再生水安全保障方法與技術的國內外研究進展

1、再生水安全保障方法與技術的國內外研究進展摘要：再生水回用對于解決我國水資源短缺問題具有重要的現(xiàn)實意義。然而，由于我國再生水利用安全保障體系的不完善，目前，在污水再生利用中尚存在一些安全性問題。本文從再生水安全消毒技術、有毒有害物質控制技術、氮磷深度去除技術、儲存與輸配過程中的水質劣化控制技術、以及利用過程中的風險產生機制與控制技術這五個方面綜述了污水再生處理過程中的水質安全保障技術，并結合鄭州再生水地表回灌示范工程詳細交代了再生水在實際工程中的應用。關鍵詞：再生水；水質安全；保障技術；工程實例1. 前言我國是一個嚴重缺水的國家，水資源短缺已經成為制約社會與經濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。與雨水等

2、其他非常規(guī)水資源相比，城市污水水量穩(wěn)定，基本不受季節(jié)、雨旱季等的影響，是一種水質變化幅度小，可穩(wěn)定供應的非常規(guī)水源，其再生利用是解決水資源短缺問題的有效途徑。再生水應該與地表水、地下水、雨水等共同納入水資源綜合調配和管理體系，需要采取有效措施，促進再生水的安全、科學、高效利用。但是，我國在污水再生利用方面還面臨著許多亟待解決的問題，特別是安全保障問題。目前，我國再生水利用安全保障體系尚不完善，在污水再生利用實踐中也出現(xiàn)了一些安全性問題，人們對再生水仍然存在諸多疑慮。再生水利用面臨的安全問題主要有水質安全、水量保障和事故防范，其中水質安全（包括對人體健康的影響、對生態(tài)環(huán)境的影響和對生產安全的影響

3、）是保障再生水利用安全的關鍵。事故防范是再生水管網工程施工以及日常管理中需要高度關注的問題。2. 污水再生處理過程中的水質安全保障技術再生水安全消毒技術、有毒有害物質控制技術、氮磷深度去除技術、儲存與輸配過程中的水質劣化控制技術、以及利用過程中的風險產生機制與控制技術是污水再生處理系統(tǒng)保障再生水水質安全的重要技術發(fā)展需求1。2.1 再生水安全消毒技術與工藝國內外有關飲用水消毒的研究有較長的歷史，但有關再生水消毒的研究起步較晚，特別是關于再生水消毒風險的研究遠遠不夠。再生水消毒有其自身的技術特點和要求，其對微生物殺滅作用和規(guī)律與飲用水消毒相比存在明顯差別。飲用水消毒方面的研究成果和經驗能為污水消

4、毒提供有益的參考，但不能直接指導再生水消毒實踐。因此，系統(tǒng)深入開展再生水領域面臨的重要課題。目前再生水常用的消毒方法主要包括氯消毒、二氧化氯消毒、紫外線消毒、紫外線消毒等。這些方法雖能殺滅常見病原微生物，但均存在一定問題。如氯消毒技術對隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲的滅活效果較差2，紫外線消毒可有效滅活隱孢子和賈第鞭毛蟲3，但是被紫外線滅活的細菌（病原菌），在光照或黑暗條件下可以修復紫外線造成的損傷，重新獲得活性（稱“光復活”和“暗修復”），從而引起二次健康風險4。近期研究發(fā)現(xiàn)，紫外線/氯、過氧乙酸/紫外線等組合消毒工藝、高劑量紫外線消毒技術可有效抑制病原菌紫外線消毒后的復活5。相關的再生水紫外線消毒中

5、病原菌的復活及控制技術仍有待進一步研究。近年來新型的病原微生物不斷出現(xiàn)，尤其是高風險病原病毒的屢次流行6，給再生水利用的安全保障提出了更高的要求，現(xiàn)有的單一消毒技術已不能滿足高風險病原微生物和抗性病原微生物的控制，通過優(yōu)勢互補的組合消毒工藝對病原微生物的聯(lián)合控制技術研究還很不系統(tǒng)，有待進一步開展。再生水在氯消毒過程中常產生有毒有害消毒副產物，造成一定的水質風險。如何解決病原微生物滅活與消毒副產物生成的矛盾，是再生水消毒實踐中面臨的重要問題之一7。目前，對飲用水消毒副產物研究已經比較深入，但對再生水消毒副產物及生物毒性的生成研究則剛剛起步。我國研究人員就再生水氯消毒過程中典型消毒副產物、生物毒性

6、變化規(guī)律及其影響因素展開了探索研究，發(fā)現(xiàn)高氨氮條件下的氯消毒使再生水三鹵甲烷等典型消毒副產物顯著降低，但遺傳毒性卻顯著升高，存在典型消毒副產物和生物毒性效應變化規(guī)律不同的現(xiàn)象8。目前，污水/再生水氯消毒過程中典型消毒副產物（三鹵甲烷、鹵乙酸等）的生成規(guī)律及生物毒性變化研究正在逐步開展。但總的來說，再生水消毒工藝典型消毒副產物及生物毒性變化規(guī)律的相關研究還不夠系統(tǒng)，新興高毒性消毒副產物如二甲基亞硝胺（NDMA）等的生成規(guī)律研究還很少，再生水消毒后高生物毒性消毒副產物甄別研究尚未開展，消毒副產物所引發(fā)的健康風險尚不得知，針對高毒性副產物的控制技術研究有待深入開展。2.2 再生水有毒有害物質控制技術

7、國內外現(xiàn)有的再生水處理技術與工藝主要針對SS、COD、色度等常規(guī)污染指標的控制，以有機物總量控制為目標的再生水處理工藝還不能保證再生水的水質安全。近年來，針對特定有毒有害物質的去除研究受到關注9。但再生水中有毒物質組成十分復雜，僅對特定有毒有害化學物質進行評價和去除，難以有效保障再生水水質安全，以綜合生物毒性削減為目標的再生水處理技術研究有待加強。再生水有毒物質去除技術主要采用過濾、吸附、化學氧化、生物降解等手段，但每一種處理手段都有其優(yōu)勢和局限性，單一的技術難以高效去除所有有毒有害物質，只有通過優(yōu)勢互補的組合處理工藝才能有效控制再生水中的有毒有害物質。目前尚未系統(tǒng)研究和形成針對再生水中有毒有

8、害物質及其生物毒性控制的技術體系，在再生水有毒有害物質風險削減與控制方面尚缺乏相應的基礎性技術支撐。2.3 再生水氮磷深度去除技術面對我國北方地區(qū)嚴重缺水，城市景觀與生態(tài)用水得不到保證的嚴峻現(xiàn)實，綜合考慮安全性、經濟性和操作性等多種因素，在眾多的再生水利用途徑中，景觀與生態(tài)利用將占主要地位。目前，北京市奧運公園水系、高碑店湖、昆玉河、南護城河、龍?zhí)逗⑻杖煌ず人w已經開始使用再生水進行補水。天津、青島、合肥等城市亦逐步將再生水回用于已干涸的景觀河道、湖泊，再生水回用于景觀水體的規(guī)模正不斷擴大。然而，由于現(xiàn)行再生水景觀利用水質標準中的水質指標的局限性，達到再生水景觀利用水質標準的再生水中仍含有

9、較高濃度的氮、磷等營養(yǎng)物質。城市污水經二級生物處理后仍含有較高濃度的氮、磷等營養(yǎng)物質。例如，污水處理廠按城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB 18918-2002)執(zhí)行一級A標準時，其總氮和總磷濃度分別不高于15 mg/L和0.5 mg/L，但該濃度水平顯著高于水體富營養(yǎng)化狀態(tài)定義中的氮磷濃度10。含有高濃度營養(yǎng)物質的再生水回用于城市環(huán)境與景觀水體，存在爆發(fā)水華、影響生態(tài)安全的風險。因此，對再生水中氮、磷等營養(yǎng)物質進行深度去除，保障再生水利用的生態(tài)安全是城市污水再生利用的重要課題。二級處理出水具有低碳高氮的特點，水中有機物濃度低，無法提供足夠的電子供體用于硝酸鹽氮的反硝化。目前，反硝化生物濾池等

10、工藝已逐步應用于深度脫氮，其常添加乙酸鈉、甲醇等作為電子供體11?；陔娮庸w添加的硝酸鹽氮去除工藝研究還有待進一步開展。近期研究表明，微藻可高效去除硝酸鹽氮等營養(yǎng)物質12，其具有去除氮磷無需投加外部碳源、細胞利用潛力大（生物柴油等）、去除氮磷的同時可固定CO2、能源（太陽光）充足、處理出水中含有豐富溶解氧等優(yōu)點。目前，微藻深度脫氮除磷工藝研究受到高度關注，高效脫氮除磷藻種的篩選、脫氮除磷藻光生物反應器的開發(fā)、藻細胞利用研究正逐步開展。2.4 再生水儲存與輸配過程中的水質劣化控制技術經過深度處理后的再生水中仍含有一定的有機物和微生物（包括病原微生物），在儲存、管網輸配過程中容易發(fā)生水質劣化，威

11、脅再生水的水質安全性。由于再生水中有機物（包括可同化有機碳）的含量仍明顯高于飲用水，這些有機物一方面可以作為微生物生長的營養(yǎng)物質；另一方面還會加快水中余氯的消耗，從而促進再生水儲存、輸配過程中微生物（包括病原微生物）的生長。僅僅控制再生水廠出水的水質，并不能保障再生水用戶端的水質安全，因此需要高度重視再生水儲存與輸配過程中水質安全保障技術的研發(fā)。2.5 再生水利用過程中的風險產生機制與控制技術處理后的再生水中仍然含有一定濃度的氮、磷等植物營養(yǎng)物質，因此回用于環(huán)境和景觀水體存在爆發(fā)水華、影響生態(tài)安全的風險。城市環(huán)境與景觀水體實質上是受人工高度調控維持的生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)系統(tǒng)結構和功能及其演變過程與

12、補充水源有關，而當再生水作為補給水源時，水質的變化規(guī)律更加復雜。目前，再生水水質條件下的藻類生長與水華爆發(fā)規(guī)律研究開始受到關注，楊佳等13采用藻類生長潛力評價再生水回用于環(huán)境與景觀水體時的水華風險，研究表明超濾、活性炭吸附等再生水處理工藝對水華藻銅綠微囊藻的生長沒有影響，難以保障再生水回用于環(huán)境與景觀水體的生態(tài)安全。因此，有必要研究有害藻類生長控制技術，開發(fā)再生水環(huán)境與景觀水體維護與保障關鍵技術和組合工藝，以保證再生水環(huán)境與景觀利用的生態(tài)安全。3. 鄭州再生水地表回灌示范工程14鄭州再生水回灌工程場地位于鄭州市東北城郊金水區(qū)祭城鄉(xiāng)北錄莊村北，鄭州漁場東南。賈魯河流經場地西部，其上游河段有幾個污

13、水處理場出水排入該河?；毓喙こ蹋扇斯竦?、水處理、回灌和監(jiān)測等部分組成。由賈魯河引水通過人工濕地初步凈化，隨后將濕地末端出水引入水處理系統(tǒng)進一步凈化，使其達到再生水地表回灌標準后通過地表回灌系統(tǒng)回灌補給地下水?；毓嗟牡叵滤ㄟ^回采井或魚塘水井回采。示范工程運行期為2009年7月2010年11月。3.1 人工濕地工程人工濕地工程主要由進水、強化凈化池、一級濕地、二級濕地構成。用提水泵將賈魯河污水送至強化凈水池凈化，再分別進入一、二級濕地，最后匯入低位蓄水池，通過提水泵引入水處理系統(tǒng)，多余的水抽排至排水渠返回賈魯河。一級濕地由挺水植物組成，包括狹葉香蒲、荊三棱和茭草。二級濕地由沉水植物、浮水植物

14、和挺水植物組成；沉水植物有大茨藻、狐尾澡，浮葉植物有壅菜，挺水植物有西伯利亞鳶尾和水生美人蕉。秋季在二級濕地增種了沉水植物黑藻。冬季，一級濕地增種了菹草，二級濕地增種了菹草和伊樂藻。2010年春季，二級濕地壅菜被蓮藕替換。3.2 水處理系統(tǒng)示范工程水處理系統(tǒng)包括混凝沉淀、過濾、吸附、消毒4個單元。每個處理環(huán)節(jié)均布設了采樣監(jiān)測點。過濾和吸附達到飽和后，采用氣沖與水沖相結合的方式反沖洗，氣沖和水沖各5 min左右交替進行，多次循環(huán)直至反沖洗水澄清為止。示范工程水處理系統(tǒng)污水處理能力為13 m3/h。每日監(jiān)測進水、混凝沉淀、過濾、吸附、消毒等環(huán)節(jié)的水質。3.3 再生水回灌及監(jiān)測系統(tǒng)回灌系統(tǒng)主要有輸水

15、管網、灌水控制閥門、水表及回采抽水井等部分組成。為防止回灌場地SAT系統(tǒng)堵塞，共設計了4塊回灌田輪流回灌。監(jiān)測系統(tǒng)包括不同深度監(jiān)測取樣井孔17眼、包氣帶水分Trime監(jiān)測剖面4個、包氣帶土壤水取樣器11個，以及簡易氣象站。監(jiān)測內容包括回灌水量、包氣帶含水量、不同深度地下水水位等。氣象觀測包括降水、蒸發(fā)、濕度、最高、最低氣溫等。水質監(jiān)測項目為城市污水再生利用 地下水回灌水質(GB/T 19772-2005)中規(guī)定的21個基本控制項目與52個選擇性控制項目。3.4 水處理各個環(huán)節(jié)及整體凈化效果運行期水處理各環(huán)節(jié)及整體凈化效果較好。監(jiān)測結果表明，濕地出水或水處理進水的氯化物(Cl-)、硫酸鹽(SO4

16、2-)、硝酸鹽(NO3-)、濁度和TP已低于回灌水質中的地面回灌標準限值。經過水處理后出水的濁度和TP遠低于標準限值。在水處理各個環(huán)節(jié)pH值和電導率變化不大。與進水相比，出水IMn有明顯降低。賈魯河水經濕地和水處理工藝凈化后水質總體達到地下水回灌水質中的地表回灌標準要求。監(jiān)測數(shù)據表明，水處理出水的濁度、pH值、硫酸鹽、氯化物、陰離子表面活性劑、COD（或IMn）、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、總磷、氰化物、硫化物和糞大腸菌群等各項指標均達到或低于城市污水再生利用 地下水回灌水質(GB/T 19772-2005)地表回灌標準限值要求。鄭州示范場地水處理進水濁度均低于10 NTU。雖然進水COD小于40

17、 mg/L，但是經過水處理系統(tǒng)處理后，有機物含量仍然顯著降低，如IMn去除率平均達到59%；各個環(huán)節(jié)中，絮凝階段對有機物去除效果最為明顯。雖然進水TP小于1.0 mg/L，但是該處理系統(tǒng)對TP仍然有明顯去除，去除率最高為95%，平均為89%，出水TP比GB/T 19772-2005規(guī)定的地表回灌TP標準限值低一個數(shù)量級。經絮凝沉淀工藝的出水氨氮、亞硝酸鹽、糞大腸菌群等有時不能滿足地表回灌標準要求，臭氧消毒階段可有效去除亞硝酸鹽和糞大腸菌群，改性斜發(fā)沸石活性炭可有效去除氨氮。鄭州再生水回灌示范工程表明以上人工濕地水處理地表回灌回采監(jiān)測評價的再生水回灌技術體系具有較好的可行性和適用性。4. 結語中

18、國是一個水資源嚴重缺乏的國家，而城市污水的再生利用是解決中國水資源短缺的有效途徑。城市污水的資源化已是社會發(fā)展的必然趨勢。為了提高城市污水再生利用的效率，保障再生水水質安全是今后科研和應用的方向。污水再生利用產業(yè)在我國尚處于發(fā)展之初，未來是否能發(fā)展到一定的市場規(guī)模成為緩解水資源短缺和水污染嚴重的重要手段，不僅取決于其自身的經濟技術可行性，還與政府的產業(yè)政策密切相關。政策的傾斜，定價機制的完善，法律法規(guī)的健全都是污水再生利用產業(yè)的推動力。8. 參考文獻1 胡洪營,吳乾元,黃晶晶,黃璜,趙欣.城市污水再生利用安全保障體系與技術需求分析J.水工業(yè)市場,2010(8):812.2 Pereira J

19、T, Costa A O, Silva M B O, et al. Comparing the efficacy of chlorine, chlorine dioxide, and ozone in the inactivation of Cryptosporidium parvum in water from Parana State, Southern BrazilJ. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2008, 151(2/3): 464473.3 Hijnen W A M, Beerendonk E F, Medema G J. Ina

20、ctivation credit of UV radiation for viruses, bacteria and protozoan (oo) cysts in water: A reviewJ. Water Research, 2006, 40(1): 322.4 Guo M T, Hu H Y, Boltonb J R, et al. Comparison of low-and medium-pressure ultraviolet lamps: Photoreactivation of Escherichia coli and total coliforms in secondary

21、 effluents of municipal wastewater treatment plants. Water Research, 2009,43(3):815821.5 郭美婷.污水紫外線消毒中病原指示菌的復活及控制D.北京:清華大學,2009.6 Hohne M, Schreier E. Detection and characterization of Norovirus outbreaks in Germany: application of a one-tube RT-PCR using a fluorogenic real-time detection systemJ. Journal of Medical Virology, 2004,72(2):312319.7 胡洪營, 王麗莎, 魏東斌. 污水消毒面臨的技術挑戰(zhàn)及其對策J.世界科技研究與發(fā)展,2005,27(6):3641.8 Wang L S, Hu H Y, Wang C. Effect