再生水利用工程产生生态环境效益研究

2017-03-15 05:24:28 13

  解决水资源短缺是当下及未来人类面临的最严重挑战之一,许多国家和地区开始探寻更有效的水资源利用方法,包括更广泛的接受使用非常规水源,如海水淡化和远距离引水,污水再生利用,雨水收集回用等. 相比之下, 污水回收再利用以其投资少、 建设时间短、 水源可靠和效果容易迅速实现的特点[1]而具有重要意义. 城镇污水再生利用可充分利用城镇污水资源,提升我国城镇水资源综合利用效率和水平,推动资源节约型和环境友好型社会的建设,是一种环境友好技术[2],符合可持续发展的理念. Bixio等[3]提出再生水利用必须符合环境,社会文化和经济发展的需要. 北京作为我国的首都和全国政治、 文化中心,特殊的战略地位以及建设现代化国际大都市的目标对北京水资源保障提出了更高要求. 而水资源的严峻形势也迫使北京市政府作出战略应对,再生水利用日益变得重要,2010年北京市再生水利用达6.8亿m3,占城市水资源供应的20%[4].

  再生水利用工程具有较强的外部经济性. 然而大多数情况,由此产生的环境效益因其不具有市场价值而难以量化. 尽管如此要论证再生水工程的经济可行性,评价这些环境效益的货币价值是必需的. 根据经济理论采用基于市场关联假设的经济评估法,把非市场效益和市场效益组合起来考虑,才可以对水资源管理进行平衡的评估,进而形成高效和可持续的水资源管理. 傅遐龄[5]结合一个南方车辆段的实例,认为应从多方面入手,系统、 全面地评估再生水回用的效益; 吕立宏[6]对再生水利用工程规划的实施建设所带来的经济效益、 社会效益做了简单的定性分析; 李健[7]结合海河流域再生水的利用现状,分析了再生水利用的经济效益; 王国友等[8]结合重庆市的实际情况分析了该市再生水回用的环境经济效益,在假设的基础上对再生水回用改变水循环的环境经济效益进行了较为全面的分析. 多数估值研究目的是为政策决策者提供支持,但很少把生态环境价值考虑进评估体系. 针对再生水利用带来的无形的巨大生态环境效益常被忽略这种情况[9],本研究借助机会成本法分析了再生水利用产生的非市场、 非货币形式的生态环境效益,通过计算再生水回用工程中输出的隐蔽价值来对生态环境效益量化评价[10],以期为推动再生水利用提供理论依据. 1 研究方法

  再生水利用会产生一系列经济,社会和生态环境效益,本研究主要考虑再生水利用带来的生态环境收益,包括为生态系统提供资源的效益、 避免环境损失的收益(减少污水排放)、 环境质量提高的效益、 人体健康损失、 地下水补给与污染效益和土壤效益等. 依据以上信息,本研究构建了再生水利用效益分析理论框架与方法,并以北京市为例估算了再生水利用工程产生的生态环境效益.

  1.1 再生水利用生态环境效益分析

  再生水利用产生的资源效益可使用再生水替代新鲜水和节省肥料产生的市场价值直接评价; 再生水利用产生的环境效益、 人体健康效益、 地下水的效益,采用机会成本法分析; 研究表明再生水灌溉对土壤产生的效益受气候、 土壤、 植被等多种因素影响,具有很大的不确定性,一方面再生水中的营养物质可在一定程度上改善土壤健康状况,另一方其有害物质如盐、 重金属等在土壤中累积,其正负效益大致相当[11,12],本研究不做分析.

  (1)再生水的资源效益 由于再生水回用于冲厕,绿化等用途,节省了相当量的自来水; 用于农业灌溉,则提供了肥料. 这部分效益可用式(1)计算:

  式中,B11为节省自来水的价值; Tp,i为i种用途自来水的价格; Wp,i为相应的再生水价格; Qi为再生水第i种用途的用量; B12为提供肥料的价值; Qirr为再生水灌溉量; Cf为再生水中肥料f的含量; Pf为肥料f的价格.

  (2)再生水利用的环境效益 主要包括减少污水排放的效益,当地环境改善的效益.

  ①污水减排效益. 污水排放会带来环境负外部性,实施再生水利用工程阻止污水排入城市水体可避免这一负外部性而产生效益. 为了定量评价减少污水排放的效益,可以用节省的排污费替代这部分效益,国家环保部规定了排污费征收标准及计算方法[13]:

  式中,φi为单位污染当量的排污费; ρi为污染物i的浓度; Q为再生水总量; ni为污染物i的污染当量值; x为污染物的种类数.

  ②环境改善效益. 当地环境改善的收益从两方面获得,一方面阻止了污水排放造成的环境污染,另一方面由于使用再生水增加了绿化覆盖面,补给了人工池塘、 湖泊,改善了当地居民生存环境. 分别计算这两方面收益非常困难,可以作为一个整体收益考虑,等价于再生水中污染物没有进入收集处理系统,直接排放造成环境污染,要去除这些污染物的花费[14]. 通过机会成本法[15],这部分收益可用式(3)表示:

  式中,hi为去除单位质量污染物i的花费.

  (3)人体健康效益 再生水利用于市政、 绿化、 园林补给,携带的病原微生物会以气溶胶形式传播,或直接接触人体,增加了人体接触病原的几率,增加致病几率. 因而这部分收益是负的,根据胡大锵[16]的研究,健康损失用式(4)计算:

  式中,Lt为某种疾病第t年水污染健康损失; P0为计算基年的人口数,这里按一年间北京市暴露于公园等景观水体的人数计算; m为计算期; λ为当地人口的自然增长率; T为因水污染造成的发病天数占年工作天数的比例; D为当地一个人的生命价值,可采用人的工作年龄范围内的当地人均国内生产总值之和代替; y为患者的年治疗费用; ft为因水污染造成的第t年的发病率; A为因水污染造成的死亡人数.

  (4)再生水对地下水的效益 这部分效益分为两个方面——污染地下水和补给地下水,再生水长期灌溉,下渗污染地下水,造成负面效益,可用治理污染费用替代计算. 再生水补给地下水的效益可用地下水含水层产水量的价值计算. 再生水对地下水影响的效益可用下式计算:

  式中,Qd是下渗进入地下水的再生水量; C是再生水中N的含量; k是再生水中N淋溶到地下水的比例; l是地下水开采的比重; r是地下水中氨氮的去除率; P是氨氮的单位去除成本; Qr是用于补给地下水的再生水量; V是地下水资源费.

  再生水利用的总效益为:

  1.2 案例分析 本研究选取了北京市2010年再生水回用工程,开展其再生水利用生态环境效益的评估. 北京市2010年再生水年利用量达6.8亿m3,置换了大量清洁水源. 其中工业领域利用再生水1.4亿m3,农业领域利用再生水3亿m3,城市市政杂用方面利用再生水0.3亿m3,河湖水系等环境用水方面用水2.1亿m3[17]. 通过文献资料收集相关数据,对本研究中定义的再生水效益进行逐项评估. 2 结果与讨论

  2.1 资源效益

  不同再生水用途其水肥资源收益不同. 表 1总结了北京市2010年再生水各种用途提供资源的收益. 基于水价差和再生水利用量,从工业,市政杂用和环境方面节省自来水的收益分别为7.29、 1.44和0.672亿元人民币(表 1). 鉴于农业灌溉的实际情况,在再生水用于农业灌溉节省的效益中本研究只考虑节省的提水费. 在北京大约有36 700 hm2再生水灌溉区域,根据实地调查,每年抽取地下水用作农业灌溉的动力成本大约是600元 ·hm-2,农业用再生水的起升高度为2~3 m,平均2.5 m,而平均地下水位深度是22.9 m[4],再生水替代地下水使用于农业可减少89%的动力消耗,这部分收益为0.195 8亿元. 根据式(1)把4种类型的再生水节水收益(农业利用为节省动力)综合起来,总效益B11为9.601 8亿元.

  表 1 2010年再生水各种用途的提供水资源收益

  再生水中含有N、 P等营养元素,用于农业灌溉可减少作物对肥料的需求. 依据北京市水源六厂的三级处理出水水质,N、 P的平均浓度是14.71 mg ·L-1和1.53 mg ·L-1[18]. 因此,2010年北京市再生水灌溉可提供约4 413 t氮和459 t磷,相当于9 593 t尿素和7 009 t过磷酸钙. 每吨尿素和过磷酸钙市场价格是2 300元和478元,因而,再生水节省肥料的收益B12是0.254 1亿元人民币.

  2.2 环境效益 2.2.1 污水减排的效益

  污水排放减少导致的收益可以通过计算相应减少的排污费来代替. 按照我国实行的排污费征收办法[13],对向水体排放污染物的,按照排放污染物的种类、 数量以污染当量计征污水排污费,每一污染当量征收标准[式(2)中的φi]为0.7元. 排放污染物的污染当量值参照环保部规定(表 2),冯运玲等[19]对北京的再生水厂进行了调查,确定了出水中污染物的浓度[式(2)中的ρi,见表 3],于是再生水中各种污染物的污染当量[式(2)中的ni]就可以相应地获得. 在征收污水排污费时按污染当量数从多到少的顺序取其前3项,故对本研究来说,只考虑SS、 COD和NH+4-N. 根据式(3)得出减少污水排放的收益是0.339亿元.

  表 2 2010年北京再生水的污染当量

  表 3 污染物去除成本参数  

  2.2.2 环境质量改善的效益

  环境质量改善的收益可通过机会成本法获取[式(3)],即环境质量提高的总收益B22等同于污染控制和环境修复的花费,计算参数见表 3,其中计算单位质量污染物的去除成本hi取自李俊奇等[20]的研究,污染物i的浓度ρi取自冯运玲等[19]的研究. 据以上相关信息,环境质量改善的收益估算为3.52亿人民币.

  2.3 人体健康效益

  人体健康效益表现为再生水中致病物质通过直接或间接途径引起人体急慢性疾病,人患病后治疗和休养所需的治疗费、 工时损失费和死亡的经济损失,其效益可通过式(4)进行估算. 北京市一年暴露于公园湖泊等景观水体的人数为200万人次[21]. 2010年全市医疗机构平均住院日为13.7 d,加上门诊天数和休养时间,发病天数取15 d. 工作天数取250 d,则因水污染造成的发病天数占年工作天数的比例[式(4)中的T]为0.06,计算期是1 a,人口的增长则不用考虑了. 北京市一个人的生命价值[式(4)中的D]可采用人的工作年龄范围内的人均国内生产总值之和代替,2010年北京人均GDP为80 000元,工作年限是35 a,则D值为280万元. 根据统计信息[22,23],患者的年治疗费用y约为1.21万元,因水污染造成的第t年的发病率ft取1%,因水污染造成的死亡人数A取10(表 4). 根据以上相关信息,再生水利用产生的负面人体健康效益约是-3.66亿元.

  表 4 评价2010年北京再生水利用对健康影响的参数

  2.4 地下水影响的效益

  2.4.1 地下水污染的效益

  只有农业灌溉、 园林绿化和补给河湖的再生水才向地下下渗,故再生水利用对地下水的影响只考虑这些方面. 再生水中的N进入地下水造成水质下降的损失等价于恢复水质的成本,可通过式(5)进行计算. 2010年北京市农业灌溉、 园林绿化和补给河湖的再生水量Qd为5.1亿m3,平均N浓度为14.71 mg ·L-1[18],再生水中共有7 502 t的N. 根据文献[24],大约1%的N(75.02 t)会下渗入地下水中. 如果每年地下水产量l的55%被提取为市民供水[25],含水层中41.26 t的N将被去除. 李烨等[26]发现北京的地下水总氮中氨氮超标率为24.1%~62.0%,那么平均43%抽出地下水中的N即17.74 t需要被除去以达到饮用水质量标准,17.74 t的N等价于22.81 t NH+4-N,NH+4-N的去除成本P是23.82元 ·kg-1. 由式(5)得出地下水污染的效益为-54.3万元.

  2.4.2 地下水补给的效益

  北京地区大部分是不透水层,补给条件不太理想,水下移很少见. 北京供水重要来源的永定河沿西北地质断层线流动,是北京盆地地下水主要的补给区. 据统计资料每年有1.2亿m3的再生水供给永定河[27],其中地下水补给量大约为1.0亿m3[28],则每年向地下补给水量为1亿m3,地下水使用的平均收费为2元 ·m-3,故地下水补给的效益为2亿元.

  2.5 生态环境总效益

  综上计算得出2010年北京再生水利用带来的生态环境效益为12.0亿元,其中再生水替代新鲜水的资源效益占比最大,环境改善效益和地下水补给收益也较大,其余效益较小或为负(见表 5). 再生水利用的生态环境效益是1.76元 ·m-3,大约为售水收入的1.8倍(北京市再生水价格为1元 ·m-3). 生态环境效益对推动再生水利用提供了额外的刺激. 在另一方面,再生水利用造成对公众健康的负效益(健康损失为3.66亿元)不容忽视,它往往成为阻碍再生水利用工程实施的最大障碍.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  表 5 再生水效益 1)

  3 结论

  (1)北京市2010年再生水利用量达6.8亿m3,用于农业、 工业,生态景观,市政杂用等各个行业或部门,减少了对常规水资源供给的负荷,减少了环境污染负荷,产生了资源效益以及其它生态环境效益. 本研究以北京市为例对再生水利用的生态环境效益进行了系统分析,包括提供资源效益、 环境改善效益、 再生水对公众健康的效益及地下水的效益. 结果表明,再生水利用带来的巨大生态环境效益达12.0亿元,为其直接售水经济收益的1.8倍,其中资源效益占据最大比重,说明再生水的首当属性是资源属性; 环境效益也非常明显,说明再生水是环境友好型技术; 地下水的效益也相当可观,说明再生水可作为地下水的稳定补给源; 对人体的效益为负说明需提高再生水的暴露风险管理水平.

  (2)本研究探索构建了再生水利用生态环境效益的评价体系. 再生水利用对生态环境产生一系列的正面或负面的影响,需引入机会成本法才可量化评价这些非市场的效益,并对生态环境效益的计算考虑到了资源稀缺和环境污染这些重大典型的外部性问题. 研究发现再生水利用是一项符合可持续发展的重大举措. 再生水工程的实施必须要考虑到再生水利用所带来的外部性即生态环境效益,北京市的再生水利用可以为其他城市再生水利用事业发展提供参考.(来源及作者:中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室 范育鹏、陈卫平)

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