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日本水资源的再利用和回收-历史、现状和未来展望

摘要

中水回用是世界各地节约水资源、减少环境影响、降低水资源管理成本和能源的有效选择。在日本，自1980年代以来，几个城市已经实施了不可饮用水再利用，主要用于城市应用，如厕所冲洗、城市溪流增水和景观灌溉。然而，由于中水质量标准不足和水回收设施能耗高，日本对中水的利用仍然有限。从2010年到2015年，在日本开展了一个进化科学和技术核心研究（CREST）项目，利用膜技术和臭氧氧化工艺开发节能水回收工艺。对工艺性能和经济可行性的综合评价表明，UF UV（超滤 紫外线照射）工艺以低成本将病毒去除到足以用于农业用途的水的水平。根据CREST项目的结果，在冲绳伊托曼废水处理厂建造了一个包含UF UV工艺的示范工厂，以评估病毒去除方面的性能，并实施农业水的再利用。日本还在开发其他创新技术，以降低水回收的成本和能源。本文介绍了日本中水回用的历史、现状和未来展望。

关键词 水再利用 日本 实施实例 示范项目 膜技术 紫外线 病毒去除

公开验收 前景技术

Water reuse and recycling in Japan——History，current situation,and future perspectives

Abstract

Water reuse is an effective option all over the world for saving water resources,reducing environmental impacts, and reducing the costs and energy involved in water resource management.In Japan,non-potable water reuse has been implemented in several cities since the 1980s, mainly for urban applications such as toilet flushing,urban stream water augmentation,and landscape irrigation.However,utilization of reclaimed water is sill limited in Japan due to the inadequate quality standards for reclaimed water and the high energy consumption of water reclamation facilities. From 2010 to 2015,a Core Research for Evolutional Science and Technology (CREST) project was carried out in Japan to develop energy-efficient water reclamation processes utilizing membrane technologies and ozonation processes.A comprehensive evaluation of the process performances and the economic feasibility showed that the UF＋UV(ultrafiltration ultraviolet radiation) process provided removal of viruses to alevel adequate for water reuse for agricultural purposes at low cost.Based on the results from the CREST project, a demonstration plant incorporating the UF UV process was constructed at the Itoman wastewater treatment plant in Okinawa to evaluate performance in terms of virus removal and to implement agricultural water reuse. Other innovative technologies are also under development in Japan to reduce the cost and energy involved in water reclamation. This paper introduces the history, current situation, and future perspectives of water recla- mation and reuse in Japan.

Keyword Water reuse; Japan; Implementation examples; Demonstration project; Membranes;UV;Virus removal; Public acceptance; Promising technologies

目 录

第一章 导言 1

第二章 日本水再利用的历史 3

2.1.第一阶段：厕所冲洗和景观灌溉 4

2.2.第二阶段：水流增强和娱乐应用 6

2.3.第三阶段：多用途应用 6

2.4.日本水再利用的挑战 7

2.5.水回用的风险和能源管理 8

第三章 冲绳岛水回用项目 10

3.1.水资源管理 10

3.2.用UF UV工艺去除病毒 11

3.3.将UF UV工艺应用于农业水回用的可行性研究 12

3.4.超滤膜完整性测试 14

3.5.糸满市农业用水公共验收 15

3.6.创新水再利用方案，整合农业和工业用水再利用 16

3.6.1.中水与工业用水水质比较 17

3.6.2.问卷调查，了解工业用水需求 18

3.6.3.工业应用中水的盈利能力 19

第四章 水再利用技术的前景 21

结 论 22

参 考 文 献 23

第一章 导言

水再利用可以成为全世界节约水资源的有效选择，减少处理后废水排放对环境的影响，降低水资源管理所涉及的成本和能源[1]。由于这些优点，饮用水和不可饮用水的再利用已经在世界各地实施[2]。

日本气候潮湿温和，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[3]。因此，可以说，日本是一个水压力低的国家，缺水不是水再利用的强大动力。然而，由于降雨的季节变化和陆地面积小，这意味着河流迅速流向海洋，日本人均水资源数量（约3300立方米年）不到世界平均水平的一半（约7800立方米年）[3]。淡水供应不足，使水资源管理面临困难的挑战，特别是在1950年代和1970年代初，经济迅速增长和人口集中的大城市地区。

此外，严重干旱还强调供水系统的可靠性。为了克服这些情况，主要城市地区开始实施水的回收和再利用[4，5]。例如，福冈市在1978年经历了严重的干旱，开始使用再生水进行城市应用，如厕所冲洗。为了应对城市重建，东京也开始实施水再利用。水回收和再利用系统在一个街区范围内或在个别建筑物内实施，为厕所冲洗和景观灌溉提供了中水。除了缺水，环境保护是日本水再利用的主要驱动力。20世纪80年代，随着城市化的结果，城市溪流的水流急剧减少开始引起日本的注意。东京市政府是日本第一个使用再生水补充干流以恢复溪流和水生环境的政府。为了响应在东京的成功实施，用再生水增加溪流流向日本许多地区。目前，河流流量增加是日本再生水最常见的应用。

在日本，水再利用的另一个可能驱动因素是作为抵御自然灾害的措施。随着地震等自然灾害频率的增加，供水限制现在更经常发生。2011年东日本大地震发生时，许多水和废水处理厂严重受损，供水受到限制。水再利用系统，特别是现场系统，可以成为这种紧急情况下有吸引力的解决方案。

为了强调水再利用的重要性并促进其实施，日本政府于2014年和2015年制定了重要法律。2014年颁布的《水循环基本法》是日本第一部强调水再利用在水资源管理中的重要性的法律。日本政府还在2014年制定了“新污水愿景”，概述了其水再利用行动计划，将人口大于10万的城市的水再利用设施数量增加一倍。2015年，制定了“水资源政策”，也是为了促进水的再利用。

然而，到目前为止，由于两个可能的原因，日本对中水的利用有所限制：1）中水在化学/病原体风险方面缺乏足够严格的质量标准；2）水回收设施的高能耗。尽管日本于2005年制定了再生水质量准则，但该条例只涵盖大肠杆菌，总大肠菌群，浊度，pH，外观，颜色，气味和余氯。为了保证再生水的质量，并获得更多的公众接受，重要的是制定质量标准，同时涵盖化学品和病毒等污染物。另一方面，一般而言，水质改善涉及与水回收设施的成本降低进行权衡。因此，有必要根据再生水的预期应用，提出和开发适当的水回收工艺。

2010-2015年期间，在日本开展了一个进化科学和技术核心研究项目，以开发革命性的水再利用技术。本研究计划旨在开发节能水回收工艺，重点是膜技术和臭氧氧化。通过1）评估污染物，特别是病毒的去除性能，2）对几种情况进行风险评估，3）计算能源消耗，对每种工艺的性能和经济可行性进行了全面评估。该研究项目的一个非常重要的成果是开发了一种超滤加紫外线（UF UV）工艺，用于处理用于农业再利用的水。该工艺可以提供＞5.2-log去除病毒的中试规模，比加州第22章规定的再生废水工艺成本低，能耗低。[6]

根据CREST项目的结果，在2015-2017年污水高技术（B-DASH）项目的动态突破中进行了可行性研究。在该项目中，在冲绳伊糸满水处理厂（WWTP）建造了一个带有UF UV工艺的示范工厂，以评估病毒的去除性能。由于中空纤维超滤膜的破损可能导致病毒减少和再生水质恶化，因此在中试规模上评估了超滤膜破损对病毒去除的影响。示范工厂的再生水供应到工厂附近的一个农业区，用这种水灌溉的蔬菜在当地一家超市出售。进行了问卷调查，以调查公众对再生水和随再生水种植的蔬菜的接受程度，调查结果突出了公众教育和外联活动的重要性。在这一成功的农业用水再利用的推动下，冲绳一个工业用水再利用中水的项目现正处于规划阶段。

除了这些试点和全面的水再利用项目外，还在日本进行了实验室规模的研究，以开发创新和更节能的水回收工艺。本文介绍了日本水回用的历史、现状和未来展望。

第二章 日本水再利用的历史

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造成的严重干旱和水需求增加。自那时以来，日本逐步实施了不可饮用水再利用，特别是城市用水再利用（表1）。水再利用历史分为三个阶段。在第一阶段，城市地区开始了厕所冲洗用水的再利用。然后，水流增强始于20世纪80年代末，作为第二阶段。在第三阶段，开发了多用途应用，包括传热和紧急应用。

表1 日本有代表性的水回用设施