互动科普

水的重生：从污水到饮用水

如果我们能克服心理上的反感，处理后的污水或许可以成为最安全，也是最环保的自来水水源。

撰文 奥利芙 · 赫弗南（Olive Heffernan） 翻译 解跃峰

我轻松完成了这项任务，辨别出三种液体依次为：自来水，传统污水处理厂处理过的循环水（recycled wastewater），以及在该厂经过深度处理后的厕所废水（一般称再生水）。让人惊讶的是，我非常想尝试面前这瓶经过处理的污水，但是却不能喝。“我们不能喝处理后的水，也禁止游客品尝。”这次参观的向导马尔西·A·施泰雷尔（Marsi A. Steirer）严肃地说，他是圣迭戈市公用事业局的副主任，负责运营这座工厂。

这种情况也许很快就会得到改善。由施泰雷尔负责的先进水净化装置项目（Advanced Water Purification Facility，AWPF）已经持续运行了6年，该项目于2013年完成。项目显示，当地生活污水经过深度处理后，不仅比现有饮用水更加洁净，而且AWPF装置获取淡水的成本要低于其他途径（如海水淡化）。对于圣迭戈市而言，如果政府监管机构批准这项计划，水处理工艺将产生质的飞跃。

整个圣迭戈市90%的水资源需要从外部引进，城市东部的水源引自科罗拉多河，北部的水源引自萨克拉门托—圣华金河三角洲。但这两处水源都已濒临枯竭，圣迭戈市在未来10年的引水成本将会翻倍。污水再利用可以满足圣迭戈市40%的日常用水需求；同时，改进的污水处理工艺也有更深层的意义，它将结束该市把简单处理后的废水直接排入海洋的历史。

但是，我们仍需面对一个问题，并不是每个人都愿意喝处理后的污水。这种“令人反感的心理作用”使圣迭戈市在上世纪90年代末启动的类似计划流产，而且在2004年，一项民意调查显示，63%的居民仍然反对污水回用。在澳大利亚，许多类似的提议也遭到了同样的命运，都被直言不讳的民间团体否决。劳伦斯·琼斯（Laurence Jones）是澳大利亚民间团体“公民反对饮用污水”（Citizens Against Drinking Sewage）的创始人，他说，“我们只知道污水已经被100%污染了”，他还质疑来自家庭住宅、工业、医院和屠宰场的污水是否可以得到彻底净化。

然而，随着旱情加重，沿海居民增加，圣迭戈市居民的态度经历了一次令人意想不到的转变。目前，约有四分之三的公民同意将厕所污水进行深度处理，但附带的条件是：当污水经过深度处理后，必须先排入水库进行高度稀释，经过进一步净化后，才能输送到每家每户。

这个流程叫做饮用水间接回用，AWPF水厂目前是这一废水回用途径的试验场地，运营人员其实更希望采取另一种途径——饮用水直接回用。也就是，通过高规格的工艺使污水高度净化，净化的水能直接输送到每家每户的水龙头中。然而，许多居民无法接受这种途径的最后一个环节。“还是把处理后的水排入水库更合适，”梅甘·贝伦斯（Megan Baehrens）说。贝伦斯是海岸守护者（Coastkeeper）组织的执行董事，这家位于圣迭戈市的非营利组织一直致力于该市的水资源保护事业，在推动项目实施的过程中起到了关键作用。

加利福尼亚州的监管机构将决定，是采用饮用水间接回用，还是直接回用。一旦敲定，这项决定将影响圣迭戈市和州内其他地区所采用的技术流程。在美国，加利福尼亚州以最严格的环境法规而著称。专家认为，如果饮用水直接回用在加利福尼亚州被认可，这一流程将很快应用于世界上其他缺水的城市。“加利福尼亚州影响着全球的环境决策，在污水处理领域，它也会起到同样的作用，”亚利桑那大学国际水专家沙恩· 斯奈德 （Shane Snyder）说。

比饮用水更干净

圣迭戈市的试验设备成了所有人关注的焦点。虽然这座水厂每天能生产近4 000立方米的再生水，出厂的水质也能达到饮用标准，但这些水却被用于灌溉附近的托里松林高尔夫球场（Torry Pines Golf Course）和墓地。施泰雷尔希望在未来的5~10年内，能将水厂的产能扩大10倍。默认方案是将深度处理后的水，排入当地的圣维森特水库（San Vicente Reservoir）进行稀释；经过一系列消毒处理后，再输送到居民家中。如果监管机构允许，也可以将水厂处理后的水直接输送到居民家中——这将是备选方案。

但是，目前的监管制度还不够完善，还无法让公众信任上述任何一种方案。水厂必须想办法让消费者克服自身心理上的反感，最重要的是，必须要让人们相信，处理后的水足够干净。迄今为止，已有众多不同身份的游客参观过AWPF水厂，其中包括母亲、女童子军 （Girl Scouts，美国学校的课外组织，是美国最大的女孩团体）、医生、官员等4 000余人。对于饮用经过处理的水，大多数人都会质疑这种水的安全性，而这种担心并非无本之木。在大多数城市中，即使饮用水经过了常规处理，每年仍有1 900万美国人由于水中的病毒、细菌和寄生虫感染疾病，超过900人甚至因此丧生。

说服民众的方法之一，是确保经过深度处理后的水比目前的自来水更干净。讽刺的是，在参观过程中，游客认识到深度处理后的水确实比他们的自来水干净得多。因为绝大多数人喝的都是“下游”水——上游城市会将经过标准处理后的污水直接排放到河流或湖泊中，而下游城市会直接将这些河流或湖泊里的水作为饮用水水源。明显，把这样的水用作饮用水并不够干净。“密西西比河的水在到达新奥尔良之前已经被使用过了5次，”加利福利亚大学戴维斯分校的国际水专家乔治·乔巴诺格劳斯（George Tchobanoglous）解释说。然而，人们却还总是想着要让污水处理厂供出的水比常规市政供水达到更高的标准才行。

施泰雷尔提到，目前在圣迭戈市中，经深度处理的污水确实比常规自来水厂供应的水更“干净”。此外，加利福尼亚大学伯克利分校的工程学教授戴维·斯达拉克（David Sedlak）认为，在水库或地下蓄水层储存处理后的水也有风险。比如，鸭子或其他动物的排泄物可能污染水库，岩石中的砷也会渗入到地下蓄水层。斯达拉克说：“有人主张，我们应该直接回用处理过的水，从而避免类似的风险。”

美国饮用水的常规处理工艺是，通过两到三个步骤去除悬浮固体，再进行氯消毒。将有气味的污水转化为清洁的饮用水需要不同的工艺。AWPF水厂处理的水，是已经在北城污水回收厂（North City Water Reclamation Plant）经过初步处理后的污水，AWPF将运用更先进的处理工艺做进一步净化。

AWPF在处理水时，第一道工艺是微滤，微滤需要使用的设备是一根大管子。Trussell技术公司的总裁沙恩·特鲁塞尔（Shane Trussell）说，每根管子里含有9 000根意大利面一样的纤维，每根纤维上都布满了微孔，这些微孔的直径不足头发的1/300。污水受到压力，通过微孔时，纤维就会过滤掉水体中的病毒、细菌、原生动物与悬浮固体。

随后，水会在高压下，进入更小的纤维管道，这个过程就是反渗透（reverse osmosis）。这道工艺可以去除水中残留的溶解性颗粒，比如化学物质、病毒、药物等，这些颗粒的大小，甚至不到最小细菌的1/10 000。AWPF最后一道处理工艺是氧化：工作人员会将水放置在一些大缸中，让它们与少量高浓度的过氧化氢混合，然后运用紫外线消毒。这个阶段可破坏所有残余的污染物，让污染物的含量净化到每升1皮克（1皮克为10-12克）的水平，相当于在数百个奥运游泳池中，加入了一滴污染物。

每天，有4 000立方米废水进入AWPF水厂，其中80%的水会通过所有处理工艺，达到瓶装水的优秀水质。如果处理厂拥有间接回用的许可证，这些水完全可以输送至水库。但目前，在加利福尼亚州，这些水只能通过路边的紫色市政管道，向该区提供灌溉和工业用水。剩余20%的水会送到当地的污水处理厂进行处理。在经过净化的水中，常见的剩余物质有咖啡因、洗涤剂与糖精，但这些物质在净化水中的含量非常低，不会造成任何伤害。而且，相对于引进水每升600毫克的含盐量，净化水的含盐量相当低，每升只有20毫克。

去年4月，特鲁赛尔和工程师们为净水过程增加了新的工艺，能使处理后的水更加洁净。他们用臭氧，对经过前期处理的水做进一步处理，好让水中99.9999%的微生物都能被去除。同时，他们也会通过特殊的过滤工艺，再次降低水中有机物含量。如果获得成功，这项工艺足以让监管机构相信，没必要把处理后的水再输送到水库中稀释。特鲁塞尔说，“我们永远不可能说我们已经去除了水中的每一个病原体，”但处理后的水质已经远远超出了美国国家和所有州政府的饮用水标准。事实上，在未经过新工艺处理前，这些水已经符合甚至超过许多水质检测标准了。

让用户接受

在感性面前，理性不一定总能占上风。直接回用净化水需要克服心理上的抗拒感。许多人更愿意考虑间接回用，部分原因是，把处理后的水重新放回水库或储水层中，能在一定程度上消除人们的反感心理——至少我们喝的水是来自水库，而不是污水。

对于已经成功推行净化水间接回用的社区，或许有好的范例，让我们学会如何让公众更好接受经过净化的水。20世纪90年代末，加利福尼亚州圣迭戈市以北90千米的奥兰治县面临着供水不足的问题，当地快速增长的人口和日益减少的水资源形成了巨大的矛盾，日益增加的引水成本也是当地政府需要面对的一大难题。2008年，该县声称拥有世界上最大的污水回用装置，可以有效补给当地地下水，为饮用水提供保障。这些装置每天可处理污水20多万立方米，相当于当地20%的用水量。加利福尼亚州的其他城市也开始用处理后的水补给饮用水，但补给的比例都低于奥兰治县。在圣何塞市，有一座耗资6 800万美元的先进污水处理厂，该厂在今年6月开始运行，计划每天为硅谷提供3万立方米左右的再生水。虽然这些处理后的污水已达到饮用水标准，但目前看来，仍然只能用于灌溉农场和高尔夫球场，或作为工业用水。

无论在圣迭戈市还是在奥兰治县，都会有挑剔的居民反对这类计划，奥兰治县的反对人数曾经一度高达70%左右。当然，经过一系列非常有效的公关活动之后，在污水处理厂开始修建时，这一计划已经得到了整个社区居民的支持。公关活动的负责人罗恩·维尔德穆特（Ron Wildermuth）说，在向社区居民推广前，当地工作人员已经收集到该县连续7年的水质数据。接着，他们又花了10年时间，向每一位居民说明这一计划，并邀请人们饮用这种处理后的水。

奥兰治县的成功为圣迭戈市污水回用项目的开展奠定了基础。施泰雷尔说，“奥兰治县的污水回用项目证明了间接回用是安全可行的，如果没有这个过程，污水直接回用根本不可能实现”。圣迭戈市基本采用了奥兰治县的饮用水间接回用技术。但是，圣迭戈市还是希望直接回用，因为这个地方没有用于储存净化水的天然地下储水层。美国乃至全世界很多城市都存在类似的情况，所以圣迭戈市将成为一块试验地。

澳大利亚的经验则是一个反面教材，借此可以告诉我们，面对公众质疑，哪些做法是错误的。新南威尔士大学的水管理专家斯图尔特·卡恩（Stuart Khan）认为，澳大利亚污水回用计划让人失望。一些省份已经禁止饮用再生水（reclaimed water），而且在一些容易遭受旱灾的城市（例如布里斯班和墨尔本），水资源再利用计划已经在公众的反对声中流产。卡恩认为，澳大利亚政府所犯的错误，是在一个错误的时间迫使公众接受再生水。他感叹道，“到了事情已经无法挽救时，我们才认识到，等待是很愚蠢的事情。”卡恩说这话的意思是，澳大利亚政府的作为，让公众觉得是政府在强迫自己接受令他们感到不适的东西。

卡恩还说，和公众交流水资源的问题越早越好，现在正是公关的最佳时机，因为澳大利亚的水供应情况已经有所缓和，在此期间可以争取到更多的时间与公众展开讨论。而且，一个水资源回用系统已经可以使用。在2006年的干旱高峰期，澳大利亚在西部走廊建立了一个水资源回用项目，耗资23亿美元，起初目的是为工业、农业和日常生活提供用水。该项目计划将水储存到威文霍大坝（Wivenhoe Dam），这个水坝是布里斯班市内和周围地区大部分饮用水的水源。回用项目能把周围6个污水处理厂的废水收集起来，再输送到3个水处理厂进行深度处理。

然而，在2008到2010年水资源回用系统投入运行期间，该地区再没有出现干旱危机，而回用计划只有在储备水量下降到总容量的40%时才会启用。目前，处理过的污水仅用于当地的工业生产。卡恩和许多澳大利亚水专家都认为，应该将项目中的一个深度处理厂改造为直接回用处理厂，借此为布里斯班市增加35%的供水量。

如果昆士兰州政府采纳了该计划，他们将会在南半球建立世界上最大的直接回用处理厂。虽然在目前情况下，官员和公众更容易被说服，但就像奥兰治县一样，他们仍需要更多的时间和信息来考量这一计划。

昆士兰州政府或许会为美国再生水研究基金会（WateReuse Research Foundation）在去年发表的一篇报道大受鼓舞。在一项调查中，基金会的研究人员向不同性别、年龄和教育水平的加利福尼亚州人和澳大利亚人展示了四种不同的饮用水方案。第一个方案是现在的水源，用承纳污水排放的河水作为饮用水水源；第二个方案是将经过污水处理厂深度净化后的水输送至水库，然后通过自来水厂进行进一步处理；第三个方案是将深度净化后的污水直接排入河流；最后一个方案类似直接回用，即把深度净化后的水直接输送给用户，不用水库和水处理厂的额外处理。不论性别和教育水平，参与这项调查的人都认为，直接回用是最安全的，而目前使用的处理方案（第一方案）安全系数最低。

无比重要的尝试

明确告诉公众，除了回用废水和污水，没有其他方法可以解决水资源缺乏问题，也是说服公众的一个方法。在纳米比亚，这种方法就成功了。纳米比亚是世界唯一一个直接大规模供应再生水的国家。回溯至1957年，几次旱灾使温得和克市 （纳米比亚首都）的地下水急剧减少，基本只能维持8周的城市供水，而这个地方距离海岸约300千米，距离最近的一条常年河流也有800多千米，且没有其他可靠的水源。1968年，温得和克市建立了一座可以直接回用污水的处理厂，并且全面投入使用。现在，在温得和克市，25%的自来水来自处理后的污水。

在温得和克市，公众的质疑要比圣迭戈市少得多。管理回用设施的佩特鲁斯·杜皮萨尼（Petrus du Pisani）说：“当时并没有公民运动组织，居民可能有疑虑，但他们别无选择。”在20世纪60年代末，“那时的人们对科学和政府都充满了信心。”尽管如此，他们也邀请了当地居民品尝这些处理后的水。杜皮萨尼说，“现在大家已经接受饮用再生水了。”

但是，纳米比亚的这套设施难以在其他地方推广。尽管采用了多级处理工艺，但设施中并没有用到反渗透工艺，而这种工艺在圣迭戈市及奥兰治县的污水处理过程中至关重要。纳米比亚的官员也说他们的水很安全，完全达到了世界卫生组织的水质标准。

温得和克市地处内陆，因此很难处置反渗透技术产生的大量废盐水。而且在20世纪60年代时，“废水中几乎没有人造化学物质，当时我们主要关注肥皂和发泡剂，”杜皮萨尼说。而缺乏反渗透技术的缺点之一是，水中的盐度含量较高，导致水的味道发咸。

杜皮萨尼说，温得和克市会在2020年添加小型反渗透装置来除盐。他还说，全世界的饮用水标准都在迅速推陈出新，纳米比亚也不例外，温得和克市的设施已经跟不上时代发展。反渗透会产生大量废盐水，消耗大量能源，使得污水直接回用的费用过高，而不能在其他城市使用。相反，一些正在开发的新型水处理技术能减少废盐水和其他废料的产生。间接回用和脱盐也需要用到反渗透技术，但比起直接回用，间接回用更节省能源，因为前者需要附加管道和能源来传送水。

干旱已经严重影响了美国的多个地区，它们面临着和温得和克市一样的命运。得克萨斯州大泉市多年来降雨量极少；新墨西哥州的克劳德克洛福特小镇在周末和节假日里，用水量都会加倍增长，他们一直靠远距离运输缓解用水压力。从去年起，这两个地方开始使用深度净化的污水来填补饮用水空缺。而这两个地区都没有合适的水库和地下储水层长期储水。克劳德克洛福特镇只好将净化后的污水与井水或泉水混合，在水池中短暂蓄存后送往自来水厂，然后再输送到各家各户。在大泉市，他们会将远处一个小型水库的水和净化后的污水混合处理。这些途径避免了再生水的分类，有些人认为这是直接回用，也有人认为这是间接回用。

为未来找水

圣迭戈市暂时还没有陷入严重的用水困境，所以一些专家认为应该考虑采用其他替代方案。水专家及太平洋研究所（Pacific Institute）的主席彼得·格雷克（Peter Gleick）对水资源再利用表示出了足够的兴趣，但他认为，想让加利福尼亚州采用直接回用技术，还需要几十年的时间。他说：“这里还没有必须使用再生水的紧迫感”。格雷克认为，加利福尼亚的各个城市应该更关注节约用水，以及如何优化农业用水。尤其是农业，占该州用水总量的80%左右。但贝伦斯觉得，圣迭戈市的公民已经在节约用水方面做得很好了，“我们不会长时间洗浴，只在早晚凉快的时候才浇灌花草”。施泰雷尔也说，节约用水是自愿行动，很难依赖它来制定用水规划。

在废水处理技术方面打好基础是明智之举。2000年，新加坡启动了第一个新生水（NEWater）处理厂。现在正在运行的四个水处理厂都非常出色，能生产出地球上最纯净的再生水。这些水在出厂前，都会排入当地水库，与未净化的水混合——其中只有不到5%的再生水会用作饮用水，其余的水都会用于工业生产。新加坡40%的水来自邻国马来西亚。如果和马来西亚关系恶化，新加坡能生产更多再生水。

一些社区可能担心净化废水的费用太高。圣迭戈市的研究表明，对于间接回用设施，如果每天生产5.7万立方米的净化水，成本约为每立方米1.63美元，和一些城市从外地引水的成本相当。如果利用前面提到的AWPF技术来生产直接再生水，成本在每立方米0.57~0.98美元之间。目前，圣迭戈市附近的卡尔斯巴德市正在建波塞冬（Poseidon）海水淡化厂，相关工作人员估算，该厂淡化海水的成本为每立方米1.52~1.70美元。但是，一个独立机构估计，加利福尼亚州淡化海水的成本为每立方米1.63~2.44美元，实际成本可能比这个数字更多。

无论AWPF有没有为直接回用或者间接回用亮起绿灯，它能在圣迭戈市实施就已经算是一次胜利了。水资源回用将成为当地可靠的水源供给方式，能减少直接排向海洋的污水，还能为当地节省数十亿美元的污水处理厂改造费。在直接回用之前，这些水还是会通过管道运输到工业区，紫色的管道上也会清楚地写着“禁止饮用”。

圣迭戈市有机会引领世界，让我们重新思考如何去看待和使用污水。乔巴诺格劳斯说：“水是一种可重复利用的资源，而不是废料的来源”。一旦意识到这一点，政府将像私人企业一样尝试利用它。“可能还需要十年的时间，才能让加利福尼亚州有对应的法律条文，才能让圣迭戈市将再生水直接输向当地居民的水管。“我们希望喝到这种水，也希望让大家来品尝它，”施泰雷尔说，他非常期待将来能有机会喝上一杯再生水。

本文译者 解跃峰是美国宾夕法尼亚州立大学教授、清华大学环境学院教授，主要研究去除水中消毒副产物和微量有机污染物的有效方式。