王 佳 王 輝 徐寶建

(北控水務(wù)(中國)投資有限公司,北京 100102)

城市河湖水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和建設(shè)對城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。隨著城市化水平和工業(yè)化程度的提高,水資源短缺和水污染日益嚴(yán)重成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境改善的重要因素。再生水處理技術(shù)的提高,逐步滿足工業(yè)、市政雜用、農(nóng)業(yè)灌溉及地下水回灌等多方面水質(zhì)要求,為回用城市河湖生態(tài)用水提供了可能。在國家推進(jìn)污水資源化利用的背景下,充分利用再生水回補河湖已成為改善城市河湖生態(tài)環(huán)境的有力措施之一。

再生水河湖生態(tài)利用在國內(nèi)外已有大量的應(yīng)用案例,早在1932年,美國舊金山污水處理廠就將出水回用于公園湖泊觀賞用水。此后,包括日本、以色列、新加坡、澳大利亞在內(nèi)的眾多國家也將再生水作為城市河湖景觀回用、綠化灌溉等[1]。相比國外,我國將城市再生水回用于城市景觀水體的研究最早開始于“七五”國家科技攻關(guān)計劃[2]。此后,先后在北京、天津、泰安、西安、合肥和石家莊等城市建成了一系列的再生水回用補給景觀河道、湖泊的示范工程[1],取得了一定的社會和環(huán)境效益。

基于水質(zhì)原因?qū)е碌⒘诐舛绕叨纬傻暮雍w富營養(yǎng)化問題是限制再生水安全回用的主要風(fēng)險?，F(xiàn)行再生水回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中氮、磷濃度值偏高,導(dǎo)致污染物本底值相對較高,在水體的自凈能力較天然景觀水體差的情況下,容易形成水體富營養(yǎng)化。因此,采用針對性強的改善措施才能實現(xiàn)其安全回用[3]。對于水質(zhì)改善策略國內(nèi)多位學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)的研究[3-7],主要聚焦在對水體自身的生態(tài)修復(fù)工程上,常見的技術(shù)有水力流動循環(huán)、循環(huán)過濾、化學(xué)除藻和生物調(diào)控等;也有通過處理工藝提升出水水質(zhì)的,如采用膜生物反應(yīng)器、生物濾池等旁路生化組合工藝。整體而言,再生水回用河湖在實際應(yīng)用中涉及多個重要環(huán)節(jié),對于河湖水體的原位生態(tài)修復(fù)只是補水最后環(huán)節(jié)的提升改善,而單一的水處理方法難以滿足實際需要。本文在已有措施的基礎(chǔ)上,結(jié)合再生水回用全流程所涉及環(huán)節(jié),從系統(tǒng)角度,針對再生水補水水質(zhì)提升、再生水補給方式、水體水動力保持以及水體循環(huán)凈化能力強化等多個回用場景,提出河湖水體環(huán)境風(fēng)險的改善策略,以此維持水系生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1 再生水河湖生態(tài)利用的安全性分析

1.1 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

為全面推動我國城市污水再生處理與生態(tài)水環(huán)境利用,為不同地域和環(huán)境條件下的再生水利用提供基本的水質(zhì)要求,我國頒布了多個水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),如《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水體考慮了景觀娛樂水體的水質(zhì)要求;《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18921—2019),對河道類、湖泊類、水景觀類用水對象明確了水質(zhì)要求,涉及10項基本控制項目;《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中,規(guī)定城鎮(zhèn)污水處理廠出水排入地表Ⅳ類、Ⅴ類功能水域時,執(zhí)行二級標(biāo)準(zhǔn)。另外,部分城市頒布了地方性標(biāo)準(zhǔn),如北京市頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/T 890—2012)規(guī)定排入北京市Ⅱ類、Ⅲ類水體的污水處理廠執(zhí)行A標(biāo)準(zhǔn),排入Ⅳ類、Ⅴ類水體的污水處理廠執(zhí)行B標(biāo)準(zhǔn)。

有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)限值與回用標(biāo)準(zhǔn)限值的對比見表1。由表1可以看出,《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中天然景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對CODCr、BOD5、DO以及N、P等指標(biāo)控制極為嚴(yán)格,與該標(biāo)準(zhǔn)相比,《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18921—2019)中再生水用于景觀環(huán)境用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求偏低,其中對氮、磷指標(biāo)要求更低,基本上低于地表Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。對比水污染排放標(biāo)準(zhǔn),《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中可排入地表Ⅳ類、Ⅴ類功能水域的二級標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。但《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/T 890—2012)對主要污染物控制指標(biāo)限制提高到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類水平,對改善北京市水環(huán)境質(zhì)量和污水資源化利用具有重要意義。

表1 有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)限值與回用標(biāo)準(zhǔn)限值的對比

1.2 風(fēng)險識別

由于再生水是城市污水經(jīng)過處理后回用的水體,通過上述回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可知,雖經(jīng)深度處理,但再生水中仍含有大量的氮、磷營養(yǎng)鹽分,回用到流動性較差、對污染物的稀釋和緩沖能力不足的城市景觀河湖,易發(fā)生水體富營養(yǎng)化問題[1]。同時,由于污水處理廠深度處理工藝一般缺乏對再生水中微量有毒有害污染物的針對性去除,可能對生態(tài)環(huán)境及人體健康形成潛在威脅[1]。此外,再生水中可能含有大量的病原菌和腸道病毒等病原微生物,需經(jīng)過氯化殺菌消毒工藝抑制病原微生物的再生繁殖,若余氯量過高,也會不可避免地對回用的景觀水體中水生生物造成毒害[8]。

由此可見,再生水補給河湖所帶入的污染物是引發(fā)水體生態(tài)惡化的重要原因之一,其中,富營養(yǎng)化和水華現(xiàn)象是再生水源景觀利用的最大障礙[9]。為降低再生水回用帶來的負(fù)面生態(tài)環(huán)境效應(yīng),提高生態(tài)安全性,建議再生水回補河湖不應(yīng)只是達(dá)標(biāo)補給,還應(yīng)結(jié)合相應(yīng)工程措施以保障河湖水質(zhì)的長效穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2 再生水河湖生態(tài)利用的水質(zhì)保障技術(shù)

本文從改善河湖水體富營養(yǎng)化的角度出發(fā),從多個方面提出再生水回補河湖的水質(zhì)長效保障技術(shù)。水體富營養(yǎng)化發(fā)生的必要條件主要包括充足的TN、TP等營養(yǎng)鹽,緩慢的水流流態(tài),適宜的溫度條件[10]。因此,在降低再生水氮、磷含量的基礎(chǔ)上,充分考慮改善水力學(xué)條件等影響因素,從再生水回用的全過程出發(fā),提出再生水源水質(zhì)提升技術(shù)、增強河道水體流動性的水力循環(huán)技術(shù)以及強化水體循環(huán)凈化能力的河湖水質(zhì)原位修復(fù)技術(shù)。具體根據(jù)實際水質(zhì)處理需求,利用單一或組合工藝的方式保障水質(zhì)的長效穩(wěn)定。再生水回用河湖生態(tài)用水的水質(zhì)安全保障技術(shù)體系見圖1。

圖1 再生水回用河湖生態(tài)用水的水質(zhì)安全保障技術(shù)體系

2.1 再生水水質(zhì)提升技術(shù)

2.1.1 污水廠深度處理

再生水往往都需要采用深度處理工藝才能達(dá)到回用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。深度處理工藝(圖2中的三級處理)主要包括簡單過濾、活性炭過濾、超濾、反滲透、生物濾池、人工濕地等方式,根據(jù)去除的目標(biāo)污染物不同,選擇的工藝也不同。再生水的生產(chǎn)和利用需要多種技術(shù)的組合,可以將污水處理廠通過增加深度處理工藝升級改造為再生水廠,或從整體系統(tǒng)優(yōu)化入手,新建再生水廠,強化二級生物處理,減少三級處理構(gòu)筑物的設(shè)置,縮短工藝流程,減少水廠運行維護(hù)的工作量,用地有限的再生水廠可采用MBR工藝[11]。

圖2 再生水處理的常規(guī)技術(shù)路線

實踐表明,深度處理是降低城市污水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)濃度的有力措施,是污水資源安全回用于河湖的必要條件[12]。對于景觀環(huán)境回用水需合理采用深度脫氮除磷和安全消毒的保障工藝,再生處理常規(guī)的技術(shù)路線為“混凝沉淀+過濾+脫色+消毒”,其他處理工藝如膜處理、活性炭吸附、反滲透、離子交換、電滲析等能獲得較高的出水水質(zhì),但處理費用較高[13]。出水水質(zhì)目標(biāo)決定了處理階段所采用的工藝和技術(shù)。通過對北京市中心城區(qū)主要再生水廠技術(shù)路線的歸納總結(jié)可知,提標(biāo)改造和新建項目的工藝選擇有顯著區(qū)別。提標(biāo)改造項目由于原工藝的設(shè)計限制,多以補充脫氮單元為主,包括兩級生物濾池和超濾;新建項目盡量在二級處理工藝段實現(xiàn)同步深度脫氮除磷,縮短工藝流程,主要包括改良A2O和砂濾[12]。

2.1.2 人工濕地處理

近幾年,多個地區(qū)把人工濕地建設(shè)正式引入到水污染控制和標(biāo)準(zhǔn)里,濕地作為污水處理廠的延伸環(huán)節(jié),承擔(dān)著低污染達(dá)標(biāo)排放水的水質(zhì)改善任務(wù)。在用地允許的情況下,可考慮將再生水廠出水先進(jìn)入人工濕地進(jìn)行自然緩沖和生態(tài)處理,提高出水穩(wěn)定性之后再用于區(qū)域內(nèi)生態(tài)補水。

人工濕地主要包括引排水系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、主處理系統(tǒng)、強化處理系統(tǒng)、二次污染防治設(shè)施、管理用房等部分,通常按照CODCr、NH3-N、TN、TP等主要污染物削減負(fù)荷和水力負(fù)荷進(jìn)行工藝設(shè)計[14]。結(jié)合《人工濕地水質(zhì)凈化技術(shù)指南》及工程實踐結(jié)果,在污水廠等重點排污單位出水口下游,宜選擇潛流人工濕地或潛流、表面流結(jié)合型人工濕地,用地緊張時選擇潛流人工濕地,設(shè)計水量需與污水處理廠出水量相匹配。通?？刹捎们爸锰?垂直潛流濕地+表流濕地的組合方式(見圖3),前置塘用于水質(zhì)水量的調(diào)節(jié),在濕地來水水質(zhì)超標(biāo)的情況下可作為應(yīng)急處理池,同時可作為水量的調(diào)節(jié)池,保證濕地進(jìn)水不受較大沖擊,垂直潛流濕地對氨、氮可達(dá)到較高的處理效果。在河流支流入干流處、河流入湖(庫)口、重點湖(庫)濱帶、河道兩側(cè)的河灘地等,宜選擇表面流人工濕地(見圖4),但用地緊張或河湖水質(zhì)較差,且水生態(tài)環(huán)境目標(biāo)要求較高時,可考慮建設(shè)潛流人工濕地,但需要采用預(yù)處理措施去除SS,通?？刹捎贸辽吵?在TP濃度較高時也可以進(jìn)行加藥預(yù)處理。

圖3 污水廠尾水濕地處理工藝流程

圖4 河口/湖口濕地處理工藝流程

2.2 水力循環(huán)提升技術(shù)

2.2.1 生態(tài)補水量保障

流速及換水周期作為水體調(diào)控的重要參數(shù),在反映補水水量的同時,直接影響著水體中污染物的濃度及其在水體中的存在狀態(tài),進(jìn)而直接影響水體的水質(zhì)狀況。因此,以再生水作為河道生態(tài)補水水源時,可通過分析確定適宜的生態(tài)需水量,向水體補給穩(wěn)定充足的水源,提高水力循環(huán)能力,增加其水環(huán)境容量。

河道生態(tài)環(huán)境需水量可劃分為消耗型需水和非消耗型需水兩部分。消耗型需水部分在水文循環(huán)過程中以大氣水、地下水的形式從城市水系中流失,導(dǎo)致水系內(nèi)水量減少,這部分水量不能被重復(fù)利用;非消耗型需水部分在城市水文循環(huán)過程中仍以地表水形式存在,不會導(dǎo)致水系內(nèi)水量變化,這部分水量可被重復(fù)利用或交叉利用。在計算城市水系生態(tài)環(huán)境需水總量時,對于消耗型需水進(jìn)行疊加計算,非消耗型需水則考慮能夠相互兼容,避免重復(fù),可以互相兼顧的需水量,取各項的外包值,即取其中的最大值作為最終的需水量。河湖生態(tài)需水計算方法體系見圖5。

圖5 河湖生態(tài)需水計算方法體系

2.2.2 再生水補水比例適宜

再生水補充河湖水體的補水比例對于富營養(yǎng)化現(xiàn)象的改善具有一定的影響,通常來說,在高溫條件下,水體水質(zhì)惡化速率更快,高再生水占比對于環(huán)境更加敏感,容易因為外部氣候條件變化引起水質(zhì)變化。因此,再生水與地表水等其他水源共同補給河湖時,探究合理的再生水補水比例在一定程度上可以更好地控制再生水受水水體的水質(zhì)[15]。

2.3 河湖原位修復(fù)

實施原位修復(fù)可以提高景觀河道水體的自然凈化能力,主要包括物理方法、化學(xué)方法和生物方法。物理方法包括曝氣充氧、水力循環(huán)、循環(huán)過濾等技術(shù),通過增加水體的溶解氧等,實現(xiàn)水體循環(huán)流動,破壞水華發(fā)生條件,并將循環(huán)凈化后的凈水?dāng)U散至其他水域,強化水生態(tài)的恢復(fù),該方法適于城市湖泊,成本低,見效快,但運行能耗大,設(shè)備維護(hù)負(fù)擔(dān)相對較重?；瘜W(xué)方法包括投放除藻藥劑,以及鈍化法、酸堿中和法、化學(xué)沉降法等,通過投放化學(xué)或生物除藻劑等藥劑進(jìn)行除藻,尤其適用于水華突發(fā)的水域,用于應(yīng)急處理,但只具有短時效果,且水質(zhì)易反復(fù)。生物方法包括生物濾池、生物浮床、柔性載體生物接觸氧化等,利用微生物有效掛膜的填料、高效生物膜、水生植物等吸附、吸收、截留去除水中污染物,該類方法可深度清潔水體,景觀價值高,但受季節(jié)影響大,運行周期相對較短[16]。具體可根據(jù)河湖水體的實際情況進(jìn)行單項或組合技術(shù)的選取,實現(xiàn)水體水質(zhì)改善與凈化效果的最大化。

3 結(jié) 語

利用再生水回補河湖已成為城市水生態(tài)改善的重要途徑,但由于回用標(biāo)準(zhǔn)限制,再生水中高濃度氮、磷等易引發(fā)水體水質(zhì)惡化和富營養(yǎng)化風(fēng)險,基于此,本文從再生水回用的全過程出發(fā),結(jié)合提升再生水水源水質(zhì),增強河道水體水動力及強化水體循環(huán)凈化能力等單一或組合方式,實現(xiàn)再生水回補河湖的水質(zhì)長效保障。具體來說,增加污水處理廠除磷脫氮的深度處理措施,是再生水回用河湖的必要條件。在此基礎(chǔ)上,在用地允許的條件下,可通過建設(shè)河(湖)口濕地對回用河湖再生水進(jìn)行水質(zhì)凈化。對于河湖受水水體,建議通過調(diào)整再生水占比組成不同水質(zhì)的水源,補給適宜的生態(tài)補水量優(yōu)化水體水動力條件。最終,聚焦水體自身,輔以水力流動循環(huán)、循環(huán)過濾、化學(xué)除藻和以水生/濕生植物為主體的生態(tài)工程技術(shù),實現(xiàn)再生水河湖水體水質(zhì)凈化和長效保持的目標(biāo)。