SCI搬运工｜日本的水再利用和再循环

SCI搬运工｜日本的水再利用和再循环

　　田园景观画,景观冲突,或景观为了服务更多水行业技术人员，《净水技术》杂志社以我国一线水行业技术工作者对最新科研成果与动态的求知需求为出发，按主题的形式对过去一年周期内的最新SCI文献成果进行梳理，力求通过专题式的信息为广大读者提供更为聚焦的帮助。

　　美国《科学引文索引》（Science Citation Index, 简称 SCI ）于1957 年由美国科学信息研究所（Institute for Scientific Information, 简称 ISI）在美国费城创办，是由美国科学信息研究所（ISI）1961 年创办出版的引文数据库。SCI（科学引文索引）与EI（工程索引）、ISTP（科技会议录索引）被并称为世界著名的三大科技文献检索系统。

　　水的再利用在全世界范围内都是一种有效的选择，可以节约水资源，减少排放处理过的废水对环境的影响，降低水资源管理的成本和能耗。由于这些优势，饮用水和非饮用水的再利用已在世界各地得到实施。

　　日本气候湿润温和，年平均降水量为1，718毫米，约为世界平均水平(810毫米)的两倍,然而，由于降雨量的季节性变化和陆地面积小，河流迅速流向海洋，日本的人均水资源量(约3300立方米/年)不到世界平均水平(约7800立方米/年)的一半。淡水供应不足给水资源管理带来了困难的挑战，此外，日本还面临严重的干旱。为了克服这些情况，开始在主要城市地区实施水的回收和再利用。除了水资源短缺，环境保护和应对自然灾害也是日本水资源再利用的主要驱动力。

　　日本的水再利用历史始于20世纪80年代，以应对快速城市化和经济增长导致的严重干旱和水需求增加。自那时以来，非饮用水再利用，特别是城市水再利用，已在日本逐步实施。水资源再利用的历史分为三个阶段。

　　第一个区域水再利用计划在1978年经历严重干旱的福冈市实施。干旱期间，供水被限制了287天。为了解决这个问题，福冈市政府开始通过促进安装水循环设施来处理冲厕所和景观灌溉的废水，与市民一起建立一个“节水城市”。

　　市政府有效加强了水资源回收设施，以满足再生水用户的需求：随着对再生水需求的增加，容量逐渐扩大，并通过整合混凝、砂滤、预过滤、臭氧化和氯化工艺，逐步提高再生水的质量。1989年，再生水供应扩展到市中心的大型建筑，1995年扩展到商业区。为了应对1994年的另一次严重干旱，2003年在托布污水处理厂新建了第二个水回收设施。市政府在2003年颁布了一项法令，要求建筑业主安装水回收设施。水再利用项目由国家补贴和再生水用户的再生水费率管理。东京还在20世纪80年代在新宿西区启动了一个水资源再利用项目，在那里启动了一个巨大的城市再开发项目。

　　为了在区域范围内促进水的再利用，福冈市政府和东京都政府要求在建筑面积超过5000平方米(福冈)或10000平方米(东京)的建筑中使用再生水或雨水进行厕所冲洗和绿化带灌溉。因此，在东京新宿、新川和东京湾地区实施了区域规模的水再利用。然而，区域范围内的水再利用仅限于这三个领域。由于东京其他地区的业主无法利用区域水再利用计划，他们需要安装利用灰水和/或雨水的独立回收系统或雨水收集系统。

　　20世纪80年代中期，城市地区的河流流量增加开始引起关注。由于城市化和水摄入量的增加，东京城市溪流的水流量急剧减少。为了满足市民对恢复溪流的需求，东京都政府开始使用再生水作为干涸溪流的替代水源。1984年至1989年期间，在东京的三条灌溉渠道中实施了增加溪流流量的措施，方法是从WWTP的田川县排放再生水，通过砂滤和臭氧化处理二级出水。1995年，奥恰伊WWTP经砂滤处理的再生水也开始排入三条城市河流。这些水资源再利用项目成功地恢复了干涸溪流中的水流。

　　在第3阶段，水的再利用被用于城镇的多用途和应急水资源。由于污水温度比大气温度更稳定，当再生水用作热源/散热器时，热泵系统的效率得到提高。在干旱事件中，再生水在大多数情况下用于道路清洁和绿化带灌溉。在日本，除了城市应用之外，再生水还用于各种目的，如工业用水和农业用水。

　　虽然日本从20世纪80年代开始发展中水回用，但中水的利用仍然有限。2016年污水处理厂外的再生水消耗量为2.1亿立方米/年，仅占产生废水总量的1.3%。此外，只有176个污水处理厂有水回收设施，仅占日本总污水处理厂的8%。日本再生水利用有限可能有两个原因。第一个可能的障碍是再生水缺乏足够全面的质量标准，另一个障碍是与饮用水等常规供水相比，再生水的经济竞争力较低。虽然一些水回收设施的单位能耗类似于饮用水供应设施，但大多数水回收设施比饮用水供应设施消耗更多的能量。为了促进日本的水再利用，有必要提供安全的再生水，并降低水回收设施的成本/能耗。

　　冲绳主岛(冲绳岛)是日本缺水最严重的地区之一，为了解决水资源短缺问题，冲绳中央政府制定了独特的水资源管理战略，修建了水坝、地下水坝、海水淡化厂和水资源回收设施。自1980年以来，该岛北部已经修建了11座大坝，此外，1997年建造了一座海水淡化厂，以防干旱，大坝和海水淡化厂的供水可以满足城市用水需求。然而，环境问题阻碍了北部大坝的进一步建设，那里是几种濒危物种的栖息地。由于11座水坝无法为该岛南部的农业区稳定供水，2000年在最南部地区建造了两座地下水坝。然而，这些大坝在其他地区不可用，因为地下大坝只能在地质和土壤因素合适的地方建造。

　　中水作为中南部地区的替代水资源开始受到关注，该地区的五个废水处理厂每天排放27万立方米的处理废水。该市启动了一个大型水资源回收项目，用于城市和农业用水的再利用。再生水也应该作为灌溉水供应给25平方公里的农田。然而，由于高昂的水费和公众对再生水安全的担忧，农业用水再利用项目于2005年暂停。2012年，伊藤曼市的一个污水处理厂重新启动了农业用水再利用项目，该污水处理厂比纳哈WWTP更靠近农田，提供了更具成本效益的水再利用。在该项目中，超滤膜被认为是一种更具成本效益的回收工艺，并在中试规模上评估了超滤膜对病毒的去除性能。

　　伊藤曼市除了农业灌溉用水外，高尔夫球场和其他体育设施对工业用水和灌溉用水的需求也在不断增加。在伊藤曼市利用再生水进行工业活动和其他应用有三个优点:1)它允许再生水的有效利用，2)它满足了对工业用水日益增长的需求以及3)它减少了需要储存在大坝中的水量，这些大坝是冲绳岛自来水供应的重要水库。由于夏季灌溉需求最大，对农业灌溉用水的需求季节性波动，如果水质可以接受，剩余的再生水可以用于工业活动和其他应用。此外，利用现有工业用水管道进行中水供应，中水回用业务在经济上是可行的，并节省了管道建设成本。这个水再利用项目基于一个新概念，可以是一个创新的水再利用商业模式。

　　为了进一步降低成本和能耗，需要创新的回收技术。日本学术机构和私营公司的研究小组一直在开发有前途的水再利用技术，尽管其中一些仍处于实验室规模的开发阶段。例如，创新的臭氧气体发生器可以在臭氧产生过程中产生剧烈的变化，其中氧自由基的损失被抑制。臭氧气体产生效率的提高可以显著降低臭氧化系统的能耗。光催化陶瓷膜工艺也在开发中，用于水过滤和氧化。光催化材料，特别是二氧化钛，能够在紫外线辐射下产生高活性氧化剂，如羟基自由基，从而有效分解水中的有机污染物。研究小组一直在评估涂有二氧化钛的多孔陶瓷膜在紫外发光二极管辐射下去除废水中药物和个人护理产品的性能。与单一紫外或紫外/二氧化钛系统相比，该工艺已被证明可为某些聚苯硫醚提供更高的去除率。关于反渗透膜，开发高抗氯和抗污染的膜是高能效水回收的优先研究领域。在这方面，通过将纳米材料如碳纳米管混合到聚酰胺膜中，已经开发出坚固的反渗透膜。实验室规模的试验表明，与传统的聚酰胺膜相比，所开发的坚固的碳膜具有更高的渗透性、耐氯性和耐污染性。最近，已经开始了中试规模的实验来评估使用螺旋缠绕膜元件的新型膜的操作和去除性能。

　　除了成本和能源问题，新出现的挑战是水再利用中的抗微生物细菌(ARB)和抗微生物基因(ARGs)问题。控制这些问题的困难来自于ARB和arg的纵向和横向转移。再生水的接受程度、再生过程的控制技术和管道是水再利用的下一个重大挑战。在不久的将来，将评估有希望的工艺的适用性，以控制和尽量减少再生水中ARGs的风险。