深圳市水質凈化廠出水再生利用水質評估

周合喜，劉春楠，安 娜，肖維貴，張金松,*

(1.深圳市水務<集團>有限公司，廣東深圳 518000；2.清華大學環境學院，北京 100084)

2021年1月，國家發展改革委等十部門聯合印發《關于推進污水資源化利用的指導意見》，明確到2025年，全國地級及以上缺水城市再生水利用率達到25%以上，京津冀地區達到35%以上。到2035年，形成系統、安全、環保、經濟的污水資源化利用格局。該指導意見的出臺標志著污水再生利用上升為國家行動計劃，是污水處理進入資源化利用新階段的重要標志。《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》提出，系統規劃城鎮污水再生利用設施，合理確定再生水利用方向，推動實現分質、分對象供水，優水優用。“十四五”期間，新建、改建和擴建再生水生產能力不少于1 500萬m3/d。《“十四五”節水型社會建設規劃》強調，完善污水資源化利用政策體系，制定“1+N”實施方案。缺水地區堅持以需定供，分質、分對象用水，推進再生水優先用于工業生產、市政雜用、生態用水。《關于加強城市節水工作的指導意見》要求，著力提高城市用水效率，推動再生水就近利用、生態利用、循環利用。2021年10月，國務院發布《2030年前碳達峰行動方案》。在節能減排、綠色發展的政策背景下，我國再生水利用將得到更快的發展。

深圳市作為全國嚴重缺水城市之一，2020年全市人均水資源量為166 m3，僅為全國平均水平的1/13，86%的供水依靠東江水源工程和東深供水工程從東江引水。2020年全市用水總量為20.6億m3，其中，從市外引水17.83億m3。雖全市多年平均降雨量為1 830 mm，但降雨時空分布不均，80%以上集中在每年4月—10月。全市河流呈明顯的雨源型河流特征，雨季是河，旱季成溝，缺乏動態補充水源，河流普遍受到污染[1]。此外，由于2020年、2021年連續兩年干旱，深圳主要水資源地東江流域遭遇1963年以來最嚴峻旱情，新豐江、楓樹壩和白盆珠三大水庫水位長時間處于歷史低位，總蓄水量為近30年來同期最少，給深圳今冬明春供水帶來了不利影響。2021年11月17日，深圳市啟動水利抗旱Ⅳ級應急響應。據預測，今冬明春期間，深圳市城市平均用水量缺口約為100萬m3/d，其中，可通過深圳市本地飲用水源水庫應急儲備水量解決50萬m3/d的缺口，剩余50萬m3/d缺口需通過各種辦法節約用水來解決。

為此，深圳市制定抗旱保供水工作方案，多措并舉來解決用水缺口。其中，開放部分河道及臨時建設再生水取水點，制定綠地澆灑、道路及地面沖洗自來水替代方案，實現100%全替代。再生水利用是城市水資源重要的“開源”路徑和緩解水資源供需矛盾的最有效方式。再生水等非常規水資源的開發已成為國際公認的城市第二水源，可在一定程度上替代常規水資源。截至2020年底，全市基本完成對現有水質凈化廠的提標改造工作，改造后的水質凈化廠執行《水質凈化廠出水水質規范》(DB 4403/T 64—2020)標準，除TN外，部分指標滿足地表水Ⅳ類標準，能夠滿足河道生態補水、市政雜用、低品質工業用水的需要。據市水務局統計，2020年全市水質凈化廠產生15.6億m3的部分指標滿足Ⅳ類水的出廠水，這些水資源如能充分加以利用，將有效緩解深圳市水資源短缺的局面。

2020年深圳市再生水利用量為13.69億m3，再生水利用率為72%，其中絕大部分用于河道補水，少量用于城市綠化、道路清掃、工業冷卻(僅上洋水質凈化廠尾水供應華電國際電力股份有限公司深圳公司工業冷卻用水)[2]。再生水水質保障是再生水安全利用的前提條件，盡管當前深圳市緊急啟用中水城市雜用替代方案，但水質凈化廠尾水水質能否滿足再生水利用標準要求仍是未知數。因此，開展再生水水源水質評估，對于明確水質凈化廠再生水利用對象和擴大使用范圍具有重要的指導意義。

1 研究方法

1.1 評估標準

目前，深圳市再生水主要用于河道補水和市政雜用，依據再生水利用遵循“以用定質、以質定用”的原則[3]，再生水水質執行國標《城市污水再生利用 景觀環境用水水質》(GB/T 18921—2019)和《城市污水再生利用 城市雜用水水質》(GB/T 18920—2020)，其中，河道補水執行觀賞性景觀環境用水河道類指標限值，市政雜用執行城市雜用水中城市綠化、道路清掃、消防、建筑施工指標限值。

1.2 評估對象

本文以深圳市原特區內羅湖、福田、南山和鹽田四區所屬8座水質凈化廠(A、B、C、D、E、F、G廠和H廠)為主要評估對象，以此擴展到全市水質凈化廠。

1.3 評估方法

本文采用綜合水質標識指數法來開展水質綜合評估，以定量反映水質狀況[4]。綜合水質標識指數主要由整數位和3位或4位小數組成，表達式如(1)。

Iwq=X1+0.1X2+0.01X3+0.001X4

(1)

其中：Iwq——綜合水質標識指數；

X1——綜合水質類別，當水質因子優于再生水利用標準時，X1取1，否則取2；

X2——綜合水質在水質類別區間內所處的位置，由計算得出，見參考文獻[4]；

X3——劣于再生水利用標準的指標數目；

X4——綜合水質類別差異，當X2=0，X4取0，否則取1。

特別地，基本要求、嗅為描述性指標，埃希氏大腸菌群要求為未檢出，無法計算得出，因此，定義當3個指標滿足再生水利用標準時，X1+0.1X2取1.0，否則取2.0。

1.4 評估過程

以深圳市原特區內8座水質凈化廠為典型樣本，搜集8座水質凈化廠2019年6月—2021年6月共兩年的出水水質季度監測報告(其中C廠為新投產，出水水質監測數據從2020年6月起)，因城鎮污水處理廠出水排放標準與再生水標準指標存在差異，再生水水質評估缺項的色度、基本要求、嗅、TDS、渾濁度、DO、余氯和埃希氏大腸菌群8項指標安排于2021年9月采集3次出水，每周一次，由深圳市排水監測站進行檢測。將搜集到的報告和補測數據匯總，以再生水利用標準為依據，分析8座水質凈化廠出水再生利用達標狀況，評估各廠出水綜合水質狀況。基于出水再生利用水質風險，提出再生利用水質改善措施及建議。

2 結果和討論

2.1 深圳市水質凈化廠現狀

截至2021年底，深圳市建成水質凈化廠38座，處理規模達629.5萬m3/d。其中，27座水質凈化廠執行部分指標滿足地表水Ⅳ類排放標準，設計處理能力為400.5萬m3/d，占比63.6%；5座水質凈化廠執行部分指標滿足地表水Ⅴ類排放標準，設計處理能力為90萬m3/d，占比14.3%；其余6座水質凈化廠執行國家一級A排放標準，設計處理能力為139萬m3/d。主體生化工藝采用AAO及其改良、SBR及其改良、MBR、活性污泥法、MBBR和BAF，水質凈化廠數量分別為25、3、4、1、2座和3座，其中AAO及其改良工藝(包括多模式AAO、多級AO、改良MUCT等)占比最大，設計處理規模為413萬m3/d。

深圳市原特區內8座水質凈化廠(表1)總設計規模為193萬m3/d，占全市總處理規模的30.7%，其中3座水質凈化廠執行部分指標滿足地表水Ⅳ類排放標準，設計處理規模為57萬m3/d，占原特區內設計規模的29.5%；1座水質凈化廠執行部分指標滿足地表水Ⅴ類排放標準，設計處理規模為30萬m3/d，占原特區內設計規模的15.5%；其余4座水質凈化廠執行國家一級A排放標準，設計處理規模為106萬m3/d。其主體生化工藝多采用AAO及其改良和MBR(合計7座)，僅G廠采用BAF工藝。

表1 深圳市原特區內水質凈化廠概況Tab.1 General Situation of Original WWTPs in Shenzhen Special Zone

2.2 出水排放標準與再生水標準對比

深圳市水質凈化廠出水排放標準與再生水利用標準的指標對比如表2所示。目前深圳市水質凈化廠主要執行部分指標滿足地表水Ⅳ類水標準、部分指標滿足地表水Ⅴ類水標準和一級A排放標準，實際出水水質均優于一級A排放標準，考核水質指標12項。再生水利用中觀賞性景觀環境用水(河道類)涉及水質指標9項，城市雜用水(城市綠化、道路清掃、消防、建筑施工)涉及水質指標11項。再生水利用標準與出水排放標準交叉銜接指標8項，其中7項指標限值等同于一級A標準限值，意味著當水質凈化廠出水優于一級A排放標準時，對應的7項水質指標均滿足再生水利用要求。觀賞性景觀環境用水(河道類)中色度指標限值提高到20度，嚴于一級A排放標準。再生水利用標準特有水質指標7項，因再生水應用場景不同，水質指標及限值不同。因此，除8項交叉銜接指標外，其余7項水質指標也需納入再生水水質評估。

表2 出水排放標準與再生水標準指標對比Tab.2 Comparison between Effluent Discharge Standard and Reclaimed Water Standard Index

2.3 出水再生利用達標狀況分析

深圳市原特區內8座水質凈化廠近兩年出水水質與再生水利用標準對比如圖1～圖13所示。對比再生水利用標準中15項水質指標及限值，評估期內(2019年6月—2021年6月)出水BOD5、陰離子表面活性劑、TN、氨氮、TP、pH和糞大腸菌群均滿足觀賞性景觀環境用水(河道類)和城市雜用水(城市綠化、道路清掃、消防、建筑施工)指標要求，其中A、B、C、D、E、F、G廠和H廠出水BOD5平均值分別為1.02、0.93、0.86、0.96、0.98、1.36、1.33 mg/L和0.93 mg/L，最大值不超過2.80 mg/L，遠低于再生水利用標準限值。城市雜用水對陰離子表面活性劑限值為0.5 mg/L，各廠出水質量濃度均穩定在0.1 mg/L左右，僅F廠和C廠分別在2019年9月和2020年9月出現高值，但均未超標。除C廠外，各廠出水TN質量濃度基本處于10 mg/L以下，滿足觀賞性景觀環境用水(河道類)指標限值(15 mg/L)。出水氨氮質量濃度基本低于1 mg/L，遠優于再生水利用水質要求。各廠出水TP質量濃度均低于0.3 mg/L，滿足觀賞性景觀環境用水(河道類)0.5 mg/L限值要求。出水pH值均處于6.5～8.0，滿足水質標準要求。糞大腸菌群數除少數情況下高于100個/L外，其他均穩定在20個/L，表明出水微生物指標滿足再生水的使用要求。

圖1 近兩年出水BOD5濃度與再生水利用標準對比Fig.1 Comparison of Effluent BOD5 and Reclaimed Water Utilization Standards in Recent Two Years

圖3 近兩年出水TN濃度與再生水利用標準對比Fig.3 Comparison of Effluent TN and Reclaimed Water Utilization Standards of Eight WWTPs in Recent Two Years

圖4 近兩年出水氨氮濃度與再生水利用標準對比Fig.4 Comparison of Effluent Ammonia Nitrogen and Reclaimed Water Utilization Standards in Recent Two Years

圖5 近兩年出水TP濃度與再生水利用標準對比Fig.5 Comparison of Effluent TP and Reclaimed Water Utilization Standards of Eight WWTPs in Recent Two Years

圖6 近兩年出水色度與再生水利用標準對比Fig.6 Comparison of Effluent Chroma and Reclaimed Water Utilization Standards in Recent Two Years

圖7 近兩年出水pH值與再生水利用標準對比Fig.7 Comparison of Effluent pH Value and Reclaimed Water Utilization Standards in Recent Two Years

圖8 近兩年出水糞大腸菌群數與再生水利用標準對比Fig.8 Comparison of Effluent Escherichia coli and Reclaimed Water Utilization Standards in Recent Two Years

圖9 近兩年出水TDS濃度與再生水利用標準對比Fig.9 Comparison of Effluent TDS and Reclaimed Water Utilization Standards in Recent Two Years

圖10 近兩年出水渾濁度與再生水利用標準對比Fig.10 Comparison of Effluent Turbidity and Reclaimed Water Utilization Standards in Recent Two Years

圖11 近兩年出水DO濃度與再生水利用標準對比Fig.11 Comparison of Effluent DO and Reclaimed Water Utilization Standards in Recent Two Years

圖12 近兩年出水余氯濃度與再生水利用標準對比Fig.12 Comparison of Effluent Residual Chlorine and Reclaimed Water Utilization Standards in Recent Two Years

圖13 近兩年出水埃希氏大腸菌群與再生水利用標準對比Fig.13 Comparison of Effluent Escherichia coli and Reclaimed Water Utilization Standards in Recent Two Years

出水色度滿足城市雜用水(城市綠化、道路清掃、消防、建筑施工)限值要求，但A廠出水色度平均值為26.7度，超過觀賞性景觀環境用水(河道類)水質要求(20度)，超標概率為2/3，可能受下坪填埋場滲濾液的不規范排入影響；另外，D廠和F廠出水色度平均值分別為18.0度和18.3度，存在接近標準限值的情況，具有超標風險。深圳屬沿海地區，TDS指標限值要求為2 000 mg/L，除H廠外，其他廠出水TDS質量濃度均低于1 000 mg/L，H廠因排水管網受海水倒灌影響較大，出水平均值為2 337 mg/L，顯著高于其他廠，超標概率為3/3，因此出水不滿足城市雜用水要求。各廠出水渾濁度平均值分別為3.47、0.24、0.24、0.79、0.53、0.51、0.62 NTU和0.66 NTU，滿足再生水利用水質要求。當再生水用于城市雜用時，出水DO質量濃度要求不低于2 mg/L，各廠出水DO濃度均在限值以上，其中E廠和F廠出水DO濃度接近限值，存在不達標風險。城市雜用水要求剩余消毒劑總氯指標出廠水不低于1 mg/L，管網末端余氯質量濃度不低于0.2 mg/L，且用于城市綠化時，管網末端不高于2.5 mg/L，對比出水水質發現，各廠出水均不符合標準要求，B、C廠和D廠出水余氯為0，不達標概率為3/3，表明三廠僅采用紫外消毒，未采用NaClO聯合消毒。A廠出水余氯質量濃度相對較高(0.5～1.0 mg/L)，但仍不滿足出廠水標準要求。E、F、G廠和H廠出水余氯平均值分別為0.03、0.03、0.67 mg/L和0.94 mg/L，不達標概率分別為3/3、3/3、2/3和2/3。出水埃希氏大腸菌群除B廠和F廠符合標準要求外，其他各廠均存在超標情況，其中D廠超標最多，超標概率為3/3。觀賞性景觀環境用水(河道類)基本要求為“無漂浮物，無令人不愉快的嗅和味”，城市雜用水(城市綠化、道路清掃、消防、建筑施工)對嗅的要求為“無不快感”，經對各廠出水評估，出水滿足兩項感官性狀指標要求。

綜上，深圳市原特區內8座水質凈化廠出水再生利用4項指標(色度、TDS、余氯和埃希氏大腸菌群)存在不同程度超標或不達標情況，1項指標(DO)存在不達標風險。由前文可知，8座水質凈化廠均執行一級A及以上排放標準，因此，擴展至全市水質凈化廠，當出廠水作為再生水使用時，水質達標狀況同樣本數據。

2.4 水質綜合評估

深圳市原特區內8座水質凈化廠出水再生利用水質綜合評估結果如下，A～H廠的Iwq分別為1.431、1.311、1.421、1.421、1.421、1.311、1.321、1.331。A、B、C、D、E、F、G廠和H廠近兩年出水水質綜合水質標識指數Iwq在1.311～1.431。根據前文定義可知，當Iwq越接近于1.0時，表明綜合水質狀況越優；當Iwq越接近于2.0，表明綜合水質狀況越差。各廠出水Iwq均在1.0～2.0，且靠近1.0，表明各廠出水再生利用綜合水質較優，且B、F、G廠和H廠出水綜合水質優于其他四廠。出水再生利用5項超標/不達標風險因子中余氯和埃希氏大腸菌群對Iwq貢獻最大，因此，通過加強再生水消毒控制，可以顯著提高綜合水質水平。

2.5 再生利用水質改善措施

深圳市38座水質凈化廠出水水質優于一級A排放標準，出水再生利用存在色度、TDS、余氯和埃希氏大腸菌群超標或不達標情況，DO指標存在不達標風險。因此，針對5項超標/不達標風險因子提出水質改善措施(表3)，優化再生水使用用途，以擴大再生水使用范圍和用量，緩解目前深圳市面臨的抗旱保供水緊張局面。

表3 再生水利用水質風險因子及改善措施Tab.3 Water Quality Risk and Improvement Measures of Reclaimed Water Utilization

城鎮污水色度的深度處理工藝主要包括混凝、過濾、活性炭吸附、臭氧氧化、反滲透及其組合等技術[5]。一般地，城鎮污水處理廠尾水色度能夠滿足再生水標準限值要求，深圳市A、D廠和F廠出水色度較高主要原因分別是受下坪填埋場的不規范排入和協同處理城市有機廢棄物厭氧沼液影響。因此，管理層面上，一是加強下坪填埋場尾水排放管理及執法監督，杜絕未經處理或處理不達標滲濾液進入市政排水管網；二是合理確定厭氧沼液的摻入比，減少有機顯色基團的含量。工藝運行優化層面，一是加大水質凈化廠尾水/再生水消毒單元NaClO投加量或接觸時間(具體參數通過燒杯試驗確定)；二是強化混凝單元運行管理(混凝劑種類及投加量)；三是加強過濾單元(尤其是砂濾)運行管理。此外，還可以采取工程改善手段解決，常用的工程措施是新增臭氧氧化接觸池[6]。

污水中TDS的有效去除技術主要包括反滲透、電滲析、蒸餾和離子交換[7]，基于城鎮污水鹽分的特點，反滲透是當前再生水利用中除鹽的最經濟高效工藝。考慮到再生水用于低端城市雜用(城市綠化、道路清掃、消防、建筑施工)，而采用反滲透工藝能源消耗和運行成本較高，因此，不具備經濟可行性。深圳市H廠出水TDS較高主要受海水倒灌排水管網影響，從管理上來說，需要實施鹽田區排水管網提質增效，減少海水倒灌及入滲。短期內非工程改善措施對于TDS難以奏效，因此，依據再生水“以質定用”原則，應限制TDS超標再生水用于城市雜用，尤其是城市綠化(氯離子過高導致園林植物死亡)。

城市雜用水水質要求DO質量濃度不低于2 mg/L，部分水質凈化廠出水接近指標下限，一般通過設置復氧池或利用跌水曝氣予以解決。對于水質凈化廠運行管理，適當提高尾水水頭以充分利用跌水復氧或適當提高好氧池DO濃度可能是有效措施。作為再生水利用剩余消毒劑指標余氯和微生物學指標埃希氏大腸菌群是相互關聯的，主要通過加大再生水消毒單元NaClO投加量或接觸時間，使出水余氯質量濃度穩定在1 mg/L以上，管網末端余氯質量濃度在0.2～2.5 mg/L(用于城市綠化)或者0.2 mg/L以上(用于道路清掃)，同時埃希氏大腸菌群不得檢出。如城市雜用采用環衛灑水車取水，則只需出水余氯質量濃度穩定在1 mg/L以上即可。

3 結論

(1)深圳市38座水質凈化廠實際出水水質均優于一級A排放標準，其中27座水質凈化廠執行部分指標滿足地表水Ⅳ類水排放標準，占處理能力的63.6%。再生水利用標準中7項指標限值等同于出水排放標準一級A標準限值，另外，再生水利用標準特有水質指標7項，因再生水應用場景不同，水質指標及限值不同，需納入再生水水質評估。

(2)深圳市水質凈化廠出水再生利用4項指標(色度、TDS、余氯和埃希氏大腸菌群)存在不同程度超標或不達標情況，1項指標(DO)存在不達標風險。水質綜合評估顯示，出水再生利用綜合水質較優，通過加強再生水消毒控制，可以顯著提高綜合水質水平。短期內再生利用水質改善措施以非工程管理優化措施為主，主要包括加大消毒單元NaClO投加量或接觸時間及適當提高出水DO濃度。

(3)水質凈化廠出水達到一級A排放標準及以上時，通過加強再生水消毒工藝管理，可以用于河道補水和市政雜用(城市綠化、道路清掃、消防、建筑施工)，以提高污水再生利用水平，緩解缺水地區水資源短缺局面。