為了服務(wù)更多水行業(yè)技術(shù)人員，《凈水技術(shù)》雜志社以我國(guó)一線水行業(yè)技術(shù)工作者對(duì)最新科研成果與動(dòng)態(tài)的求知需求為出發(fā)，按主題的形式對(duì)過(guò)去一年周期內(nèi)的最新SCI文獻(xiàn)成果進(jìn)行梳理，力求通過(guò)專(zhuān)題式的信息為廣大讀者提供更為聚焦的幫助。
　　美國(guó)《科學(xué)引文索引》（Science Citation Index, 簡(jiǎn)稱(chēng) SCI ）于1957 年由美國(guó)科學(xué)信息研究所（Institute for Scientific Information, 簡(jiǎn)稱(chēng) ISI）在美國(guó)費(fèi)城創(chuàng)辦，是由美國(guó)科學(xué)信息研究所（ISI）1961 年創(chuàng)辦出版的引文數(shù)據(jù)庫(kù)。SCI（科學(xué)引文索引）與EI（工程索引）、ISTP（科技會(huì)議錄索引）被并稱(chēng)為世界著名的三大科技文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)。
　　水的再利用在全世界范圍內(nèi)都是一種有效的選擇，可以節(jié)約水資源，減少排放處理過(guò)的廢水對(duì)環(huán)境的影響，降低水資源管理的成本和能耗。由于這些優(yōu)勢(shì)，飲用水和非飲用水的再利用已在世界各地得到實(shí)施。
　　日本氣候濕潤(rùn)溫和，年平均降水量為1，718毫米，約為世界平均水平(810毫米)的兩倍,然而，由于降雨量的季節(jié)性變化和陸地面積小，河流迅速流向海洋，日本的人均水資源量(約3300立方米/年)不到世界平均水平(約7800立方米/年)的一半。淡水供應(yīng)不足給水資源管理帶來(lái)了困難的挑戰(zhàn)，此外，日本還面臨嚴(yán)重的干旱。為了克服這些情況，開(kāi)始在主要城市地區(qū)實(shí)施水的回收和再利用。除了水資源短缺，環(huán)境保護(hù)和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害也是日本水資源再利用的主要驅(qū)動(dòng)力。
　　歷 史
　　日本的水再利用歷史始于20世紀(jì)80年代，以應(yīng)對(duì)快速城市化和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)導(dǎo)致的嚴(yán)重干旱和水需求增加。自那時(shí)以來(lái)，非飲用水再利用，特別是城市水再利用，已在日本逐步實(shí)施。水資源再利用的歷史分為三個(gè)階段。
　　第一階段:廁所沖洗和景觀灌溉
　　第一個(gè)區(qū)域水再利用計(jì)劃在1978年經(jīng)歷嚴(yán)重干旱的福岡市實(shí)施。干旱期間，供水被限制了287天。為了解決這個(gè)問(wèn)題，福岡市政府開(kāi)始通過(guò)促進(jìn)安裝水循環(huán)設(shè)施來(lái)處理沖廁所和景觀灌溉的廢水，與市民一起建立一個(gè)“節(jié)水城市”。
　　市政府有效加強(qiáng)了水資源回收設(shè)施，以滿足再生水用戶(hù)的需求：隨著對(duì)再生水需求的增加，容量逐漸擴(kuò)大，并通過(guò)整合混凝、砂濾、預(yù)過(guò)濾、臭氧化和氯化工藝，逐步提高再生水的質(zhì)量。1989年，再生水供應(yīng)擴(kuò)展到市中心的大型建筑，1995年擴(kuò)展到商業(yè)區(qū)。為了應(yīng)對(duì)1994年的另一次嚴(yán)重干旱，2003年在托布污水處理廠新建了第二個(gè)水回收設(shè)施。市政府在2003年頒布了一項(xiàng)法令，要求建筑業(yè)主安裝水回收設(shè)施。水再利用項(xiàng)目由國(guó)家補(bǔ)貼和再生水用戶(hù)的再生水費(fèi)率管理。東京還在20世紀(jì)80年代在新宿西區(qū)啟動(dòng)了一個(gè)水資源再利用項(xiàng)目，在那里啟動(dòng)了一個(gè)巨大的城市再開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

　為了在區(qū)域范圍內(nèi)促進(jìn)水的再利用，福岡市政府和東京都政府要求在建筑面積超過(guò)5000平方米(福岡)或10000平方米(東京)的建筑中使用再生水或雨水進(jìn)行廁所沖洗和綠化帶灌溉。因此，在東京新宿、新川和東京灣地區(qū)實(shí)施了區(qū)域規(guī)模的水再利用。然而，區(qū)域范圍內(nèi)的水再利用僅限于這三個(gè)領(lǐng)域。由于東京其他地區(qū)的業(yè)主無(wú)法利用區(qū)域水再利用計(jì)劃，他們需要安裝利用灰水和/或雨水的獨(dú)立回收系統(tǒng)或雨水收集系統(tǒng)。


　第2階段: 溪流流量增加和娛樂(lè)應(yīng)用
　　20世紀(jì)80年代中期，城市地區(qū)的河流流量增加開(kāi)始引起關(guān)注。由于城市化和水?dāng)z入量的增加，東京城市溪流的水流量急劇減少。為了滿足市民對(duì)恢復(fù)溪流的需求，東京都政府開(kāi)始使用再生水作為干涸溪流的替代水源。1984年至1989年期間，在東京的三條灌溉渠道中實(shí)施了增加溪流流量的措施，方法是從WWTP的田川縣排放再生水，通過(guò)砂濾和臭氧化處理二級(jí)出水。1995年，奧恰伊WWTP經(jīng)砂濾處理的再生水也開(kāi)始排入三條城市河流。這些水資源再利用項(xiàng)目成功地恢復(fù)了干涸溪流中的水流。
　　第3階段: 多用途應(yīng)用
　　在第3階段，水的再利用被用于城鎮(zhèn)的多用途和應(yīng)急水資源。由于污水溫度比大氣溫度更穩(wěn)定，當(dāng)再生水用作熱源/散熱器時(shí)，熱泵系統(tǒng)的效率得到提高。在干旱事件中，再生水在大多數(shù)情況下用于道路清潔和綠化帶灌溉。在日本，除了城市應(yīng)用之外，再生水還用于各種目的，如工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水。
　　日本水資源再利用的挑戰(zhàn)
　　雖然日本從20世紀(jì)80年代開(kāi)始發(fā)展中水回用，但中水的利用仍然有限。2016年污水處理廠外的再生水消耗量為2.1億立方米/年，僅占產(chǎn)生廢水總量的1.3%。此外，只有176個(gè)污水處理廠有水回收設(shè)施，僅占日本總污水處理廠的8%。日本再生水利用有限可能有兩個(gè)原因。第一個(gè)可能的障礙是再生水缺乏足夠全面的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)障礙是與飲用水等常規(guī)供水相比，再生水的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力較低。雖然一些水回收設(shè)施的單位能耗類(lèi)似于飲用水供應(yīng)設(shè)施，但大多數(shù)水回收設(shè)施比飲用水供應(yīng)設(shè)施消耗更多的能量。為了促進(jìn)日本的水再利用，有必要提供安全的再生水，并降低水回收設(shè)施的成本/能耗。

　　沖繩島中水回用項(xiàng)目
　　沖繩主島(沖繩島)是日本缺水最嚴(yán)重的地區(qū)之一，為了解決水資源短缺問(wèn)題，沖繩中央政府制定了獨(dú)特的水資源管理戰(zhàn)略，修建了水壩、地下水壩、海水淡化廠和水資源回收設(shè)施。自1980年以來(lái)，該島北部已經(jīng)修建了11座大壩，此外，1997年建造了一座海水淡化廠，以防干旱，大壩和海水淡化廠的供水可以滿足城市用水需求。然而，環(huán)境問(wèn)題阻礙了北部大壩的進(jìn)一步建設(shè)，那里是幾種瀕危物種的棲息地。由于11座水壩無(wú)法為該島南部的農(nóng)業(yè)區(qū)穩(wěn)定供水，2000年在最南部地區(qū)建造了兩座地下水壩。然而，這些大壩在其他地區(qū)不可用，因?yàn)榈叵麓髩沃荒茉诘刭|(zhì)和土壤因素合適的地方建造。
　　中水作為中南部地區(qū)的替代水資源開(kāi)始受到關(guān)注，該地區(qū)的五個(gè)廢水處理廠每天排放27萬(wàn)立方米的處理廢水。該市啟動(dòng)了一個(gè)大型水資源回收項(xiàng)目，用于城市和農(nóng)業(yè)用水的再利用。再生水也應(yīng)該作為灌溉水供應(yīng)給25平方公里的農(nóng)田。然而，由于高昂的水費(fèi)和公眾對(duì)再生水安全的擔(dān)憂，農(nóng)業(yè)用水再利用項(xiàng)目于2005年暫停。2012年，伊藤曼市的一個(gè)污水處理廠重新啟動(dòng)了農(nóng)業(yè)用水再利用項(xiàng)目，該污水處理廠比納哈WWTP更靠近農(nóng)田，提供了更具成本效益的水再利用。在該項(xiàng)目中，超濾膜被認(rèn)為是一種更具成本效益的回收工藝，并在中試規(guī)模上評(píng)估了超濾膜對(duì)病毒的去除性能。

　　伊藤曼市除了農(nóng)業(yè)灌溉用水外，高爾夫球場(chǎng)和其他體育設(shè)施對(duì)工業(yè)用水和灌溉用水的需求也在不斷增加。在伊藤曼市利用再生水進(jìn)行工業(yè)活動(dòng)和其他應(yīng)用有三個(gè)優(yōu)點(diǎn):1)它允許再生水的有效利用，2)它滿足了對(duì)工業(yè)用水日益增長(zhǎng)的需求以及3)它減少了需要儲(chǔ)存在大壩中的水量，這些大壩是沖繩島自來(lái)水供應(yīng)的重要水庫(kù)。由于夏季灌溉需求最大，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水的需求季節(jié)性波動(dòng)，如果水質(zhì)可以接受，剩余的再生水可以用于工業(yè)活動(dòng)和其他應(yīng)用。此外，利用現(xiàn)有工業(yè)用水管道進(jìn)行中水供應(yīng)，中水回用業(yè)務(wù)在經(jīng)濟(jì)上是可行的，并節(jié)省了管道建設(shè)成本。這個(gè)水再利用項(xiàng)目基于一個(gè)新概念，可以是一個(gè)創(chuàng)新的水再利用商業(yè)模式。
　　未來(lái)發(fā)展
　　為了進(jìn)一步降低成本和能耗，需要?jiǎng)?chuàng)新的回收技術(shù)。日本學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和私營(yíng)公司的研究小組一直在開(kāi)發(fā)有前途的水再利用技術(shù)，盡管其中一些仍處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的開(kāi)發(fā)階段。例如，創(chuàng)新的臭氧氣體發(fā)生器可以在臭氧產(chǎn)生過(guò)程中產(chǎn)生劇烈的變化，其中氧自由基的損失被抑制。臭氧氣體產(chǎn)生效率的提高可以顯著降低臭氧化系統(tǒng)的能耗。光催化陶瓷膜工藝也在開(kāi)發(fā)中，用于水過(guò)濾和氧化。光催化材料，特別是二氧化鈦，能夠在紫外線輻射下產(chǎn)生高活性氧化劑，如羥基自由基，從而有效分解水中的有機(jī)污染物。研究小組一直在評(píng)估涂有二氧化鈦的多孔陶瓷膜在紫外發(fā)光二極管輻射下去除廢水中藥物和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品的性能。與單一紫外或紫外/二氧化鈦系統(tǒng)相比，該工藝已被證明可為某些聚苯硫醚提供更高的去除率。關(guān)于反滲透膜，開(kāi)發(fā)高抗氯和抗污染的膜是高能效水回收的優(yōu)先研究領(lǐng)域。在這方面，通過(guò)將納米材料如碳納米管混合到聚酰胺膜中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出堅(jiān)固的反滲透膜。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的試驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的聚酰胺膜相比，所開(kāi)發(fā)的堅(jiān)固的碳膜具有更高的滲透性、耐氯性和耐污染性。最近，已經(jīng)開(kāi)始了中試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估使用螺旋纏繞膜元件的新型膜的操作和去除性能。
　　除了成本和能源問(wèn)題，新出現(xiàn)的挑戰(zhàn)是水再利用中的抗微生物細(xì)菌(ARB)和抗微生物基因(ARGs)問(wèn)題?？刂七@些問(wèn)題的困難來(lái)自于ARB和arg的縱向和橫向轉(zhuǎn)移。再生水的接受程度、再生過(guò)程的控制技術(shù)和管道是水再利用的下一個(gè)重大挑戰(zhàn)。在不久的將來(lái)，將評(píng)估有希望的工藝的適用性，以控制和盡量減少再生水中ARGs的風(fēng)險(xiǎn)。