再生水回用于景观水体的安全性与安全性研究

再生水回用于景观水体的安全性与安全性研究

中国是一个缺水的国家。近年来，再生水回收法取得了长足的发展。其中大部分再生水用作城市景观用水，用于补充水源。目前北京几个主要污水处理厂出水回用于景观环境的用水量近30万m3/d,其中高碑店污水处理厂的部分出水补充到北京市很多公园作为景观环境用水,大大提高了北京的总体水环境质量。天津也是一个严重的资源型缺水城市,再生水回用比例也很大,天津市纪庄子污水处理回用工程被列为全国5个污水回用重点示范工程之一,其中部分处理水用于补充生态小区的景观水体,同时部分回用于市内的卫津河,以补充水体的蒸发量。另外山东、河北和安徽等地均不同程度地将再生水回用于景观水体。再生水补充景观水体用水,一方面缓解了缺水的问题,但在另一方面由于水质控制不够严格带来的问题也会给城市居民带来困扰。1再生水回用污水回收水质水华是水体严重富营养化的重要特征,是再生水作为娱乐性、观赏性景观环境用水的最大障碍之一。再生水回用于景观水体中的水全部或大部分来自经过一定深度处理的城市污水,不同于一些只接收少量污水的天然景观水体或以降雨和地下水为补给水源的景观水体,因此这类景观水体的污染物本底值相对较高,而且水体的稀释自净能力较天然景观水体差,在合适的外界条件下,极易爆发水华。1.1水华的危害和危害卫生学问题是再生水回用于景观水体的主要问题之一,尤其对于与人体非全身性接触的娱乐性景观环境用水。再生水中对人体健康和生态系统有危害的污染物主要有化学物质和病原微生物,化学物质主要指水中对人体器官以及皮肤有害的物质;病原微生物可能的影响途径主要有呼吸道(蒸发)、消化道(接触性景观水体)、皮肤接触(接触性景观水体)、水体富营养化、毒害水生生物、污染地下水等。虽然观赏性景观水体与人体非直接接触,但是一些接触仍然不可避免,如果以再生水作观赏性喷泉,喷泉产生的气溶胶可能会对吸入者造成细菌、病毒感染的直接危害。因此,再生水作为景观水体时不宜用作观赏性喷泉。水华也会带来卫生学方面的问题。由于大量水华藻类漂浮水面,并散发出异味,而且经常在水面有死鱼或其他水生动物漂浮,如没有及时打捞会腐烂发霉,藻体的死亡分解还会产生恶臭。有些藻类可产生异味,目前已知产生异味的藻类约有50余种,其中比较常见的有10余种。在发生蓝藻水华的水体中由于缺乏溶解氧,死亡的藻细胞和各种有机物以厌氧分解为主,降解不完全,产生H2S、CH4等有害气体,形成腥臭,污染环境,毒害生物,影响周围人群的生活、工作和健康。同时蓝藻的藻毒素会给景观水体,尤其是与人体有部分接触的娱乐性景观水体带来危害。1.2娱乐用水的美学效应景观水体一向是旅游观光业很重要的资源。作为景观水体,首先要求在感观上给人舒适愉悦的感觉,这就要求水体清澈,透明度高,不出现浑浊、黑臭以及富营养化现象。世界卫生组织在娱乐用水环境安全导则中指出,娱乐用水的美学价值是指远离令人不愉快的沉积物、漂浮的碎片、油、泡沫等可见物质,以及令人不愉快的色、嗅、味和浊度,还有产生不受欢迎的水生生物的物质和条件。作为景观水体,在满足卫生学要求的前提下,其美学效应是景观水体使用中首先要考虑的。基本的感官(美学)指标包括:无飘浮物;无令人不愉快的嗅和味;透明度≥0.5m;溶解氧≥2mg/L;浊度≤10NTU;色度≤30度等。水体一旦爆发水华,透明度下降,溶解氧降低,水生植物和鱼类因缺氧而大量死亡,水体呈现深绿或者蓝绿色,出现黑臭等现象,使景观水体丧失了观赏、娱乐等美学价值。2水质指标要求国内外对于再生水回用于景观用水的水质标准有很多差异。由于国外再生水处理工艺中对营养盐去除能力较高,因此在再生水回用于景观环境用水的水质标准中对营养盐未做要求,水质指标主要从水体的感观指标(包括浊度、色度、悬浮物浓度)以及卫生学方面进行要求。与国外再生水回用于景观环境用水的相关水质标准相比,国内的水质指标除了包括水体的感观指标和卫生学指标外,对氮、磷营养盐等污染物的含量也提出了要求。这主要是考虑到我国经济尚处于发展之中,工业废水排放仍是导致水污染的重要因素,而且由于我国景观水体水质的主要特点是水中氮、磷含量偏高,因此在回用标准的制定上更多地着眼于诸如有机污染、营养盐、毒理学等指标。2.1景观水体的类型及指标要求一般情况下,水体中的氮、磷等营养物质过多是发生水华的基本原因,因此控制再生水中氮、磷浓度是控制水华最根本的途径。我国相关的水质标准对氮、磷浓度的要求如表1。2003年开始实施的《城市污水再生利用景观环境用水水质标准》(GB/T18921—2002)中对景观环境用水进行了详细的分类,对磷指标的要求也进一步提高,还对景观水体的水力停留时间作了规定,在水质指标方面主要考虑水体的美学价值及人的感官接受能力,在控制措施上以强调水体的自净能力为主导思想,着重强调水体的流动性。《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水体是补充天然景观河道,标准中对各项指标尤其是氮、磷等营养盐指标控制都较为严格。GB/T18921—2002与GB3838—2002中景观娱乐用水的要求相比较,主要的水质要求偏低,这主要是考虑到目前我国污水处理厂对再生水处理程度的可实现性以及水体的自净能力,但是没有考虑到可能发生的情况:很多城市小区内的景观水体大部分甚至完全由再生水补水,水体的稀释能力和自净能力较差。2.2再生水回用要求再生水中危害人体健康的病原微生物主要包括细菌性病原体、寄生虫、原生动物、肠道病毒。其中病毒、寄生虫对消毒处理的抵抗力很强,在环境中也能存活很长时间,另外病毒和寄生虫的检测相对复杂,周期长且准确度也低,因此不作为水质安全指标。我国的水质标准在再生水的生物学综合指标方面,借鉴了国外的生物学指标,同时结合我国的国情,仍沿袭传统习惯选择粪大肠菌群作为评价再生水水质安全的生物学指标,同时水质标准中对控制病原微生物再生繁殖的余氯也提出了要求。美国各州再生水回用相关水质标准对消毒的要求不尽相同。美国国家环保局(USEPA)在总结国内外城市污水回用的技术经验基础上,编制了“水回用指南(2004年)”。该指南对污水回用类别、处理方法、回用水水质与监测、污水回用注意事项等作了要求,其中对消毒的规定如表2。GB/T18921—2002中对消毒的要求如表3。对表2、表3进行对比就会发现,我国的GB/T18921—2002标准与USEPA对城市污水回用的建议中对粪大肠杆菌的要求没有差别,但是USEPA对城市污水回用的建议中余氯的浓度很高,为1mg/L,而我国景观环境用水水质标准要求余氯的浓度为0.05mg/L。余氯浓度过高会刺激眼、鼻、喉以及上呼吸道等,与人体皮肤接触会导致生皮炎或湿疹,因此建议对娱乐性景观环境用水中的余氯给出一个上限值,并且宜区分与人接触和不与人接触的情况。我国在卫生学方面的要求与发达国家并没有太大的差距,卫生学上的根本问题仍然是由于水华爆发带来的嗅、味、藻毒素等对环境和人体健康的损害问题,解决问题的办法仍然要从控制水华着手。2.3夏季适宜光照培养GB/T18921—2002中对再生水的水力停留时间作了如下规定:当完全使用再生水时,景观河道类水体的水力停留时间宜在5d以内;完全使用再生水作为景观湖泊类水体,在水温超过25℃时,其水体静止停留时间不宜超过3d;而在水温不超过25℃,则可适当延长水体静止停留时间,冬季可延长水体静止停留时间至一个月左右。以再生水中易发的小球藻为例,在夏季适宜光照下培养,每天光照10h,在24h内个体数可增加若干倍;在一定条件下异养培养小球藻,其比生长速率为0.055h-1,细胞倍增时间为12.6h。而固氮蓝藻在适宜条件下第1天增长169%,第2天增长226%,第3天增长414.6%。这表明藻类的世代周期远小于标准中规定的水力停留时间,因此再生水回用标准中宜缩短水力停留时间以控制水华的发生。3氮、磷和藻类的生长3.1水华的水华标准水华的爆发有非常明显的季节性,在营养物质充足的前提下,最直接的诱发因素是气温的升降。水温在20~30℃时,是藻类生长的最佳温度,藻类生物量大增,水华爆发;而在营养物质中,氮、磷是藻类生长的控制因子。2005年对什刹海水系进行的调研监测发现,5~10月是水华爆发的时期,水中的氮磷浓度及其他水质指标的变化如表4所示。从实际情况中发现目前相关标准中对氮磷的要求不能从根本上防止水华的发生。一般认为,水体透明度小于50cm是水体富营养化的重要特征。以什刹海水系5~6月为例,水中的总氮、氨氮、总磷浓度分别在1.93~2.87mg/L、0.13~2.39mg/L和0.03~0.18mg/L时,水体的透明度为30~61cm,大部分时间小于50cm,水华已经比较严重了。在相关标准中以GB3838—2002中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水体的氮磷浓度为例,氨氮和总磷的规定值都高于实际水体发生水华时的浓度。这说明流动性差、稀释性能力差的景观水体,满足表1中所列出的各项水质标准时仍然不能有效避免水华的发生。从什刹海水系5~10月逐日的监测结果看,当水中的氨氮<1mg/L时,透明度在57.4~89.9cm,TP<0.1mg/L时,透明度在50.3~89.9cm,水中的藻密度较低。因此为控制水华发生,建议水体的控制指标宜为氨氮<1mg/L(水温20℃)、总磷<0.1mg/L。3.2细胞内的营养水华爆发后期氮磷的浓度有大幅度上升,这与死藻发生的氮磷释放现象有很直接的关系。藻类老化后易沉入水底,其吸附的或细胞内的营养物质会慢慢地释放到水中。死亡的小球藻(藻密度1.69×1010cell/L)对氮磷的释放试验结果见图1,在自然状态的去离子水中,氨氮、正磷酸盐浓度在第3天分别达了2.8mg/L、2mg/L。因此在制定再生水回用于娱乐景观水体时既要看到水体的自净能力,同时还要充分考虑死藻沉积造成的营养盐积累。3.3氨氮对废水的净化效果研究显示,再生水补水的景观水体水华爆发时小球藻为最常见的藻类。在实验室中采用不同形态的氮、磷进行小球藻的吸收试验,结果如图2、图3所示。小球藻优先吸收氨氮,其次简单有机氮转化为氨氮被吸收,对硝酸盐氮和亚硝酸盐氮吸收能力很差,第4天当氨氮100%被吸收后硝酸盐氮的去除率才达到38.8%和28.7%。因此,在水体的富营养化中,氨氮的贡献在总氮中是决定性的。小球藻对不同形态磷酸盐的去吸收能力也有较大差异,2天时对磷酸二氢钾的去除效率达到了94.84%,对六偏磷酸钠也达到了81.33%,而对焦磷酸钠则为58.51%,对磷酸肌酸钠的去除效率仅有6.53%。该结果显示,小球藻对无机磷有很好的吸收能力,但对有机磷吸收能力很差。水中氮的存在形式是随时间而变化的。由试验结果可知,氨氮对藻类的生长影响最大,因此建议再生水水质以氨氮作为控制指标,这样对水华的控制更有实际意义;而磷的控制则宜以无机磷作为控制指标。4再生水质标准中的余氯问题(1)再生水回用的景观水体在合适的外界条件下,极易爆发水华,水华是再生水作为娱乐性、观赏性景观环境用水的最大障碍之一。景观水体一旦发生水华,水味腥臭,水体浑浊,丧失了观赏、娱乐等美学价值,同时带来卫生学方面的问题。(2)再生水水质标准中卫生学指标对余氯的要求建议给出上限值,并宜区分是否与人接触的情况,以避免余氯过高给人类带来健康损害。(3)现行再生水水质标准GB