導語：水資源危機已成為全球關注熱點問題，快速城鎮化導致生活用水需求劇增，亟需開發新型實用節水技術。為解決城鎮生活用水資源緊張的問題，提出了城鎮生活節水“5R”技術體系，一是開發超低用水量的真空便器、無水氣沖便器、智能計量沐浴系統等節水器具并推廣使用，實現用水量減少（Reduce）；二是采用污水源分離系統，實現黑水的能量回收和灰水資源的多用途回用（Resource，Recycle）；三是開發雨水收集、處理和貯存技術體系，實現水資源回收（Recover）；四是對原城鎮排水系統污水處理廠出水與中水進行水質調控，提出保證不同用水水質的安全回用（Reuse）技術。對以上技術進行集成與綜合節水定量評價，形成節水綜合管理和決策系統(“5R”技術體系)，以期解決城鎮生活用水多水源多用戶的水量平衡和水質轉化關系等問題。

作者簡介：王紅武（1970-），女，福建龍巖人，博士，副研究員，研究方向為水污染控制、城市雨洪管理。

隨著經濟社會快速發展和城市化進程的不斷加快，各類用水消耗速度飛升，使水資源的供需矛盾日益突出。據報道，全球對水資源的需求正以每年1%的速度增長，在未來二十年還將大幅加快；并且未來工業用水和生活用水需求量將遠大于農業需水量。發展中國家和新興經濟體對水資源需求的增長最為迫切，我國水資源水量地域分布不均，約有45%的國土處于干旱、半干旱、少水和缺水的地區，淡水分布與人口和耕地的分布不相適應；我國淡水資源年均擁有量為27742×108m³，名列世界第六位，但人均資源總量不及世界人均淡水資源量的1/4，僅列世界第109位。盡管我國已開展了大規模的防治水害和開發利用水資源的工作，取得了巨大成就，但缺水問題仍然嚴重，水環境污染和水資源危機成為制約全社會發展的瓶頸。

2016年Larsen等指出城鎮化水資源管理迫切需要在技術研究、政策制定和工程實踐方面開展跨學科工作，應開發對城市生活和水生態系統都有影響的替代品，通過實現污水源分離、分質處理及回用，雨水可持續利用及節水器具使用等來破解水資源危機。為此，提出以用水終端節水（Reduce）、污水再生資源化和雨水回收利用 （Recycle、 Resource、Recover、Reuse）為核心的“5R”城鎮生活節水技術體系，從不同用水環節節水、非傳統水資源開發及加強管理等多個角度、多個層面來實現城鎮生活節水及其綜合管理，從而解決城鎮生活用水水資源緊張的問題。

0 1

城鎮生活用水排水的現狀問題

目前的城鎮生活用水包括飲用、洗滌、洗澡、沖廁等，其節水方法包括節水器具使用、雨水收集回用和污水再生利用等方面，這三個方面的研究和應用問題已經逐漸受到關注了，而排水方式上的水資源和能源浪費問題卻往往被忽略。大約200年前，沖水馬桶引入家庭是歐洲早期城市化的標志，在此基礎上沖水馬桶排污和生活污水甚至雨水混合通過下水道排放的水載重力排水系統得以發展，成為近代全球城鎮排水的基本模式。100多年前發明的活性污泥法則成為目前最重要的一種以去除COD為主的污水處理技術，而被處理的混合污水中人糞尿僅占污水總量的1%左右，卻包含了污水中大部分的COD和營養鹽。后來隨著富營養化等環境污染問題的出現，城鎮污水的脫氮除磷技術等得到。這些傳統模式都是先將人糞尿成百倍地稀釋，然后再消耗大量能量將其分離分解，在技術和經濟方面嚴重不合理，浪費大量水資源和能源，傳統模式的混合排放和遠距離輸送均不利于污水的資源化和城市水圈的良性循環，經處理后的出水如要回用必將涉及較高的輸水費用，從經濟上又限制了再生水在城鎮區域的應用。

傳統排水系統的發展及其弊端見圖1。

圖1傳統排水系統的弊端

此外，城鎮生活某些傳統用水器具在結構和功能上存在缺陷，導致水資源的浪費，雖然我國近三十年來一直推行節水器具，但目前的節水器具尤其是節水便器依然有待改進；另一方面，在非常規水資源的使用和開發方面，亟需開展雨水的收集、處理和貯存研究及雨水利用工作，同時需要開展高排放標準的城鎮污水處理廠出水作為中水回用的輸送關鍵技術，以及 水質保障技術的研究和應用示范。

0 2

城鎮生活用水終端節水（Reduce）

世界各國早已注意到計量器具和節水器具的安裝和使用可起到良好的節水效果，節水馬桶、節水龍頭、節水型水箱、洗衣機、淋浴設備等節水器具得以開發。美國一項研究表明：通過計量和安裝節水裝置，家庭用水量可降低11%。以色列、日本等國通過引進節水型器具可實現家庭用水量減少20%～30%，其中日本節水龍頭可節水1/2、 真空式抽水便池可節水1/3、 節水型洗衣機每次可節水1/4。值得注意的是，國外在開發相應節水器具的同時，采取了多種配套政策措施以推廣節水器具的使用，如以色列、意大利以及美國的加利福尼亞、密執安和紐約等州分別制定了法律, 要求在新建住宅、公寓和辦公樓內安裝的用水設施必須達到一定的節水標準；各國政府要求制造商只能生產低耗水的衛生潔具和水噴頭，日本還對節水效果好的節水器具給予獎勵。

城鎮生活用水對象包括飲用、洗滌、洗澡、沖廁等，曾有調查表明沖廁水占的比例可高達26.8%，研發節水衛生器具是實現生活節水的一條重要途徑。我國在節水器具方面起步雖晚，但開發力度很大，2015年發布了國家標準《節水型衛生潔具》（GB/T31436—2015），要求節水型蹲便器一次沖洗水量≤6L，坐便器≤5L，小便器≤3L；但受制于坐（蹲）便器以沖洗水本身作為驅動力和輸送載體的沖廁原理，致使傳統的衛生器具（包括節水型）具有高耗水、混合收集和排放人類排泄物的特點，從而導致后續的排水系統具有高耗水、高耗能及資源流失等弊端。如果不從結構和原理上對衛生器具進行改進，民用上幾乎不可能實現大幅度降低廁所沖洗水量（即節水）的目的。開發超低用水量的真空便器、無水氣沖便器以及基于負壓的新型節水衛生器具等，可以實現大幅降低沖洗水（即節水）的目的，對于優化排水模式和構建節水型社會具有明顯的現實意義。假設每人每天大便1次，小便5次，按照常規便器每次沖水10L，常規節水型便器每次大便/小便分別沖水6L/3L，常規糞尿分集便器每次大便/小便分別沖水5L/2L。負壓便器每次沖水1L，負壓糞尿分集便器每次大便/小便分別沖水1L/0.1L，計算1000人使用不同便器每天的沖洗水量及不同便器產生的污水量，結果見圖2。

圖2不同便器的排污量分析

0 3

污水源分離及回用（Resource，Recycle）

前已述及，傳統排水模式以水為媒介，形成人糞尿占污水總量僅1%的混合污水，再 “以能耗能”的方式實現污染物去除。這種集中式排水管網和處理系統屬于末端處理模式，不僅輸送和收集的管網距離遠，投資費用高，而且污水凈化后難以有效回用，浪費大量水資源和能源。

污水 “源分離”理念由瑞士、德國、瑞典等國學者于20世紀90年代相繼提出。生活污水來自于盥洗、淋浴、洗衣、衛生間沖廁以及廚房等用水點，其污染物濃度差異很大，可簡單分為灰水、黑水與廚房廢水。其中灰水由洗浴、洗衣和盥洗等廢水組成，占生活用水量的30%～45%，污染物濃度低，無病原微生物和色度，易于凈化。黑水由來自衛生間的大小便和沖洗廢水，組成，占生活用水量的25%～35%，有機碳和氮磷等含量占70%以上，且含各類病原生物和色度；廚房廢水包括餐飲和廚房用水，約占生活用水量的20%～30%，主要污染物屬于有機碳類、油類和表面活性劑等。污水“源分離”即是將生活污水從源頭進行分離和收集、輸送，將灰水和黑水分別處理和資源化、能源化；盡量讓處理設施靠近居民區或用戶終端，環境友好，再生水可就地利用；系統規模靈活，服務人口從幾千人到幾萬人不等；在一定區域內實現污染物排放最少、水資源循環利用與節水、廢物資源化和能源化利用。

采用污水源分離并實現黑水能量回收和灰水資源的多用途回用（Resource，Recycle）方面，歐美等發達國家已有較小尺度的實踐案例。同濟大學、青島理工大學及德國達姆斯塔特IWAR研究所聯合提出“半集中式處理”概念，先導試驗工程已在青島市應用示范（見圖3）。

圖3基于污水源分離的區域性分質供排水和資源化工程案例

0 4

城鎮社區雨水綜合利用（Recover）

雨水綜合利用可節水、削減面源污染、控制內澇。國外雨水利用實踐由來已久，區別于單一分散住宅的雨水利用裝置，國外大規模系統化的城市雨水收集利用始于20世紀80年代美國馬里蘭州進行的低影響開發（LID）建設。與分散住宅相比較，社區規模的雨水收集系統在環境改善、經濟利益和住戶滿意度等方面均有優勢。國外典型雨水收集系統的節水效率見表1。

表1 國外有關城市社區雨水收集系統的節水效率

Russell等通過美國2700個已建雨水收集系統的分析比較，確認收水材料、蓄水池材料尺寸以及雨水用途是確定節水效能的關鍵因素。Magnus等分析了澳大利亞墨爾本477個雨水收集系統的運行情況，指出雨水收集系統良好運轉的關鍵在于施工質量與日常維護。近年來國外相關的研究多集中于雨水系統模型優化決策和雨水存蓄期間的水質變化及終端利用前的深度凈化技術。例如，Aysha等采用基于HEC-HMS的層次分析法(AHP)研究了孟加拉吉大港市南安格班德社區的雨水收集系統，結果表明設計合理的雨水收集可以削減26%的降雨，并常年替代20L/(人•d)的供水消耗，模型研究結果為雨水收集系統建設提供了技術決策；John等人研究了城市雨水存蓄期間混凝劑和氧化還原條件對懸浮物顆粒穩定性的影響，對收集雨水的水質提升具有參考意義。從國外有關城市社區雨水收集利用的實踐經驗來看，建筑類型、密度和居住人口決定綜合節水效率，收水、轉輸管道及蓄水池材料影響雨水處理技術的選擇。

國內系統化城市社區雨水利用實踐始于2006年，建設部為推進城市水資源利用頒布了《建筑與小區雨水利用工程技術規范》（GB50400—2006），之后國家在2010年啟動的城市內澇防治和2013年開始的海綿城市建設中，均將城市雨水綜合利用列為重要建設內容。國內早期與城市雨水利用相關的研究，主要集中研究屋面及道路的雨水徑流污染特征和產流特征進行了監測分析。從已有的研究來看，目前城鎮社區雨水處理多以綠地截污和土壤下滲為主，雨水存蓄期間的水質變化缺乏系統研究，尚無存蓄前后高效節能的初期雨水分流和作為補充水資源的強化處理技術；雨水利用多集中在生態補水、綠化灌溉和下滲補給，雨水的飲用處理及規模化的自來水替代未見報道；蓄水設施多采用鋼筋混凝土和塑料模型構件，對不同工程地質條件的針對性不強；同時，由于雨水pH值較低，水質偏軟，在存儲輸配過程中極有可能造成管網、設施腐蝕，由此造成的水質穩定性降低、微生物滋生等問題尚未得到全面闡述；社區雨水利用的模式、能耗等方面缺乏系統數據的技術支撐。

綜上，有必要對我國城鎮社區雨水綜合利用的模式與系統開展研究，探索社區規模雨水利用的途徑和雨水水質處理技術，并進行規模化城鎮雨水利用工程示范，為全面實現城鎮節水目標提供技術依據。

0 5

城鎮生活雜用水水質保障與安全供水(Reuse)

開發利用非傳統水源（再生水、雨水等）是全世界節水的重點工作，在美國、日本、以色列等發達國家已有幾十年的歷史，其在水質標準、監督機制、金融制度、技術規范等方面已經形成了較為成熟且完整的體系。我國非傳統水源利用起步晚，且在非傳統水源利用技術、管理、政策方面缺乏有效的指導與引導，導致非傳統水源的應用發展緩慢。據統計，國內再生水利用率僅占污水處理量的10%左右，遠低于發達國家70%的利用率。

與再生水相比，雨水受污染程度較低，經簡單沉淀后可直接用于回灌地下水、澆灌綠地或營造水景觀。然而作為雜用水源的雨水水量穩定性差，尤其是干旱季節或干旱地區，單靠雨水難以保證雜用水量。而再生水是經過處理的污水，水源穩定，其與雨水結合共同替代傳統水資源有利于解決水資源短缺導致的水資源危機。然而再生水處理成本相對雨水較高，其亦可能在利用過程中由于復雜的水質條件而引起土壤結構退化、污染含水層以及危害人體健康等問題。目前國內關于城鎮生活雜用水的研究大多針對城市污水再生回用中微生物和化學安全性進行評價，關于再生水中的毒性化學污染物、重金屬、病原微生物的水質標準尚未建立，再生水的處理技術也處于初始研究階段，制約了城鎮生活雜用水技術系統的推廣應用。

為保障城鎮生活雜用水安全，國內外研究者們針對再生水的風險評估和水質保障方面進行了大量研究。Nurizzo等研究了再生水經次氯酸鈉、過氧酸、紫外線照射等方法消毒過程中產生消毒副產物的問題，發現過氧酸和紫外線照射沒有明顯導致消毒副產物的增加，即使TOC濃度很高的情況下，也只觀察到低濃度的醛和鹵代烴的生成。Tajima等研究了再生水處理系統的病原微生物行為，發現用砂濾+絮凝沉淀工藝可以降低似隱孢菌素的傳染風險，同時研究了再生水中病原微生物的標準，指出大腸菌群并不適合作為再生水的細菌指標，因此必須建立新的細菌和病毒的檢測方法。Park等采用泥炭生物過濾器和間歇式氯化消毒可有效減少致病微生物和基因從而保證回用水的安全。Weber和Khan等認為除微生物以外，再生水中的化學污染物也應受到足夠重視，但對于具體的水質，應根據常規的污染物控制指標，采用危險源辨識、風險評估、劑量反應關系的特性和風險特征，來描述對人體健康影響的可接受程度。何星海等對北京市再生水中氯仿等19種主要污染物的健康風險進行了定量評價，結果表明用于公園綠化灌溉和道路清掃的再生水對職業人群致癌的總危險度為8.47×10-6，是對非職業人群致癌總危險度的兩倍多。而劉克明等在城市回用水中檢測出各種多環芳烴等毒性化學污染物，并且通過Ames試驗發現城市回用水處理后有機污染物并未完全去除，仍具有致突變作用。楊軍等通過土柱模擬試驗研究認為以北京市當前的再生水進行灌溉，As、Cu、Pb對淺層地下水的污染風險不大。張薛等分析了使用指示噬菌體間接檢測病毒的可行性，總結了常用指示噬菌體（SC噬菌體和F-噬菌體）的幾種檢測方法。胡洪營等研究認為，在各種病原微生物中，隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲在污水再生水中數量較高，是引起水傳播疾病最主要的原因。仇付國等報道了回用污水用于城市綠化時，細菌和病毒對人體健康風險評價的基本理論和評價方法。

結合目前研究現狀，城鎮生活雜用水的水質保障和安全供給尚需解決一系列瓶頸問題，如確定不同水源水質的關鍵污染因子，研究水質差異對應的水質保障技術，探索雜用水在儲存和輸配過程中的水質變化規律并提出水質保障及安全供給策略。這些瓶頸問題的解決將為城鎮生活雜用水的水質標準及技術指南奠定理論基礎，為節水技術的應用推廣提供技術支持。

0 6

城鎮生活“5R”節水技術體系

綜上所述，城鎮生活“5R”節水技術體系應包括以下幾個方面：①開發超低用水量的真空便器、無水氣沖便器、智能計量沐浴系統等節水器具并推廣使用，實現用水量減少（Reduce）；②采用污水源分離系統，實現黑水的能量回收和灰水資源的多用途回用（Resource，Recycle）；③開發雨水收集、處理和貯存技術體系，實現水資源回收（Recover）；④對原城鎮排水系統污水處理廠出水與中水進行水質調控，提出保證不同用水水質的安全回用（Reuse）技術。對以上技術進行集成與綜合節水定量評價，形成節水綜合管理和決策系統。技術體系示意圖見圖4。

圖4城鎮生活“5R”節水技術體系

根據此技術體系，針對城鎮生活不同用水對象和用水特征，從節流、開源、管理三個層面，開展引入負壓排水的城鎮生活用水超低用水量節水器具的研發、標準化和產業化；開展基于生活污水灰黑源分離的半集中式分質供排水綜合節水技術研究與集成應用；開展基于城鎮社區雨污水綜合利用的節水技術研究與集成應用；開展基于非常規水源的城鎮生活雜用水水質保障與安全供水技術研究與集成應用；研究城鎮生活用水綜合節水管理模式，開發決策系統，將是今后的研究重點。

0 7

結語

城鎮生活“5R”節水技術體系從“節水”“開源”“可持續利用”及綜合管理四個層面構建了城鎮生活綜合節水途徑，以高效節水器具開發、分類收集及互聯輸送技術、生活污水源分離及資源化利用技術、雨水高效利用技術、非傳統水源安全回用水質保障技術研發和綜合節水管理系統構建為主線開展研究，可解決城鎮生活用水多水源多用戶的水量平衡和水質轉化關系等科學問題，對緩解水資源危機、減輕環境污染、促進經濟和社會持續發展具有重要意義。

來源： 本文刊登于《中國給水排水》2019年第2期：城鎮生活用水新型節水“5R”技術體系，作者王紅武，張健，陳洪斌，畢學軍，夏四清

該文標準引用格式：

王紅武，張健，陳洪斌，等.城鎮生活用水新型節水“5R”技術體系［J］.中國給水排水，2019,35（2）：11-17.

Wang Hongwu，Zhang Jian，Chen Hongbin，et al.A novel “5R” technology system for urban domestic water saving［J］.China Water ＆ Wastewater，2019,35（2）：11-17(in Chinese).

編輯：丁彩娟

制作：文凱