)境恢復(fù)措施有序進(jìn)行，生活及生態(tài)用水逐年上升。其中，生態(tài)用水由2010年的4.0億m3增長至2018年的13.4億m3，增長率達(dá)到235%，是增長最為顯著的用水途徑。
從2018年的數(shù)據(jù)看，全市各類型用水中，生活用水量最大，占比為46.8%，生態(tài)用水量占比第二，為34.1%，其余依次為農(nóng)業(yè)用水（10.7%）及工業(yè)用水（8.4%）。
在用水總量不發(fā)生顯著增長的前提下，為了改善水環(huán)境質(zhì)量，重塑京城水系，未來北京市仍然存在巨大的清水補給缺口。污水再生利用是改善城市水環(huán)境、保障城市水生態(tài)的關(guān)鍵措施。將經(jīng)過工程措施凈化后的再生水補充城市水體，可有效增加水體流動性和環(huán)境容量，緩解甚至解決北京市的水資源短缺問題。
02 北京市污水資源賦存量與處理現(xiàn)狀
1.北京市城鎮(zhèn)污水排放與處理情況
北京市污水排放總量及污水處理率如表1所示。近年來，北京市污水排放總量逐年增加，2018年污水排放總量達(dá)到20.4億m3。污水處理率亦逐年增高，從2007年的76.2%增加到2018年的93.4%。
表1 2007—2018 年北京市污水排放總量及污水處理率
北京市城鎮(zhèn)污水處理能力和處理水量變化趨勢如圖2所示。近年來，北京市城鎮(zhèn)污水處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度大，城鎮(zhèn)污水處理能力由2007年的11.9億m3增長至2018年的19.1億m3，11年增加了近61%，年平均增長率達(dá)到5.5%。
圖2 2007—2018 年北京市城鎮(zhèn)污水處理能力與處理水量變化情況
隨著污水收集以及處理基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和普及，北京市城鎮(zhèn)污水處理總量逐年增加，由2007年的8.8億m3增長至2018年的16.7億m3，11年增加了近90%，年平均增長率達(dá)到8.2%。
2.北京市城鎮(zhèn)污水處理廠發(fā)展情況
截至2019年9月，北京市共建成城鎮(zhèn)污水處理廠57座，如圖3所示。目前已建成的57座城鎮(zhèn)污水處理廠中，大型污水處理廠（10萬m3/d以上）10座，占17.5%，占總處理能力的67.9%；中型污水處理廠（處理規(guī)模1~10萬m3/d）共38座，占66.7%，占總處理能力的31.9%；小型污水處理廠（處理規(guī)模<1萬m3/d）共9座，占污水廠總數(shù)的15.8%，占總處理能力的0.2%。
圖3 北京市城鎮(zhèn)污水處理廠分布情況
市轄區(qū)（西城區(qū)、東城區(qū)、朝陽區(qū)、豐臺區(qū)、海淀區(qū)和石景山區(qū)）人口數(shù)量多，人口密度大，污水排放量大。市轄區(qū)污水廠主要以中大型污水處理廠為主，可以有效收集處理市轄區(qū)產(chǎn)生的大量生活污水。其余各區(qū)人口密度較低，污水排放量小，區(qū)域內(nèi)污水廠以中小型污水廠為主，高效處理城市污水。
表2部分大中型污水處理廠采用的主要污水處理工藝
表2總結(jié)了北京市處理能力在10萬m3/d以上的大型污水處理廠，及其采用的主要污水處理工藝。在生物處理單元，大多數(shù)污水廠采用A2O或MBR工藝，并輔以反硝化濾池或兩級生物濾池強化脫氮效果；在深度處理單元，多數(shù)水廠采用臭氧脫色除臭，超濾或砂濾深度去除懸浮物（SS）；在微生物控制方面，大多數(shù)污水處理廠采用紫外線消毒工藝，部分水廠采用氯或二氧化氯消毒。
3.污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)
北京市城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)出水主要污染指標(biāo)年均值的變化趨勢如圖4所示（共57個污水處理廠，每廠每年共12個月均值，按處理水量進(jìn)行加權(quán)取平均值）。2007—2018年，污水處理廠進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)除氨氮外，幾乎無變化，氨氮濃度呈下降趨勢，進(jìn)水COD均值為（441.0±23.2）mg/L，進(jìn)水氨氮均值呈下降趨勢，其均值為（44.7±5.8）mg/L，進(jìn)水總磷（TP）均值為（5.7±0.3）mg/L。
圖4 北京市污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)變化情況
2007—2018年，隨著污水處理廠的提標(biāo)改造，處理出水的主要污染指標(biāo)均值呈顯著降低。2007—2018年，出水ρ（COD）均值由（39.7±9.9）mg/L降低至（15.4±3.9）mg/L；出水ρ（NH3—N）均值由（5.6±8.7）mg/L降低至（0.4±0.3）mg/L；出水ρ（TP）均值由（1.8±1.3）mg/L降低至（0.1±0.1）mg/L。
從2018年的數(shù)據(jù)看，北京市污水處理廠出水各項主要指標(biāo)均值都達(dá)到GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。其中，NH3—N達(dá)到GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，GB3838—2002Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，TP達(dá)到GB3838—2002Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（河流）。此外，NH3—N、TP也已達(dá)到GB/T18921—2019《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（湖、庫）。
2018年，北京市污水處理廠出水主要污染物（COD、NH3—N、TP）濃度分布如圖5所示（按照57座水廠的月均數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計）。按照HJ/T91—2002《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的監(jiān)測方法（每日測定1次，取月均值），ρ（COD）達(dá)到30mg/L以下，即達(dá)到GB3838—2002Ⅳ類水水質(zhì)的處理出水占總處理量的99.3%，水量超過16.6億m3；NH3—N達(dá)到1.5mg/L以下，即達(dá)到GB3838—2002Ⅳ類水水質(zhì)的處理出水占總處理量的98.5%，水量超過16.5億m3；TP達(dá)到0.3mg/L以下，即達(dá)到GB3838—2002Ⅳ類水水質(zhì)的處理出水占總處理量的96.1%，水量超過16.1億m3。
圖5 2018 年北京污水處理廠出水主要污染物濃度分布
以上數(shù)據(jù)表明，隨著污水處理廠出水水質(zhì)的顯著提升，北京市多數(shù)污水廠出水的主要水質(zhì)指標(biāo)已經(jīng)優(yōu)于GB18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)。水質(zhì)已接近甚至達(dá)到GB/T18921—2019標(biāo)準(zhǔn)，具備顯著的再生利用潛力。
03 再生水利用現(xiàn)狀與潛力
1.北京市污水再生利用情況
從2003年開始，北京市的再生水用量逐年增加，再生水配套設(shè)施逐漸完善。再生水利用量由2003年的2.15億m3增長至2018年的10.8億m3，15年增加了4.0倍，年平均增長率達(dá)到26.8%。2018年，北京市再生水利用量占全市供水總量的27.4%（圖6）成為城市第二水源。其中，市轄區(qū)再生水用量為5.5億m3，其余各區(qū)再生水利用量為5.2億m3。2018年再生水管網(wǎng)長度達(dá)到1719km，其中市轄區(qū)再生水管網(wǎng)長度為909km。北京市政府規(guī)劃至2019年底，全市再生水利用量達(dá)到11億m3，2020年達(dá)到12億m3。
圖6 2007—2018 年北京市供水量與供水結(jié)構(gòu)
再生水作為北京市第二水源，其用途主要包括以下3個方面:
1）生產(chǎn)用水。生產(chǎn)用水占比為6.0%，主要用于電廠冷卻水。城區(qū)9座熱電廠全部利用再生水替代了自來水。此外，部分城市污水處理廠出水經(jīng)過超濾—反滲透雙膜法處理后，生產(chǎn)的高品質(zhì)再生水供給北京市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)企業(yè)作為生產(chǎn)用水。
2）生態(tài)用水。生態(tài)用水占比92.1%。其中圓明園、龍?zhí)逗裙珗@湖泊以及清河、土城溝等河道，均已全部使用再生水補水。再生水生態(tài)利用量逐年增大，有效改善了城市河湖景觀和生態(tài)環(huán)境，改變了以往河湖“水臟、水差、水臭”的形象。同時，再生水的生態(tài)利用還節(jié)約了優(yōu)質(zhì)水源，一定程度上緩解北京市水資源緊缺的壓力。北京市奧林匹克公園內(nèi)的人工濕和湖泊兼具再生水生態(tài)環(huán)境儲存和景觀環(huán)境娛樂功能。公園區(qū)域內(nèi)再生水主要來自清河再生水廠（6萬m3/d），處理過程包括超濾、臭氧和氯消毒。部分再生水（3200m3/d）通過濕地和室內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)凈化，進(jìn)一步提升水質(zhì)。該案例為環(huán)境儲存與利用模式的良好實踐和示范。
3）城市雜用。城市雜用占比2.0%。再生水還廣泛應(yīng)用于北京市的綠化灌溉、道路噴灑、施工壓塵、洗車、建筑沖廁等市政雜用。
2.北京市污水再生利用潛力
北京市作為華北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)中心，對于水資源需求量大，水資源難以自足。2018年北京市用水量達(dá)到39.30億m3，其中23.5%依靠南水北調(diào)工程提供。隨著北京市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長，水資源供需之間的矛盾將不斷突出。除此之外，補充城市基流、恢復(fù)城市濕地、治理黑臭水體、涵養(yǎng)地下水源均需要大量新鮮水源補充，城市水生態(tài)系統(tǒng)維系對于新鮮水源需求巨大。
城市污水量大質(zhì)穩(wěn)，是城市穩(wěn)定的第二水源。城市污水如經(jīng)過適當(dāng)處理，科學(xué)合理地再生利用，可有效緩解城市用水壓力。2018年北京市污水總排放量為20.4億m3，處理量達(dá)到19.0億m3，污水處理率為93.4%。按照北京市統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，污水處理能力較大的污水廠主要分布在人口密度較大的市轄區(qū)，可有效收集處理城區(qū)污水。北京市市轄區(qū)污水處理率為99%，經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理率為100%。其余區(qū)域污水處理率僅有82.85%，有進(jìn)一步提升的空間。隨著北京市經(jīng)濟(jì)社會的進(jìn)一步發(fā)展，污水排放量與處理量將進(jìn)一步增大。北京市經(jīng)過城鎮(zhèn)污水處理廠處理的污水水質(zhì)良好，具有顯著的再生利用潛力。
污水再生利用被認(rèn)為是有效的解決水資源短缺問題的方法。2018年全國再生水利用量為85.5億m3，占全國污水排放量的11%~15%。北京市的污水再生利用量達(dá)到10.7億m3，年污水處理量為19.0億m3，污水再生利用率達(dá)到56.3%（注:污水再生利用率=再生水利用量/污水處理量）。北京市污水再生利用率位居全國前列，但同國際先進(jìn)水平相比，仍有進(jìn)一步發(fā)展的潛力。以2018年北京市的污水處理量為基準(zhǔn)，參考發(fā)達(dá)國家以色列的污水再生利用率82%（國際先進(jìn)水平），未來北京市的再生利用量將超過15.6億m3。與目前的再生水利用量相比，仍然有4.9億m3的增長空間（增長比例達(dá)到46%），相當(dāng)于2018年南水北調(diào)供水量的53%、全市生態(tài)用水量的37%。
目前，世界上多個國家已成功地進(jìn)行了再生水回用工程。再生水已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水多個方面。北京市目前再生水主要利用途徑為城市內(nèi)河流、湖泊補給等生態(tài)利用和以熱電廠冷卻用水為主的工業(yè)利用。結(jié)合北京市用水情況來看，北京市再生水工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活利用途徑存在巨大的利用潛力，生態(tài)利用途徑也存在巨大的增長空間。
再生水利用不同于常規(guī)水資源利用，再生水水質(zhì)安全保障面臨與污水處理和飲用水供水不同的理論、技術(shù)、工程和管理問題。然而，現(xiàn)有的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)大多是在污水達(dá)標(biāo)排放的延長線上進(jìn)行指標(biāo)數(shù)值提升，缺乏對后續(xù)利用水質(zhì)安全保障的系統(tǒng)考慮和科學(xué)支撐。再生水利用標(biāo)準(zhǔn)體系需要進(jìn)一步完善。同時，再生水不同利用途徑面臨著不同水質(zhì)、生態(tài)、健康風(fēng)險，再生水利用風(fēng)險識別與控制也值得進(jìn)一步研究。
相對較為低廉的再生水價格使得再生水的利用得到了一定推廣，但目前的價格水平難以補償再生水設(shè)施的投資和運營成本，再生水生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)能逐漸提高的過程中面臨生產(chǎn)成本過高的問題，難以維持良性發(fā)展。再生水進(jìn)一步利用需要政府部門提供一定的政策支持，以促進(jìn)和激勵污水再生利用。從再生水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、再生水生產(chǎn)和使用多層次制定鼓勵再生水利用的相關(guān)政策。
除此之外，再生水公眾對再生水缺乏了解、認(rèn)識不足，導(dǎo)致部分民眾對再生水水質(zhì)存在疑慮。再生水推廣利用需要進(jìn)一步加強公眾教育宣傳。
04 結(jié)束語
水環(huán)境質(zhì)量是城市品位和生活質(zhì)量的體現(xiàn)。高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)對城市水環(huán)境提出了更高要求。為了重塑京城水系，為首都建設(shè)清水綠岸、魚翔淺底的水生態(tài)環(huán)境，未來北京城市水系仍然面臨著巨大的清水補給需求。污水再生利用是解決城市水資源短缺，用水緊張的有效途徑。
目前，北京城鎮(zhèn)污水處理廠出水的主要指標(biāo)（COD、氨氮、TP）已達(dá)到GB/T18921—2019標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為供量大質(zhì)穩(wěn)、就近可取的優(yōu)質(zhì)水源。城市污水再生利用，面臨著不同于常規(guī)水源利用的風(fēng)險與問題。進(jìn)一步促進(jìn)城市污水再生水再生利用，仍需關(guān)注再生水利用過程中的生態(tài)、健康風(fēng)險；建立健全再生水政策標(biāo)準(zhǔn)體系；加強公眾宣傳教育。參考國際再生水利用先進(jìn)國家，北京市再生水農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)、生活利用等用水途徑存在巨大利用潛力。
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