再生水河湖生态利用的风险分析与水质保障技术研究

王 佳 王 辉 徐宝建

(北控水务(中国)投资有限公司,北京 100102)

城市河湖水生态环境的保护和建设对城市经济发展具有重要作用。随着城市化水平和工业化程度的提高,水资源短缺和水污染日益严重成为制约社会经济发展和环境改善的重要因素。再生水处理技术的提高,逐步满足工业、市政杂用、农业灌溉及地下水回灌等多方面水质要求,为回用城市河湖生态用水提供了可能。在国家推进污水资源化利用的背景下,充分利用再生水回补河湖已成为改善城市河湖生态环境的有力措施之一。

再生水河湖生态利用在国内外已有大量的应用案例,早在1932年,美国旧金山污水处理厂就将出水回用于公园湖泊观赏用水。此后,包括日本、以色列、新加坡、澳大利亚在内的众多国家也将再生水作为城市河湖景观回用、绿化灌溉等[1]。相比国外,我国将城市再生水回用于城市景观水体的研究最早开始于“七五”国家科技攻关计划[2]。此后,先后在北京、天津、泰安、西安、合肥和石家庄等城市建成了一系列的再生水回用补给景观河道、湖泊的示范工程[1],取得了一定的社会和环境效益。

基于水质原因导致氮、磷浓度偏高而形成的河湖水体富营养化问题是限制再生水安全回用的主要风险。现行再生水回用水质标准中氮、磷浓度值偏高,导致污染物本底值相对较高,在水体的自净能力较天然景观水体差的情况下,容易形成水体富营养化。因此,采用针对性强的改善措施才能实现其安全回用[3]。对于水质改善策略国内多位学者已进行了相关的研究[3-7],主要聚焦在对水体自身的生态修复工程上,常见的技术有水力流动循环、循环过滤、化学除藻和生物调控等;也有通过处理工艺提升出水水质的,如采用膜生物反应器、生物滤池等旁路生化组合工艺。整体而言,再生水回用河湖在实际应用中涉及多个重要环节,对于河湖水体的原位生态修复只是补水最后环节的提升改善,而单一的水处理方法难以满足实际需要。本文在已有措施的基础上,结合再生水回用全流程所涉及环节,从系统角度,针对再生水补水水质提升、再生水补给方式、水体水动力保持以及水体循环净化能力强化等多个回用场景,提出河湖水体环境风险的改善策略,以此维持水系生态系统的稳定运行。

1 再生水河湖生态利用的安全性分析

1.1 水质标准

为全面推动我国城市污水再生处理与生态水环境利用,为不同地域和环境条件下的再生水利用提供基本的水质要求,我国颁布了多个水质标准,如《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类水体考虑了景观娱乐水体的水质要求;《城市污水再生利用 景观环境用水水质标准》(GB/T 18921—2019),对河道类、湖泊类、水景观类用水对象明确了水质要求,涉及10项基本控制项目;《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中,规定城镇污水处理厂出水排入地表Ⅳ类、Ⅴ类功能水域时,执行二级标准。另外,部分城市颁布了地方性标准,如北京市颁布的《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB11/T 890—2012)规定排入北京市Ⅱ类、Ⅲ类水体的污水处理厂执行A标准,排入Ⅳ类、Ⅴ类水体的污水处理厂执行B标准。

有关排放标准限值与回用标准限值的对比见表1。由表1可以看出,《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中天然景观水体的水质标准对CODCr、BOD5、DO以及N、P等指标控制极为严格,与该标准相比,《城市污水再生利用 景观环境用水水质标准》(GB/T 18921—2019)中再生水用于景观环境用水的水质标准指标要求偏低,其中对氮、磷指标要求更低,基本上低于地表Ⅴ类水质标准。对比水污染排放标准,《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中可排入地表Ⅳ类、Ⅴ类功能水域的二级标准水质要求远远低于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅴ类水质标准。但《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB11/T 890—2012)对主要污染物控制指标限制提高到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅳ类水平,对改善北京市水环境质量和污水资源化利用具有重要意义。

表1 有关排放标准限值与回用标准限值的对比

1.2 风险识别

由于再生水是城市污水经过处理后回用的水体,通过上述回用水质标准可知,虽经深度处理,但再生水中仍含有大量的氮、磷营养盐分,回用到流动性较差、对污染物的稀释和缓冲能力不足的城市景观河湖,易发生水体富营养化问题[1]。同时,由于污水处理厂深度处理工艺一般缺乏对再生水中微量有毒有害污染物的针对性去除,可能对生态环境及人体健康形成潜在威胁[1]。此外,再生水中可能含有大量的病原菌和肠道病毒等病原微生物,需经过氯化杀菌消毒工艺抑制病原微生物的再生繁殖,若余氯量过高,也会不可避免地对回用的景观水体中水生生物造成毒害[8]。

由此可见,再生水补给河湖所带入的污染物是引发水体生态恶化的重要原因之一,其中,富营养化和水华现象是再生水源景观利用的最大障碍[9]。为降低再生水回用带来的负面生态环境效应,提高生态安全性,建议再生水回补河湖不应只是达标补给,还应结合相应工程措施以保障河湖水质的长效稳定达标。

2 再生水河湖生态利用的水质保障技术

本文从改善河湖水体富营养化的角度出发,从多个方面提出再生水回补河湖的水质长效保障技术。水体富营养化发生的必要条件主要包括充足的TN、TP等营养盐,缓慢的水流流态,适宜的温度条件[10]。因此,在降低再生水氮、磷含量的基础上,充分考虑改善水力学条件等影响因素,从再生水回用的全过程出发,提出再生水源水质提升技术、增强河道水体流动性的水力循环技术以及强化水体循环净化能力的河湖水质原位修复技术。具体根据实际水质处理需求,利用单一或组合工艺的方式保障水质的长效稳定。再生水回用河湖生态用水的水质安全保障技术体系见图1。

图1 再生水回用河湖生态用水的水质安全保障技术体系

2.1 再生水水质提升技术

2.1.1 污水厂深度处理

再生水往往都需要采用深度处理工艺才能达到回用的水质标准。深度处理工艺(图2中的三级处理)主要包括简单过滤、活性炭过滤、超滤、反渗透、生物滤池、人工湿地等方式,根据去除的目标污染物不同,选择的工艺也不同。再生水的生产和利用需要多种技术的组合,可以将污水处理厂通过增加深度处理工艺升级改造为再生水厂,或从整体系统优化入手,新建再生水厂,强化二级生物处理,减少三级处理构筑物的设置,缩短工艺流程,减少水厂运行维护的工作量,用地有限的再生水厂可采用MBR工艺[11]。

图2 再生水处理的常规技术路线

实践表明,深度处理是降低城市污水中氮、磷等营养物质浓度的有力措施,是污水资源安全回用于河湖的必要条件[12]。对于景观环境回用水需合理采用深度脱氮除磷和安全消毒的保障工艺,再生处理常规的技术路线为“混凝沉淀+过滤+脱色+消毒”,其他处理工艺如膜处理、活性炭吸附、反渗透、离子交换、电渗析等能获得较高的出水水质,但处理费用较高[13]。出水水质目标决定了处理阶段所采用的工艺和技术。通过对北京市中心城区主要再生水厂技术路线的归纳总结可知,提标改造和新建项目的工艺选择有显著区别。提标改造项目由于原工艺的设计限制,多以补充脱氮单元为主,包括两级生物滤池和超滤;新建项目尽量在二级处理工艺段实现同步深度脱氮除磷,缩短工艺流程,主要包括改良A2O和砂滤[12]。

2.1.2 人工湿地处理

近几年,多个地区把人工湿地建设正式引入到水污染控制和标准里,湿地作为污水处理厂的延伸环节,承担着低污染达标排放水的水质改善任务。在用地允许的情况下,可考虑将再生水厂出水先进入人工湿地进行自然缓冲和生态处理,提高出水稳定性之后再用于区域内生态补水。

人工湿地主要包括引排水系统、预处理系统、主处理系统、强化处理系统、二次污染防治设施、管理用房等部分,通常按照CODCr、NH3-N、TN、TP等主要污染物削减负荷和水力负荷进行工艺设计[14]。结合《人工湿地水质净化技术指南》及工程实践结果,在污水厂等重点排污单位出水口下游,宜选择潜流人工湿地或潜流、表面流结合型人工湿地,用地紧张时选择潜流人工湿地,设计水量需与污水处理厂出水量相匹配。通常可采用前置塘+垂直潜流湿地+表流湿地的组合方式(见图3),前置塘用于水质水量的调节,在湿地来水水质超标的情况下可作为应急处理池,同时可作为水量的调节池,保证湿地进水不受较大冲击,垂直潜流湿地对氨、氮可达到较高的处理效果。在河流支流入干流处、河流入湖(库)口、重点湖(库)滨带、河道两侧的河滩地等,宜选择表面流人工湿地(见图4),但用地紧张或河湖水质较差,且水生态环境目标要求较高时,可考虑建设潜流人工湿地,但需要采用预处理措施去除SS,通常可采用沉沙池,在TP浓度较高时也可以进行加药预处理。

图3 污水厂尾水湿地处理工艺流程

图4 河口/湖口湿地处理工艺流程

2.2 水力循环提升技术

2.2.1 生态补水量保障

流速及换水周期作为水体调控的重要参数,在反映补水水量的同时,直接影响着水体中污染物的浓度及其在水体中的存在状态,进而直接影响水体的水质状况。因此,以再生水作为河道生态补水水源时,可通过分析确定适宜的生态需水量,向水体补给稳定充足的水源,提高水力循环能力,增加其水环境容量。

河道生态环境需水量可划分为消耗型需水和非消耗型需水两部分。消耗型需水部分在水文循环过程中以大气水、地下水的形式从城市水系中流失,导致水系内水量减少,这部分水量不能被重复利用;非消耗型需水部分在城市水文循环过程中仍以地表水形式存在,不会导致水系内水量变化,这部分水量可被重复利用或交叉利用。在计算城市水系生态环境需水总量时,对于消耗型需水进行叠加计算,非消耗型需水则考虑能够相互兼容,避免重复,可以互相兼顾的需水量,取各项的外包值,即取其中的最大值作为最终的需水量。河湖生态需水计算方法体系见图5。

图5 河湖生态需水计算方法体系

2.2.2 再生水补水比例适宜

再生水补充河湖水体的补水比例对于富营养化现象的改善具有一定的影响,通常来说,在高温条件下,水体水质恶化速率更快,高再生水占比对于环境更加敏感,容易因为外部气候条件变化引起水质变化。因此,再生水与地表水等其他水源共同补给河湖时,探究合理的再生水补水比例在一定程度上可以更好地控制再生水受水水体的水质[15]。

2.3 河湖原位修复

实施原位修复可以提高景观河道水体的自然净化能力,主要包括物理方法、化学方法和生物方法。物理方法包括曝气充氧、水力循环、循环过滤等技术,通过增加水体的溶解氧等,实现水体循环流动,破坏水华发生条件,并将循环净化后的净水扩散至其他水域,强化水生态的恢复,该方法适于城市湖泊,成本低,见效快,但运行能耗大,设备维护负担相对较重。化学方法包括投放除藻药剂,以及钝化法、酸碱中和法、化学沉降法等,通过投放化学或生物除藻剂等药剂进行除藻,尤其适用于水华突发的水域,用于应急处理,但只具有短时效果,且水质易反复。生物方法包括生物滤池、生物浮床、柔性载体生物接触氧化等,利用微生物有效挂膜的填料、高效生物膜、水生植物等吸附、吸收、截留去除水中污染物,该类方法可深度清洁水体,景观价值高,但受季节影响大,运行周期相对较短[16]。具体可根据河湖水体的实际情况进行单项或组合技术的选取,实现水体水质改善与净化效果的最大化。

3 结 语

利用再生水回补河湖已成为城市水生态改善的重要途径,但由于回用标准限制,再生水中高浓度氮、磷等易引发水体水质恶化和富营养化风险,基于此,本文从再生水回用的全过程出发,结合提升再生水水源水质,增强河道水体水动力及强化水体循环净化能力等单一或组合方式,实现再生水回补河湖的水质长效保障。具体来说,增加污水处理厂除磷脱氮的深度处理措施,是再生水回用河湖的必要条件。在此基础上,在用地允许的条件下,可通过建设河(湖)口湿地对回用河湖再生水进行水质净化。对于河湖受水水体,建议通过调整再生水占比组成不同水质的水源,补给适宜的生态补水量优化水体水动力条件。最终,聚焦水体自身,辅以水力流动循环、循环过滤、化学除藻和以水生/湿生植物为主体的生态工程技术,实现再生水河湖水体水质净化和长效保持的目标。