再生水安全保障方法与技术的国内外研究进展

1、再生水安全保障方法与技术的国内外研究进展摘要：再生水回用对于解决我国水资源短缺问题具有重要的现实意义。然而，由于我国再生水利用安全保障体系的不完善，目前，在污水再生利用中尚存在一些安全性问题。本文从再生水安全消毒技术、有毒有害物质控制技术、氮磷深度去除技术、储存与输配过程中的水质劣化控制技术、以及利用过程中的风险产生机制与控制技术这五个方面综述了污水再生处理过程中的水质安全保障技术，并结合郑州再生水地表回灌示范工程详细交代了再生水在实际工程中的应用。关键词：再生水；水质安全；保障技术；工程实例1. 前言我国是一个严重缺水的国家，水资源短缺已经成为制约社会与经济可持续发展的重要因素之一。与雨水等

2、其他非常规水资源相比，城市污水水量稳定，基本不受季节、雨旱季等的影响，是一种水质变化幅度小，可稳定供应的非常规水源，其再生利用是解决水资源短缺问题的有效途径。再生水应该与地表水、地下水、雨水等共同纳入水资源综合调配和管理体系，需要采取有效措施，促进再生水的安全、科学、高效利用。但是，我国在污水再生利用方面还面临着许多亟待解决的问题，特别是安全保障问题。目前，我国再生水利用安全保障体系尚不完善，在污水再生利用实践中也出现了一些安全性问题，人们对再生水仍然存在诸多疑虑。再生水利用面临的安全问题主要有水质安全、水量保障和事故防范，其中水质安全（包括对人体健康的影响、对生态环境的影响和对生产安全的影响

3、）是保障再生水利用安全的关键。事故防范是再生水管网工程施工以及日常管理中需要高度关注的问题。2. 污水再生处理过程中的水质安全保障技术再生水安全消毒技术、有毒有害物质控制技术、氮磷深度去除技术、储存与输配过程中的水质劣化控制技术、以及利用过程中的风险产生机制与控制技术是污水再生处理系统保障再生水水质安全的重要技术发展需求1。2.1 再生水安全消毒技术与工艺国内外有关饮用水消毒的研究有较长的历史，但有关再生水消毒的研究起步较晚，特别是关于再生水消毒风险的研究远远不够。再生水消毒有其自身的技术特点和要求，其对微生物杀灭作用和规律与饮用水消毒相比存在明显差别。饮用水消毒方面的研究成果和经验能为污水消

4、毒提供有益的参考，但不能直接指导再生水消毒实践。因此，系统深入开展再生水领域面临的重要课题。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、紫外线消毒、紫外线消毒等。这些方法虽能杀灭常见病原微生物，但均存在一定问题。如氯消毒技术对隐孢子虫和贾第鞭毛虫的灭活效果较差2，紫外线消毒可有效灭活隐孢子和贾第鞭毛虫3，但是被紫外线灭活的细菌（病原菌），在光照或黑暗条件下可以修复紫外线造成的损伤，重新获得活性（称“光复活”和“暗修复”），从而引起二次健康风险4。近期研究发现，紫外线/氯、过氧乙酸/紫外线等组合消毒工艺、高剂量紫外线消毒技术可有效抑制病原菌紫外线消毒后的复活5。相关的再生水紫外线消毒中

5、病原菌的复活及控制技术仍有待进一步研究。近年来新型的病原微生物不断出现，尤其是高风险病原病毒的屡次流行6，给再生水利用的安全保障提出了更高的要求，现有的单一消毒技术已不能满足高风险病原微生物和抗性病原微生物的控制，通过优势互补的组合消毒工艺对病原微生物的联合控制技术研究还很不系统，有待进一步开展。再生水在氯消毒过程中常产生有毒有害消毒副产物，造成一定的水质风险。如何解决病原微生物灭活与消毒副产物生成的矛盾，是再生水消毒实践中面临的重要问题之一7。目前，对饮用水消毒副产物研究已经比较深入，但对再生水消毒副产物及生物毒性的生成研究则刚刚起步。我国研究人员就再生水氯消毒过程中典型消毒副产物、生物毒性

6、变化规律及其影响因素展开了探索研究，发现高氨氮条件下的氯消毒使再生水三卤甲烷等典型消毒副产物显著降低，但遗传毒性却显著升高，存在典型消毒副产物和生物毒性效应变化规律不同的现象8。目前，污水/再生水氯消毒过程中典型消毒副产物（三卤甲烷、卤乙酸等）的生成规律及生物毒性变化研究正在逐步开展。但总的来说，再生水消毒工艺典型消毒副产物及生物毒性变化规律的相关研究还不够系统，新兴高毒性消毒副产物如二甲基亚硝胺（NDMA）等的生成规律研究还很少，再生水消毒后高生物毒性消毒副产物甄别研究尚未开展，消毒副产物所引发的健康风险尚不得知，针对高毒性副产物的控制技术研究有待深入开展。2.2 再生水有毒有害物质控制技术

7、国内外现有的再生水处理技术与工艺主要针对SS、COD、色度等常规污染指标的控制，以有机物总量控制为目标的再生水处理工艺还不能保证再生水的水质安全。近年来，针对特定有毒有害物质的去除研究受到关注9。但再生水中有毒物质组成十分复杂，仅对特定有毒有害化学物质进行评价和去除，难以有效保障再生水水质安全，以综合生物毒性削减为目标的再生水处理技术研究有待加强。再生水有毒物质去除技术主要采用过滤、吸附、化学氧化、生物降解等手段，但每一种处理手段都有其优势和局限性，单一的技术难以高效去除所有有毒有害物质，只有通过优势互补的组合处理工艺才能有效控制再生水中的有毒有害物质。目前尚未系统研究和形成针对再生水中有毒有

8、害物质及其生物毒性控制的技术体系，在再生水有毒有害物质风险削减与控制方面尚缺乏相应的基础性技术支撑。2.3 再生水氮磷深度去除技术面对我国北方地区严重缺水，城市景观与生态用水得不到保证的严峻现实，综合考虑安全性、经济性和操作性等多种因素，在众多的再生水利用途径中，景观与生态利用将占主要地位。目前，北京市奥运公园水系、高碑店湖、昆玉河、南护城河、龙潭湖、陶然亭湖等水体已经开始使用再生水进行补水。天津、青岛、合肥等城市亦逐步将再生水回用于已干涸的景观河道、湖泊，再生水回用于景观水体的规模正不断扩大。然而，由于现行再生水景观利用水质标准中的水质指标的局限性，达到再生水景观利用水质标准的再生水中仍含有

9、较高浓度的氮、磷等营养物质。城市污水经二级生物处理后仍含有较高浓度的氮、磷等营养物质。例如，污水处理厂按城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)执行一级A标准时，其总氮和总磷浓度分别不高于15 mg/L和0.5 mg/L，但该浓度水平显著高于水体富营养化状态定义中的氮磷浓度10。含有高浓度营养物质的再生水回用于城市环境与景观水体，存在爆发水华、影响生态安全的风险。因此，对再生水中氮、磷等营养物质进行深度去除，保障再生水利用的生态安全是城市污水再生利用的重要课题。二级处理出水具有低碳高氮的特点，水中有机物浓度低，无法提供足够的电子供体用于硝酸盐氮的反硝化。目前，反硝化生物滤池等

10、工艺已逐步应用于深度脱氮，其常添加乙酸钠、甲醇等作为电子供体11。基于电子供体添加的硝酸盐氮去除工艺研究还有待进一步开展。近期研究表明，微藻可高效去除硝酸盐氮等营养物质12，其具有去除氮磷无需投加外部碳源、细胞利用潜力大（生物柴油等）、去除氮磷的同时可固定CO2、能源（太阳光）充足、处理出水中含有丰富溶解氧等优点。目前，微藻深度脱氮除磷工艺研究受到高度关注，高效脱氮除磷藻种的筛选、脱氮除磷藻光生物反应器的开发、藻细胞利用研究正逐步开展。2.4 再生水储存与输配过程中的水质劣化控制技术经过深度处理后的再生水中仍含有一定的有机物和微生物（包括病原微生物），在储存、管网输配过程中容易发生水质劣化，威

11、胁再生水的水质安全性。由于再生水中有机物（包括可同化有机碳）的含量仍明显高于饮用水，这些有机物一方面可以作为微生物生长的营养物质；另一方面还会加快水中余氯的消耗，从而促进再生水储存、输配过程中微生物（包括病原微生物）的生长。仅仅控制再生水厂出水的水质，并不能保障再生水用户端的水质安全，因此需要高度重视再生水储存与输配过程中水质安全保障技术的研发。2.5 再生水利用过程中的风险产生机制与控制技术处理后的再生水中仍然含有一定浓度的氮、磷等植物营养物质，因此回用于环境和景观水体存在爆发水华、影响生态安全的风险。城市环境与景观水体实质上是受人工高度调控维持的生态系统，其生态系统结构和功能及其演变过程与

12、补充水源有关，而当再生水作为补给水源时，水质的变化规律更加复杂。目前，再生水水质条件下的藻类生长与水华爆发规律研究开始受到关注，杨佳等13采用藻类生长潜力评价再生水回用于环境与景观水体时的水华风险，研究表明超滤、活性炭吸附等再生水处理工艺对水华藻铜绿微囊藻的生长没有影响，难以保障再生水回用于环境与景观水体的生态安全。因此，有必要研究有害藻类生长控制技术，开发再生水环境与景观水体维护与保障关键技术和组合工艺，以保证再生水环境与景观利用的生态安全。3. 郑州再生水地表回灌示范工程14郑州再生水回灌工程场地位于郑州市东北城郊金水区祭城乡北录庄村北，郑州渔场东南。贾鲁河流经场地西部，其上游河段有几个污

13、水处理场出水排入该河。回灌工程，由人工湿地、水处理、回灌和监测等部分组成。由贾鲁河引水通过人工湿地初步净化，随后将湿地末端出水引入水处理系统进一步净化，使其达到再生水地表回灌标准后通过地表回灌系统回灌补给地下水。回灌的地下水通过回采井或鱼塘水井回采。示范工程运行期为2009年7月2010年11月。3.1 人工湿地工程人工湿地工程主要由进水、强化净化池、一级湿地、二级湿地构成。用提水泵将贾鲁河污水送至强化净水池净化，再分别进入一、二级湿地，最后汇入低位蓄水池，通过提水泵引入水处理系统，多余的水抽排至排水渠返回贾鲁河。一级湿地由挺水植物组成，包括狭叶香蒲、荆三棱和茭草。二级湿地由沉水植物、浮水植物

14、和挺水植物组成；沉水植物有大茨藻、狐尾澡，浮叶植物有壅菜，挺水植物有西伯利亚鸢尾和水生美人蕉。秋季在二级湿地增种了沉水植物黑藻。冬季，一级湿地增种了菹草，二级湿地增种了菹草和伊乐藻。2010年春季，二级湿地壅菜被莲藕替换。3.2 水处理系统示范工程水处理系统包括混凝沉淀、过滤、吸附、消毒4个单元。每个处理环节均布设了采样监测点。过滤和吸附达到饱和后，采用气冲与水冲相结合的方式反冲洗，气冲和水冲各5 min左右交替进行，多次循环直至反冲洗水澄清为止。示范工程水处理系统污水处理能力为13 m3/h。每日监测进水、混凝沉淀、过滤、吸附、消毒等环节的水质。3.3 再生水回灌及监测系统回灌系统主要有输水

15、管网、灌水控制阀门、水表及回采抽水井等部分组成。为防止回灌场地SAT系统堵塞，共设计了4块回灌田轮流回灌。监测系统包括不同深度监测取样井孔17眼、包气带水分Trime监测剖面4个、包气带土壤水取样器11个，以及简易气象站。监测内容包括回灌水量、包气带含水量、不同深度地下水水位等。气象观测包括降水、蒸发、湿度、最高、最低气温等。水质监测项目为城市污水再生利用 地下水回灌水质(GB/T 19772-2005)中规定的21个基本控制项目与52个选择性控制项目。3.4 水处理各个环节及整体净化效果运行期水处理各环节及整体净化效果较好。监测结果表明，湿地出水或水处理进水的氯化物(Cl-)、硫酸盐(SO4

16、2-)、硝酸盐(NO3-)、浊度和TP已低于回灌水质中的地面回灌标准限值。经过水处理后出水的浊度和TP远低于标准限值。在水处理各个环节pH值和电导率变化不大。与进水相比，出水IMn有明显降低。贾鲁河水经湿地和水处理工艺净化后水质总体达到地下水回灌水质中的地表回灌标准要求。监测数据表明，水处理出水的浊度、pH值、硫酸盐、氯化物、阴离子表面活性剂、COD（或IMn）、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、总磷、氰化物、硫化物和粪大肠菌群等各项指标均达到或低于城市污水再生利用 地下水回灌水质(GB/T 19772-2005)地表回灌标准限值要求。郑州示范场地水处理进水浊度均低于10 NTU。虽然进水COD小于40

17、 mg/L，但是经过水处理系统处理后，有机物含量仍然显著降低，如IMn去除率平均达到59%；各个环节中，絮凝阶段对有机物去除效果最为明显。虽然进水TP小于1.0 mg/L，但是该处理系统对TP仍然有明显去除，去除率最高为95%，平均为89%，出水TP比GB/T 19772-2005规定的地表回灌TP标准限值低一个数量级。经絮凝沉淀工艺的出水氨氮、亚硝酸盐、粪大肠菌群等有时不能满足地表回灌标准要求，臭氧消毒阶段可有效去除亚硝酸盐和粪大肠菌群，改性斜发沸石活性炭可有效去除氨氮。郑州再生水回灌示范工程表明以上人工湿地水处理地表回灌回采监测评价的再生水回灌技术体系具有较好的可行性和适用性。4. 结语中

18、国是一个水资源严重缺乏的国家，而城市污水的再生利用是解决中国水资源短缺的有效途径。城市污水的资源化已是社会发展的必然趋势。为了提高城市污水再生利用的效率，保障再生水水质安全是今后科研和应用的方向。污水再生利用产业在我国尚处于发展之初，未来是否能发展到一定的市场规模成为缓解水资源短缺和水污染严重的重要手段，不仅取决于其自身的经济技术可行性，还与政府的产业政策密切相关。政策的倾斜，定价机制的完善，法律法规的健全都是污水再生利用产业的推动力。8. 参考文献1 胡洪营,吴乾元,黄晶晶,黄璜,赵欣.城市污水再生利用安全保障体系与技术需求分析J.水工业市场,2010(8):812.2 Pereira J

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