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美国蓬勃发展污水回用概况和经典案例
更新时间:2022-06-07 来源:IWA国际水协会 作者:IWA国际水协会

  2020年,美国环保署(EPA)对外发布了全国水回用行动计划。该项目旨在利用美国各州的科学家、决策者和工程专家的专业知识,为地方社区创造更有适应性的水资源系统。在过去两年,这个行动计划促进了水回用在美国的发展。2022年2月,国际水协会的水回用专家工作组(IWA Water Reuse Specialists Group)就美国的水回用现状举办了一场线上研讨会。

  水回用经典案例

  德国慕尼黑工业大学的Jorg Drewes教授(前任IWA水回用专家组主席)是第一位发言嘉宾,他介绍了美国水回用的概况和经典案例。

  水回用可以分为非饮用回用(Non-potable Reuse -NPR)和可饮用回用两大类,其中后者又可分为直饮回用(DPR)和非直饮回用(IPR)两类。水资源的短缺、人口增长和气候变化等都是美国实行水回用的驱动力。如今,50个州中有43个州有正在实施的水回用项目,以佛罗里达州和加州为例,水回用的具体方式富有多样性,与当地的情况密切相关。

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  加州的水回用应该算是走在最前列的州之一。例如美国水回用的历史最早可以追溯到1912年加州旧金山的金门公园的灌溉回用项目。进入2000年后,尤其在过去10年,该州计划实施的水回用项目大幅增加,总产量已经超过欧盟境内的总和。

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  Drewes教授介绍了几个经典项目。首先是美国首个再生水饮用回用案例——1962年加州Montebello Forebay的再生水间接饮用(IPR)。这是一个基于自然的水回用案例。污水厂的二级出水经过三级过滤和消毒之后,在通过地表扩散,用土壤-含水层来自然净化。

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图:Montebello Forebay项目流程示意图

  接着他提到了加州橙县著名的21号水厂,高度称赞了这个项目,称其为行业标杆,因为这个建于1975年的项目,首次使用活性炭、微滤膜、反渗透膜、UV-AOP等技术,并首次使用GC-MS监测微量有机污染物。这些技术如今都成为了技术标准。2005年,这个项目进一步升级,就有了大家熟知的地下水补给系统(Ground Water Replenishment System,GWRS),预计2023年日处理规模将达到49.2万立方米。

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图: Water Factory 21鸟瞰图

  而在美国东岸,弗吉尼亚州Upper Occoquan再生水回用项目是另一个经典项目。该项目于 1978年投产,和上边两个项目不同的是,这个项目是通过水库(地表水)进行非直接饮用回用。

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图. Upper Occoquan再生水回用项目流程图

  进入2010年后,开始自然+人工强化技术结合的案例,例如2010年投产的科罗拉多州Aurora的Prairie Waters项目。这个项目利用了自然河岸过滤、含水层补给,以及UV-AOP、BAC、GAC等处理技术。

  研究经费的支持

  在报告第二部分,水研究基金会(Water Research Foundation - WRF)的代表Julie Minton介绍了目前WRF资助的饮用水回用的研究项目概况。

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  WRF是美国水回用研究的重要支持机构。从1990年代开始,WRF已经在这方面资助了超过1亿美元的研究项目,而且研究对象也逐渐从非饮用回用向饮用回用转变。在饮用水回用方面,也涵盖了直接和非直接饮用回用的研究,且可以分成地下水补给、地表水强化、原水强化和自来水强化四个情景。

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  以加州为例,WRF和加州州立水委会合作,将在再生水直接饮用回用方面投入超过300万美元的经费,并推动相关法规的建立。

  加州经验

  第三位嘉宾是来自加州水回用(WaterReuse California)的Jennifer West女士,她分享了加州的再生水回用基建进展。在报告开头她就分享了美国气候变化的情况:今年2月的加州几乎全州都遭受异常干旱以上的旱情,而美国西部在过去20年的干旱情况也是肉眼可见的愈加严重。

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图. 加州2022年2月8日的旱灾监测结果

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图. 加州及美国西部2000-2021年的干旱情况

  在West女士看来,毫无疑问,气候变化引起的干旱是加州如此大力发展再生水饮用回用的原因。截至2020年,加州的再生回用量已经达到120亿m3。她表示,这个产量可能会在未来10年翻倍。

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图. 加州2020年再生水回用分布情况

  加州是如何向这个目标前进的呢?她介绍了几个例子。第一个例子是圣地亚哥,该市的目标是在2035年前,全市超过一半的供水用饮用水回用提供,具体实施方案是利用基于水库强化处理的再生水净化。

  另一个案例是南加州的回用水项目。该项目于2019年就建成了一个规模为0.5MGD(约1900立方米/天)的示范设施。预计全尺寸规模将去到150MGD (约56万立方米/天),满足超过50万户家庭的用水需求。

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  洛杉矶的Hyperion再生水厂也在计划通过IPR和DPR提供饮用水,满足洛城50%的用水需求。硅谷的Valley Water则正在利用PPP模式,进行一个用再生水补给地下水的项目,目标是在2025年覆盖Santa Clara郡10%的用水需求。至于加州首府萨克拉门托则计划在2023年动工开始兴建农业再生水的项目,以减少对地下水的依赖,覆盖16000公顷农田,预计2025年投产。

  West女士重点分享了加州是如何在法规层面推动再生水直饮回用的。原来他们早在2010和2013年就开始通过了州法案SB918和SB322,对再生水非直饮和直饮回用的立法可行性进行调研,并在2016年通过了直饮回用的可行性研究,并终于在2021年起草了直饮回用的规定。他们期待能在2023制定正式新规。

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  下图是专家委员会提供了建议技术工艺组合:

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  德州经验

  最后一位嘉宾是Carollo工程公司的Eva Steinle-Darling博士,她是该公司的水回用技术实践部主任。她首先指出,其实除了水资源短缺之外,营养物排放也是另一个重要驱动因素。接着她分享了加州以外,尤其是德州的水回用案例。德州的科罗拉多河再生水厂(CRMWD)早在2013年开始就已经开始实施直饮回用技术,这是美国第一个真正意义的DPR项目。El Paso是另一个DPR项目,规模达10MGD (约3.8万立方米/天),而且是美国首个直接将出水送入输水管网的DPR案例。

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图. CRMWD再生水厂工艺流程示意图

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图. El Paso再生水直饮回用厂模型图

  除了直饮回用,Steinle-Darling博士表示,非直饮回用也是另一个趋势,例如1978年的弗吉尼亚州UOSA和2000年乔治亚州的地表水水库强化项目,1985年德州El Paso地下水补给案例。最新的一个是弗吉尼亚州HRSD水务局的SWIFT项目。SWIFT是Sustainable Water Initiative for Tomorrow(明日可持续发展的水处理项目)的缩写。

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  Steinle-Darling博士指出,这些非直饮饮用项目的优点是无需使用反渗透膜,通过臭氧+活性炭+高级氧化(AOP)和氯化等方法。随着时间推移,大家在实践中发现无需反渗透膜也可以实现直饮回用。从2017年起,在佛罗里达、科罗拉多和犹他州都已经有相关案例。Steinle-Darling博士把这类技术方案成为CBAT(Carbon-based advanced treatment),经过多年的优化,这种工艺的前景也值得关注。

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  图片其实无论是非直饮回用还是直饮回用,再生水回用可以创造的经济价值都是不可忽略的。Steinle-Darling博士用下边这张图展示了再生水回用的潜力,涵盖了工业用水、家庭用水、农业用水、雨洪管理、数据中心、体育场、滑雪场等基础设施。反过来,这些数据也让投资人更有信心地把钱投向再生水回用。

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