城市再生水用于沙漠生态治理的水质可行性研究*

吴琳琳 裴莹莹 郭昌胜 侯 嵩 吕佳佩 陈力可 张 艳 徐 建 刘雪瑜

(中国环境科学研究院，北京 100021)

我国西北干旱地区的社会经济发展受到沙漠侵蚀和水资源匮乏的双重制约，城市化与水生态环境保护之间的矛盾突出[1]。“沙水林田草”综合开发是以沙漠景观为主体，以恢复荒漠生态、合理利用沙漠资源为目的，在促进防沙治沙和维护生态服务功能的基础上，实施生态修复和经济作物种植，并开发沙漠旅游资源，使防沙治沙与生态环境改善互相促进，是目前西北干旱地区的治沙新思路[2-3]。

甘肃省某地区在“沙水林田草”综合开发过程中，为解决水资源匮乏问题，拟利用城市污水处理厂再生水灌溉沙生药用甘草和沙漠公园的景观绿地，实现水资源的循环利用。城市再生水回用时，针对不同用途需符合相应的水质标准，有多种用途时，需兼顾不同适用标准的“宽度”和“严度”，即指标的完整性和指标限值的科学性[4-5]。本研究针对城市污水处理厂再生水灌溉沙生药用甘草和景观绿地的需求，构建其回用需考虑的水质指标体系并规定其限值，并结合实际监测数据进行水质达标分析，对不满足指标体系要求的项目提出相应的控制措施，为再生水多用途回用的水质可行性全面评价提供思路。

1 研究方法

1.1 城市污水处理厂概况

本研究选取的城市污水处理厂设计处理量9.0万m3/d，实际处理量6.3万m3/d，工艺流程为进水—A2/O—沉淀池—出水，进一步经废水调节池—曝气生物滤池—高密度沉淀池—加氯消毒深度处理后再生回用。再生水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

1.2 数据来源

按照GB 18918—2002对城市污水处理厂再生水进行月度取样分析。按照《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005)、《城市污水再生利用 农田灌溉用水水质》(GB 20922—2007)、《城市污水再生利用 绿地灌溉水质》(GB/T 25499—2010)中的指标对再生水进行全指标检测分析。

1.3 评价方法

采用污染物超标倍数法对再生水水质是否达到回用指标体系要求进行评价。

2 结果与讨论

2.1 再生水多用途回用水质指标体系的构建

随着城市污水再生利用的范围越来越广，我国陆续出台了用于工业、灌溉、景观等不同用途的再生水水质标准。甘肃省某城市污水处理厂在无分质供水的情况下，拟将再生水用于灌溉沙生药用甘草和景观绿地。根据再生水用途，其水质在满足GB 18918—2002一级A标准的基础上，需同时满足GB 20922—2007和GB/T 25499—2010。考虑甘草作为药用植物，进一步要求再生水水质需满足GB 5084—2005。

该再生水回用需满足的上述4项标准中共包含47项水质指标。GB 18918—2002一级A排放标准规定的19项水质指标中，5项指标为其单独涉及，其余14项指标在另3项标准中有规定限值；GB 18918—2002一级A排放标准未涉及而另3项标准中有规定的水质指标共28项。本研究基于4项标准的水质指标及其限值，综合考虑指标覆盖的“宽度”和指标限值的“严度”，构建适用于该再生水回用用途的水质指标体系。

2.1.1 排放标准涉及的再生水回用水质指标

前文提及的14项水质指标中，除总砷、粪大肠菌群、pH和色度4项指标外，其余10项水质指标限值均为GB 18918—2002一级A排放标准中最低；此外，总铬、烷基汞、动植物油、总氮和总磷5项指标在其他3项标准中未作规定；因此，这15项水质指标执行GB 18918—2002一级A排放标准即可满足该再生水回用的要求。色度在GB/T 25499—2010和GB 18918—2002两项标准中检测方法不同，所规定的色度值单位也不同。考虑色度在城市污水处理厂属于常规监测项目，确定其按照GB 18918—2002规定的检测方法和限值执行。上述水质指标执行限值见表1。

pH在4项标准中规定的限值范围不同，综合考虑确定回用的pH限值范围为6.0～8.5。GB 18918—2002一级A排放标准中的总砷和粪大肠菌群两项指标限值分别为0.1 mg/L和1 000个/L，在其他3项标准中的最严格限值分别为0.05 mg/L和200个/L，因此回用过程中总砷和粪大肠菌群的限值为0.05 mg/L和200个/L(见表2)。

表1 排放标准严于再生水回用标准的水质指标及其限值

2.1.2 排放标准中不涉及的再生水回用水质指标

与GB 18918—2002一级A排放标准的基本控制项目对比，该再生水回用需满足的3项标准中增加了对溶解性总固体等28项水质指标的限值规定；其中铍、铜、镍、锌、硒、氰化物和甲醛等7项水质指标虽然在GB 18918—2002一级A排放标准的选择性控制项目中规定了限值，但其限值高于或等于3项标准的最低限值；因此，这28项水质指标执行3项标准的最低限值(见表3)，可满足再生水回用需求。

2.2 再生水回用的水质可行性评价

对照上述构建的水质指标体系和指标限值，分别从常规监测数据和全指标分析两方面，评价该城市污水处理厂再生水用于灌溉沙生甘草和景观绿地的可行性。

2.2.1 再生水回用水质指标达标分析

2018年3—12月，该城市污水处理厂对再生水的19项水质指标进行月度常规监测。根据该再生水回用指标体系中的指标限值对其常规监测水质进行达标分析。由表4可以看出，色度、化学需氧量、石油类、阴离子表面活性剂、总汞、总镉、总砷等13项指标稳定达标，且石油类、阴离子表面活性剂和重金属等指标浓度显著低于指标限值；五日生化需氧量、氨氮、总氮和总磷等4项指标部分月份超标；悬浮物、粪大肠菌群在监测期间全部超标，超标情况比较严重。

表2 排放标准宽于再生水回用标准的水质指标及其限值

表3 排放标准中不涉及的再生水回用标准水质指标及其限值

为更全面地从水质角度评估该再生水回用的可行性，对照指标体系对再生水进行了全指标分析，并对其达标情况进行评价。由评价结果(见表5)可以看出，城市污水处理厂再生水超标因子为4项，分别为五日生化需氧量、化学需氧量、粪大肠菌群和浊度，对应的超标倍数分别为0.80、0.12、0.05、1.60倍。

表4 再生水常规监测水质指标达标评价

表5 再生水水质全指标达标评价

表5 再生水水质全指标达标评价(续)

2.2.2 再生水回用水质不达标项目分析及对应措施

综合常规监测和全指标分析水质评价结果，该城市污水处理厂再生水如回用于灌溉沙生甘草和景观绿地，有机物、氮、磷、粪大肠菌群和浊度等水质指标存在超标现象。

有机物和氮、磷等营养物在2018年常规监测中部分月份超标。图1和图2分别是五日生化需氧量和氮磷营养物的月度变化情况。3—5月，该厂处于提标改造后的稳定期，出水中有机物和氮磷不稳定，有部分月份超标；6—11月，五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮(11月除外)指标稳定达标；12月系统处理效果受水温下降的影响，出水五日生化需氧量、氮磷营养物超标。由构建的指标体系可知，化学需氧量、五日生化需氧量和氮磷营养物等指标限值均按照GB 18918—2002一级A排放标准执行，因此后续再生水按照排放标准稳定达标后，有机物和氮磷等指标均可满足回用标准。

使用悬浮物过高的再生水灌溉植物和农作物会造成土壤板结，严重时会导致幼小植株死亡，也会造成灌溉系统的堵塞和磨损。2018年常规监测数据显示，7月和8月再生水悬浮物超标，分析可能与系统排泥有关；其余月份该指标稳定达标，且在出水中浓度较低。浊度和悬浮物指标有相关性，水质全分析显示浊度超标倍数为1.60倍。后续可增加出水浊度的常规监测频率，并根据监测结果考虑调整沉淀池工艺参数或采取深度处理措施保证该指标稳定达标。

图2 再生水总氮、氨氮和总磷变化情况Fig.2 Changes of TN,ammonia nitrogen and TP in reclaimed water

粪大肠菌群是再生水灌溉时重点关注的卫生学指标[6-7]。常规监测和水质全指标分析结果均显示粪大肠菌群超标情况严重，超标倍数最高为11 999倍，是再生水回用需重点控制的水质指标。建议该城市污水处理厂尽快实施有效的消毒或过滤等深度处理措施，保障该指标稳定达标。

3 结 语

再生水在无分质供水条件下实施多用途回用时，需综合考虑与回用相关的水质指标的全覆盖原则和指标值的最严格原则，从水质指标体系的角度保障回用水水质安全，最大限度地减少再生水回用对地表水、土壤和地下水的影响。