胡洪營團隊:北京市城鎮污水再生利用現狀與潛力分析
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. 清華蘇州環境創新研究院,江蘇 蘇州 215163; 2. 清華大學 環境學院 環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室國家環境保護環境微生物利用與安全控制重點實驗室,北京 100084; 3. 中建水務環保有限公司,北京 100044;4. 北京城市排水集團有限責任公司,北京 100061; 5. 中國環境科學學會,北京 100082;6. 清華-伯克利深圳學院 環境與新能源技術工程實驗室,廣東 深圳 518055）
研究背景
水是生命之源，是人類日常生產生活不可缺少的部分。北京市是華北地區嚴重缺水的城市，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，按照聯合國的分類屬于極度缺水地區。2018年北京市全年供水量23.7%依靠南水北調工程提供。北京市下轄16個區縣，2018年GDP達到30320億元，二、三產業占GDP總量的99.6%，已成為北京市經濟重要支撐產業。水資源短缺已成為北京市經濟發展和生態文明建設的重要制約因素。
城市污水排放量大，水質穩定，是穩定的城市第二水源。污水經過適當處理，污染物可得到有效去除，生產的再生水可以安全用于日常生產生活中。城市污水再生利用已經在多個國家得到廣泛應用。其生產的再生水已被廣泛應用于農業、工業、市政等多個領域，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、改善城市水環境、保障城市水生態的關鍵措施。本文將根據北京市污水排放處理、再生水利用情況，結合具體案例，梳理北京市再生水利用現狀，分析北京市再生水利用潛力。
摘 要
北京市水資源嚴重匱乏，污水再生利用是支撐城市可持續發展和生態文明建設的重要途徑和必然選擇。近年來，北京市總用水量逐年遞增，其中生態用水量增幅最大，截至2018年已達到13.4億m3，占全市用水總量的34.1%。同年，北京市城鎮污水處理能力達到19.1億m3，污水處理率達到93.4%，污水處理量達到16.7億m3，90%以上處理出水的COD、氨氮、總磷指標均已達到GB/T18921—2019《城市污水再生利用景觀環境用水水質》（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展目標，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），相當于2018年南水北調供水量的53%、全市生態用水量的37%。北京市農業、工業、生活和生態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，未來發展潛力巨大。
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的毛水量）及城鎮化率變化趨勢如圖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化率變化情況
近年來，北京市經濟發展不斷轉型，城市發展重心不斷轉變。北京市漸向和諧宜居的生態城市發展，而用水結構也逐漸改變。從2001年開始，隨著節水技術的應用和取水定額的實施，工業、農業用水逐年減少。而隨著市民生活水平提高和北京市生態環境恢復措施有序進行，生活及生態用水逐年上升。其中，生態用水由2010年的4.0億m3增長至2018年的13.4億m3，增長率達到235%，是增長最為顯著的用水途徑。
從2018年的數據看，全市各類型用水中，生活用水量最大，占比為46.8%，生態用水量占比第二，為34.1%，其余依次為農業用水（10.7%）及工業用水（8.4%）。
在用水總量不發生顯著增長的前提下，為了改善水環境質量，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境、保障城市水生態的關鍵措施。將經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狀
1.北京市城鎮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，北京市城鎮污水處理基礎設施建設力度大，城鎮污水處理能力由2007年的11.9億m3增長至2018年的19.1億m3，11年增加了近61%，年平均增長率達到5.5%。
圖2 2007—2018 年北京市城鎮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設施的建設和普及，北京市城鎮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%，年平均增長率達到8.2%。
2.北京市城鎮污水處理廠發展情況
截至2019年9月，北京市共建成城鎮污水處理廠57座，如圖3所示。目前已建成的57座城鎮污水處理廠中，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（處理規模<1萬m3/d）共9座，占污水廠總數的15.8%，占總處理能力的0.2%。
圖3 北京市城鎮污水處理廠分布情況
市轄區（西城區、東城區、朝陽區、豐臺區、海淀區和石景山區）人口數量多，人口密度大，污水排放量大。市轄區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產生的大量生活污水。其余各區人口密度較低，污水排放量小，區域內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.污水處理廠進出水水質
北京市城鎮污水處理廠進出水主要污染指標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，按處理水量進行加權取平均值）。2007—2018年，污水處理廠進水數據除氨氮外，幾乎無變化，氨氮濃度呈下降趨勢，進水COD均值為（441.0±23.2）mg/L，進水氨氮均值呈下降趨勢，其均值為（44.7±5.8）mg/L，進水總磷（TP）均值為（5.7±0.3）mg/L。
圖4 北京市污水處理廠進出水水質變化情況
2007—2018年，隨著污水處理廠的提標改造，處理出水的主要污染指標均值呈顯著降低。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年的數據看，北京市污水處理廠出水各項主要指標均值都達到GB18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。其中，NH3—N達到GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類標準，GB3838—2002Ⅲ類標準，TP達到GB3838—2002Ⅲ類標準（河流）。此外，NH3—N、TP也已達到GB/T18921—2019《城市污水再生利用景觀環境用水水質》（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座水廠的月均數據進行統計）。按照HJ/T91—2002《地表水和污水監測技術規范》的監測方法（每日測定1次，取月均值），ρ（COD）達到30mg/L以下，即達到GB3838—2002Ⅳ類水水質的處理出水占總處理量的99.3%，水量超過16.6億m3；NH3—N達到1.5mg/L以下，即達到GB3838—2002Ⅳ類水水質的處理出水占總處理量的98.5%，水量超過16.5億m3；TP達到0.3mg/L以下，即達到GB3838—2002Ⅳ類水水質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
以上數據表明，隨著污水處理廠出水水質的顯著提升，北京市多數污水廠出水的主要水質指標已經優于GB18918—2002一級A標準。水質已接近甚至達到GB/T18921—2019標準，具備顯著的再生利用潛力。
03 再生水利用現狀與潛力
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，市轄區再生水用量為5.5億m3，其余各區再生水利用量為5.2億m3。2018年再生水管網長度達到1719km，其中市轄區再生水管網長度為909km。北京市政府規劃至2019年底，全市再生水利用量達到11億m3，2020年達到12億m3。
圖6 2007—2018 年北京市供水量與供水結構
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）生產用水。生產用水占比為6.0%，主要用于電廠冷卻水。城區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過超濾—反滲透雙膜法處理后，生產的高品質再生水供給北京市經濟開發區企業作為生產用水。
2）生態用水。生態用水占比92.1%。其中圓明園、龍潭湖等公園湖泊以及清河、土城溝等河道，均已全部使用再生水補水。再生水生態利用量逐年增大，有效改善了城市河湖景觀和生態環境，改變了以往河湖“水臟、水差、水臭”的形象。同時，再生水的生態利用還節約了優質水源，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的人工濕和湖泊兼具再生水生態環境儲存和景觀環境娛樂功能。公園區域內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）通過濕地和室內生態系統實現凈化，進一步提升水質。該案例為環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的經濟中心，對于水資源需求量大，水資源難以自足。2018年北京市用水量達到39.30億m3，其中23.5%依靠南水北調工程提供。隨著北京市經濟發展和人口增長，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、恢復城市濕地、治理黑臭水體、涵養地下水源均需要大量新鮮水源補充，城市水生態系統維系對于新鮮水源需求巨大。
城市污水量大質穩，是城市穩定的第二水源。城市污水如經過適當處理，科學合理地再生利用，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，處理量達到19.0億m3，污水處理率為93.4%。按照北京市統計局公布的數據，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，可有效收集處理城區污水。北京市市轄區污水處理率為99%，經濟技術開發區污水處理率為100%。其余區域污水處理率僅有82.85%，有進一步提升的空間。隨著北京市經濟社會的進一步發展，污水排放量與處理量將進一步增大。北京市經過城鎮污水處理廠處理的污水水質良好，具有顯著的再生利用潛力。
污水再生利用被認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到10.7億m3，年污水處理量為19.0億m3，污水再生利用率達到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，但同國際先進水平相比，仍有進一步發展的潛力。以2018年北京市的污水處理量為基準，參考發達國家以色列的污水再生利用率82%（國際先進水平），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（增長比例達到46%），相當于2018年南水北調供水量的53%、全市生態用水量的37%。
目前，世界上多個國家已成功地進行了再生水回用工程。再生水已經被廣泛應用于農業、工業、生活用水和生態環境用水多個方面。北京市目前再生水主要利用途徑為城市內河流、湖泊補給等生態利用和以熱電廠冷卻用水為主的工業利用。結合北京市用水情況來看，北京市再生水工業、農業和生活利用途徑存在巨大的利用潛力，生態利用途徑也存在巨大的增長空間。
再生水利用不同于常規水資源利用，再生水水質安全保障面臨與污水處理和飲用水供水不同的理論、技術、工程和管理問題。然而，現有的再生水水質標準大多是在污水達標排放的延長線上進行指標數值提升，缺乏對后續利用水質安全保障的系統考慮和科學支撐。再生水利用標準體系需要進一步完善。同時，再生水不同利用途徑面臨著不同水質、生態、健康風險，再生水利用風險識別與控制也值得進一步研究。
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施的投資和運營成本，再生水生產企業在產能逐漸提高的過程中面臨生產成本過高的問題，難以維持良性發展。再生水進一步利用需要政府部門提供一定的政策支持，以促進和激勵污水再生利用。從再生水基礎設施建設、再生水生產和使用多層次制定鼓勵再生水利用的相關政策。
除此之外，再生水公眾對再生水缺乏了解、認識不足，導致部分民眾對再生水水質存在疑慮。再生水推廣利用需要進一步加強公眾教育宣傳。
04 結束語
水環境質量是城市品位和生活質量的體現。高質量發展和生態文明建設對城市水環境提出了更高要求。為了重塑京城水系，為首都建設清水綠岸、魚翔淺底的水生態環境，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，北京城鎮污水處理廠出水的主要指標（COD、氨氮、TP）已達到GB/T18921—2019標準，已經成為供量大質穩、就近可取的優質水源。城市污水再生利用，面臨著不同于常規水源利用的風險與問題。進一步促進城市污水再生水再生利用，仍需關注再生水利用過程中的生態、健康風險；建立健全再生水政策標準體系；加強公眾宣傳教育。參考國際再生水利用先進國家，北京市再生水農業、工業、生態、生活利用等用水途徑存在巨大利用潛力。
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