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日本水资源回用与循环利用:历史、现状与展望

发布日期:2020-08-31 来源: Water Cycle
  1.文章亮点
  回顾了日本自20世纪50年代末以来的水回用发展历程
  介绍了日本再生水的主要利用途径及其限制性因素
  以革新科技核心项目(CREST)为例展望了再生水生产工艺的未来发展
  2. 研究内容简介
  污水再生利用已成为世界各国缓解水资源短缺、改善水环境质量的有效途径。日本人均淡水资源量(约3300m3/年)短缺,不到世界平均水平(约7800m3/年)的一半,经济可持续发展面临巨大挑战,在人口集中的城市和地区尤其突出。自上世纪50~70年代经济快速增长时期,日本主要城市逐步开展了污水再生利用。
  在初期阶段,日本再生水用途以冲厕和景观利用等为主。例如,东京在部分街区或个别建筑物内将再生水用于景观灌溉和厕所冲洗(图1)。
  图1  东京新宿西区的污水再生利用系统-来自原文
  在第二阶段,日本污水再生利用的主要目的是改善水环境质量。20世纪80年代,城市化导致市区河流水量急剧减少,再生水成为日本城市河道的重要补给。东京是日本第一个使用再生水补充干流和恢复河流水环境的城市。
  在第三阶段,日本再生水用途拓展至工业生产和农业灌溉。此外,日本面临频繁的地震等自然灾害,限制供水的情况屡屡发生。污水再生利用系统是此类紧急情况的重要解决方案。
  目前,日本污水再生利用的范围仍然十分有限。在污水再生设施方面,日本仅有176个污水处理厂设有污水再生处理设施,比例为8%。在再生水用途方面,再生水多用于河道补给,占再生水重量比例35%(图2)。
  图2 日本再生水回用用途分布-来自原文
  日本再生水利用主要面临两点限值因素。一是缺乏严格、全面的再生水质量标准。尽管日本在2005年就制定了再生水水质标准,然而该标准并未包含化学品和病毒等指示指标,再生水的水质安全无法得到保障。二是污水再生处理设施能耗高。与传统饮用水处理相比,再生水的生产成本还较高。因此,有必要根据再生水用途,提出并开发合适的水回收处理工艺。
  2010年至2015年间,日本开展了革新科技核心项目(CREST),旨在发展膜技术与臭氧氧化技术相结合的高效节能再生水深度处理工艺。CREST评价了混凝+UF、UF+UV、UV+纳滤(NF)、UV+反渗透(RO)和陶瓷MF+臭氧氧化等工艺(图3)对污染物和病毒的去除性能、产水的水质风险及工艺能耗。CREST研发了超滤+紫外线(UF+UV)再生水生产工艺,并建立了再生水农业回用的示范工程。与California Title 22污水再生利用标准相比,该工艺去除可在中试规模上以较低的成本和能耗实现>5.2log的病毒去除。CREST项目中使用的风险评估和能耗评估方法为ISO 20426:2018(即再生水非饮用回用的健康风险评估和管理指南)和ISO 20468标准的制定提供了重要参考依据。
  图3 Title 22污水再生利用标准中的示范工艺(a)和CREST项目中选择的工艺(b)示意图-来自原文
  日本学术机构和企业的研究团队一直致力于开发高效低耗的污水再生利用技术,其中一些技术仍处于实验室开发阶段。除了成本和能耗问题外,抗生素抗性菌(ARB)和抗生素抗性基因(ARG)也是未来污水再生利用中面临的重要挑战。
  3. 重要结论
  日本长期致力于非饮用回用再生水技术工艺开发和利用实践,主要用于厕所冲洗、城市河道补充和景观灌溉。但是,由于再生水质量标准不完善,再生水设施能耗高,日本的再生水利用仍然有限。因此,2010年至2015年间,日本实施了革新科技核心项目(CREST),旨在开发膜技术和臭氧氧化技术相结合的高效再生水生产工艺。通过对工艺性能和经济可行性的综合评估,发现UF+UV工艺能够以较低的成本去除病毒,从而实现再生水农业利用,相应的研究成果为ISO 20426:2018和ISO 20468等标准的制定提供了重要参考依据。
  5. 论文第一/通讯作者简介
  Haruka Takeuchi助理教授:日本京都大学 环境质量管理研究中心 
  6. 资助信息
  本文介绍的水资源再利用项目得到了日本科学技术厅(JST)的革新科技核心项目(CREST)“可持续用水研究创新技术和系统”资助,以及日本国土与基础设施管理研究所(NILIM)的动态方法突破污水高科技(B-DASH)项目的资助。
  7. 原文信息
  8.原文链接
  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666445320300027#!