1 国内再生水回用现状
我国再生水回用起步较晚，直到20世纪80年代末，再生水回用研究和实践才开始逐步推动。2007年全国城市污水处理回用现状调查显示〔5〕，当年城市污水处理实际回用率仅为5.23%。2010年水利部统计表明，我国城市污水处理回用率在当年达到了8.5%。近10年，我国的再生水回用得到了快速发展，主要表现为再生水利用总量成倍增长。2009年到2016年，再生水处理量由21.5亿m3增加到59.2亿m3，增长近3倍。随着对再生水设施的投资逐年增加，2009到2015年，全国城市再生水设施投资接近400亿元，其中，北京市完成投资244.9亿元，占总额的62.2%〔6〕。目前，北京、天津、太原、石家庄、西安等北方缺水严重的城市先后建立了一系列污水处理回用工程。此外，在全国污水处理回用率近年来得到大幅度提高的基础上，《水污染防治行动计划》明确提出了2020年污水处理回用比例达到20%以上、京津冀区域达30%以上的要求。
本研究将重点介绍城镇污水再生利用的基本技术单元，简述其工艺特点、目标去除污染物和部分工程实例，介绍城镇再生水的五大回用途径和水质指标要求，分析探讨再生水处理成本问题，最后对未来再生水处理发展方向进行展望，以期为我国污水再生回用的发展和应用提供参考。
2 污水再生利用技术
城镇污水再生利用技术是在生物处理的基础上对二级出水进一步处理，以达到再生利用目的，主要包括深度处理技术和消毒技术两个重要组成部分。深度处理技术包括混凝沉淀、介质过滤、膜处理和氧化；消毒技术分为氯消毒和紫外消毒。
2.1 深度处理技术
深度处理的目的是进一步去除生物处理过程中未能完全去除的有机污染物、SS、色度、嗅味和矿物质等。
2.1.1 混凝沉淀技术
混凝沉淀技术通过外加混凝药剂改变胶体颗粒的表面特性，使分散的胶体颗粒聚集形成大颗粒沉淀完成对污水的处理，可以快速有效去除水中的悬浮物、胶体、部分有机物以及藻类等杂质。选取高效的混凝剂是混凝沉淀技术的关键。无机混凝剂中，铝盐和铁盐是最常用的混凝剂。作为铝盐混凝剂的代表，聚氯化铝（PAC）的适用范围广，可处理各种浊度的原水，是一种广泛使用的无机高分子混凝剂。聚合硫酸铁（PFS）和聚硅硫酸铁（PFSS）等聚铁类混凝剂在净水过程中生成的絮体强度高、沉降快，对某些重金属离子、COD、色度和恶臭等指标去除效果良好，在水处理应用中也具有较好的应用前景。
2.1.2 介质过滤技术
介质过滤技术包括砂滤、滤布滤池、生物滤池等。砂滤是滤料过滤截留悬浮物、胶体物质的方法，一般以石英砂、锰砂和无烟煤等无机介质作为滤料。砂滤与其他技术联用是城镇污水二级处理/强化常见的深度处理方式。某城市污水处理厂二级出水进行砂滤处理的结果显示〔14〕，TP、TN、SS的去除效果良好，去除率分别为46.8%~87.7%、44%~93%、50%~100%。
滤布滤池和生物滤池等基于过滤技术原理的新技术工艺形式不断涌现。滤布滤池将过滤截留和沉淀两大功能集中于同一滤池内，同步完成来水处理。该技术采用带有孔洞的滤布过滤去除总悬浮固体。南方某城市污水处理厂二级出水采用滤布滤池过滤技术后〔15〕，总磷去除率高达80%，SS去除率为35%~100%。
生物滤池通常由池体、滤料、布水装置和排水系统四部分组成。该技术通过滤料及表面附着的生物膜去除COD、含氮污染物和悬浮物，主要有曝气生物滤池和反硝化滤池两类。曝气生物滤池和反硝化生物滤池均对来水COD和BOD5有良好的去除效果。曝气生物滤池还能同时去除氨氮，而反硝化滤池则具有良好的去除硝态氮的能力。外加甲醇作为反硝化生物滤池碳源的研究表明〔16〕，甲醇投加量最优时，生物滤池出水总氮去除率 > 88%，可同时实现TP的部分去除。
2.1.3 膜处理技术
膜处理技术的基本原理是在分子水平实现不同粒径的混合物通过膜进行选择性分离，因此，膜处理技术又称为膜分离技术。应用较广的膜有微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。膜处理的基本功能分为两类：一类是基于微滤和超滤技术实现固液分离；另一类是基于反渗透技术实现脱盐和去除溶解性污染物。
微滤、超滤或纳滤技术主要利用膜的小孔径去除水中的SS和胶体颗粒，同时脱除水中部分细菌，适用于城镇污水二级处理/强化处理出水的深度处理。膜处理技术具有对SS和胶体颗粒的去除率高、占地面积小和自动化水平高等优点。天津某污水厂在不增加占地面积的情况下进行提标改造，新建了浸没式超滤膜单元〔17〕。结果表明，与改造前相比，改造后出水浊度去除率提高60%以上，BOD5、TN去除率都得到了提高，运行2 a出水水质稳定，完全满足相应标准。
2.1.4 氧化技术
氧化技术是利用强氧化剂（臭氧、过氧化氢或复合氧化剂）对水中色度、嗅味和生物难降解有毒有害有机物等进一步去除的技术。
臭氧是一种强氧化剂，其氧化能力在常见的氧化剂中最强。利用臭氧对北京市高碑店污水处理厂二沉池出水进行深度处理的研究表明〔20〕，在最佳臭氧投加条件下，色度的去除率能提高70%左右，出水可生化性提高到二沉池出水的1.5倍以上。臭氧氧化具有选择性，往往在处理化学结构十分稳定的难降解有机污染物时效果不理想，还可能生成毒性更大的中间产物，因此，需要使用复合氧化技术对二级处理来水进行深度处理。Fenton氧化是一种由过氧化氢和亚铁离子反应生成羟基自由基的复合氧化技术。羟基自由基的氧化能力比臭氧更强，而且没有选择性，可以彻底氧化难降解有机污染物。华北地区某城镇污水处理厂二级生化出水经过Fenton氧化工艺处理后〔21〕，在最优实验条件下，污水COD、色度和TP去除率可分别达到97.5%、96.7%和99.2%。
2.2 消毒技术
消毒过程是再生水回用的必备单元，其目的在于灭活水中的病原微生物。消毒技术可分为化学消毒和物理消毒两类。化学消毒中加氯消毒技术在各行各业中应用得最为普遍，紫外消毒技术则是最常用的物理消毒技术。
2.2.1 氯消毒
氯消毒是利用含氯消毒剂灭活致病细菌和病毒的技术，常用的含氯消毒剂有液氯、次氯酸钠、次氯酸钙或二氧化氯等。再生水厂常使用液氯消毒，其原理是液氯溶于水生成的次氯酸可以起到杀菌作用。目前最安全的氯系消毒剂是二氧化氯，由于其具有广谱的微生物灭活效果，且不产生致畸、致癌、致突变的消毒副产物，因此，在再生水杀菌过程中逐渐得到重视。
二氧化氯和液氯这2种氯系消毒剂对某城市污水再生水的消毒效果〔22〕比较结果表明，2种消毒剂在各自最优投加条件下，各项水质指标均满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T 18920—2002）的要求，但采用二氧化氯对城市污水再生水进行消毒，生成的氯代消毒副产物明显少于液氯消毒。
2.2.2 紫外消毒技术
紫外线消毒是利用低压或中压紫外线灯发出的光子能量来灭活水中各类病毒、细菌及其他病原体的DNA结构。
紫外线对城市污水再生水消毒的中试〔23〕结果表明，在合适的试验条件下，消毒后再生水的总大肠菌群指标能够满足《城市污水杂用水标准》（GB/T 18920—2002）要求，延长紫外线照射时间，总大肠菌群的光复活和暗复活能力都丧失。
2.3 污水再生利用处理技术对比与展望
表1 污水再生利用主要单元技术尧去除指标尧优缺点情况
| 单元技术 | 主要去除指标 | 缺点 | 优点 | |
| 深度处理 | 混凝沉淀 | SS、TP、COD、 胶体颗粒、色度 | 处理效果与混凝剂相关性较大；铝盐混凝剂的混凝体沉降速度慢，对含油废水和某些高悬浮物高浓度有机废水处理的能力有限 | 经济、简便、适用范围广； 去除浊度和色度效果较好 |
| 砂滤 | TP、SS | 占地面积和水头损失较大 | 简单、经济、实用，运行稳定可靠； 具有一定的除磷效果 | |
| 滤布滤池 | TP、SS | 滤布易发生污染和堵塞 | 节省能耗，一般是常规反冲滤池 能耗的1/3；过滤水头小、占地面积小、维护使用简便 | |
| 生物过滤 | COD、TN、NH3-N | 对碳源投加控制要求高，供应不足时会产生 亚硝酸盐积累；可能出现生物堵塞滤床问题 | 占地面积小，可同步除氮和有机物 | |
| 微滤/超滤 | COD、SS、 胶体颗粒 | 成本较高，膜组件需要清洗更换 | 高效去除SS和胶体颗粒，占地面积小，出水水质好，自动化程度高 | |
| 反渗透 | COD、盐类 | 对进水水质要求高，能耗较高；产生大量高无机盐和有机质的浓水； 反渗透膜易污染，需定期清洗更换 | 出水水质好，有机质和无机盐含量 远低于其他膜处理技术 | |
| 臭氧 | COD、色度、嗅味 | 强氧化性，接触设施需耐氧化；有毒，须防泄漏 | 有效去除色度、嗅味和部分有毒有害有机物以及病原微生物； 现场制备，操作简便 | |
| 臭氧-过氧化氢 | COD、色度、嗅味 | 高温下易分解，储存管理难度较大 | 比臭氧具有更强的氧化能力； 不受浊度影响，反应时间短 | |
| 紫外-过氧化氢 | COD、色度、嗅味 | 紫外灯管表面的积垢易降低紫外线消毒效率；紫外灯管寿命有限，会产生含重金属的废弃灯管 | 比臭氧具有更强的氧化能力； 具有一定的除色除嗅效果 | |
| 消毒技术 | 氯消毒 | 细菌、病毒 | 易产生卤代消毒副产物； 对病原性原虫灭活效果差 | 持续杀菌、技术成熟，成本低， 剂量控制灵活可变 |
| 二氧化氯 | 细菌、病毒 | 需现场制备，产生亚氯酸盐等消毒副产物 | 一定的持续杀菌作用 | |
| 紫外线 | 细菌、病毒、原虫 | 需现场制备，浊度对消毒效果的影响较大，无持续消毒效果 | 消毒接触时间短，基本上不产生消毒副产物；有效灭活细菌、病毒和原虫 | |
| 臭氧 | 细菌、病毒、原虫 | 需现场制备，无持续消毒效果 | 同时具有去除色度、嗅味和部分有毒有害有机物的作用； 有效灭活细菌、病毒和原虫 | |
3 再生水用途
表2 城镇污水五类再生水回用量和回用比例情况
| 年份 | 农林牧渔业用水 | 城市杂用水 | 工业用水 | 环境用水 | 补充水源水 | 合计 | |||||||||||
| 再生水回用量/亿m3 | 回用比例/% | 再生水回用量/亿m3 | 回用比例/% | 再生水回用量/亿m3 | 回用比例/% | 再生水回用量/亿m3 | 回用比例/% | 再生水回用量/亿m3 | 回用比例/% | 再生水回用量/亿m3 | 回用比例/% | ||||||
| 2013 | 7.2 | 15.0 | 2.1 | 4.3 | 13.9 | 29.1 | 24.6 | 51.0 | 0.3 | 0.6 | 48.2 | 100 | |||||
| 2016 | 2.5 | 4.7 | 3.2 | 5.9 | 15.0 | 27.8 | 32.9 | 60.9 | 0.4 | 0.7 | 54.0 | 100 | |||||
由表 2可知，2013年到2016年，全国城镇污水处理回用总量从48.2亿m3增长到54.0亿m3，再生水回用总量保持平稳的增长趋势。从各大类再生水回用规模来看，环境用水贡献了再生水回用总量的半数以上；工业供水维持了近三成的使用比例；城市杂用水保持5%左右的回用比例；补充水源水则需进一步发展；传统用水大户的农业用水在再生水利用程度上显得并不突出，2013年—2016年，农林牧业再生水的回用比例还出现较明显的下降。
3.1 农林牧渔业用水
农林牧渔业用水是我国城镇污水再生回用的重要组成部分。目前，农林牧渔业只有农田灌溉水拥有专门的城市污水再生回用水质标准，农田灌溉用再生水水质标准须满足《城市污水再生利用 农田灌溉用水水质》（GB/T 20922—2007）要求。与其他水源相比，处理后的城镇再生水仍然含有一定量的污染物质，如不加处理就进行农田灌溉可能会导致土壤、作物、地表与地下水污染，甚至对人体健康产生影响。并且农田灌溉用水水质根据农作物直接食用、间接食用或非食用情况的不同，具体指标要求也有所不同〔29〕。据统计〔30〕，2015年，全国再生水农田灌溉量比例仅占当年再生水总量的3.0%。再生水农田灌溉量最多的区域为华北区和长江区，分别占农田灌溉用再生水总量的47.3%和22.3%。
3.2 城市杂用水
城市杂用水是用于冲厕、道路清扫、消防、城市绿化、车辆冲洗和建筑施工等领域用水的总称。城市污水再生回用作城市杂用水应符合《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920—2002）要求。用于城市杂用水的再生水占再生水总量的比例有限，但一直保持稳健的发展趋势。绿地灌溉用再生水在城市杂用水中占比相对较大，其水质指标须满足《城市污水再生利用 绿地灌溉水质》（GB/T 25499—2010）的要求。绿地灌溉用水依据与公众接触程度不同分为非限制性绿地用水和限制性绿地用水两类。自20世纪90年代以来，部分城市和用户将反渗透处理后的偏酸性、低含盐量再生水用于北方盐碱化绿地的土质改良，取得了良好的实践效果〔31〕。
3.3 工业用水
城镇再生水回用作工业用水有巨大的潜力。城镇再生水在工业领域可回用作冷却水、锅炉补水、工艺与产品用水和洗涤用水等，应满足《城市污水再生利用 工业用水水质》（GB/T 19923—2005）要求。该类再生水水质指标应重点关注TDS、总硬度、氨氮、氯离子、SS和色度等。不同生产工艺有不同的水质需求，不同行业间指标要求的差异也较大，但是处理工艺基本一致，即需要对二级处理的出水进行混凝、高级氧化、膜分离、消毒等一系列深度处理。用作锅炉补给水的再生水水质要求与锅炉蒸汽压力正相关，而用作循环冷却水的再生水则应考虑控制盐度和硬度。由于大量钙离子、镁离子、硫酸根离子、氯离子等无机离子仍存在于处理后的城市污水中，因此，为得到符合生产要求的再生水，不同需求的用户须对再生水进行二次脱盐和软化处理。再生水作为冷却水补水时，不仅对进水水质有一定的要求，而且还需要在系统运行过程中进行缓蚀、阻垢和灭菌处理，通过使用缓蚀阻垢剂可以提高系统的浓缩倍数，达到节水的目的。以再生水为工艺水源的系统对缓蚀阻垢剂也有着较大的需求。随着环保意识的不断提高和环保法规的进一步严格，无磷缓蚀阻垢剂，特别是具有优良阻垢缓蚀性能同时又可被生物降解的水处理化学品成为国内外工业水处理缓蚀阻垢药剂的主流产品。据报道〔32〕，绿色环保的聚天冬氨酸具有良好的缓蚀阻垢性能，对钙离子和其他多价金属离子如镁、铜、铁都有螯合能力，因此，被广泛用于循环冷却水处理和油田回收水处理等领域，是工业水处理领域备受关注的一种缓蚀阻垢药剂。
3.4 环境用水
目前，补充环境用水是我国城镇污水再生水的重要用途。将再生处理后的城镇污水回用作为公园景观环境用水在我国北方部分城市得到了广泛推广。2019年修订的水质标准《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2019）中将该类水分为观赏性景观环境用水、娱乐性景观环境补水以及增补的景观湿地环境用水三类。再生水回用于观赏性景观环境用水最突出的问题是富营养化带来的水华现象以及卫生及美学问题。由于再生水中存在的氮、磷等营养元素会为藻类夏季爆发提供一定条件，因此，控制水华需要重点关注氮、磷营养盐的浓度。此外，还需要关注色度、嗅味等指标。景观水体不仅要做到在视觉上清澈舒适、水体无异味，还要严格考虑是否会影响到接触人群的健康，比如大肠杆菌类污染物和病原体可能会对人体健康造成危害，而余氯含量对于控制病原微生物的再生繁殖非常重要，因此，余氯和大肠菌群被纳入再生水水质安全控制指标〔33〕。
3.5 补充水源水
目前，补充水源水所占再生城镇污水总量的比例较小。补充水源水可细分为补充地表水和补充地下水，在实际过程中，对补充地表水的水质要求和环境景观用水较为类似。城镇再生水用于补充地下水是通过回灌、井灌等方式从地面渗入或注入以补给地下水，水质须满足《城市污水再生利用 地下水回灌水质》（GB/T 19772—2005）的要求。地下水回灌的再生水水质标准对地表回灌和井灌的水质指标做了明显区分。回灌的再生水可充分利用土壤-含水层的净化能力来改善水质，对指标要求不高，但井灌再生水是直接进入含水层，因而对水质的要求较高。2007年，北京市某污水厂生产的再生水不仅实现了为建成的潮白河水面景观供水，同时还达到了增补地下水源的目的。
表3 不同回用领域建议采用的污水再生工艺
| 建议采用工艺 | 回用领域 | 满足水质标准 |
| 二级生物处理-臭氧-消毒 | 工业利用、绿地灌溉利用 | 《城市污水再生利用 工业用水水质》（GB/T 19923—2005）、 《城市污水再生利用 绿地灌溉水质》（GB/T 25499—2010） |
| 二级生物处理-混凝-超滤/微滤-反渗透-消毒 | 工业利用、地下水回灌 | 《城市污水再生利用 工业用水水质》（GB/T 19923—2005）、 《城市污水再生利用 地下水回灌水质》（GB/T 19772—2005） |
| 二级生物处理-混凝 沉淀-介质过滤-消毒 | 工业利用、地下水回灌、绿地灌溉利用 | 《城市污水再生利用 工业用水水质》（GB/T 19923—2005）、 《城市污水再生利用 绿地灌溉水质》（GB/T 25499—2010）、 《城市污水再生利用 地下水回灌水质》（GB/T 19772—2005） |
| 二级生物处理-混凝沉淀-介质过滤-臭氧-消毒 | 工业利用、农田灌溉利用、城市杂用、地下水回灌、景观环境利用、绿地灌溉利用 | 《城市污水再生利用 工业用水水质》（GB/T 19923—2005）、 《城市污水再生利用 农田灌溉用水水质》（GB/T 20922—2007）、 《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/ 18920—2002）、 《城市污水再生利用 地下水回灌水质》（GB/T 19772—2005）、 《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2019）、 《城市污水再生利用 绿地灌溉水质》（GB/T 25499—2010） |
| 二级生物处理-混凝-超滤/微滤-臭氧-消毒 | 工业利用、农田灌溉利用、城市杂用、地下水回灌、景观环境利用、绿地灌溉利用 | 《城市污水再生利用 工业用水水质》（GB/T 19923—2005）、 《城市污水再生利用 农田灌溉用水水质》（GB/T 20922—2007）、 《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920—2002）、 《城市污水再生利用 地下水回灌水质》（GB/T 19772—2005）、 《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2019）、 《城市污水再生利用 绿地灌溉水质》（GB/T 25499—2010） |
由表 3可知，二级生物处理的城镇污水经过不同深度处理，如介质过滤、膜处理、氧化处理和消毒处理后，可满足不同领域的再生水水质指标。针对工业应用领域，再生水工艺在采用常规二级生化处理加消毒处理外，还应根据具体用途选择采用脱盐和软化技术；绿地灌溉应采用专门针对病原微生物的去除技术，如臭氧和消毒处理；地下水回灌应根据是否井灌，合理选择膜处理和消毒技术；景观环境用水则必须考虑水体富营养化和公众接触情况，合理采用针对氮磷深度脱除〔34〕和安全消毒的保障工艺；农田灌溉，尤其是用于灌溉直接食用作物的再生水，务必选择能够控制重金属含量和灭活病原体的工艺〔35〕；城市杂用水用途多样，为确保嗅味去除和微生物灭活，城镇污水须严格进行二级生化处理、深度处理和消毒处理，并建议采用带臭氧氧化和氯消毒的再生水处理工艺。
4 再生水利用成本分析
城镇污水再生利用总成本主要包括投资成本和运行成本。水源水质、处理工艺和处理规模是影响城镇污水再生利用工程投资成本的三个主要因素。由于不同水源水质需要不同的再生水处理工艺，因此，投资指标差异很大。水质越差对处理工艺的要求越高，投资成本自然越高，反之投资成本低。再生水日处理规模越大，单位水量处理所需投资费用越小，反之投资费用增加。运行成本又可细分为动力费、人工费、药剂费和维修费等。与影响投资成本的因素基本一致，水质、处理水量和选用工艺同样影响再生水工程的运行成本。水质越好、水量越大，运行成本越低。再生水厂运行成本中，电耗和折旧是不可避免的因素。统计显示，再生水厂电费占总运行成本的比例接近三分之一，工程折旧费占总运行成本的四成。因此，选择节能工艺、耐腐蚀使用寿命长的材料对于降低再生水工程日常运行费用十分重要。根据我国城镇污水再生水实践〔36〕，部分常见的再生水深度处理工艺投资和运营成本见表 4。
表4 再生水深度处理工艺投资和运营成本
| 处理工艺 | 投资/（元·m-3） | 运行成本/（元·m-3） |
| 混凝/沉淀/过滤/消毒 | 800~1 000 | 0.5~0.8 |
| 连续式微絮凝/消毒 | 2 000~3 000 | 1.0~2.0 |
| 连续式微滤/反渗透/消毒 | 2 700~3 700 | 2.7~3.2 |
| 膜处理工艺/消毒 | 1 600~2 500 | 1.0~1.3 |
| 膜生物反应器（MBR）/消毒 | 3 000~4 000 | 1.7~2.3 |
由表 4可知，混凝/沉淀/过滤/消毒工艺在单位投资和运行成本方面是5种工艺中最低的，随着环保标准的不断提高，该类工艺已不能完全适用于不同用途的再生水处理。膜处理工艺投资费用、运行费用相对适中，其出水水质好且稳定，可满足农林牧渔业用水、城市杂用水、工业用水、环境用水和补充水源水等多种用途要求，而且相对占地面积较小，适合于一些对场地面积要求较高的综合型城镇污水再生工程。
5 总结
因具备易于收集、处理和数量庞大等特点，城镇污水可处理回用作为城镇的第二水源。对污水进行处理和回用不仅有利于缓解水资源短缺问题，而且有利于减少废水外排，社会、经济和环境效益突出。
当前，再生水回用仍存在一些问题，如农田灌溉的安全性、工业冷却水的结垢、景观水富营养化等。另外，再生处理的成本同样值得关注，平衡净水能力和经济成本间的关系往往是再生水工程中要考虑的关键因素。
城镇污水再生利用技术决定了再生水使用的安全性。随着人们健康、卫生意识的逐渐加强以及再生水利用标准的逐步提高，未来应着重考虑以下3个方面：
（1）完善改良现有再生水处理技术，进一步降低技术成本，以利于成本较高但去污性能良好技术的推广应用，如目前受到部分企业青睐的膜处理技术。
（2）组合运用再生水处理技术，集中发挥单项技术的特点。现有再生水工程提标改造时，可在保留原有工艺技术的基础上，通过组合增加特定功能的单项技术满足预定排放标准。
（3）研发新型再生水处理技术和材料。近年来，以太阳能技术、电化学技术以及新型吸附材料等为代表的新型水处理技术和材料已经在废污水处理中展现出良好的处理效果和应用潜力。未来研发此类新型水处理技术和材料对于提高城市污水再生率、降低再生水处理成本同样具有十分重要的意义。
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