污水再生处理与供水模式可以分为集中再生、集中供水的集中模式和分散处理、就地回用的分散模式。集中模式的优点是具有规模效应, 再生水处理设施的建设和运行成本较低、水质稳定, 但存在管网建设费用高、输送距离长、难以实现分质使用和优水优用、劣水低用等不足。分散模式不需要建设大规模的管道以及长距离输送, 同时用途比较单一, 易根据水质要求进行适度再生。但是分散模式规模小, 在工程建设和运行方面不具有规模效应, 存在管理难度大、运行不宜稳定等问题。集中和分散两种模式各有利弊, 但并不是非此即彼的关系, 科学合理的方案应当是集中与分散相结合, 两者互为补充。

　　 目前国际上特别是在城市和人口密集的地区, 主要采用集中模式。当集中收集系统难以实施或者有特定需求的情况下才会选择分散模式。分散模式通常在城乡结合部、农村和偏远区域使用。然而, 分散模式面临的挑战是分散设施的可靠性, 包括运行维护可靠性差、缺少替代系统、水质和水量变化大等问题。国际上再生水系统发展比较成熟的国家有美国、日本、欧洲部分国家、以色列、新加坡等。其中以色列和新加坡因为地理等特殊条件, 其经验难以借鉴。美国、欧洲等国家主要致力于城市污水处理厂出水经深度处理后回用于工业、农业等, 多发展城市集中式系统, 而分散式建筑中水和小区中水则相对较少^[1]。日本则根据本国情况, 在发展集中模式的同时也大力发展了建筑物中水系统, 回用作为大型建筑杂用水, 是国际上相对来说分散模式应用比较好的国家^[1,2]。本文对美国和日本的再生水集中和分散处理模式的历史进程进行了简要分析。同时, 针对我国重点是北京市分散模式的现状进行了调研和总结。

　　 美国真正意义上的污水处理厂始建于19世纪80年代中期, 由地方政府负责建设经营;在20世纪初期, 地方政府采取与私营公司签订长期合同的方式共同经营^[3]。于1958年开始研究三级处理, 当时己拥有10万m³/d以上处理能力的三级处理厂数座。到20世纪70年代, 由于美国很多早期建成的污水处理厂和基础设施已经不能满足当时的需要而必须进行改建和扩建, 联邦政府投入大量资金用于建设污水处理厂, 那段时期是新厂建设和旧厂改、扩建的高峰期^[4]。到了1984年, 美国己拥有不同规模的城市污水处理厂2 300多座, 其中一级处理厂约占14%;二级处理厂约占81%;三级处理厂约占5%^[5]。1987年, 美国开始实施《清洁水法》, 该法律授权联邦政府为各州设立一个滚动基金来资助它们实施污水处理以及相关的环保项目, 从那时起集中式污水处理便成为当时的主旋律。1972~1990年, 联邦政府将超过620亿美元的污水处理投资用于集中式污水处理设施的建设和升级改造。而到2010年, 美国约有16 583座污水处理厂。2000年, 美国环保署 (EPA) 对其投资所建的一批污水处理厂进行过调查, 发现有50%的污水处理厂出水水质达不到标准, 这主要是由于设计和操作两个因素造成的^[6]。在调查的60个影响污水处理厂处理效果的因素中, 前10个因素有4个是属于污水处理厂操作人员的问题, 有6个因素与设计有关, 其他50个因素与管理、经济成本、空间限制以及设备运转情况有关。

　　 自1920年亚利桑那州修建了第一个分质供水系统, 用于浇灌绿地、冲厕、洗车、冷却水和建筑以来, 美国的城市污水再生利用已经从试验研究阶段进入生产应用阶段。美国再生水利用的范围涉及农业、工业、地下水回灌和娱乐等方面, 其比例大致为:62%用于各种灌溉和景观, 31.5%用于工业, 5%用于地下回灌, 1.5%用于娱乐和渔业等^[7]。美国再生水利用的突出特点是集中处理回用, 很少直接用于城市生活杂用。再生水利用工程主要分布于水资源短缺、地下水严重超采的西南部和中南部的加利福尼亚、亚利桑那、德克萨斯和佛罗里达等州。2008年, 美国加州Orange County污水处理厂开始投入使用, 每天可将3.18亿L污水转化为饮用水, 净化后的水将注入Orange County地下水盆地, 降低当地地下水含盐量, 补充饮用水资源。2009年, 加利福尼亚州再生水使用量是8.94亿m³, 约为1970年再生水使用量的4倍, 并且预计到2020年达到25亿m³, 占规划新增水源的40%左右。

　　 美国的分散式污水处理源于19世纪中叶使用的就地污水处理系统 (OWTSs) , 当时在美国将近有1 800万套住宅 (约占住宅总数的25%) 。20世纪70年代开始, 对不同类型的分散式处理系统进行了试验, 80年代在数百个小型社区同时建设集中和分散式处理设施。从90年代起, 由于集中式污水处理对分散在城市区域外围的住宅来说成本太高, 联邦政府开始寻找可替代集中式污水处理系统的方法, 鼓励各州、地方政府根据具体的土壤、地质条件尝试使用各种类型的分散式处理系统。到1990年, 约有2 500万个家庭使用就地处理系统^[8]。2008年, 在美国估计在全部1.15亿套住宅中, 接近23%的住户使用了就地处理系统。不同地区就地处理系统普及率不尽相同, 例如在佛蒙特州达55%, 而在加利福尼亚州则只有10%^[9]。据估计美国国土面积中仅有32%的土壤适合作为就地处理系统的过滤系统, 因此有许多就地处理系统实际建在了不适合土壤吸收的地区, 而失效的就地处理系统往往成为许多流域或地下水源中污染物的主要来源, 如在切萨皮克海湾项目中发现, 进入就地处理系统中的氮有55%~85%都渗入地下水^[10]。一份全国范围内的调查报告显示, 仅1993年的系统失效案例就高达90 632个。美国普查局1997年的调查显示, 在3个月的调查期内估计有403 000个住宅化粪池曾有过失效的记录, 其中31 000个发生过4次或以上的失效记录^[10]。就地污水处理系统失效的主要原因被归结为:不适宜的选址、不合适的设计、不恰当的安装、不规范的操作/维护, 而且缺乏强有力的法规支持。

　　 为了能更好地解决目前分散式污水处理中遇到的问题和挑战, 并作出长远规划, USEPA委托美国水环境研究基金会于2007年举办了美国“分散式污水处理与利用需求”中长期发展战略规划研讨会。研讨会的主要目的是为美国今后在分散式污水处理与利用需求方面制定中长期 (目标至2025年) 研发计划, 并就所需国家研发经费投入与去向等议题规划并圈定研发范围。美国污水经分散式污水处理系统处理之后, 一般就地利用, 改善周围的水环境, 或用于景观用水。2008年美国东北大学Novotny教授^[11]提出的有关城市分散式水系统的新概念正受到许多城市规划者与决策者的关注, 这一概念强调以完整的城市水系统、景观、基础设施和给水处理、污水处理与回用及水量分配一体化, 具有典型的分散式特征。分散式污水处理与再利用这一议题成为了目前国内外的研究热点, 美国居民分散式处理之后, 再利用的途径较少, 但针对于酒店等处理量较大的分散式系统, 污水再利用的情况我们了解的较少。

　　 日本为海洋环绕的岛国, 雨量充沛, 水资源相对丰富, 人均水资源拥有量为3 300 m³。20世纪50年代中期起, 随着日本经济进入高速发展期, 生活用水和工业用水需求量日益增加, 造成日本部分地区特别是一些大中城市频发严重的缺水、断水现象, 迫使日本各地大力修建水库和人工引水渠, 开展大规模的水资源开发, 但由此也引发公众对生态破坏的担忧, 新建水库选址变得越来越难。60年代起, 日本国内开始出现污水再生利用^[12]。80年代起, 日本政府开始在水资源短缺地区推广再生水利用, 同时在当时的通产省下设专门从事污水再生利用技术开发和推广的机构“财团法人造水促进中心”。1994年, 日本列岛降雨量少, 引发干旱, 九州北部到关东地区出现严重的缺水现象。以此为契机, 再生水利用再次得到重视, 以一些缺水城市 (东京、横滨、福冈、北九州等) 为中心, 先后开展了污水再生利用工作, 再生水利用设施数量也随之增加。

　　 2009年, 日本公布的《下水道白皮书》中强调了再生水利用在日本的重要性, 对再生水的利用寄予了很高的期望。日本再生水的用途主要包括缺水城市中的河流生态补水、喷泉等景观用水、寒冷地区的融雪用水、写字楼或酒店等的冲厕用水、道路或公园绿地等的洒水用水、工业用水或农业灌溉用水等^[13]。从地区来看, 关东临海地区北九州地区的再生水利用设施 (公共设施和办公楼等) 数量占到全国的约60%, 例如, 关东地区的东京都、横滨市和九州地区的福冈市等城市。

　　 日本国内再生水利用的模式, 根据规模可分为单独循环利用、区域循环利用和广域循环利用3种。在2002年日本国土交通省《日本水资源白皮书》以及2003年8月东京都发布《水资源有效利用促进纲要》中作了详细规定。所谓单独循环利用模式, 是指在一定规模及以上的建筑物内, 利用自有处理设备, 将建筑物内收集的污水处理后生成再生水, 将其作为建筑内部冲厕等杂用水进行利用的模式。区域循环利用模式是指在一定的区划范围内, 将该区划内的建筑物产生的污水集中处理后作为杂用水进行利用的方式。广域循环利用模式 (即集中式) 是指将在污水处理厂经深度处理后的再生水, 通过专用管道输送到管网可及范围内的建筑等设施, 作为杂用水进行利用的方式。

　　 以东京都为例, 1984年就在新宿副都心地区开展了再生水关于循环利用模式示范。2003年东京都颁布的《水资源有效利用促进要纲》中规定, 建筑面积10 000m²以上的建筑物, 以及开发规模3 000m²以上的开发项目, 必须采用广域循环模式或单独循环模式开展再生水的有效利用。

　　 近年来, 为推进循环型城市建设, 构建健康城市水循环系统, 东京都大力开展再生水的广域循环利用, 如表1所示。东京都现有20座污水处理厂, 总处理污水量约540万m³/d, 其中包括3座再生水厂, 日产再生水50万m³, 通过专用管道输送到指定地区, 其用途主要是楼宇等的冲厕用水、道路洒水、城市河道用水补充等^[14]。

　　 截至2010年底, 日本全国雨水、再生水利用公共设施和楼宇等数量共3 654座。雨水、再生水利用总量约为2.6亿m³ (含雨水) , 占全国用水量的0.3%, 其中广域循环利用模式的再生水利用量为1.92亿m³ (涉及污水处理厂288座) , 可见广域循环模式在日本占主导地位。表2列出了日本国土交通省颁布的相关再生水的政策措施。20世纪70年代, 日本政府就发布《关于在政府机构设施开展杂用水利用的通知》, 开始发展在大型楼宇中进行分散式中水回用, 日本是国际上分散模式 (主要以大型楼宇为主) 应用相对较为多且较成熟的国家。

　　 我国水资源分布不均, 北方和西部地区严重缺水, 快速城市化和全球气候变化进一步加剧了水资源危机^[15]。城镇污水再生利用是解决水资源危机的一个有效途径, 包括北京、天津在内的许多城市, 特别是北方缺水城市已经在大力推进城镇污水资源化^[16]。至今为止, 我国已经相继出台了城镇污水再生利用相关技术标准、法规和管理政策等。例如:在再生水模式方面, 住建部 (原建设部) 和科技部2006年发布的《城市污水再生利用技术政策》指出:“城市污水再生利用设施的规划建设应遵循统一规划、分期实施, 集中利用为主、分散利用为辅, 优水优用、分质供水, 注重实效、就近利用的指导原则, 积极稳妥地发展再生水用户、扩大再生水应用范围。”在此基础上, 2012年住建部印发《污水再生利用技术指南 (试行) 》, 专门针对集中模式污水处理再生利用提出技术方案选择依据, 北京、天津等地也针对城镇污水集中模式为主的再生利用颁布了相关地方标准。

　　 在分散模式方面, 我国的住宅小区中水没有列为全国再生水的主要发展方向, 但在一些城市, 如北京, 住宅小区的中水已经通过立法推广。北京市在1987年就颁布了《北京市中水设施建设管理试行办法》, 要求新建项目建筑面积超过2万m²的旅馆、饭店、公寓, 超过3万m²的机关、科研单位、大专院校、大型文化体育设施, 按规划应配套建设中水设施的住宅小区、集中建筑区等需建设中水设施。为进一步促进污水综合利用的实用化进程, 北京市政府2001年2号文件到“关于加强中水设施建设管理的通告”中规定:“建筑面积5万m², 或可回收水量大于150m³/d的居住区必须建设中水设施”。2006年, 全市已有59家住宅小区登记备案中水设施。2002年颁布国家标准《建筑中水设计规范》 (GB50336-2002) , 北京市也于2006年颁布《建筑中水运行管理规范》 (DB11/T 348-2006) 。

　　 北京市是我国开展建筑中水较早的城市, 通过近年来的发展, 住宅小区中水回用在数量和供水规模上已经逐渐成为北京市中水回用工程的重要组成部分之一, 受到各方的关注。然而北京住宅小区中水回用也存在一些问题需要解决。通过北京市节约用水管理中心近年来委托相关单位进行的水质监测报告和设施运行调查报告的结果分析表明:北京市住宅小区的中水设施状况存在一些问题, 如运营单位的积极性不高、中水设施设计产水量与使用量不匹配、自来水补水情况严重、中水的水质时有超标等。以北京市住宅小区的中水设施为研究对象, 对北京市住宅小区中水处理设施的技术结构、处理效果与运行管理模式的进行了资料收集和现场调研。

　　 研究表明, 北京市82.4%的住宅小区中水处理原水采用的是洗浴废水和盥洗废水, 采用生活污水为原水的占14.7%;采用洗浴废水为原水占2.9%;中水主要用于冲厕 (91%) 和绿化 (79%) , 用于洗车和景观用水的各占3%。北京市住宅小区的中水处理主要采用的技术单元为调节池、毛发聚集器、沉淀池、生物接触氧化池、过滤器消毒单元^[17]。

　　 目前北京市住宅小区中水处理的问题主要有以下几个方面:

　　 (1) 前期中水系统建设质量不过关。中水设施的建设方、投资方和运行方不是一家单位, 存在建设和运行间的脱节。投资方为节约成本, 变相鼓励中水设施建设公司低价竞标从而导致设计、施工质量差, 中水系统使用寿命短、故障率高、维修成本高和出水难以稳定达标, 造成运行方承担着巨大的运行风险^[18]。

　　 (2) 中水价格偏低, 影响中水运营方积极性。2014年5月之前, 北京的居民用中水售价统一为1元/m³, 2014年5月, 北京市水务局将中水价格规定为最高不超过3.5元/m³。据调查, 即使小区中水价格执行3.5元/m³的上限, 也是经常在亏损运营。中水的成本高, 需要专门的管理维护人员, 需要电力和增添新设施, 再加上用于净化水质的滤网和消毒剂, 导致负责中水的小区物业管理公司入不敷出。

　　 (3) 设计中普遍存在设计处理量偏离实际产水量的情况。很多小区总面积在5万m²以上, 但由于水源水量不稳定以及节水器具的推广使用, 回用规模较小, 不能满足中水设施的基本要求, 导致建设的中水设施难以运行, 还须添加部分自来水补充才能维持正常运转^[19]。

　　 (4) 缺乏有效的设施运行管理机制, 设施运行管理水平低下;人员素质不高, 同时缺乏工作人员的系统培训机制;缺乏现场例行监测和管理部门检测, 管理不到位, 无法保证用户用水要求, 居民不愿使用中水^[20]。同时由于物业公司与业主之间存在一定的矛盾, 业主拒交中水水费, 而物业上门查表收费也很困难, 为避免麻烦直接停用中水。

　　 (5) 目前中水处理站存在的主要水质问题是消毒剂的投加量与实际需求量不合, 造成臭味、总大肠菌群和管网末端总余氯指标不达标;存在和自来水管错接的现象, 健康风险较大。

　　 (6) 对中水使用及安全性等知识的普及及宣传不到位, 造成人们对中水使用的相关知识参差不齐, 使得人们对中水的质量和使用心存疑虑, 加之一些小区在使用中出现水质时好时坏的现象, 造成从心理上排斥使用中水。