区域水资源循环利用模式：概念#183；结构#183；特点_再生水论文

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       中图分类号：X52 文章编号：1001-6929(2015)06-0839-09

       文献标志码：A DOI：10.13198/j.issn.1001-6929.2015.06.01

       我国目前所面临的水环境污染和水生态破坏等突出环境问题，其根本原因可以归结为区域水代谢在系统结构与功能上的失衡。众所周知，我国水资源存在着水量严重不足、空间和时间分布不均衡等问题，这在某些区域尤其是北方城市往往导致严重的水代谢失衡[1]。

       水资源短缺是全球面临的重大资源环境问题[2-4]。在缺水城市，为保障工业和生活用水，生态用水往往受到挤占而导致水生态系统受损；受损的水生态系统因自净能力下降而导致水体污染加剧；水体污染引发水质性缺水而进一步加剧水资源的短缺。这一恶性正反馈机制的存在，使得水代谢问题成为制约我国社会经济发展和生态环境质量改善的重要因素，也成为亟待解决的重要环境和民生问题。因此，在流域和区域尺度上掌握水环境质量与水量和污染负荷之间的响应关系，平衡工业、生活与生态用水之间的需求，解决经济发展需求与水资源短缺、水环境污染和水生态破坏之间的矛盾，是我国可持续发展面临的重大课题。

       污水再生利用是破解上述矛盾的重要措施，主要原因在于污水具有资源性、可靠性、分布性和静脉性等重要特征[5-6]：①资源性。污水是可靠的非常规水源，应转变过去仅仅满足达标排放的污水处理思路，实施污水资源的再生利用。②可靠性。污水，特别是生活污水的排放不受气候和天气的制约，是流量基本稳定的可靠水资源。③分布性。生活污水和工业废水在空间上都具有一定的分散性，并且排水单元与需水单元往往地理邻近，这为构建分布式的水循环体系提供了物理保障。④静脉性。与血液循环系统类比，污水再生系统实质上就是水代谢的静脉系统，当前水代谢问题主要归因于这一静脉系统在结构上的缺陷和功能上的缺失。

       健全的污水再生利用系统是切断“水质-水量-水生态”之间存在的正反馈机制的关键环节，是破解水代谢问题和实现水生态安全保障的重要途径[5，7]。我国早在20世纪80年代就积极倡导污水再生利用[7-10]，国家相关部委和地方政府也相继出台了一系列政策，对污水再生利用提出要求和鼓励措施。但是，由于再生水输配管网等基础设施缺位、水价政策和激励措施不健全、再生处理工艺和再生水利用模式的经济性不高、对水质安全的重视不够等原因，城镇污水再生利用事业的发展相对缓慢[11]。虽然个别城市(如北京市)的污水再生利用率高达60％以上(2012年再生水供水量达到总供水量的21％)，成为重要的第二水源，但全国污水再生利用率仍处于较低水平(2012年约为8％)[10]。

       针对流域水污染治理和污水再生利用面临的突出问题，该研究在分析传统城镇水系统和污水再生利用模式及其存在问题的基础上，提出了区域水资源“介循环”(water meta-cycle)利用模式，以期为解决水资源短缺、水环境污染和水生态破坏等突出问题提供新的探索。

       1 传统的城镇水系统与污水再生利用模式

       1.1 传统的城镇水系统

       目前的城镇水系统绝大多数都采用取水→供水→用水→排水→污水处理→排放的单向线性模式[12](见图1)。该模式的特点和不足：①从区域外取水，向区域外排水，水单向流动和单次利用，供水和排水系统分离，没有形成水循环利用体系，水资源利用率低。②供水管网单一，供水水质单一，难以实现按需、按质供水。③工业废水和生活污水混合处理，导致水质安全保障困难，限制了污水回用和污泥资源化利用[13-14]。在多数城市，特别是工业园区和县镇，不同种类的工业废水混合收集后与生活污水一起进入综合污水处理厂进行集中处理，从而导致了综合污水处理厂运行不稳定、水质安全难以保障等突出问题。④将污水作为污染物进行处理，其目标主要是达标排放，而水、有机物和无机盐等污水内含资源却没有得到充分利用，以致造成资源浪费[15]。

      

       图1 传统的城镇供水和排水体系

       1.2 传统的污水再生利用模式

       污水再生利用是提高水资源利用效率、防止水环境污染的有效措施，越来越受到国内、外研究者的重视，再生水的利用途径也越来越广泛[16-17]，间接补充饮用水(补充水源)逐步开始被接受[18-19]。在澳大利亚，再生水开始用于洗衣机用水[19]；在美国、新加坡和纳米比亚等国家的某些城市，甚至已经实现污水直接饮用回用[20-21]。

       污水再生利用系统具有污水处理和给水处理的双重定位和性质(见图2)，其与污水处理和给水处理既有相似之处，又有明显差别。污水再生利用系统是一个污水处理系统，但与传统的污水处理系统的显著差别在于，其处理后的出水不是达标排放，而是有明确的用户。也就是说，污水再生利用系统的出水具有“产品”的属性，要满足安全性、功能性和经济性等基本要求。

      

       图2 污水再生利用系统的基本定位

       污水再生利用系统同时也是一个供水系统，但其与从水源取水生产单一水质自来水的传统供水系统有明显差别：①污水再生利用系统以污水为水源并将其转化为可使用的水资源，水源性质更复杂，所含有的污染物种类多、浓度高、危害大，水质安全保障更具挑战性[17-18，22-25]。②不同回用用途对再生水的水质要求也不同，导致用户水质要求多样，使得系统的设计和运行管理更加复杂。

       综上，与自来水供水系统相比，污水再生利用系统在水质安全保障上面临的挑战更大、更复杂，对研究手段、技术和工艺以及水质监管的要求更高，因此需要进行比给水处理更全面、深入、系统、精细和长期的研究，需要根据污水再生利用的特点，进行系统设计和运行管理。

       城镇污水再生利用系统设计与管理需充分考虑其自身的特点[5，11]，但是在实践中仍存在很多亟待解决的问题。传统的污水再生利用是一种基于人工强化的水回用(water reuse)系统，其基本特点是再生水的直接、单向和单次利用，没有形成水的循环利用(water recycling)或闭环循环(见图3)，同时存在以下不足：①再生水的自然属性欠缺，水质安全难以保障、公众心理难以接受；②再生水不同用途相互独立，利用效率不高；③再生水的工业和生活利用与生态利用没有兼顾。

       因此，解决传统城镇水系统和污水再生利用模式存在的问题，实现水资源可持续利用，保障用水水质和水环境安全，成为重要的课题[12]。

      

       图3 传统的城镇污水再生利用系统与模式

       2 再生水的生态媒介循环利用

       为提高再生水的自然属性和利用效率，保障水质安全，基于生态系统特点和污水再生处理生态工程技术研究成果及应用实践，建议研究、开发并实施再生水生态媒介循环利用方式(water natural system mediated reuse)(见图4)。再生水生态媒介循环利用方式的核心：经过工程措施处理得到的再生水首先进入人工强化调控的生态系统(如人工湿地、氧化塘、河湖景观水系等)，之后经过自然储存和净化后再循环利用于工业、生活和农业用水[26-29]。

       再生水生态媒介循环利用方式既保障了生态用水，又净化了水质，在提高再生水利用效率的同时，也提高了再生水的水质安全性；同时，将通过工程措施得到的再生水(工程再生水)转变为“生态再生水”，可以提高公众心理接受程度；再者，该模式实现了生态用水和工业、生活用水的梯级利用，平衡了工业和生活用水与生态用水间的矛盾，兼顾了各种需求。

       人工湿地、氧化塘、河湖景观水系等人工强化调控生态系统是再生水生态媒介循环利用的核心，但其与再生水的生态环境与景观利用不同：①目的和功能不同。该系统不是再生水的终极利用目标，而是污水再生利用的中间环节，具有水质净化和水量储存(生态储存)等功能，相当于城市的第二水源，即“非常规水源”。②水质目标和技术要求不同。根据后续利用目的的不同，其水质要求也不同，因此工程设计、运行维护和水质保障技术措施也不同。

      

       图4 再生水生态媒介循环利用模式

       3 区域水资源介循环的概念与特征

       3.1 介循环的基本概念

       基于再生水生态媒介循环利用方式，融合企业和家庭、社区内部以及企业间和区域层面的水循环利用，该研究提出了区域水资源“介循环”(water meta-cycle)利用模式。

       介循环是一种人工强化生态调控的区域水资源多阶多元循环利用模式。通过企业、家庭和社区等局部单元内的水循环利用，工业和城市等社会系统尺度内的污水再生处理与直接利用，以及区域层面上再生水的生态媒介循环利用等，促进不同层阶和不同用途水循环利用的有机衔接与耦合，实现再生水的安全聪巧(safe and smart)利用及区域尺度上水资源的闭环循环利用和趋零排放，以保障水环境安全，促进可持续发展。

       介循环中的“介”，一是寓意“媒介”和“衔接”，体现再生水的生态媒介循环利用以及不同层阶和不同用途水回用间的关联、融合；二是和“阶”谐音，寓意多阶多元，体现生态学中“元(meta)”的概念。

       3.2 介循环的结构特征

       根据介循环的定义，不难理解，其本质是一个不同层阶和不同用途水循环利用的嵌套耦合系统。介循环包括局部过程、社会系统和区域生态等3个不同尺度的三阶水循环利用，其层阶结构如图5所示。

       一阶循环，即区域生态循环，主要指再生水用于河流、湖泊和湿地等的生态补水，以及生态媒介利用。

       二阶循环，即社会系统循环，主要指区域范围内的污水再生处理与再生水直接回用。在工业上体现为工业园区层面(企业间)或工业生态系统内(行业间)的水循环利用；在市政和生活上体现为城市系统内的水循环利用，比如城市污水再生处理及再生水的洗车、冲厕等直接城镇杂用。

       三阶循环，即局部过程循环，主要指生产或生活单元内部的水循环利用。在工业上体现为企业内部的梯级利用和循环利用，在生活上体现为家庭内或社区内的水循环利用，在农业上体现为农业农田灌溉水的水循环利用。

      

       图5 水的介循环模式及其层级结构

       3.3 介循环的基本特点

       介循环系统具有闭环趋零、多阶多元、强化调控和复合高效等基本特点。

       3.3.1 闭环趋零

       介循环是一个水循环利用(water recycling)系统，与传统的水回用(water reuse)不同，其最终目标是实现区域尺度上水资源的闭环循环利用和趋零排放。该目标与在工厂或企业内实施零排放截然不同。在某一特定的工厂或企业内实施水的闭环循环和零排放，在很多情况下存在诸多技术和能源消耗上的难题，有时这种措施并不科学，甚至违背可持续发展和建设低碳社会的理念。在区域尺度上可以更好地根据“低水低用、高水高用”的原则，优化配置水资源，同时可以借助生态和自然的净化能力，实现水质净化。

       3.3.2 多阶多元

       介循环系统包括局部过程循环、社会系统循环和区域生态循环等三个不同尺度上的三阶循环，每个层阶又包括生产、生活、生态和农业等不同的水回用途径。可以根据不同层阶、不同利用途径对水质、水量的要求，在区域层面上对水循环利用进行统筹规划，实现多目标循环利用的有机衔接和融合，体现了生态学上多元(meta)的概念。

       3.3.3 强化调控

       通过人工强化和调控措施，利用人工湿地、氧化塘、河湖景观水系等生态系统的净化功能，进一步提高水质。生态工程措施和前端的污水再生处理工艺结合，形成水质安全多级屏障系统，强化了水质安全保障，可提高再生水的自然属性和居民接受程度。再者，人工调控生态系统还同时起到再生水储存和水量缓冲、均衡的作用，保障稳定供水。

       3.3.4 复合高效

       通过生态媒介循环，实现再生水生态利用和生产、生活利用的串联，即区域内再生水的梯级利用；利用工业生态学理论，通过优化企业内和工业系统内(企业间)的废水处理模式和水回用途径，提高再生水的利用效率。通过设计，人工调控湿地和河湖景观水体可以成为具有输水功能的水系，可节约输配管网费用；另一方面，该系统将“工程再生水”转化为具有自然属性的第二水源，拓展了区域供水潜力，提高了水资源可持续利用能力。

       3.4 介循环的基本目标

       根据介循环的定义，其目标是实现再生水的安全聪巧利用、区域尺度上水资源的闭环循环利用和趋零排放。安全聪巧主要表现在再生水的安全、高效、可靠和智能利用。

       再生水利用面临的潜在安全问题主要有水质安全、水量保障和事故防范[5](见图6)。

      

       图6 再生水利用面临的潜在安全问题

       污水中存在种类繁多、性质及危害性各异的污染物，除常规的无机盐和有机污染物外，还存在对人体健康和生态系统危害性大的污染物，如病原微生物、氮磷等植物营养物质、有毒有害污染物(如重金属、微量有毒有害有机污染物)等[5，22-25]。因此水质安全(包括对人体健康的影响、对生态环境的影响和对生产安全的影响)是保障再生水利用的关键和前提。

       再生水的高效利用，主要包括通过对污水再生处理工艺优化和再生水利用途径优化，降低再生利用能耗、提高水资源利用效率，主要措施：①根据“分质供水、低水低用、高水高用”的原则，科学协调和平衡水质安全与能耗的关系。通过区域内不同用途的优化配置和不同层阶循环利用的嵌套耦合，优化水循环利用系统设计(用途、水量、水质)，降低水循环利用系统的资源能源消耗。②在保证水质安全的前提下，优选处理技术和工艺组合，通过自动化和信息技术优化运行管理，提高再生处理系统的能源效率，减少碳排放。③以充分利用污水中的内含资源和能源为目标，研究、开发和利用包括污水源头分质收集和输送技术、污水精炼技术、水质生态净化技术在内的污水资源能源化新原理、新技术和新工艺，提升区域污水系统的综合效益。

       再生水的可靠利用，主要是指按照全过程风险管理原则，对污水排放，特别是有毒有害工业废水排放(再生水水源)、再生处理工艺、再生水储存与输配以及利用环节进行科学、规范管理，提高系统运行的可靠性。

       再生水的智能利用，主要是指通过现代水质检测理论和技术，实现再生水水质的多参数在线监测和预警，以保障再生水利用的安全性和可靠性。

       3.5 介循环与相关概念的辨析

       在水文与水资源领域，把水的循环分为自然循环和社会循环。水的自然循环是指在地球上，由蒸发和蒸腾、水汽输送、降水、下渗、地表径流和地下径流等一系列过程和环节形成的庞大的水循环系统。水的自然循环又分为海上水循环、海陆间水循环和陆地水循环。陆地水循环是指陆地水经蒸发和蒸腾作用被带到高空，再经降水过程返还陆地的循环，该类循环主要存在于内陆地区。

       水的社会循环是指人类为了满足生活和生产的需要，从天然水体中取水供生活和生产使用，使用过的水排放，又重新回到自然中去的过程。经过使用的水，仅很少一部分被消耗，绝大部分变成污水排放，重新进入天然水体。水的社会循环是自然循环的人为扰动，也是水环境污染的主要原因。

       LIU等[30-31]在系统研究经济社会发展与水循环演变之间相互作用关系、社会水循环的驱动机理、经济社会发展对自然水循环的驱动效应以及水循环过程的响应机制等的基础上，提出了“自然-社会”二元水循环理论，为探讨解决流域水资源危机的解决途径和方法提供了重要的科学依据。

       为了减轻水的社会循环对水环境造成的污染，李圭白等[32-33]提出了水的良性社会循环和健康水循环的概念，即通过水的良性社会循环，解决城市水资源危机的思路，并从水的社会循环全过程的角度，论述了城市水资源短缺危机的具体解决途径。李圭白等[32]指出，城市污水和工业废水的处理和回用、节约用水、饮用水处理、水的优质优用和合理调配、雨水和海水利用，以及在充分论证基础上的远距离调水，是缓解城市水资源危机的可能途径。

       健康水循环是指上游地区的用水循环不影响下游水域的水体功能，水的社会循环不损害水自然循环的客观规律，从而维系自然水循环和社会水循环的健康运行或水环境保持自然平衡，实现水资源的可持续利用[33]。张杰等[7]早在2001年就指出，污水深度处理与再利用是通向健康水循环的桥梁。

       水循环相关概念见表1。与水循环相关的其他术语和概念不同，介循环是区域尺度上水资源循环利用的一种复合模式，以再生水的生态媒介循环利用为核心，以实现区域水资源闭环循环利用和趋零排放为最终目标，是水的社会循环的一部分，对促进健康水循环有积极的意义。

      

       4 区域水资源介循环构建案例

       山东省茌平县是全国经济百强县之一，属于海河流域，境内有徒骇河、马颊河、茌中河、茌新河等主要河流，人均水资源量约为683

[34]，远低于全国平均水平(1726

)[35]。该县水源单一，地下水取用比例大。2011年，县城城区地下水取水量约占总取水量的79.4％，其中工业地下水取用量约占其总取水量的75.2％；居民生活和城镇公共用水全部取自地下水。2011年县城区域水量平衡见图7。该县存在污水再生利用率低、水循环利用系统尚未形成、城区生态环境用水缺乏、环城水系连通不畅以及水生态环境质量需要改善等突出问题。

       针对茌平县存在的水环境问题，以促进再生水安全高效利用、提高水资源利用率和改善水生态环境为目标，基于该县近年来践行山东省“治、用、保”流域水环境治理策略的实践，提出了城区水资源介循环体系建设方案(见图8)。该方案以第一污水处理厂和第二污水处理厂升级改造、茌中河人工湿地工程、环城水系建设、金牛湖工农业用水水源地建设、再生水工业利用工程为依托，建设介循环系统。该系统是将“用”和“保”有机结合的一种新的技术途径和模式，体现了面向“用”的“治”和基于“保”的“用”。

      

       图7 山东省茌平县城区2011年水量平衡

       注：图中数字单位为

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       该系统各项措施全部实施后县城区域水量平衡预测如图8所示(以2013年数据为基础)。污水处理厂深度处理出水，一部分回用于信发集团，体现了社会系统内循环；其余部分进入潜流湿地和茌中河河道走廊人工湿地，经湿地进一步处理后回用于环城水系，最后流入金牛湖，作为工农业补充水源。环城水系和金牛湖景观水体的水再用于工业生产、绿化、道路清洗和农业灌溉，体现了生态媒介循环。另外，在该县最大的企业信发集团企业内部，针对不同的工艺，也实施了多样化的废水内部循环利用，体现了局部过程循环(图8中未标出)。

      

       图8 茌平县城区水介循环体系框架及实施后的水平衡预测

       注：图中数字单位为

。

       该方案实施后，可实现再生水的生态媒介循环利用和多阶多元利用，城市污水回用率可达80％以上，地下水取水量显著降低，同时可满足生态用水需求，提高了水环境质量。

       5 结语与展望

       为解决我国面临的突出水环境问题，破解经济发展需求与水资源短缺、水环境污染和水生态破坏之间的矛盾，基于流域水污染治理实践和再生水安全高效利用研究成果，提出了区域水系统介循环模式。该模式以再生水安全聪巧利用为核心，具有闭环趋零、多阶多元、强化调控和复合高效等特点，可望成为区域尺度上实现水资源持续利用、保障水环境安全的有效模式。

       毋庸置疑，污水处理新理论与新技术的开发与应用，将显著提高介循环系统的效能和效益。但是，初步实践表明，介循环系统规划、设计和构建的关键是对社会经济发展、水资源利用和水环境现状的准确掌握以及污水再生处理、水体水质净化与保持现有实用技术的遴选与科学集成，在现有技术水平下即可发挥其应有的作用。

       在介循环系统运行过程中，湿地、氧化塘、河湖等景观水体的科学、规范管理和长效运行将是在实践中遇到的主要问题。因此，需要逐步积累经验，探索长效管理运行机制，最大限度地发挥其水质净化和美化环境的功能。

       根据介循环模式的特点，其特别适用于县域、中小城镇以及城市近郊等区域的水系统建设。该系统的规划设计应根据当地社会经济条件、气候特点和发展规划，因地制宜，一地一策，一区一策。根据介循环概念，在未来城镇化发展和基础设施建设规划中，应把生态水体作为城镇水基础设施和水代谢系统不可或缺的组成部分，进行建设和运营，使其发挥再生水水质净化、生态改善和城市第二水源(非常规水源)等重要功能。

       介循环模式的主要关注对象是“水”。但是，除了“水”本身之外，污水中通常内含具有利用价值资源和能源，比如有机物、无机物，甚至重要的稀有元素等[15，36]。为了实现污水资源的极尽利用，在区域尺度上同时实现水和有价值元素的封闭循环，将水的介循环与“污水精炼”[15]结合，可望构建下一代区域水循环系统(见图9)。该系统的成功运行，特别是污水精炼环节的实现，将有赖于未来技术的重大突破，也是水环境领域科技人员值得研究的重要方向。

      

       图9 下一代区域水循环系统展望

       致谢：山东大学梁爽博士、山东省科学院朱英博士、天津大学的王灿博士等参与了概念讨论，并提出了宝贵的意见，在此表示感谢!

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