胡洪营团队:北京市城镇污水再生利用现状与潜力分析
作者介绍：
徐傲1 巫寅虎2∗ 陈卓2 崔琦3 白宇4 李魁晓4 时玉龙4 高强5 胡洪营2,6
(1. 清华苏州环境创新研究院,江苏 苏州 215163; 2. 清华大学 环境学院 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室,北京 100084; 3. 中建水务环保有限公司,北京 100044;4. 北京城市排水集团有限责任公司,北京 100061; 5. 中国环境科学学会,北京 100082;6. 清华-伯克利深圳学院 环境与新能源技术工程实验室,广东 深圳 518055）
研究背景
水是生命之源，是人类日常生产生活不可缺少的部分。北京市是华北地区严重缺水的城市，截至2018年末，北京市常驻人口2154.2万，全市人均水资源量仅为164m3，按照联合国的分类属于极度缺水地区。2018年北京市全年供水量23.7%依靠南水北调工程提供。北京市下辖16个区县，2018年GDP达到30320亿元，二、三产业占GDP总量的99.6%，已成为北京市经济重要支撑产业。水资源短缺已成为北京市经济发展和生态文明建设的重要制约因素。
城市污水排放量大，水质稳定，是稳定的城市第二水源。污水经过适当处理，污染物可得到有效去除，生产的再生水可以安全用于日常生产生活中。城市污水再生利用已经在多个国家得到广泛应用。其生产的再生水已被广泛应用于农业、工业、市政等多个领域，有效地降低了对新鲜水源的需求。污水再生利用是缓解城市用水紧张、改善城市水环境、保障城市水生态的关键措施。本文将根据北京市污水排放处理、再生水利用情况，结合具体案例，梳理北京市再生水利用现状，分析北京市再生水利用潜力。
摘 要
北京市水资源严重匮乏，污水再生利用是支撑城市可持续发展和生态文明建设的重要途径和必然选择。近年来，北京市总用水量逐年递增，其中生态用水量增幅最大，截至2018年已达到13.4亿m3，占全市用水总量的34.1%。同年，北京市城镇污水处理能力达到19.1亿m3，污水处理率达到93.4%，污水处理量达到16.7亿m3，90%以上处理出水的COD、氨氮、总磷指标均已达到GB/T18921—2019《城市污水再生利用景观环境用水水质》（湖、库）。目前，北京市的污水再生利用率约为56.3%。如将以色列82%的污水再生利用率作为发展目标，未来仍然有4.9亿m3的增长空间（以2018年北京市污水处理量为计算依据），相当于2018年南水北调供水量的53%、全市生态用水量的37%。北京市农业、工业、生活和生态用水均存在再生水利用潜力。但污水再生水利用不同于常规水资源利用，目前利用体系仍有需要完善的部分，需要政策、科研、宣传教育等多方面提供支持。污水再生利用是解决北京市水资源短缺问题的重要途径，未来发展潜力巨大。
01 北京市水资源状况与用水需求分析
北京市全年用水总量（指各类用水户取用的包括输水损失在内的毛水量）及城镇化率变化趋势如图1和表1所示。2002—2011年，全市年用水总量在34.3亿~36.0亿m3波动；从2012年开始，用水总量逐年递增，于2017年达到39.5亿m3，2018年用水总量略有下降，为39.3亿m3。
图1 北京市年用水量及城镇化率变化情况
近年来，北京市经济发展不断转型，城市发展重心不断转变。北京市渐向和谐宜居的生态城市发展，而用水结构也逐渐改变。从2001年开始，随着节水技术的应用和取水定额的实施，工业、农业用水逐年减少。而随着市民生活水平提高和北京市生态环境恢复措施有序进行，生活及生态用水逐年上升。其中，生态用水由2010年的4.0亿m3增长至2018年的13.4亿m3，增长率达到235%，是增长最为显著的用水途径。
从2018年的数据看，全市各类型用水中，生活用水量最大，占比为46.8%，生态用水量占比第二，为34.1%，其余依次为农业用水（10.7%）及工业用水（8.4%）。
在用水总量不发生显著增长的前提下，为了改善水环境质量，重塑京城水系，未来北京市仍然存在巨大的清水补给缺口。污水再生利用是改善城市水环境、保障城市水生态的关键措施。将经过工程措施净化后的再生水补充城市水体，可有效增加水体流动性和环境容量，缓解甚至解决北京市的水资源短缺问题。
02 北京市污水资源赋存量与处理现状
1.北京市城镇污水排放与处理情况
北京市污水排放总量及污水处理率如表1所示。近年来，北京市污水排放总量逐年增加，2018年污水排放总量达到20.4亿m3。污水处理率亦逐年增高，从2007年的76.2%增加到2018年的93.4%。
表1 2007—2018 年北京市污水排放总量及污水处理率
北京市城镇污水处理能力和处理水量变化趋势如图2所示。近年来，北京市城镇污水处理基础设施建设力度大，城镇污水处理能力由2007年的11.9亿m3增长至2018年的19.1亿m3，11年增加了近61%，年平均增长率达到5.5%。
图2 2007—2018 年北京市城镇污水处理能力与处理水量变化情况
随着污水收集以及处理基础设施的建设和普及，北京市城镇污水处理总量逐年增加，由2007年的8.8亿m3增长至2018年的16.7亿m3，11年增加了近90%，年平均增长率达到8.2%。
2.北京市城镇污水处理厂发展情况
截至2019年9月，北京市共建成城镇污水处理厂57座，如图3所示。目前已建成的57座城镇污水处理厂中，大型污水处理厂（10万m3/d以上）10座，占17.5%，占总处理能力的67.9%；中型污水处理厂（处理规模1~10万m3/d）共38座，占66.7%，占总处理能力的31.9%；小型污水处理厂（处理规模<1万m3/d）共9座，占污水厂总数的15.8%，占总处理能力的0.2%。
图3 北京市城镇污水处理厂分布情况
市辖区（西城区、东城区、朝阳区、丰台区、海淀区和石景山区）人口数量多，人口密度大，污水排放量大。市辖区污水厂主要以中大型污水处理厂为主，可以有效收集处理市辖区产生的大量生活污水。其余各区人口密度较低，污水排放量小，区域内污水厂以中小型污水厂为主，高效处理城市污水。
表2部分大中型污水处理厂采用的主要污水处理工艺
表2总结了北京市处理能力在10万m3/d以上的大型污水处理厂，及其采用的主要污水处理工艺。在生物处理单元，大多数污水厂采用A2O或MBR工艺，并辅以反硝化滤池或两级生物滤池强化脱氮效果；在深度处理单元，多数水厂采用臭氧脱色除臭，超滤或砂滤深度去除悬浮物（SS）；在微生物控制方面，大多数污水处理厂采用紫外线消毒工艺，部分水厂采用氯或二氧化氯消毒。
3.污水处理厂进出水水质
北京市城镇污水处理厂进出水主要污染指标年均值的变化趋势如图4所示（共57个污水处理厂，每厂每年共12个月均值，按处理水量进行加权取平均值）。2007—2018年，污水处理厂进水数据除氨氮外，几乎无变化，氨氮浓度呈下降趋势，进水COD均值为（441.0±23.2）mg/L，进水氨氮均值呈下降趋势，其均值为（44.7±5.8）mg/L，进水总磷（TP）均值为（5.7±0.3）mg/L。
图4 北京市污水处理厂进出水水质变化情况
2007—2018年，随着污水处理厂的提标改造，处理出水的主要污染指标均值呈显著降低。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。
从2018年的数据看，北京市污水处理厂出水各项主要指标均值都达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。其中，NH3—N达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准，GB3838—2002Ⅲ类标准，TP达到GB3838—2002Ⅲ类标准（河流）。此外，NH3—N、TP也已达到GB/T18921—2019《城市污水再生利用景观环境用水水质》（湖、库）。
2018年，北京市污水处理厂出水主要污染物（COD、NH3—N、TP）浓度分布如图5所示（按照57座水厂的月均数据进行统计）。按照HJ/T91—2002《地表水和污水监测技术规范》的监测方法（每日测定1次，取月均值），ρ（COD）达到30mg/L以下，即达到GB3838—2002Ⅳ类水水质的处理出水占总处理量的99.3%，水量超过16.6亿m3；NH3—N达到1.5mg/L以下，即达到GB3838—2002Ⅳ类水水质的处理出水占总处理量的98.5%，水量超过16.5亿m3；TP达到0.3mg/L以下，即达到GB3838—2002Ⅳ类水水质的处理出水占总处理量的96.1%，水量超过16.1亿m3。
图5 2018 年北京污水处理厂出水主要污染物浓度分布
以上数据表明，随着污水处理厂出水水质的显著提升，北京市多数污水厂出水的主要水质指标已经优于GB18918—2002一级A标准。水质已接近甚至达到GB/T18921—2019标准，具备显著的再生利用潜力。
03 再生水利用现状与潜力
1.北京市污水再生利用情况
从2003年开始，北京市的再生水用量逐年增加，再生水配套设施逐渐完善。再生水利用量由2003年的2.15亿m3增长至2018年的10.8亿m3，15年增加了4.0倍，年平均增长率达到26.8%。2018年，北京市再生水利用量占全市供水总量的27.4%（图6）成为城市第二水源。其中，市辖区再生水用量为5.5亿m3，其余各区再生水利用量为5.2亿m3。2018年再生水管网长度达到1719km，其中市辖区再生水管网长度为909km。北京市政府规划至2019年底，全市再生水利用量达到11亿m3，2020年达到12亿m3。
图6 2007—2018 年北京市供水量与供水结构
再生水作为北京市第二水源，其用途主要包括以下3个方面:
1）生产用水。生产用水占比为6.0%，主要用于电厂冷却水。城区9座热电厂全部利用再生水替代了自来水。此外，部分城市污水处理厂出水经过超滤—反渗透双膜法处理后，生产的高品质再生水供给北京市经济开发区企业作为生产用水。
2）生态用水。生态用水占比92.1%。其中圆明园、龙潭湖等公园湖泊以及清河、土城沟等河道，均已全部使用再生水补水。再生水生态利用量逐年增大，有效改善了城市河湖景观和生态环境，改变了以往河湖“水脏、水差、水臭”的形象。同时，再生水的生态利用还节约了优质水源，一定程度上缓解北京市水资源紧缺的压力。北京市奥林匹克公园内的人工湿和湖泊兼具再生水生态环境储存和景观环境娱乐功能。公园区域内再生水主要来自清河再生水厂（6万m3/d），处理过程包括超滤、臭氧和氯消毒。部分再生水（3200m3/d）通过湿地和室内生态系统实现净化，进一步提升水质。该案例为环境储存与利用模式的良好实践和示范。
3）城市杂用。城市杂用占比2.0%。再生水还广泛应用于北京市的绿化灌溉、道路喷洒、施工压尘、洗车、建筑冲厕等市政杂用。
2.北京市污水再生利用潜力
北京市作为华北地区的经济中心，对于水资源需求量大，水资源难以自足。2018年北京市用水量达到39.30亿m3，其中23.5%依靠南水北调工程提供。随着北京市经济发展和人口增长，水资源供需之间的矛盾将不断突出。除此之外，补充城市基流、恢复城市湿地、治理黑臭水体、涵养地下水源均需要大量新鲜水源补充，城市水生态系统维系对于新鲜水源需求巨大。
城市污水量大质稳，是城市稳定的第二水源。城市污水如经过适当处理，科学合理地再生利用，可有效缓解城市用水压力。2018年北京市污水总排放量为20.4亿m3，处理量达到19.0亿m3，污水处理率为93.4%。按照北京市统计局公布的数据，污水处理能力较大的污水厂主要分布在人口密度较大的市辖区，可有效收集处理城区污水。北京市市辖区污水处理率为99%，经济技术开发区污水处理率为100%。其余区域污水处理率仅有82.85%，有进一步提升的空间。随着北京市经济社会的进一步发展，污水排放量与处理量将进一步增大。北京市经过城镇污水处理厂处理的污水水质良好，具有显著的再生利用潜力。
污水再生利用被认为是有效的解决水资源短缺问题的方法。2018年全国再生水利用量为85.5亿m3，占全国污水排放量的11%~15%。北京市的污水再生利用量达到10.7亿m3，年污水处理量为19.0亿m3，污水再生利用率达到56.3%（注:污水再生利用率=再生水利用量/污水处理量）。北京市污水再生利用率位居全国前列，但同国际先进水平相比，仍有进一步发展的潜力。以2018年北京市的污水处理量为基准，参考发达国家以色列的污水再生利用率82%（国际先进水平），未来北京市的再生利用量将超过15.6亿m3。与目前的再生水利用量相比，仍然有4.9亿m3的增长空间（增长比例达到46%），相当于2018年南水北调供水量的53%、全市生态用水量的37%。
目前，世界上多个国家已成功地进行了再生水回用工程。再生水已经被广泛应用于农业、工业、生活用水和生态环境用水多个方面。北京市目前再生水主要利用途径为城市内河流、湖泊补给等生态利用和以热电厂冷却用水为主的工业利用。结合北京市用水情况来看，北京市再生水工业、农业和生活利用途径存在巨大的利用潜力，生态利用途径也存在巨大的增长空间。
再生水利用不同于常规水资源利用，再生水水质安全保障面临与污水处理和饮用水供水不同的理论、技术、工程和管理问题。然而，现有的再生水水质标准大多是在污水达标排放的延长线上进行指标数值提升，缺乏对后续利用水质安全保障的系统考虑和科学支撑。再生水利用标准体系需要进一步完善。同时，再生水不同利用途径面临着不同水质、生态、健康风险，再生水利用风险识别与控制也值得进一步研究。
相对较为低廉的再生水价格使得再生水的利用得到了一定推广，但目前的价格水平难以补偿再生水设施的投资和运营成本，再生水生产企业在产能逐渐提高的过程中面临生产成本过高的问题，难以维持良性发展。再生水进一步利用需要政府部门提供一定的政策支持，以促进和激励污水再生利用。从再生水基础设施建设、再生水生产和使用多层次制定鼓励再生水利用的相关政策。
除此之外，再生水公众对再生水缺乏了解、认识不足，导致部分民众对再生水水质存在疑虑。再生水推广利用需要进一步加强公众教育宣传。
04 结束语
水环境质量是城市品位和生活质量的体现。高质量发展和生态文明建设对城市水环境提出了更高要求。为了重塑京城水系，为首都建设清水绿岸、鱼翔浅底的水生态环境，未来北京城市水系仍然面临着巨大的清水补给需求。污水再生利用是解决城市水资源短缺，用水紧张的有效途径。
目前，北京城镇污水处理厂出水的主要指标（COD、氨氮、TP）已达到GB/T18921—2019标准，已经成为供量大质稳、就近可取的优质水源。城市污水再生利用，面临着不同于常规水源利用的风险与问题。进一步促进城市污水再生水再生利用，仍需关注再生水利用过程中的生态、健康风险；建立健全再生水政策标准体系；加强公众宣传教育。参考国际再生水利用先进国家，北京市再生水农业、工业、生态、生活利用等用水途径存在巨大利用潜力。
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