嚴(yán) 偉, 樊金紅, 王紅武
(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200092)
水資源短缺已從環(huán)境危機(jī)上升為社會(huì)危機(jī)[1],成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸[2-3],且在遭遇極端干旱的天氣情況下,城市水資源壓力會(huì)急劇增大,對(duì)城市發(fā)展造成嚴(yán)重影響[4]。國(guó)內(nèi)外研究者一直都在探求適應(yīng)國(guó)情的水資源可持續(xù)利用方式[5-6],如韓淑穎等[7]系統(tǒng)總結(jié)了“一帶一路”沿線國(guó)家在水資源管理工作中的經(jīng)驗(yàn),以期為全球國(guó)家的水資源管理提供借鑒。從1983年起,我國(guó)的城市節(jié)水工作在適應(yīng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展和人民生活改善等方面取得了明顯的成效,在水資源開(kāi)發(fā)、利用、治理的同時(shí)更加重視對(duì)水資源的配置、節(jié)約和保護(hù)[8]。現(xiàn)今,對(duì)于城市水資源的利用,已經(jīng)不能簡(jiǎn)單地從自然界中索取,而是需要充分利用城市可利用水資源,如中水(系指城市污水經(jīng)處理達(dá)到規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、可在一定范圍內(nèi)重復(fù)利用的非飲用水)和雨水等城市再生水資源的利用都是需要去探求[9-10]。廖朝軒等[11]通過(guò)對(duì)國(guó)外雨水管理措施的總結(jié),鼓勵(lì)國(guó)家積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的水循環(huán)體系概念,加快國(guó)家海綿城市建設(shè);深圳市光明新區(qū)更是創(chuàng)建了國(guó)內(nèi)首個(gè)低影響開(kāi)發(fā)雨水綜合利用示范區(qū)[12]。此外,由于中水利用的經(jīng)濟(jì)效益明顯[13],中水回用系統(tǒng)正在逐步走進(jìn)高校[14]、小區(qū)[15]和酒店[16],從而在一定程度上緩解了城市市政用水的供水壓力。近年來(lái),對(duì)中水和雨水回用的分析和應(yīng)用的熱潮高漲,高晶[17]通過(guò)軟件分析建立了雨水水質(zhì)安全評(píng)價(jià)模型,用來(lái)評(píng)價(jià)降雨徑流中的水質(zhì)污染狀況;王小林等[18]通過(guò)對(duì)西安市不同下墊面的雨水徑流的水質(zhì)分析,認(rèn)為屋面雨水具有極大的收集利用潛勢(shì);曹亞輝[19]通過(guò)對(duì)華北電力大學(xué)中水回用系統(tǒng)的研究表明,該系統(tǒng)每天可供應(yīng)1 000 m3以上的回用中水,能有效地補(bǔ)充校內(nèi)用水[19]。然而這些研究都過(guò)于側(cè)重雨水或者中水回用的單方面評(píng)價(jià),且討論的大多是社區(qū)、學(xué)校等小范圍區(qū)域,對(duì)于將雨水收集和中水回用綜合水質(zhì)分析以及在城市范圍內(nèi)進(jìn)行回用水量供需分析的研究較少。
本文通過(guò)多水源(飲用水、中水和雨水)水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià),旨在更好地揭示中水與雨水回用的科學(xué)性,提高居民對(duì)回用水的接納度,并通過(guò)城市回用水的供需平衡和發(fā)展趨勢(shì)分析,為促進(jìn)水資源的優(yōu)化配置、緩解水資源危機(jī)和支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供新的水資源利用方案。
一直以來(lái),自來(lái)水作為我國(guó)居民的主要用水,在生活和工業(yè)上都有廣泛的應(yīng)用。由于自來(lái)水需作為居民飲用水使用,因而對(duì)其水質(zhì)要求相當(dāng)嚴(yán)格,其制作成本非常昂貴,制作流程也極為繁雜[20]。根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006),飲用水供水中COD含量不超過(guò)5 mg/L,氨氮含量不超過(guò)0.5 mg/L,濁度不超過(guò)1。為了滿(mǎn)足人們健康的需要,其水質(zhì)要求遠(yuǎn)高于城市雜用水、農(nóng)業(yè)灌溉水、工業(yè)冷卻水等。但是根據(jù)調(diào)查,濫用飲用水的情況普遍存在于人們?nèi)粘5纳钌a(chǎn)之中,在居民日常非接觸用水和綠化及消防等城市雜用水、農(nóng)業(yè)灌溉及工業(yè)用水中普遍存在以自來(lái)水作為水源的現(xiàn)象,導(dǎo)致大量飲用水的浪費(fèi),并產(chǎn)生大量廢水。研究表明,30%以上的居民非接觸生活用水、60%以上的非生產(chǎn)性工業(yè)用水以及幾乎全部的灌溉用水均可用回用水替代[21]。
城市污水的再利用是節(jié)約及合理利用水資源的有效途徑,也是防治水環(huán)境污染、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方面,還是水資源良性循環(huán)的重要保障措施[22]。中水是城市污水經(jīng)處理設(shè)施深度凈化處理后的水的統(tǒng)稱(chēng),其水質(zhì)介于清潔水(上水)與排入管道內(nèi)的污水(下水)之間[23],其水質(zhì)可相當(dāng)于城市污水處理廠出水的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其主要指標(biāo)COD、總氮和總磷含量分別不超過(guò)50、15和1mg/L。通過(guò)中水水質(zhì)與其他水資源利用水質(zhì)對(duì)比可知:中水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)達(dá)不到飲用水供水標(biāo)準(zhǔn),不能作為飲用水來(lái)源,但其水質(zhì)基本符合農(nóng)業(yè)灌溉水和工業(yè)冷卻水(除濁度和余氯外)的水質(zhì)要求,可以用來(lái)作為農(nóng)業(yè)和工業(yè)的替代水使用;若將中水經(jīng)過(guò)一定處理,進(jìn)一步除去嗅味、溶解性固體等也可達(dá)到城市雜用水水質(zhì)要求[24]。因此,中水回用有非??捎^的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,在國(guó)外也已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,通過(guò)特定的中水輸送管道,將其應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、景觀、消防等方方面面。
雨水是一種污染程度較低、數(shù)量巨大且分布較為廣泛的水資源。根據(jù)有關(guān)研究報(bào)道,天然雨水的水質(zhì)較好,其COD的含量可達(dá)到為20~50 mg/L,懸浮顆粒物SS的含量不超過(guò)100 mg/L,總氮含量不超過(guò)1.00 mg/L,總磷含量一般不超過(guò)0.20 mg/L[25-26]。但是在城市雨水收集時(shí),由于街道、排水溝、屋面等含有一定的污染物,所以收集后的雨水含有較多的SS和COD,其含量隨城市環(huán)境污染情況而不同。但是混有這類(lèi)污染物的雨水(尤其是除去初期雨水后)在經(jīng)過(guò)貯水池里的基本處理之后,很容易就可以得到較為純凈的符合城市雜用水水質(zhì)要求的可回用水[27-29]。由此可見(jiàn),雨水是可以作為城市回用水來(lái)進(jìn)行使用的,并且由于其天然性和循環(huán)性,具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。
3.1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 通過(guò)查詢(xún)政府發(fā)布的歷年的《水資源公報(bào)》,獲得上海、青島、北京和西安4大城市的歷年用水量、年降水量、年污水處理量等數(shù)據(jù),進(jìn)而計(jì)算各城市的可替代回用水量(Qt)、可回收中水量(Qz)和可回收雨水量(Qy)。
3.1.2 計(jì)算公式
(1)城市可替代回用水量以城市用水量中可采用的再生水和雨水回用量來(lái)計(jì)算[30],其計(jì)算公式如下:
Qt=Qgy·m+Qsh·n1+Qgg·n2+Qny+Qst
(1)
式中:Qt為城市可替代回用水量,108m3/a;Qgy為城市工業(yè)用水量,108m3/a;Qsh為城市生活用水量,108m3/a;Qgg為城市公共用水量,108m3/a;Qny為農(nóng)業(yè)用水量,108m3/a;Qst為生態(tài)環(huán)境用水量,108m3/a;m為城市工業(yè)用水中冷卻水用量占比(取0.6);n1為城市生活用水中沖洗廁所用水占比(取0.3);n2為城市公共用水中市政雜用水占比(取0.12)。
(2)城市可回收雨水量以當(dāng)?shù)氐慕涤炅窟M(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算公式如下:
Qy=Ψ·α·β·A·h·10-5
(2)
式中:Qy為城市可回收雨水量,108m3/a;Ψ為地表徑流系數(shù);α為降雨量季節(jié)折減系數(shù);β為初期雨水的棄流系數(shù);A為集雨面積(以陸地面積計(jì)),km2;h為年平均降雨量,mm。
(3)城市可回用中水量以城鎮(zhèn)污水處理水量進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算公式可采用公式(3)或(4)的其中之一:
Qz=t·Qr·10-8
(3)
Qz=μ·φ·Qsh
(4)
式中:Qz為城市可回收中水量,108m3/a;t為污水處理廠的年平均運(yùn)行天數(shù),d;Qr為城鎮(zhèn)日均污水處理量,m3/d;μ為居民生活用水變?yōu)樯钗鬯霓D(zhuǎn)化率;φ為生活污水處理效率。
根據(jù)公式(1)~(4)及上海、青島、北京和西安4城市的《水資源公報(bào)》數(shù)據(jù),再結(jié)合各市年污水處理量數(shù)據(jù),計(jì)算各城市的可替代回用水量(Qt)、可回收雨水量(Qy)和可回收中水量(Qz)的值,將計(jì)算結(jié)果和各類(lèi)用水量統(tǒng)計(jì)列于表1。
3.2.1 “可供”大于“需” 上海是水資源豐富的城市(水質(zhì)型缺水)[31],其工業(yè)用水量明顯高于北京、青島和西安(資源性缺水),由表1可知,4個(gè)城市的年可回收水量明顯高于年可替代回用水量,具有非??捎^的水資源利用前景,尤其是青島市,可回用水量Qavail(指可回用雨水量Qy和可回用中水量Qz的總和)更是超過(guò)Qt的6倍,這主要是因?yàn)榍鄭u市年用水量較少,而且地域比較遼闊,其可回收雨水量相對(duì)較多。而上海市可回用水量卻僅是稍多于可替代回用水量,這是因?yàn)樯虾H丝诿芗夜I(yè)發(fā)達(dá),工業(yè)用水量占了年用水量的45%以上。從理論上講,若將可替代回用水量(Qt)定義為“需”,即需要回用水的量,再將可回用水量(Qavail)定義為“供”,即可以供給的回用水量,則從表1的數(shù)據(jù)可以看出,目前上海 、青島、北京和西安4城市的回用水呈現(xiàn)出“供”大于“需”的情勢(shì)[32-33]。
表1 4個(gè)典型城市年用水及回用水量統(tǒng)計(jì)表 108 m3/a
3.2.2 “實(shí)供”不應(yīng)“實(shí)需” 在上述可回收雨水和中水的量的計(jì)算中,是按城市面積和集雨面積換算的回收雨水量和按污水處理廠的處理水量為基準(zhǔn)計(jì)算的可回用中水量。然而在實(shí)際應(yīng)用中,無(wú)法將集雨面積做到百分之百,且小區(qū)中中水的處理回用率也未能達(dá)到百分之百。
實(shí)際上有數(shù)據(jù)顯示,目前國(guó)內(nèi)城市雨水收集效率較低,僅為10%,而我國(guó)社區(qū)中水回用率大約為30%,故在計(jì)算可回用雨水量時(shí)須再乘以雨水收集效率η1,在計(jì)算實(shí)際可回用中水量時(shí)須再乘以中水回用率η2。以此為依據(jù)重新計(jì)算實(shí)際回用雨水量(Qy1)、實(shí)際回用中水量(Qz1)和實(shí)際回收總水量(Qavail1),計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn),若將可替代回用水量(Qt)定義為“實(shí)需”,實(shí)際回用水量(Qavail1)定義為“實(shí)供”,則4個(gè)城市均呈現(xiàn)出“實(shí)供”不應(yīng)“實(shí)需”的情勢(shì)。
限制中水和雨水開(kāi)發(fā)利用的因素主要有兩個(gè),即基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本和回用水的社會(huì)接受程度。雨水收集是一個(gè)龐大工程,不僅僅是技術(shù)難題更是經(jīng)濟(jì)難題。要充分利用城市雨水和中水,就必須解決城市集雨設(shè)施建設(shè)和社區(qū)中水回用的技術(shù)等關(guān)鍵性難題,讓“實(shí)供”滿(mǎn)足“實(shí)需”[34]。
表2典型城市實(shí)際可回用水量統(tǒng)計(jì)表108m3/a
城市缺水類(lèi)型需水可替代回用水量Qt供水實(shí)際回用雨水量Qy1實(shí)際回用中水量Qz1實(shí)際回用 總水量Qavail1上海水質(zhì)性41.572.4155.7038.118青島資源型5.432.7152.2114.926北京資源型24.824.5233.9308.453西安資源型12.422.6730.8163.489
3.3.1 用水趨勢(shì) 2012-2017年上海、青島、北京和西安4城市的用水量及可替代回用水量變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖1所示。由圖1可知,近年來(lái)雖然上海和青島市的總用水量和可替代回用水量略有波動(dòng),但各市用水量總體上是以平緩的速度增長(zhǎng),且各市年可替代回用水量均達(dá)到年總用水量的50%以上,并在逐漸增長(zhǎng)。
圖1 2012-2017年4個(gè)城市用水量及可替代回用水量變化圖
3.3.2 多水源利用前瞻 雨水收集利用的出發(fā)點(diǎn)是解決城市用水緊張的問(wèn)題,其本身也有著極其可觀的水資源應(yīng)用前景,是解決城市水危機(jī)的重要途徑。在實(shí)際應(yīng)用中它還有著改善城市雨水利害關(guān)系失衡的作用,通過(guò)雨水回用可減輕城市排水管道的負(fù)荷,提高已建設(shè)管道的利用率;并通過(guò)雨水收集設(shè)施緩解城市的內(nèi)澇災(zāi)害,以達(dá)到“需時(shí)我用,不需我存”的效果[35-36],在協(xié)調(diào)城市水資源與水環(huán)境的關(guān)系的同時(shí)能為城市發(fā)展帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益[29]。
要進(jìn)一步開(kāi)展雨水資源化利用,離不開(kāi)城市雨水資源化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用,從不同下墊面雨水利用、初期雨水棄流、收集蓄存到最后的處理使用等一系列機(jī)電設(shè)備和構(gòu)筑物建設(shè),都需要更多的社會(huì)投入。此外,現(xiàn)階段非常熱門(mén)的海綿城市建設(shè)計(jì)劃的本質(zhì)也是雨水的優(yōu)化利用,將兩者有機(jī)地結(jié)合在一起,以推進(jìn)城市雨水集聚建設(shè)的發(fā)展[37]。另外,城市的發(fā)展須建立城市雨污水資源化體系,要在城市建設(shè)過(guò)程中充分考慮雨污水收集和優(yōu)化處理。
城市社區(qū)雨污水資源化系統(tǒng)建設(shè)的核心是轉(zhuǎn)變用水方式、提高用水效率,進(jìn)而彌補(bǔ)傳統(tǒng)集中式供排水系統(tǒng)“稀釋收集-遠(yuǎn)程輸送-集中處理”耗水耗能的問(wèn)題,其本質(zhì)就是雨水和中水的優(yōu)化利用。而實(shí)現(xiàn)社區(qū)內(nèi)雨污水資源化的關(guān)鍵除了雨水和中水的收集,還有社區(qū)內(nèi)水質(zhì)保障、居民對(duì)非常規(guī)水源的科普認(rèn)知以及經(jīng)濟(jì)可適應(yīng)問(wèn)題[38]。雨水和中水回用的可行性關(guān)鍵在于其經(jīng)濟(jì)性,因此對(duì)于這類(lèi)低水質(zhì)供水,應(yīng)考慮其對(duì)現(xiàn)階段水價(jià)結(jié)構(gòu)的影響,設(shè)立合理的水價(jià)體系,在經(jīng)濟(jì)層面明確其與現(xiàn)行的自來(lái)水供應(yīng)體系的區(qū)別。
本文通過(guò)城市各類(lèi)水資源的水質(zhì)評(píng)價(jià)和利用形式分析,結(jié)合上海、青島、北京和西安4個(gè)城市回用水需求和供應(yīng)現(xiàn)狀計(jì)算,探討了非常規(guī)水資源在城市發(fā)展過(guò)程中的價(jià)值和利用前景。
(1)城市中水和雨水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)達(dá)不到飲用水供水標(biāo)準(zhǔn),但可用作城市雜用水、非接觸生活用水、工業(yè)冷卻水和農(nóng)業(yè)用水等的替代用水,具有廣泛的利用前景。
(2)計(jì)算相應(yīng)的城市可替代回用水量(需)、可回用水量(可供)和實(shí)際可回用水量(實(shí)供),進(jìn)而分析供需關(guān)系可知,就城市回用水資源而言,上海、青島、北京和西安4個(gè)城市都處于“可供”大于“需”的情況,但就實(shí)際回用水的使用情況而言,這些城市都屬于“實(shí)供”不應(yīng)“實(shí)需”。
(3)統(tǒng)計(jì)2012-2017年上海、青島、北京和西安4個(gè)城市的總用水量和可替代回用水量可知,各地年可替代回用水量均達(dá)到年總用水量的50%以上,并在逐漸增長(zhǎng),需求前景明確。
(4)未來(lái)發(fā)展中若要充分利用雨水和中水,城市建設(shè)須不斷完善自身的中水回用設(shè)施和雨水收集裝置等關(guān)鍵技術(shù)難題,同時(shí)完善中水、雨水等非常規(guī)用水相關(guān)管理政策,讓“實(shí)供”滿(mǎn)足“實(shí)需”,同時(shí)實(shí)現(xiàn)低水質(zhì)供水的經(jīng)濟(jì)適用性。