再生水河湖生態利用的風險分析與水質保障技術研究

王 佳 王 輝 徐寶建

(北控水務(中國)投資有限公司,北京 100102)

城市河湖水生態環境的保護和建設對城市經濟發展具有重要作用。隨著城市化水平和工業化程度的提高,水資源短缺和水污染日益嚴重成為制約社會經濟發展和環境改善的重要因素。再生水處理技術的提高,逐步滿足工業、市政雜用、農業灌溉及地下水回灌等多方面水質要求,為回用城市河湖生態用水提供了可能。在國家推進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環境的有力措施之一。

再生水河湖生態利用在國內外已有大量的應用案例,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境效益。

基于水質原因導致氮、磷濃度偏高而形成的河湖水體富營養化問題是限制再生水安全回用的主要風險。現行再生水回用水質標準中氮、磷濃度值偏高,導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化。因此,采用針對性強的改善措施才能實現其安全回用[3]。對于水質改善策略國內多位學者已進行了相關的研究[3-7],主要聚焦在對水體自身的生態修復工程上,常見的技術有水力流動循環、循環過濾、化學除藻和生物調控等;也有通過處理工藝提升出水水質的,如采用膜生物反應器、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用中涉及多個重要環節,對于河湖水體的原位生態修復只是補水最后環節的提升改善,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上,結合再生水回用全流程所涉及環節,從系統角度,針對再生水補水水質提升、再生水補給方式、水體水動力保持以及水體循環凈化能力強化等多個回用場景,提出河湖水體環境風險的改善策略,以此維持水系生態系統的穩定運行。

1 再生水河湖生態利用的安全性分析

1.1 水質標準

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

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

表1 有關排放標準限值與回用標準限值的對比

1.2 風險識別

由于再生水是城市污水經過處理后回用的水體,通過上述回用水質標準可知,雖經深度處理,但再生水中仍含有大量的氮、磷營養鹽分,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,易發生水體富營養化問題[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,可能對生態環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水體生態惡化的重要原因之一,其中,富營養化和水華現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面生態環境效應,提高生態安全性,建議再生水回補河湖不應只是達標補給,還應結合相應工程措施以保障河湖水質的長效穩定達標。

2 再生水河湖生態利用的水質保障技術

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

圖1 再生水回用河湖生態用水的水質安全保障技術體系

2.1 再生水水質提升技術

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到回用的水質標準。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,根據去除的目標污染物不同,選擇的工藝也不同。再生水的生產和利用需要多種技術的組合,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,或從整體系統優化入手,新建再生水廠,強化二級生物處理,減少三級處理構筑物的設置,縮短工藝流程,減少水廠運行維護的工作量,用地有限的再生水廠可采用MBR工藝[11]。

圖2 再生水處理的常規技術路線

實踐表明,深度處理是降低城市污水中氮、磷等營養物質濃度的有力措施,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,再生處理常規的技術路線為“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,但處理費用較高[13]。出水水質目標決定了處理階段所采用的工藝和技術。通過對北京市中心城區主要再生水廠技術路線的歸納總結可知,提標改造和新建項目的工藝選擇有顯著區別。提標改造項目由于原工藝的設計限制,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,多個地區把人工濕地建設正式引入到水污染控制和標準里,濕地作為污水處理廠的延伸環節,承擔著低污染達標排放水的水質改善任務。在用地允許的情況下,可考慮將再生水廠出水先進入人工濕地進行自然緩沖和生態處理,提高出水穩定性之后再用于區域內生態補水。

人工濕地主要包括引排水系統、預處理系統、主處理系統、強化處理系統、二次污染防治設施、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荷和水力負荷進行工藝設計[14]。結合《人工濕地水質凈化技術指南》及工程實踐結果,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、表面流結合型人工濕地,用地緊張時選擇潛流人工濕地,設計水量需與污水處理廠出水量相匹配。通常可采用前置塘+垂直潛流濕地+表流濕地的組合方式(見圖3),前置塘用于水質水量的調節,在濕地來水水質超標的情況下可作為應急處理池,同時可作為水量的調節池,保證濕地進水不受較大沖擊,垂直潛流濕地對氨、氮可達到較高的處理效果。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較差,且水生態環境目標要求較高時,可考慮建設潛流人工濕地,但需要采用預處理措施去除SS,通常可采用沉沙池,在TP濃度較高時也可以進行加藥預處理。

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 水力循環提升技術

2.2.1 生態補水量保障

流速及換水周期作為水體調控的重要參數,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,進而直接影響水體的水質狀況。因此,以再生水作為河道生態補水水源時,可通過分析確定適宜的生態需水量,向水體補給穩定充足的水源,提高水力循環能力,增加其水環境容量。

河道生態環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過程中以大氣水、地下水的形式從城市水系中流失,導致水系內水量減少,這部分水量不能被重復利用;非消耗型需水部分在城市水文循環過程中仍以地表水形式存在,不會導致水系內水量變化,這部分水量可被重復利用或交叉利用。在計算城市水系生態環境需水總量時,對于消耗型需水進行疊加計算,非消耗型需水則考慮能夠相互兼容,避免重復,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。河湖生態需水計算方法體系見圖5。

圖5 河湖生態需水計算方法體系

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化現象的改善具有一定的影響,通常來說,在高溫條件下,水體水質惡化速率更快,高再生水占比對于環境更加敏感,容易因為外部氣候條件變化引起水質變化。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[15]。

2.3 河湖原位修復

實施原位修復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、化學方法和生物方法。物理方法包括曝氣充氧、水力循環、循環過濾等技術,通過增加水體的溶解氧等,實現水體循環流動,破壞水華發生條件,并將循環凈化后的凈水擴散至其他水域,強化水生態的恢復,該方法適于城市湖泊,成本低,見效快,但運行能耗大,設備維護負擔相對較重。化學方法包括投放除藻藥劑,以及鈍化法、酸堿中和法、化學沉降法等,通過投放化學或生物除藻劑等藥劑進行除藻,尤其適用于水華突發的水域,用于應急處理,但只具有短時效果,且水質易反復。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,但受季節影響大,運行周期相對較短[16]。具體可根據河湖水體的實際情況進行單項或組合技術的選取,實現水體水質改善與凈化效果的最大化。

3 結 語

利用再生水回補河湖已成為城市水生態改善的重要途徑,但由于回用標準限制,再生水中高濃度氮、磷等易引發水體水質惡化和富營養化風險,基于此,本文從再生水回用的全過程出發,結合提升再生水水源水質,增強河道水體水動力及強化水體循環凈化能力等單一或組合方式,實現再生水回補河湖的水質長效保障。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。在此基礎上,在用地允許的條件下,可通過建設河(湖)口濕地對回用河湖再生水進行水質凈化。對于河湖受水水體,建議通過調整再生水占比組成不同水質的水源,補給適宜的生態補水量優化水體水動力條件。最終,聚焦水體自身,輔以水力流動循環、循環過濾、化學除藻和以水生/濕生植物為主體的生態工程技術,實現再生水河湖水體水質凈化和長效保持的目標。