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浅谈日本的水资源管理与水处理工艺 Discussion on Japan's water resources management and treatment

水资源,作为人类赖以生存的条件之一,不仅与自然生态环境的可持续性息息相关,还与人口,粮食,卫生,防灾和安全保障等各种社会问题有着广泛而密切的联系。

存在于中国的水危机主要有水资源不足和水质污染问题。在高速的经济增长和庞大的人口基数的背景下,我国人均水资源下降到世界平均值的四分之一。多数城市都出现了供水不足的问题,在我国661个城市中,有400多个城市存在着水资源不足的问题,其中约有100个城市处于供水严重不足的状态,无法保证居民用水需求和工业生产需要。另一方面,近年来由于湖泊藻类污染、突发性化学污染事件等引发的水源地水质问题已在国内造成多起大规模供水危机。


日本的水资源现状

日本国土面积约37.78万平方千米,大部分地区处于降水丰富的亚洲季风带,年降水量约为6,400亿立方米(1981年至2010年的平均值),是世界平均数的2倍,约为中国降水量的2.6倍。尽管如此,由于日本地形比较险峻,南北狭长,中部又有脊梁山脉,主要河流的长度较短,河道狭窄且坡度大。同时,降雨多集中于梅雨期和台风季节,降水量季节性偏大,河流流量变化也大。因此,丰富的降水量并没有给日本带来水资源上的优势。日本的水资源赋存量,即可供人使用的最大限度的水资源量仅为3,200立方米/人/年,不足世界平均值的二分之一。

另一方面,日本的年总用水量(按取水量计算)约为809亿立方米(2011年值),仅相当于平均水资源赋存量的五分之一。约有3000亿立方米以上的水资源未被开发利用,而是直接流入大海或是形成为地下水。按用途统计,城市生活用水约为152亿立方米/年,工业用水约为113亿立方米/年,农业用水545亿立方米/年。其中,江河水约占取水总量的89%,地下水仅占取水总量的11%(如图1所示)。

近年,全球气候变化也对日本的水资源的利用产生了很大的影响。降水量逐年减少且变动幅度增大,导致干旱和洪涝的风险增加。气温上升造成积雪量减少,融雪期提前。特别对给水资源依赖融雪水的日本东北部造成了较大影响,导致需水期的江河水流量减少,造成供水不足。同时,海平面上升使滨海沿岸地区的地下水盐化,给水资源的利用造成了很大的困难和威胁。

图1: 日本的水資源賦存量和利用量(来源: 国土交通省2014日本水资源白书P.59)

另一种与淡水资源不足并驾齐驱的水危机则是水质污染问题,在日本部分地区同样存在着这类问题。如东京等几座大城市,由于生活污水的排放等原因,河流水质受到了一些影响。农村地区由于生活废水排入河中,导致农业用的灌溉水渠出现不同程度的水质恶化现象。许多靠近城市的湖泊的COD(化学氧需求量)环境达标率依然处于较低的水准,一些湖泊由于富营养化导致藻类大量繁殖,给用水和水环境都带来影响。


水资源的管理制度与法律体系

尽管与中国一样,日本各地同样存在着各种水资源不足与水质污染问题,但早在上个世纪,日本就致力于水资源问题的缓解,至今已形成了较完备的水资源管理制度和相关法律体系。

首先,日本政府对水资源问题十分重视,重大水资源政策以及相关法律的出台都由内阁会议和总理大臣亲自审定。日本早在1896年就制定了《河川法》,以后根据情况的发展变化进行了多次修改,并陆续制定了诸如《水资源开发促进法》、《下水道法》和《水质污浊防止法》等数十部法律法规。

水资源管理的实行以国土交通省为主,环境省和农林水产省等相关部门协同配合。其中,国土交通省主要负责水资源方面长期的根本性、综合性政策、法规的策划、立项推行等相关工作以及河流管理、治水工程和下水道的监理。环境省则主要负责水质监测及河川流域的水质保护。厚生劳动省负责上水道(即通常所说的自来水)相关工程的监督及协调管理。农林水产省和经济产业省则分别负责农业用水和工业用水的管理及相关基础设施的建设。

近年,日本政府正在积极推进“综合水资源管理”的管理体系。即以水循环的基本流域为单位,从江河上游至海岸,从地表水到地下水进行整体把握;对于可利用的水资源量及所面临的课题进行综合考虑;是一种地方政府、居民和企业等共同参与的管理体系。其具体内容主要包括五个方面:①水资源设施的建设、运用和维护。包括现存设施的改造和维护;水资源设施利用效率的提高;新设施的建设;灾害及水质污染事件发生时的危机管理;水利能源的活用。②流域的保护。主要有流域内水循环的保全和水源地的保护。③水量水质的一体化管理。在有需求地区以低成本、低能耗来确保必要的水质和水量。④水资源的合理配置和高效利用。包括雨水利用及污水再生利用的推进。⑤地下水的保护和活用。


日本的水处理工艺及使用案例

日本成功的水资源管理还与其先进的水处理工艺密不可分,其中尤为突出的是膜技术在水处理方面的应用。日本的膜处理技术在世界处于领先地位,在水处理用膜的供给市场中,日本的生产量约占全球的60%。目前被广泛应用的膜技术主要有微滤膜(MF膜)、超滤膜(UF膜)、纳滤膜(NF膜)及反渗透膜(RO膜)。其中,反渗透法为如今海水淡化的主力,而日本在RO膜的生产份额高达全球市场的70%。此外,MF膜与UF膜也在饮用水处理及污水再生处理方面有着广泛运用。以下通过日本的两则案例,我们可以了解到,日本在其水处理中不仅活用了世界领先的膜技术,并且在膜过滤系统的设计上充分考虑了高效节能的因素。


(1)海水淡化案例

日本的九州福冈市由于淡水资源不足,经历了多次供水危机。福冈都市圈内的水需求量为每日60万立方米,而该区域的供水自给能力只占需求量的三分之二。为了提高其供水自给率,该市将其目标转向丰富的海水资源中,于2005年6月起正式启动海水淡化事业。目前,福冈海中道奈多海水淡化中心为日本最大规模的海水淡化设施,其最大生产能力为每日5万立方米。

福冈海水淡化中心主要采用的水处理技术即为反渗透技术。位于640米的近海区域水深约11.5米的海底,铺设了宽度约2万平方米的取水管,采用渗透取水方式进行取水,不仅利用了天然的沙层过滤方式,同时也避免了海浪的影响及对渔业及船舶运输的妨碍。并且,通过利用海面与工厂取水口的水位差,用于取水的动力消耗几乎为零。被取用的海水通过该中心的螺旋形UF膜的前处理工艺,被除去微生物及极细微粒子,再通过高压RO膜及螺旋形RO膜的处理获得符合一定标准的淡水水质。而浓缩海水中的压力则被作为能源进行回收,作为高压RO泵的动力再次使用,充分实现了高效循环的能源利用。

图2:福冈海中道奈多海水淡化中心


(2)饮用水高度净水案例

东京都羽村市,位于东京都心以西约45千米处,其水源全部为地下水,由于水质良好,该市历来仅通过氯消毒来供给自来水。然而,地下水中存在着一种氯消毒无法杀灭的寄生虫(隐孢子虫),由此而引发的饮用水污染事件在周边地区屡屡发生,因此羽村市于2004年引进了高度净水设施。

该高度净水设施于2004年4月正式运行,每日的最大处理量为3万立方米,能为6万人供给2万7500立方米安全干净的自来水。在深井中的地下水由原水槽被抽取上来后,利用10m水柱的自身压力使地下水经由大孔径的MF膜过滤,将其中的隐孢子虫完全去除。该大孔径MF膜是专门为去除隐孢子虫(直径为5.0微米)而设计的产品,其标准孔径为2.0微米,与一般的MF膜(0.1-0.2微米)相比起来孔径较大,由此便可以通过水柱的自身压力来进行过滤,而无需另外使用抽水泵,是一种精巧的节能设计。

如此,通过完备的管理制度与先进的处理技术相结合,日本在水资源管理上拥有其独特的优越性。中国在缓解如今日益严重的水危机方面,不仅可以借鉴日本经过多年摸索的管理制度,也可以引进其先进的工艺技术及设计理念,实现节水节能、可持续发展的供水体系。