本文梳理了我國水資源特征以及用水狀況，提出水資源是制約我國經濟社會可持續發展的瓶頸；分析了以色列和美國污水再生利用的進展，認為污水資源化是突破經濟社會發展水資源瓶頸的根本途徑；根據國際污水再生利用經驗，認為我國污水資源化利用的重點方向應是農業灌溉和工業冷卻，并建議編制《全國水資源可持續循環利用綜合規劃》，明確方向、控制風險、健全政策，指導污水資源化工作穩步發展。

王洪臣

中國人民大學教授、博士生導師/中國人民大學低碳水環境技術研究中心主任

原文標題：污水資源化是突破社會發展水資源瓶頸的根本途徑；作者：王洪臣；作者單位：中國人民大學，中國人民大學低碳水環境技術研究中心。將刊登在《給水排水》2021年4期水業導航欄目。

污水資源化包括污水中碳、氮、磷等物質資源的循環利用和其中蘊含能量的回收利用，但重點還是將污水再生后替代傳統水資源，也就是水資源化方向的利用。本世紀初，水利部門啟動全國性水資源普查及規劃工作，于2011年發布并實施《全國水資源綜合規劃》。限于當時條件，這一規劃只是針對傳統水資源，沒有將污水資源納入規劃。隨著污水處理設施快速建設，全國已形成超過2億立方米每日的污水處理能力，年污水處理量超過700億立方米，為全面推動污水資源化創造了前提條件。最近，發改、住建、生態環境、水利、農業以及科技等十個國家部委聯合發布《關于推進污水資源化利用的指導意見》，對全國污水資源化工作進行了部署。筆者認為，在這樣一個歷史階段，應結合現有傳統水資源規劃，盡快編制并實施以污水資源化為核心的《全國水資源可持續循環利用綜合規劃》，突破制約我國經濟社會發展的水資源瓶頸。

01 水資源是制約我國經濟社會可持續發展的瓶頸

我國水資源總量大，但人均水資源占有量低。根據1956-1979年統計，全國多年平均水資源總量為2.8萬億立方米，這個數值通常被認為是一般意義上的全國水資源量。我國水資源總量占全球的6%，低于巴西、俄羅斯和加拿大，與美國相當。雖然總量較大，但人均只有2300立方米，僅為世界平均水平的1/4，在世界上名列121位，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。隨著人口數量的不斷增加，人均水資源量還將繼續降低。我國水資源的特點使水資源短缺問題更加突出。特點之一是年際水資源量差別較大。近二十年來，水資源量最多的是2010年，達到3.09萬億立方米，比常年值偏多11.5%；最少的是2011年，僅為2.3億立方米，比常年值偏少16.1%，也是1956年以來最少的一年。一般認為，隨著氣候變暖等因素的影響，水資源的年際變化還將進一步加大。另一個特點是南北分布嚴重不均。在全國十個水資源片區中，南方四區（長江、珠江兩大流域和東南諸河、西南諸河）的水資源量占到全國總量的83.3%，但土地面積僅占全國36.5%，耕地面積僅占全國40%；北方六區（松花江、遼河、海河、黃河和淮河5大流域以及西北諸河）的水資源量僅占全國的16.7%，但土地和耕地卻遠高于南方4區。我國水資源空間分布和土地資源、人口分布不相匹配，極不均衡。

我國節水力度大，近十年來的總用水量已經趨于零增長。上世紀五十年代，全國年用水量平均僅為1000億立方米左右。隨著人口增加和經濟發展，用水量持續增加，2010年達到約6000億立方米，年均增加50億立方米。可以合理開發利用的水資源一般僅占水資源總量的30%，如按水資源總量2.5～2.8萬億立方米計，全國可利用水資源總量實際僅為7500-8500億立方米，考慮到水資源的年際變化和空間分布不均，我國用水量已經接近可利用水資源量，許多地區水資源已經枯竭。因此，國家從“十二五”開始施行“最嚴格的水資源管理制度”，劃定用水紅線，控制用水量增長。2010年全國用水量6022億立方米，2019年6021億立方米，總用水量實現了零增長。分析近十年用水量變化，農業灌溉一直維持在3700億立方米左右，工業用水有減少，生活用水有增加。2010年全國工業增加值為16萬億元，2019年增加到32萬億元，而工業用水量則由1450億立方米下降到1220億立方米，這一成績來源于工業的大力節水，把萬元工業增加值用水量由2010年的90立方米降低到2019年的38立方米。2010年城鄉居民生活用水量為765億立方米，2019年增加到870億立方米，這些增加是由于改善衛生狀況和城鎮化率的不斷提高。隨著城鄉衛生狀況的不斷改善，城鎮人均日生活用水量（含公共用水）由2010年的193升提高到2019年的225升，農村居民人均生活用水量由2010年的83升提高到2019年的89升。2010年全國城鎮化率僅為49.9%，而2019年則達到60.6%，而城鎮居民維持正常生活比農村居民需要更多的水量。

水資源已經成為我國經濟社會可持續發展的瓶頸。2019年，全國工業用水重復利用率超過80%，京津冀地區則超過90%，2019年全國萬元工業增加值用水量低于40立方米，海河、黃河和淮河流域則低于了20立方米，這樣的水平已經遠超發達國家，提前十年達到了《全國水資源綜合規劃》提出的2030年目標，最近召開的全國水利工作會議提出“十四五”期間萬元工業增加值用水量將在2020年的基礎上再下降16%。實際上，工業進一步節水的空間將主要集中在水資源豐富地區，缺水地區工業領域已沒有太大節水的空間，要繼續快速增長反而需要增加用水量，那么支撐工業增長的水資源在哪里？過去十年，城鎮化率每年增長1%，由城鎮化導致的供水量增加被工業用水量的降低所抵消。今年兩會提出將繼續推進新型城鎮化戰略，2025年將常住人口城鎮化率提高到65%，發展壯大城市群和都市圈，那么支撐城鎮化的水資源又在哪里？兩會提出，為保障好14億人的糧食安全，糧食綜合生產能力需保持在1.3萬億斤以上，這決定了3700億立方米的農業灌溉用水會像18億畝基本農田一樣不可動搖。另外，我國生態環境用水量雖逐年增長，但多年處于低水平，到2019年也僅占總用水量的4%，也亟需逐步增加。綜上，我國現有水資源狀況難以支撐工業增長、進一步城鎮化以及水生態安全，黃河、淮河、海河等流域只能提出“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產”，水資源已經成為我國經濟社會可持續發展的瓶頸。

02 污水資源化利用是突破水資源瓶頸的根本途徑

2011年發布實施的《全國水資源綜合規劃》，全面摸清了我國水資源及其開發利用狀況，劃定了用水量紅線，提出了用水效率指標，對于解決我國水資源短缺問題發揮著基礎作用。但是，這個規劃重在節流，只強調了提高傳統水資源用水效率及用水量控制，沒有對污水再生利用和海水淡化等非傳統水資源的開發進行系統規劃，沒有通過開源突破水資源瓶頸。縱觀解決水資源緊缺問題的國際經驗，跨流域調水可以部分緩解一定地區范圍內的緊缺狀況，但根本上還是依靠非傳統水資源的開發利用，以色列、新加坡、澳大利亞、南非、納米比亞等缺水國家都是開發利用非傳統水資源的典范。

以色列60%國土是沙漠，其余部分屬于半干旱地區，年降水量435毫米（2017）。1962年，以色列人均水資源為786立方米，隨著各地猶太人不斷返回，2017年人均水資源降低到214立方米，水資源極度缺乏。但是，以色列政府2013年10月宣布全國用水不再受天氣制約，水安全問題已經徹底解決，其根本途徑就是污水再生利用和海水淡化等非傳統水資源的開發。從上世紀九十年代開始，以色列建設了大量污水再生、輸配、儲存、利用設施，全國污水再生利用率超過了75%，最新報道，現在的污水再生利用率已超過90%，下一步是達到100%，實現全部污水的再生利用。以色列再生水90%用于農業灌溉，支撐起現代高效農業，除了自給自足，還成為農產品出口國。美國作家賽斯·西格爾（Seth M. Siegel）在深入考察以色列水務后認為，“沒有再生水，就沒有以色列的農業，也就沒有這樣一個中東強國” 。

美國年降水量715毫米（2017），人均水資源量9459立方米（2017），是我國的四倍多。我國水資源南北分布不均，美國是東西分布不均，東部的大湖地區和密西西比河流域水資源極其豐富，大量水資源用于直排式熱電冷卻，而西部則嚴重缺水，有限的水資源主要用于農業灌溉。美國年用水量4450億立方米（2015），其中熱電冷卻用水占41%，農業灌溉占37%，市政供水占12%，工業自備用水占5%，水產和畜牧業用水占3%，采礦和居民生活自備各占1%。美國五十年前就開始了污水再生利用的研究與實踐，在南加州以及佛羅里達等地區陸續建設了一批污水再生利用設施，但全國的污水再生利用率只有6%～7%，不能應對水資源緊缺狀況。2014年，美國國會的政府問責局（GAO）認為單純通過提高用水效率無法滿足糧食安全和經濟持續增長的需要，面對多方面壓力，預計2025年將有超過40個州面臨缺水狀態，責成聯邦政府采取措施應對水危機。2019年，聯邦政府宣布實施國家水回用行動計劃（WRAP），全面規劃并實施包括市政污水、工業廢水、農田徑流、油氣開采廢水和雨水六大方向的收集、再生與回用，目標是保障美國水安全以及水資源的可持續性和韌性。正在編制的行動計劃包括11個戰略主題、37個具體行動、28個各方獨立責任人、80個合作機構和200個行動里程碑，涵蓋了政策制定、規劃建設、評估監測、責任追究、科學研究以及國際合作等各方面。按照總統簽署的第13834號行政命令，聯邦政府成立了跨部門工作組，統一協調各方，實施“高效聯邦行動”。

非傳統水資源開發包括市政污水和工業廢水再生利用、海水淡化以及雨水收集利用，美國還提出了農田徑流的收集利用。在沿海城市，海水淡化是重要的開發方向，但是高能耗以及濃縮水的生態影響制約了大規模開發利用。多年前，以色列的一個政策是在污水資源被充分再生利用之前不開展大規模海水淡化，現有的海水淡化設施也主要用作飲用水水源。美國國家水回用行動計劃也暫時沒有部署海水淡化，美國能源部作為WRAP的責任單位之一，負責低能耗海水淡化技術的開發，目前的一個方向是太陽能海水淡化。阿拉伯國家普遍缺水，但部分國家是產油國，不存在能源約束，海水淡化是解決缺水問題的主要手段。除科威特污水資源化比例較高外，最高的是沙特，目前只有20%。降水是水文循環的關鍵環節，雨水本就是傳統水資源的主要來源，作為非傳統水資源的雨水利用主要是指人工收集的小規模利用，不是非傳統水資源開發的重點。綜上，當前非傳統水資源開發重點是包括市政污水和工業廢水的污水資源化利用。

以色列通過開發非傳統水資源成功解決了水安全問題，我國北方許多地區年降水量、許多城市的人均水資源量均低于以色列，這些地區或城市應借鑒以色列污水資源化成功經驗，開發非傳統水資源，解決當地缺水問題。在國家尺度上，我國水資源總量及特征總體上與美國有相似之處，兩國也都有通過大規模跨流域調水應對缺水的實踐，但都沒有解決水資源緊缺問題。另外，美國五大湖的淡水儲存量占了全球總淡水儲量的25%，人均水資源也遠高于我國。在這樣的背景下，我國應當像美國那樣系統謀劃，全面開展以污水資源化為重點的水回用，突破水資源瓶頸，支撐經濟社會可持續發展。

03 科學編制并實施以污水資源化為核心的《全國水資源可持續循環利用綜合規劃》

污水資源化利用方向很多，涉及工業、農業以及城鎮建設和居民生活等各方面，流域或地區水資源特征及經濟社會狀況差別也較大，因此，應系統組織、多部門協同，在充分調查研究的基礎上科學編制《全國水資源可持續循環利用綜合規劃》，指導污水資源化沿著正確的方向穩步推進。

3.1 在準確把握用水需求的基礎上明確污水資源化的重點方向

污水再生利用的方向包括農業灌溉、工業利用、市政雜用以及生態環境等方面。工業利用包括冷卻水和工藝用水，冷卻水用量通常遠大于工藝用水，澳大利亞將再生水用于礦山開采、美國用于油氣開采也都屬于工業利用。市政雜用包括道路壓塵、車輛沖洗、沖廁、景觀娛樂及園林綠化，沖廁用量較大，其它部分用量較少。生態環境用水包括河湖補水、濕地構建，沿海地區回灌地下阻擋海水入侵也屬于生態環境用水。大部分國家或地區再生水利用方向通常根據項目當地的具體需求自然形成，例如美國南加州地區，其利用方向多元化，有農業灌溉、回灌地下阻擋海水入侵、生態環境用水以及市政雜用。

以色列是目前公認污水再生利用最成功的國家，美國將以色列作為唯一的國際合作伙伴納入了國家水回用行動計劃。上世紀九十年代，隨著世界各地越來越多的猶太人回國定居，以色列決定開始大規模進行污水再生利用，解決嚴重的缺水問題。經過反復研究，決定以農業灌溉為污水再生利用的主要方向，事實上，到現在為止也基本是唯一方向。以色列目前800萬人口，年產生污水5億立方米，污水再生處理率約95%，90%的再生水用于農業灌溉，超過灌溉用水量的60%，其余排入自然水體。為實現90%的利用率，以色列投入巨資建設了200多座再生水水庫，總庫容超過2億立方米，敷設了大批從水庫放射到灌溉點的輸配管道，覆蓋了絕大部分國土面積。如果不選擇農業灌溉作為首要利用方向，如果不建設這些水庫和管道，即使建設了再生水廠，也沒有高達90%的再生利用率，也就沒有以色列今天的高效農業。

2019年我國城鎮污水產生量約750億立方米，其中工業廢水約200億立方米，其余為居民家庭和公共服務產生的生活污水，這些污水或廢水總體上已經得到了較高等級處理，具備了規模化再生利用的條件。農村常駐人口約6～7億人，預計年產生綜合污水約250億立方米，雖然目前處理率很低，但污水資源化可與污水治理同步進行。按照以上統計和測算，全國每年約有1000億立方米的污水資源可供開發利用，這是一筆穩定可靠的水資源。另一方面，我國是個人口大國，必須確保糧食安全，要在20億畝耕地上產出1.3萬億斤糧食就必須確保灌溉用水。2019年，全國灌溉用水約3800億立方米，其中北方六區2000立方米，南方四區1800億立方米。從環境抽取大量灌溉用水，必然限制工業用水，制約工業發展，一些地區甚至影響了下游的飲水安全；許多流域灌溉季節無法保證生態需水量，水生態環境受到干擾。綜上，筆者初步認為，我國污水再生利用是否應借鑒以色列的經驗，以農業灌溉為重點利用方向？如系統規劃建設儲存與輸配設施，未來實現500～800億立方米再生水進行農業灌溉，將從根本上緩解工業和生活用水緊缺狀況，并同時改善水生態環境。再生水進行農業灌溉的另外一個利益是可以降低污水脫氮除磷標準，保留再生水中的氮磷降低化肥的施用量，這對于污水碳氮比天然失調的地區尤其重要。農村污水處理設施規模小，水量水質波動大，可以較穩定地脫碳但難以脫氮除磷，如果以就地灌溉為主要方向，就不需要脫氮除磷，建設投資和運行成本都將大大降低。事實上，從1990年到2010年的二十年間，以色列主要是用污水二級出水進行灌溉，2010年之后才逐步普及了以脫碳為目標的深度處理，脫氮除磷標準并不高。我國許多地區已有許多再生水灌溉的實踐，缺水的關中地區歷史上村村都有一個澇池，實際上就是村邊低洼處的一個半天然濕地，全村的生活污水都排進去，時間長了水就變清，之后作為灌溉水源。近幾年，當地有組織地恢復了大批澇池，一開始建設的都是工程澇池，加上污水處理設施運行不正常，澇池很快變黑發臭，后來按生態技術建設的生態澇池都獲得了成功。新疆阿克蘇的車庫市建設了一個庫容30萬立方米的調蓄水庫，注入河東污水處理廠出水冬儲夏灌。

污水再生利用的第二個方向應是熱電及工業大戶的冷卻水，這個方向用量較大，用水點集中，只需從再生水廠到用水點的點對點連接，管道敷設難度小。如果市政雜用，用水量小且分散，再生水沿城市建成區逆向擴散，既沒有空間建設儲存設施，也難以找到敷設輸配管線的路由，利用率就提高不上去。生態環境補水方向可以作為接受剩余再生水的備用，不宜作為重要方向，道理很簡單，既然能從環境少取，就沒有必要多取了再補。

污水再生利用的一個敏感方向是生活飲用，這個方向從學界到工程界爭論了多年，近年來逐漸明晰，這就是在那些飲水困難的地區應該規劃建設再生水生活飲用設施。再生水生活飲用包括直接飲用和間接飲用，直接飲用是指污水再生后作為供水處理廠的水源或超深度再生后直接飲用，間接飲用是指將再生水注入天然水體或地下經過環境緩沖后再與清潔水混合作為供水處理廠的水源，新加坡的新生水就是間接飲用，納米比亞和南非很多年前就開始將再生水間接用于生活飲用水，美國加州地區也建設了數座再生水間接飲用設施。我國的西北甚至華北存在許多飲水困難地區，那些年降水量不足150毫米而又沒有過境水資源的地區理論上都屬于飲水困難地區，都需要規劃建設再生水生活飲用設施。美國德克薩斯州埃爾帕索市一個叫Carollo的再生水生活飲用工程已經完成設計，將于今年開工建設，Bustamante污水處理廠出水經過該工程處理后直接輸配到供水管網供居民生活飲用，既沒有自然環境緩沖，也不經過供水處理廠，建成后將是全球第一個再生水直接生活飲用項目。該項目2012年開始可行性研究，最大設計供水能力45000立方米/天，經過中間試驗確定以雙膜過濾+紫外催化高級氧化+活性炭吸附為核心工藝單元，并開展了各種風險情景的模擬評估，最后決定正式立項建設。

3.2 科學認識并理性評估污水資源化風險

規模化長期使用再生水存在一定的風險，關于病原體、鹽度以及內分泌干擾物等新興污染物對人體健康和生態影響的研究一直在進行，爭論也一直在持續。以色列在開始大規模農業灌溉以后，發現部分地區地下水有鹽漬化傾向，隨后開展了全國性源頭減鹽行動，包括工業企業減少用鹽或尋找替代品、嚴禁高鹽廢水排入下水道以及倡導公眾避免過度耗鹽等措施，無法避免的高鹽水則另外處理后排入水體，沿海地區則直接排到海洋，通過這些對策，有效控制了地下水鹽漬化傾向。Carollo中試試驗也確認所采用的工藝流程可以有效氧化新興污染物。Carollo工程設計團隊模擬評估了深度再生直飲和再生水經過自然環境緩沖再經過供水處理廠處理兩個方案，發現前者綜合指標尤其是衛生學指標的安全性遠優于后者，這也是最終決定開始建設的的重要因素。越來越多的研究表明，再生水在利用工程中經過自然環境緩沖，除了混合和儲存以外并沒有明顯的化學或生物學作用，只是滿足了公眾心理緩沖的需要。另一個較為清晰的評估是，現有成熟技術裝備總體上已能保障污染物穩定去除，以滿足各方向再生利用的需要，污水再生利用的最大風險來自于操作層面，包括質量監測偏差、運行操作不當乃至錯接漏接等運維失誤等方面，而這些不足可以通過規范管理予以糾正。

3.3 健全有力的行業政策

污水資源化涉及多行業多部門，與社會公眾利益息息相關，制定并施行有力的行業政策是關鍵。美國二十年前就制定了財政補貼政策，對西部14個缺水州的污水再生利用項目，聯邦政府補貼25%的建設費用。正在開展的國家水回用行動計劃，所有涉水部門都是責任部門，農業部、能源部以及衛生部門都支持再生利用，農業部高度支持農業灌溉利用。截止目前，美國有40各州都制定了鼓勵污水再生利用的相關政策。以色列的水務管理是“ONE WATER”體制，由國家水務部門統一協調涉水事務，所有水務投資由國家統一承擔。另外，以色列制定了鼓勵再生水農業灌溉利用的價格政策，一是提高傳統水資源的用水水價，二是降低再生水水價，達不到深度處理標準的再生水農業灌溉時一律免費，對達到深度處理標準的再生水象征性收取少量水費。總之，行業政策應是《全國水資源可持續循環利用綜合規劃》重要部分。