奧運(yùn)公園再生水利用研究論文
我國(guó)目前城市污水回用處于起步階段，尚沒(méi)有國(guó)家統(tǒng)一制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，再生水回用大多沿用的是各種景觀用水和雜排水的標(biāo)準(zhǔn)，僅包括一些常規(guī)指標(biāo)如氨氮、磷、大腸桿菌等，國(guó)內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中尚沒(méi)有針對(duì)大多數(shù)微量有毒污染物的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到保障奧運(yùn)公園回用水安全可靠的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
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摘要：本文從經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性、生態(tài)與人體健康安全性、水質(zhì)保障安全性、衛(wèi)生學(xué)安全性四方面對(duì)再生水利用進(jìn)行了分析，為奧運(yùn)公園補(bǔ)水提出經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行又能保證環(huán)境安全的供水方案提供了依據(jù)，也為國(guó)內(nèi)有關(guān)再生水立法工作奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：再生水利用 再生水安全性
論文正文：
奧運(yùn)公園再生水利用研究
根據(jù)北京市奧組委發(fā)布的消息，自2003年7月22日起奧運(yùn)公園及中心區(qū)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)方案將面向全球征集。景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求是，能夠體現(xiàn)“科技奧運(yùn)、綠色奧運(yùn)、人文奧運(yùn)”主題。將城市污水處理廠的再生水作為奧運(yùn)公園的景觀娛樂(lè)用水是“科技奧運(yùn)、綠色奧運(yùn)”的重要組成部分，是向世界展示中國(guó)科技實(shí)力的重要窗口，將對(duì)中國(guó)的國(guó)際形象產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。完美體現(xiàn)“人與自然和諧統(tǒng)一”的水處理理念將是北京對(duì)奧運(yùn)百年歷史的珍貴饋贈(zèng)。
奧運(yùn)公園水面是世界上迄今為止規(guī)模最大的以再生水為唯一水源的人工水景。奧運(yùn)公園水面規(guī)劃占地約60公頃，其中奧運(yùn)公園北區(qū)水面約50公頃，日需補(bǔ)充水量為6.5萬(wàn)噸;中心區(qū)水面面積約10公頃，日需補(bǔ)充水量為1萬(wàn)噸?？傃a(bǔ)充水量為每日7.5萬(wàn)噸。
為實(shí)現(xiàn)奧運(yùn)公園的再生水補(bǔ)水目標(biāo)，北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司提出了相應(yīng)的再生水補(bǔ)水方案。奧運(yùn)公園的再生水補(bǔ)水水源由清河再生水處理廠(8萬(wàn)噸/日)出水和北小河再生水處理廠(6萬(wàn)噸/日)出水聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)，充分保證奧運(yùn)公園的補(bǔ)水要求。同時(shí)，為了保證奧運(yùn)公園北區(qū)水面補(bǔ)水水質(zhì)為Ⅳ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，中心區(qū)水面補(bǔ)水水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，排水集團(tuán)組織科研單位和高校進(jìn)行了大量研究。
1.再生水利用研究現(xiàn)狀
1.1 再生水處理技術(shù)
水資源的緊缺加快了國(guó)際上對(duì)再生水處理技術(shù)的研發(fā)，在國(guó)外再生水處理技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，我國(guó)也有部分城市已經(jīng)應(yīng)用，但對(duì)再生水處理技術(shù)的深入研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
國(guó)際上，水污染治理技術(shù)路線已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變，關(guān)鍵性的轉(zhuǎn)變?cè)谟谟蓡雾?xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)集成。水處理技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是城市污水處理廠普遍采用以除磷脫氮為重點(diǎn)的強(qiáng)化二級(jí)生物處理技術(shù)，并增加三級(jí)處理流程，包括多種類(lèi)型的過(guò)濾技術(shù)和現(xiàn)代消毒技術(shù);二是采用當(dāng)代高新技術(shù)如微濾、反滲透、膜生物生物反應(yīng)器等，使處理后的再生水達(dá)到市政雜用、生活雜用、園林綠化、生態(tài)景觀、工業(yè)冷卻、回灌地下水、發(fā)電廠鍋爐補(bǔ)給水等多種用途要求。
1.2 再生水安全性研究
盡管世界上許多國(guó)家具有廢水再生回用的悠久歷史，但在廢水回用的安全方面，仍然很難定義和描述人們爭(zhēng)論激烈的可接受的健康危險(xiǎn)。當(dāng)再生廢水使用在人類(lèi)可能接觸到的地方時(shí)，其主要的健康危險(xiǎn)來(lái)自生物致病菌，包括致病細(xì)菌、 寄生蟲(chóng)、原生動(dòng)物以及腸道病毒。為保護(hù)公共衛(wèi)生，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，許多國(guó)家已經(jīng)建立了再生水安全使用的基本條件和法規(guī)。
再生水安全性評(píng)價(jià)體系總體可以分為三大部分——感觀與物理化學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)、致病微生物與病原體評(píng)價(jià)指標(biāo)、毒理學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)污水回用的目的和回用水域的功能，評(píng)價(jià)采用相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范，因而指標(biāo)體系也有一定差異。
美國(guó)各級(jí)政府都十分注重對(duì)回用水安全性的評(píng)價(jià)與科研監(jiān)測(cè)工作。八十年代中期以來(lái)，隨著回灌地下水和補(bǔ)充地表飲用水源的回用水量逐漸增長(zhǎng)，美國(guó)政府及有關(guān)科研機(jī)構(gòu)加強(qiáng)了對(duì)間接飲用的回用水衛(wèi)生安全性的研究評(píng)價(jià)和跟蹤測(cè)試。
我國(guó)目前城市污水回用處于起步階段，尚沒(méi)有國(guó)家統(tǒng)一制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，再生水回用大多沿用的是各種景觀用水和雜排水的標(biāo)準(zhǔn)，僅包括一些常規(guī)指標(biāo)如氨氮、磷、大腸桿菌等，國(guó)內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中尚沒(méi)有針對(duì)大多數(shù)微量有毒污染物的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到保障奧運(yùn)公園回用水安全可靠的設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)，處理過(guò)程(如加氯消毒)可能形成毒性更大或毒性特征不同的中間體，傳統(tǒng)指標(biāo)體系不能很好適應(yīng)微污染等新問(wèn)題。因此，迫切需要對(duì)再生水安全性進(jìn)行深入研究。
2.再生水利用研究
2.1 典型深度處理工藝經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比研究
城市污水深度處理的單元技術(shù)有：混凝沉淀、過(guò)濾、生物活性炭、石灰、臭氧、微濾、超濾、反滲透等。針對(duì)不同水質(zhì)情況，可選擇其中一種或幾種組合，在選擇工藝過(guò)程中需要考慮以下因素：
1)回用水的用途和目標(biāo)水質(zhì);
2)工藝適用性和穩(wěn)定性;
3)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性;
4)環(huán)境因素，包括環(huán)境污染、人體健康和安全保障。
工藝流程的確定最好經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，借鑒成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。本部分研究主要介紹了混凝沉淀、高效過(guò)濾、生物活性炭、石灰、臭氧、微濾、超濾、反滲透等多種水回用深度處理單元技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比及穩(wěn)定性分析。通過(guò)大量試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：
1)膜過(guò)濾技術(shù)產(chǎn)水濁度低;封閉運(yùn)行，對(duì)周?chē)h(huán)境無(wú)干擾;只加少量化學(xué)藥劑，基本上無(wú)二次污染;運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，易于維護(hù)，占地小。因此，與傳統(tǒng)的物化處理工藝相比，具有明顯的優(yōu)越性。微濾、超濾膜過(guò)濾技術(shù)對(duì)有機(jī)污染物、氮、磷的去除受進(jìn)水水質(zhì)影響比較大，對(duì)非溶解態(tài)污染物具有極高去除率。
2)超濾膜過(guò)濾技術(shù)出水水質(zhì)可基本滿足《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T18921-2002)及《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T18920-2002)標(biāo)準(zhǔn)，可以作為奧運(yùn)公園補(bǔ)水的優(yōu)選深度處理工藝。
3)降低氮、磷類(lèi)相關(guān)指標(biāo)應(yīng)在二級(jí)生化處理工藝中解決，這是最為有效和經(jīng)濟(jì)的。因此，建議污水處理廠二級(jí)處理增加脫氮除磷工藝，這樣可使反滲透工藝出水穩(wěn)定滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)II類(lèi)》，甚至更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。
4)反滲透工藝出水水質(zhì)最優(yōu)，可以滿足地表水二類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，大部分指標(biāo)滿足飲用水水源標(biāo)準(zhǔn)，可以作為最優(yōu)質(zhì)的回用水用于奧運(yùn)公園中心區(qū)，但此工藝投資和運(yùn)行費(fèi)用較高。
2.2 再生水安全性評(píng)價(jià)研究
針對(duì)奧運(yùn)公園重要的政治意義和再生水回用的示范意義，本研究擬綜合化學(xué)、生物毒性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)三套評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)不同處理工藝所能達(dá)到的水質(zhì)處理效果，并以回用奧運(yùn)公園的長(zhǎng)期健康風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為重點(diǎn)，發(fā)展適合于北方地區(qū)再生水回用補(bǔ)充城市景觀水體的水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和監(jiān)測(cè)技術(shù)方法。
研究以深度處理工藝的進(jìn)出水為對(duì)象，從生態(tài)安全性和人體健康安全性以及再生水利用對(duì)生態(tài)綠地的影響兩方面出發(fā)，對(duì)奧運(yùn)公園補(bǔ)水技術(shù)作全面的安全性評(píng)價(jià)。研究中應(yīng)用和發(fā)展了先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立經(jīng)濟(jì)適用、符合奧運(yùn)公園補(bǔ)水方案要求的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范。
2.2.1 生態(tài)安全和人體健康安全
試驗(yàn)在高碑店和北小河污水處理廠進(jìn)行，通過(guò)大量試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：
1)北小河污水廠二沉出水及各種深度處理工藝出水對(duì)斑馬魚(yú)與大型水蚤未見(jiàn)急性毒性。混凝沉淀出水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)略有減少，對(duì)柵藻的生長(zhǎng)有一定影響。
2)經(jīng)深度處理(活性炭、絮凝沉淀或反滲透)后的出水，沒(méi)有致突變現(xiàn)象發(fā)生。
3)采用適當(dāng)?shù)奶幚砉に嚭兔鞔_不同工藝再生水的用途，可以有效控制使用再生水的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到安全使用再生水的目的。其中超濾+反滲透和活性炭對(duì)慢性有毒物質(zhì)的去除效果最好。
4)反滲透工藝及活性炭工藝出水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)明顯不足，出水有利于控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生。
5)北小河污水處理廠各深度處理工藝出水有毒有害污染物檢出濃度均未超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中特定項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)限值，可以安全地回用于景觀環(huán)境。
2.2.2 再生水利用對(duì)生態(tài)綠地的影響
在再生水澆灌作物研究中，健康安全性一直是人們關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。健康安全性是指：灌溉作物時(shí)，再生水中有毒有害物質(zhì)(包括重金屬)為作物所吸收或在其上累積，進(jìn)而影響農(nóng)作物產(chǎn)品的品質(zhì)，被人類(lèi)食用或?yàn)樯箫曈脮r(shí)，危害健康。
文獻(xiàn)中大部分研究是針對(duì)農(nóng)作物的試驗(yàn)或局限于研究灌區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)某一方面的試驗(yàn)，而再生水灌溉對(duì)某一地區(qū)甚至整個(gè)城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的影響研究尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。本研究主要在北京市北小河污水處理廠內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)分四個(gè)部分，即水培、盆栽、實(shí)地調(diào)查和大田試驗(yàn)。
經(jīng)過(guò)調(diào)查和試驗(yàn)得到兩方面的結(jié)論：
1)用于園林綠化、城市生態(tài)綠地澆灌的再生水的最重要指標(biāo)是總硬度、溶解性總固體(全鹽量)、氯化物，而再生水的這三項(xiàng)指標(biāo)值均大于自來(lái)水值，但遠(yuǎn)小于飲用水標(biāo)準(zhǔn)值。
2)再生水與自來(lái)水澆灌的植物中，葉綠素含量未發(fā)現(xiàn)明顯差異。
2.3 再生水水質(zhì)保障系統(tǒng)研究
研究分小型試驗(yàn)和露天景觀水塘的模擬試驗(yàn)兩部分。小型試驗(yàn)在試驗(yàn)室中進(jìn)行，主要是對(duì)北小河污水處理廠再生水混合槽出水、高碑店污水處理廠石灰法出水、自來(lái)水配水水樣等進(jìn)行人工光照培養(yǎng)。露天景觀水塘在北小河污水處理廠內(nèi)，除了模擬將來(lái)實(shí)際運(yùn)行再生水質(zhì)變化情況及水體流動(dòng)的水力條件等，還進(jìn)行了人工載體的研究，最終得到如下結(jié)論：
1)深度處理后的水中仍有部分氮磷，因此，在夏季應(yīng)抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生。
2)通過(guò)對(duì)比分析，藻類(lèi)數(shù)量最大值隨磷濃度的增加而增加，說(shuō)明磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化中影響顯著的因子。當(dāng)水樣中藻生長(zhǎng)達(dá)到最大值時(shí)水中大部分磷已被轉(zhuǎn)化為藻體內(nèi)的磷，水中溶解磷的濃度一般已低于0.02mg/L.再生水體富營(yíng)養(yǎng)化的優(yōu)勢(shì)藻種為柵藻，藻類(lèi)轉(zhuǎn)化水體中磷濃度的最大限制因素為氮營(yíng)養(yǎng)。
3)人工載體對(duì)于控制水體富營(yíng)養(yǎng)化有較大的作用，它可以有效地控制浮游藻類(lèi)的生長(zhǎng)，提高水體的透明度。
2.4 再生水利用的衛(wèi)生學(xué)研究
根據(jù)奧運(yùn)公園景觀補(bǔ)水處理技術(shù)方案，對(duì)北小河污水處理廠深度處理中試裝置出水進(jìn)行氯和二氧化氯及紫外消毒試驗(yàn)，比較各種消毒方法的消毒效果，研究消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，選擇最佳的經(jīng)濟(jì)有效的、適于再生水回用的消毒技術(shù)。
1)紫外消毒不產(chǎn)生任何消毒副產(chǎn)物，對(duì)滅活大多數(shù)細(xì)菌、病毒、孢子均有效。與化學(xué)消毒技術(shù)相比，紫外消毒少了有毒、有害化學(xué)品的運(yùn)輸、儲(chǔ)藏和投加過(guò)程，占地少，且年總運(yùn)行成本比加氯消毒法低很多。
2)加氯消毒試驗(yàn)中，對(duì)于大多數(shù)所測(cè)污水處理廠二沉池出水，即使在采用遠(yuǎn)大于常規(guī)加氯量(高到20mg/L)的條件下，所生成的消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷和鹵乙酸的濃度也未超過(guò)飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。這表明再生水消毒的副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)較低。
3)二氧化氯消毒產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物不到氯消毒產(chǎn)生的10%，臭氧、紫外消毒則不產(chǎn)生三鹵甲烷、鹵乙酸類(lèi)消毒副產(chǎn)物。
4)對(duì)于再生水的消毒，衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)可達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。氨氮是再生水消毒中最重要的影響因素。
3.建議
通過(guò)以上幾方面的研究并綜合分析，對(duì)奧運(yùn)公園再生水利用提出如下建議：
1)降低再生水中氮、磷類(lèi)相關(guān)指標(biāo)應(yīng)在二級(jí)生化處理工藝中解決，這是最為有效和經(jīng)濟(jì)的。建議污水處理廠二級(jí)處理增加脫氮除磷工藝。
2)超濾膜過(guò)濾技術(shù)出水水質(zhì)可基本滿足《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T18921-2002)及《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T18920-2002)標(biāo)準(zhǔn)，可以作為奧運(yùn)公園補(bǔ)水的優(yōu)選深度處理工藝。
3)再生水作為景觀用水和河湖補(bǔ)水時(shí)，建議在景觀水體的設(shè)計(jì)中，充分考慮水的循環(huán)和流態(tài)，水體中可適當(dāng)設(shè)置曝氣、跌落、旁濾及人工載體等系統(tǒng)，在溫度高、光照好的7~9月，加大補(bǔ)水量，減少水力停留時(shí)間，以抑制富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生。
4)考慮到奧運(yùn)供水安全以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性，建議再生水作為景觀水體回用和綠化用水時(shí)采用紫外消毒處理工藝;而當(dāng)再生水作為雜用水輸送過(guò)程較長(zhǎng)時(shí)，考慮管道中應(yīng)保持一定的余氯，可以采用加氯消毒，也可將紫外和加氯消毒結(jié)合起來(lái)。