王 寶 貞
哈爾濱建筑大學教授

　　一、引言

　　盡管中國淡水年均總貯量達28000億m³，居世界第6位，但12億余之眾的人口總數使其人均年貯水量僅為2500m³，約為世界人均值的1/4，屬12個貧水國家之一。此外，中國有限的淡水資源的分布隨地域和季節有很大的差別；南方較豐水，而北方缺水；在北方6-9月份降水量占年總降水量的70%-80%。
　　在中國北部以及一些沿海城市，隨著城市建設的擴大，人口的增多和經濟的發展，缺水問題愈益嚴峻，80年代中期有236座城市缺水，其日缺水總量達1200萬m³，而預計到2000年，在中國的644座城市中將有450座城市面臨缺水問題。
　　近年來隨著全球性大氣污染引起的溫室效應，厄爾尼諾現象影響以及大面積植被的破壞，導致中國的母親河––––黃河中下游斷流日數逐年延長，最近兩年黃河下游東營市城河段（包括河口）年斷流日數超過220天，其相應的年徑流量也在逐年減少；如80年代年均徑流量為284億m³，而90年代前五年的年均徑流量為187億m³。如此嚴重的水荒，嚴重威脅當地的工農業生產和人民生活。
　　一些城市為了解決水資源短缺問題，千方百計尋找和開發新的水源。例如，天津的“引灤入津”工程，引水渠道全長234公里，年流量1億m³，于1983年9月份建成通水，基本上解決了該市嚴重缺水問題；青島的“引黃入青”工程，包括引水渠道297公里及庫容1.4億m³的棘洪灘水庫，使該市增加了30萬m³的日供水能力。大連的碧流河引水工程長達68余公里，工程的投資為30億人民幣。上海市黃浦引水一期工程于1987年7月建成投產引水能力430萬m³/d，全長18km。西安的引黑工程、自貢的葫蘆口水庫引水工程，河北秦皇島市和邯鄲市引水工程等。太原城區120km²范圍內60%地區因嚴重缺水不得不采取間斷供水和低壓供水，其中12.3%的地區白天基本無水，全市總缺水量是43.7萬m³/d。到2000年，在計入引黃的前提下仍將缺水50.4萬m³/d。許多城市即使遠出數百公里之外，已找不到新的淡水資源，致使污水的回收與再用，使其作為一種再生的水資源，用于農業灌溉、工業用水、生活雜用水、市政用水等已勢在必行，而且在中國一些城市已有較多的實踐。

　　二、城市污水回用的經濟性

　　城市污水采取分區集中回收再用，與開發其它水資源相比，在經濟上的優勢是：
　　1、比遠距離引水便宜。將城市污水處理到回用作生活雜用水或工業冷卻用水的程度，其基建投資只相當于從30 km外引水；若處理到可回用作較高要求的生產工藝用水，其投資相當于從40-60km外引水。
　　2、比海水淡化經濟。城市污水中所含的雜質小于0.1%，而且可用深度處理方法加以去除，而海水則含3.5%的溶解鹽和大量有機物，其雜質含量為污水二級處理出水的35倍以上，需要采用復雜的預處理和反滲透或閃蒸等昂貴的處理技術，因此無論基建費或單位成本，海水淡化都高于污水回用。
　　3、污水回用于中水工程，規模越大者，基建和運行費單價越便宜。如表1所示：

　　三、中國城市污水回收與再用的現狀

　　中國北方一些城市由于嚴重缺水，在無新水源可開發的情況下，只能將城市污水和工業廢水作為一種再生水資源進行適當處理后予以回收與再用。其主要用途有農田灌溉，養魚或其它水產養殖，工業用水和市政用水等。
　　3.1 農田灌溉、土地處理與利用系統
　　在中國北方城市，城市污水和工業廢水已成為其郊區農田（包括菜田、稻田和麥田等）灌溉用水的主要水源之一。
　　這些污水在進入農田灌溉之前，大都進行預處理和一級處理，（大多數是簡易的一級處理如土沉淀池或塘等）；少數污水灌溉工程是用污水處理廠出水進行灌溉的，其環境衛生和農產品的衛生學狀況最好；直接用原生污水灌溉農田，由于其中油類、懸浮物和有毒有害物質含量較高，而導致農田和作物污染，以及由于土壤孔隙被堵塞，引起根系的厭氧或缺氧，影響作物的正常生長甚至死亡。中國一些失敗的農田污水灌溉工程，主要是因使用未經任何處理的原生污水，尤其是含有較高濃度的有毒有害污染物的工業廢水所致。因此在中國40余年農田污水灌溉經驗證明，如污水回用于農田灌溉，應首先進行一級處理或二級處理，這包括格柵、沉砂池、沉淀池、活性污泥曝氣池、生物濾池、穩定塘等處理單元的不同組合。
　　* 高的凈化效果
　　污水用于灌溉農田后，通過土壤過濾、吸附、離子交換、化學反應、土壤微生物代謝和作物根系的吸收等機理，能有效地去除污水中多種多樣的污染物，其代表性的去除效率為：
　　TSS、BOD₅、TP和細菌 ≥95%；
　　酚、氰、微量重金屬等 90%左右；
　　COD、TN 80%左右
　　北京、沈陽、天津等三個城市污水灌溉農田的凈化效果示于表2。
　　* 經濟效益
　　由于改良了土壤結構，增加了水分和肥分，導致作物增產，平均每1m³生活污水，可增產小麥或稻谷0.5公斤。
　　* 缺點
　　部分農田（約占污水灌溉總面積的10%），由于用有毒有害的工業廢水灌溉而導致農田惡化和農業減產；
　　地下水、土壤和農產品受污染。
　　因此中國污水灌溉面積發展情況迅速，可見表3所示數據。

　　3.2 污水養魚
　　中國珠江三角洲和長江三角洲以及長江以南的多水地區，將人畜糞便及其污水倒入魚塘，作為肥分促進浮游植物和浮游植物的生長和繁殖，后者作為魚餌料促進魚的增長，這一實踐已有兩千多年的歷史。繼承這一傳統技術，中國許多城市利用處理后的污水進行養魚及其它水產養殖。據估計，在農村和村鎮約有數十萬座污水養魚塘，它們往往起凈化污水與利用污水增加水產的雙重作用。為了更加有效地凈化污水和保障水產品的衛生質量，在養魚塘之前加設厭氧塘和水葫蘆、水浮蓮或水花生等水生植物塘，用以去除污水中的重金屬和有毒有害污染物，防止其進入養魚塘，并通過塘中的食物鏈進入魚體中。
　　在中國有許多城市用處理后的污水養魚。例如，湖南省會長沙，每日約有25萬m³污水（占全市污水總量的75%）和5萬m³工業廢水，如屠宰、食品加工、釀造等廢水用于養魚，養魚塘總面積達1430公頃。在污水水力負荷400-500m³/公頃/日，BOD₅負荷20-30kg/ha/d和水溫15-25℃的條件下，養魚塘具有如下處理效率：TSS：74-83%，BOD₅：75-91%和TN：70%；同時每年魚產量達4500-5000kg/ha，相應的經濟收益約為9000-10000元/公頃。
　　天津市兩座污水處理廠的出水以及其它污水，被農民引入魚塘中進行多天靜置沉淀和凈化后用于養魚，養魚水面達1000余公頃。
　　長沙市污水處理廠的一級出水和二級出水被用來進行生產規模的養魚試驗并獲得成功，其中二級出水養魚，其產量較一級出水養魚較少；但衛生質量好，對魚體檢驗的各項指標均符合魚的食用標準。因此，建議用二級處理出水或相當于二級處理的出水水質養魚。英國泰晤士河水公司和德國魯爾河協會所屬的一些污水處理廠，其二沉池后設置熟化塘或最后凈化塘，在其中放養鯉科魚類，其產魚的質量好，符合食用標準，但其養魚如紅鯉，主要供觀賞和作指示生物用。
　　3.3 處理后污水往地下回注
　　污水經二級處理后，通過土地快濾系統或慢濾系統（即農田灌溉系統）滲濾于地下補充地下水源。我國許多城市由于地下水過度開采而導致地下水位大幅度下降，形成大面積的漏斗區，導致許多水井枯竭，草木枯萎，嚴重破壞了地面生態系統。而處理后污水的回注地下有助于緩解這一問題。我們為山東省膠州市設計和指導修建的污水處理與利用工程工程：格柵→沉砂池→初沉池→厭氧塘→兼性塘→好氧塘→農田灌溉系統，其塘系統出水相當于二級處理出水，用于灌溉附近2000公頃農田，其滲濾水質很好，達到地表水質Ⅱ-Ⅳ類標準（見表4）。附近井水水位比農田灌溉前回升2-3m，有效地防止了10 km之外的海水入浸，保護了當地的淡水資源，而膠東半島沿海的許多地方由于地下水過量開采和地下水位的大幅度下降，導致海水入侵，使本來就有限的淡水資源更加貧乏。

　　3.4 處理后污水回用作工業用水
　　污水處理廠的二級處理出水，根據用途的不同，可直接地或者再經進一步處理達到更高的水質后應用工業生產過程中，如用作冷卻水，熄焦、熄爐渣用水，灰渣水力輸送用水，工廠綠地澆灑、地面、設備、車輛沖洗、消防等用水，其中最具普遍性和代表性的用途是工業冷卻用水，我國在污水廠二級出水或先進二級處理出水用作工業冷卻水方面進行了大量的試驗研究，并有運行成功的實例。大連春柳河污水處理廠的部分二級出水（1萬m³/d）送到附近的紅星化工廠用作冷卻水，在通過冷卻塔的過程中通過鼓風曝氣吹脫和填料上生物膜的生物氧化等機理，使二級出水得到進一步的凈化。SS、BOD₅、COD、總氫、氨氮都明顯減少，經此處理后可滿足工業冷卻水的水質要求。為了更加安全可靠起見，二沉池出水可經雙層濾料濾池過濾，微絮凝接觸過濾，或者生物曝氣濾池，以進一步去除水中的TSS、COD、BOD₅、TN、NH⁺₄-N、TP、細菌等以使其成為更加穩定和可靠的冷卻用水，或其它工業用水，如油田注水。
　　污水處理廠二級出水還可用作發電廠燃煤、燃油鍋爐廢氣、煉鋼、煉鐵、工業熔爐等廢氣、垃圾焚燒廠廢氣水力除塵設備（如水膜、噴淋式等除塵器）的工作用水，已可用作爐灰渣水力輸送用水。我們的試驗研究發現，生活污水或工業廢水（如紡織印染廢水）用于除塵或輸送灰渣后，經過一定時間的接觸、吸附和化學反應，污水可得到高度凈化，灰渣場的濾出水的TSS和BOD₅可降至≤5mg/L，COD≤20mg/L，色度≤10度，它可用作更高級的工業用水，如冷卻水，沖洗設備和洗車用水，澆灑街道路面和景觀（如人工湖、河、池塘）等用水。
　　污水處理廠二級出水可對附近用水量大的工廠進行較集中的供水，不宜對過多用戶的分散供水，這會導致供水管道系統太長而投資太大。為了防止供水管道結垢堵塞、流動不暢，宜于在二沉池之后增建雙層濾料濾池，或曝氣生物濾料，以供應更加穩定的和質量更好的回用水。
　　這種回用水可用作生活雜用水澆灑綠地，沖廁等，但是如果用于更高水質的工業用水，如車間、地面、設備、車輛等的沖洗、生產工藝用水，需要根據具體水質要求或標準進行相應的深度處理，其單元工藝有：臭氧、H₂O₂和CLO₂氧化或其與紫外線相結合的深度氧化技術，活性炭過濾吸附和生物氧化降解，膜法分離，包括超濾、納濾和反滲透。上述幾種單元工藝的組合應用，可獲得優良水質的出水，可滿足各種各樣的工業用水的需要。
　　我們于1993年在大慶市設計和建成了日處理能力3萬m³/d乘風莊污水回收再用廠，在其中對污水進行較深度的處理，即活性污泥法二級處理后加纖維過濾器過濾，最后出水TSS和BOD₅≤5mg/L，COD≤30mg/L，已成功地用于油田回注，最近我們又開始另一座污水處理廠（800坰污水回收再用廠）的設計，其處理能力為5萬m³/d，其處理流程為格柵→旋流沉砂池→調節池→A/O淹沒式生物膜/活性污泥法復合生物曝氣池→新型穿孔管－溢流筒式輻流沉淀池→雙層濾料壓力濾罐→投氯消毒→清水池→油田回注，計劃明年建成投產。
　　3.5 城市污水回用作市政用水
　　市政用水包括城市綠化帶和公園等澆灑，人工湖、河、池塘注水和補充用水，街道噴灑，消防、沖廁和沖洗地面等用水，可見用途很多，用水量也大。
　　具體可做如下幾方面的考慮：
　　3.5.1 現有集中污水處理廠出水用作市政用水
　　污水處理廠出水可作如下市政用水：
　　☆ 可敷設管道通至附近的建筑小區、建筑群或大型建筑物（建筑面積〉2萬m²）建立中水道系統，通至用戶作為生活雜用水，如沖廁，澆灑綠地、花園等。
　　☆ 可在低洼荒地上建造水上公園，可包括建造觀賞性魚類池塘、觀賞性水禽池塘、藕塘、蓮塘、葦塘以及人工湖等，充分發揮景觀用水的作用，建成引人入勝的水上景觀和旅游場所。
　　☆ 在污水廠附近建立市政綠化苗圍和花卉基地，就近利用該廠出水灌溉和污泥施肥。
　　3.5.2 小區中水或建筑中水系統
　　對小區的污水匯集起來進行處理，達到生活雜用水標準，然后輸入中水道系統，通至用戶用來沖廁和澆灑綠地等，也可作小區公園、花園或綠化帶的池塘、人工湖等景觀用水。
　　對于建筑群或大型建筑物，亦可就地建立較小規模的中水系統，即其中的輕污染生活污水，如沐浴，盥洗、洗衣等廢水通過專用下水管道排出并匯集起來送至污水處理設備中進行處理，使最后出水達到生活雜用水或中水水質標準，再通過中水管道送至用戶做沖廁、澆灑綠地等用水。
　　我們已在深圳、青島等缺水城市共建成了中水工程13處，其中小區規模的2處，服務于建筑群或大型建筑的11處，其處理流程為：
　　輕污染生活污水→旋流沉砂及除毛發器→曝氣調節池→A/O淹沒式生物膜曝氣池/斜板沉淀池/曝氣生物濾池一元化設備→雙層濾料濾池→次氯酸鈉或ClO₂消毒→中水道，其處理能力分別為5m³/h、10m³/h、20m³/h、40m³/h和50m³/h。
　　建造建筑小區，建筑群或大型建筑中水系統的優點有：
　　其出水水質達到：TSS 5mg/L， BOD₅£5mg/L，COD£30mg/L，NH₃-N£5mg/L，細菌總數〈1000MPN/ml。
　　☆ 就地匯集和處理污水并且生產中水就地回用，比從集中污水處理廠遠距離調運出水，其管道基建費和運行維護費大為節省。
　　☆ 減少了集中污水處理廠的污水處理總量，因為輕污染污水被就地收集、處理和回收再用。而洗浴、盥洗、洗衣、沖洗地面等輕污染污水約占生活污水總量的30-40%，在南方城市夏季可達50%以上，如果在缺水城市普及中水系統，可使集中污水處理廠的處理規模減少20%-30%。
　　☆ 城市集中污水處理廠的進水有機物和氮、磷等營養物濃度也有所增加，這可改善我國許多城市污水處理廠進水BOD₅濃度過低（≤100mg/L），不宜維持正常和經濟運行的狀況。
　　根據我們多年從事中水工程的經驗，建造居住小區的污水處理與回收再用工程或稱小區中水道系統最為適宜，它可以就近收集和處理小區的全部污水或輕污染污水，然后進行綜合利用，且其基建和運行維護費單價比建筑物中水便宜。
　　

　　四、石家莊市城市污水回收與再用設想

　　為了有效地控制石家莊市的水污染，計劃到2000年共建成3座城市污水處理廠并投產運行，其總處理能力為80萬m³/d，其中第一座污水處理廠－橋西污水處理廠已于1993年8月分投產運行，其處理能力為20萬m³/d，運行狀況良好，其最后出水的TSS和BOD₅通常分別小于20和15mg/L，其外觀清徹透明。遺憾的是，質量如此好的水竟白白排放掉而未曾予以回收再用，這對一個嚴重缺水的城市來說是很不合理的。
　　到本世紀來，另兩座污水處理廠，即橋東污水處理廠（其處理能力為50萬m³/d）和技術開發區污水處理廠（10萬m³/d）將建成并投入運行。到時將從這三座污水處理廠生產80萬m³/d（或每年2.55億m³）二級出水，它可作為一種重要的水資源予以多種應用，諸如，農田灌溉、水產養殖、人工湖、河、池塘等的景觀用水，工業用水和在居住小區建筑群和建筑物中。用作生活雜用水的中水道系統。其中在農業回用上作為重點考慮，因為農田灌溉用水量因缺水而急劇下降。例如石家莊市所在的河北省農業用水70年代減少1.5億m³，現在減少3億m³。因此必須尋找能取代地表水源和地下水源的其它水源來解決農業用水的短缺，而污水處理廠的出水就是農業用水最可取的水源。按中國傳統的灌溉技術，該市污水處理廠的出水可用于灌溉5.1萬公頃種植小麥和其它谷物的農田，其水力負荷為5000m³/公頃/年。如果采用先進的灌溉技術，如滴灌，可用于灌溉10萬公頃農田。
　　該市用污水灌溉農田已有多年的歷史，并通過污水灌溉的試驗研究獲得了成功的經驗。該市在70年代就在其郊區西三教村建成了多級氧化塘→農田污水灌溉系統的示范試驗工程，其數年的試驗研究結果證明，城市污水首先經預處理和多級氧化塘（包括跌水曝氣塘和水葫蘆塘），能有效地去除水中的多種污染物，如酚、氰、焦油、重金屬等，其出水進入農田灌溉，能達到進一步凈化污水，改良農田土壤和使農作物增產的多種效益。
　　橋西污水處理廠建成運行后，其出水水質良好，排于附近水體后，被引出灌溉下游一些農田，獲得明顯的增產效益。
　　根據一些城市多年利用城市處理污水灌溉農田的經驗，在正常運行條件下，由污水灌溉提供的水分和肥分促進了農業的增產，小麥和谷類每公頃增產1500公斤，約增產20%，按灌溉10萬公頃農田，可增產1.5億公斤或15萬噸小麥，可解決30萬人的用糧。
　　用城市污水處理廠出水灌溉農田的另一個優點是節省大量化肥，因為出水中仍含有總氮30-40mg/L，總磷5-7mg/L，這相當于每公頃污水灌溉農田上施加150-200kgTN和25-35kgTP，或約1噸硫銨1噸和100公斤磷肥，這將節約化肥購置費1500元，這會使農民比使用化肥和清水灌溉獲得更大的經濟收益。
　　用污水處理廠出水種植水田如稻田和藕田等，比灌溉旱田會獲得更大的收益，以種植藕田為例，每公頃藕塘的藕產量約為3萬公斤，按每公斤藕售價1元，每公頃藕田經濟收益3萬元。此外，藕塘在夏季盛開荷花，極為美觀，可以成為引人入勝的景觀點，其環境和社會效益均好。
　　用污水處理廠出水養魚也會獲得很大的經濟效益，根據北方一些城市凈化污水養魚的經驗，每公頃水面年魚產量為5000-6000公斤，按每公斤魚售價4元計，每公頃收益2.5-3萬元。
　　污水處理廠出水進入魚塘、藕塘、稻田旱田等，通過滲濾最后進入地下，補充地下水，提高地下水位，可控制地下水位的急劇下降，甚至可恢復到原有的地下水位，可有效地補充地下水資源。
　　在石家莊市由于地下水的過度開采，使地下水位下降最大達44m，因此用處理后污水進行地下回注是很必要的，這可使地下水位逐漸回升。而開辟和建立較大面積的污水灌溉區進行土地慢濾滲入地下是最為可取，這主要是其凈化污水的效率高，可保證滲入地下的凈化污水達到最好的凈化水質，能保障地下水的質量，符合衛生學標準，不致發生水傳染疾病，而快速滲濾系統在這方面的危險性較大，故不宜采用。
　　綜上所述，建議在該市建立一座示范性污水處理廠出水農業綜合利用示范工程，其中建有養魚塘、藕塘、稻田、麥田、苗圃等，其流程如下：

　　石家莊市三個污水處理廠建成后可用其出水建立2000公頃的養魚塘，2000公頃藕田，20000公頃稻田和10萬公頃旱田和2000公頃苗圃。其滲出水可建成上千公頃的水工湖供游覽娛樂用，其滲濾水回注地下，每年可補充地下水約1.3億m³（按蒸發、蒸騰及其它損失50%計）。其經濟、環境和社會效益都是巨大的。
　　其次，在該市應建立居住小區和建筑中水示范工程，將小區或建筑群，建筑物的生活污水收集起來進行處理，達到生活雜用水水質標準后，通過中水道送至用戶供作沖廁，洗灑綠地等用。
　　第三，對該市工廠用水進行調查，選擇一些急需較大量用水的工廠，為了經濟起見，最好選擇處理廠附近的工廠作為供水對象，首先集中解決一兩家用水量大的工廠進行試點，取得成功經驗后逐步擴廣。