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ag真人线上平台在线再生水回用于景观水体的水质
发布时间发布时间:2020-08-12 02:24

  2.吉林建筑工程学院市政环境研究所,吉林长春130021;3.吉林大学环境与资源学院,吉林长春130021)

  摘要:介绍了再生水回用于景观水体在我国的实践状况,对我国现行的有关景观水体水质标准进行了比较分析,并从水体富营养化与自净等技术措施及其与二级处理相关性等方面进行了探讨,最后提出了合理化建议。

  随着我国城市化进程的加快与可持续发展战略的实施,城市综合治理与城市水环境保护已逐渐提到日程上来。我国很多城市都对那些流过城区、因污染严重已变得黑臭的老河道进行了整治工作,但往往在投入巨额资金实施了污水截流、河道清淤,河底硬化、堤岸砌石等治理工程之后,臭水河变成了无水河。由于一些城市周边可利用的地表水资源较为匮乏,为了保持城市景观的游览水面,在河道中设置了多道橡皮坝截流或引流蓄水,甚至打深井汲水或放入自来水来维持治理后的河道,然而截流水体经过一段时间后水质即逐渐劣化而变得黑臭,须放掉重新蓄水,这在社会、经济与环境效益等方面都是很不合理的。因此,近年来一些城市在建设了大型城市污水处理厂后,开始考虑将污水处理厂的出水进一步处理后作为这些干涸河道的景观补给水,我国石家庄、慈溪、郑州、北京等地均已开始实施或计划实施此类工程。这些工程为我国再生水回用于景观水体的大规模实践起到了积极的推动作用,但也由于相关水质标准与技术措施尚处于经验摸索阶段而遇到很多问题,急切需要对此类情况下可依据的水质标准与设计规范做更科学合理的规定。

  我国已经先后颁布了若干与景观水体有关的水质标准,这些水质标准对比如表1。

  1988年为控制水污染和保护水资源,国家环保局批准颁布了GB 3838—88《地面水环境质量标准》,对江、河、湖泊、水库等具有使用功能的地面水水域,依据其使用目的和保护目 标划分为五类,其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类考虑了对景观娱乐水体水质的考核要求。1991年为进一步保护和改善景观娱乐用水水体的水质,恢复并保持水体自然生态系统,促进旅游业的发展,国家环境保护局批准颁布了GB 12941—91《景观娱乐用水水质标准》,按照水体的不同功 能,分为A、B、C三类,大致分别相当于GB 3838—88Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水质标准,但指标要求更趋严格。上述两个标准在2000年同时被GHZB 1—1999《地表水环境质量标准》所替代废止。这些水质标准对氮、磷等指标控制极为严格,对COD、BOD、溶解氧等指标的控制也较为严格,作为国家标准,其对于景观水体的考核评价起着执法依据的作用。

  1996年国家环境保护局批准颁布的GB 8978—1996《污水综合排放标准》,对城镇二级污水厂出水排放提出了更高要求,规定排入GB 3838—88的Ⅲ类水域执行一级标准;排入Ⅳ、Ⅴ类水域执行二级标准。为防止排入水体富营养化,保持水体作为饮用水水源或景观水体的价值,新标准对氮、磷、COD、BOD、悬浮物等指标控制更为严格。ag真人线上平台在线目前我国新建城市污水处理厂大多已执行一级标准或接近一级的排放标准。 随着我国再生水回用的不断实践,1994年中国工程建设标准化协会提出CECS61∶94《城市污水回用设计规范》(目前正考虑经补充完善后提升为国家标准),ag真人线上平台在线2000年建设部颁布了城建行业标准:CJ/T 95—2000《再生水回用于景观水体的水质标准》,二者都对污水再生后回用于景观水体的水质提出了要求,但由于考虑现阶段的可实现性,目前的建议值均要求偏低,基本与GB 8978—1996《污水综合排放标准》的一级标准相近,而对于磷等指标的要求,甚至比GB 8978—1996一级标准还低得多,与GHZB1—1999《地表水环境质量标准》更是相去

  表1有关景观用水水质指标的比较规范或标准名称 主要水质指标(mg/L) 适用范围 颁发部门 CODCr CODMn BOD5氨氮 总磷 悬浮物 溶解氧 地表水环境质量标准GHZB1—1999 Ⅲ类 ≤20 ≤8 ≤4 ≤0.5 ≤0.1 ≥5 Ⅲ类:适用于水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区;Ⅳ类:一般工业用水区及人体 非直接接触的娱乐用水区;Ⅴ类:农业用水区及一般景观要求水域。 国家标准,国家环 境保护局 Ⅳ类 ≤30 ≤10 ≤6 ≤1.0 ≤0.2 ≥3 Ⅴ类 ≤40 ≤15 ≤10 ≤1.5 ≤0.2 ≥2 库湖特定 总氮0.3~1.2 0.025~0.12 景观娱乐用水水质标准GB 12941—91(2000年废止) A类 ≤6 ≤4 ≤0.5 ≤0.02 ≥5 A类适用于天然浴场或其他与人体直接接触的景观、娱乐水体;B类适用于重点风景游览区及与人体非直接接触的景观娱乐水体;C类适用于一般景观用水水体。 国家标准,国家环境保护局 B类 ≤6 ≤4 ≤0.5 ≤0.02 ≥4 C类 ≤10 ≤8 ≤0.5 ≤0.05 ≥3 再生水回用于景观水体的水质标准CJ/T95—2000 1 50 10 凯氏氮10 1.0 10 1.人体非全身性接触的观赏性景观水体;2.人体非直接接触的娱乐性景观水体 城建行业标准,建设部 2 60 20 凯氏氮15 2.0 20 污水综合排放标准GB 8978—1996 一级标准 60 20 15 0.5 20 城镇二级污水厂排入G B 3838Ⅲ类水域执行一级标准;排入Ⅳ、Ⅴ类水域执行二级标准 国家标准,国家环境保护局 二级标准 120 30 25 1.0 30 城市污水回用设计规范CECS61:94 夏季 75 20 <10 <2 30 再生水用作市区景观河道用水时最高允许浓度 中国工程建设标准化协会 非夏季 75 20 <20 不控制 30

  从表1中可以看到,我国现有城建行业标准CJ/T 95—2000《再生水回用于景观水体的水质标 准》及CECS61∶94《城市污水回用设计规范》,与GB 8978—1996《污水综合排放标准》的一级标准相近,且对磷等指标的要求相对偏低,同时对于再生水回用于景观水体的具体情形 没有区别对待和分别说明,显得较为粗糙,因而有待于进一步提高完善。

  经过城市二级污水厂处理的出水仍然会给受纳水体带来一些污染物质,如果未超过其环境容量,则通过水体自净作用仍然可以维持其原来等级,不至于迅速劣化变质。正是基于此原则,GB 8978—1996规定排入Ⅲ类水域执行一级标准;排入 Ⅳ、Ⅴ类水域执行二级标准。这种规定的另一个潜在前提应该是:受纳水体为流动水体,且相对于排入水量其容量较大。若非如此,必将造成水体污染累积劣化的严重后果。就与GB 8978—1996一级标准水质接近的CJ/T 95—2000及CECS61∶94而言,其回用于景观水体的前提也应该是景观水体为流动水体,并可以一定程度地稀释排入水的污染物浓度。因此,对于计划将再生水回用于没有任何稀释条 件的缓流人工水体作为景观用水的一些城市,简单套用CJ/T 95—2000及CECS61∶94的有关 水质标准是极为不安全的,华东某城市将城市污水厂二级出水进行深度处理(2×104m3/d)后回用于河道景观用水时,就采用了较为严格的GHZB1—1999Ⅲ类水体标准。

  另外,往往同一城市的环保与建设部门在此问题上意见很不一致。例如我国中部某缺水城市,计划将城市污水厂的二级出水经三级深度处理(10×104m3/d)后回流到上游一干涸 废弃的水库(作为调蓄池),存留数日后向两条治理后的城市干河道间歇放流(在河道中设置数道橡皮坝以截流为城市游览水面)。对此拟建的三级处理工程出水的水质标准,各有关部门意见分歧很大:建设管理部门认为既然国家建设部已经制定了《再生水回用于景观水体的 水质标准》,就应该按照城建行业标准CJ/T 95—2000来执行;环保管理部门则坚持参照Ⅳ类 水体标准(甚至库湖特定指标值)执行,理由是其中一条城市河道下游某一断面被定为该城 市考核断面(规定为Ⅳ类水体),而国家标准GHZB1—1999应更具法律效力。上述二者在水质指标上的差别如此之大,对建设投资以及处理工艺的选用等均将形成显著影响。笔者认为 ,对于此种情况,前者指标要求过宽,如果不在后续过程中采取相应措施,将缺乏安全保障(此人工水体可能逐渐劣化甚至黑臭)而丧失作为景观用水水体的价值,造成巨额投资的白白浪费;后者没有考虑利用水体的自净功能,指标要求过高,在资金与运行费用等限定条件下缺乏可操作性。综合安全性与可行性来考虑,可以在后者的基础上适当放宽,但又缺少可供 依据的标准,造成责任上的顾虑。因而,此类工程实践需要有更加全面、具体、完善、可行的水质标准和设计规范加以指导。

  对于再生水回用于景观水体,专业人员首先会想到氮、磷等指标的控制问题。一般认为,水中含氮>0.2~0.3 mg/L、含磷>0.01 mg/L、BOD5>10 mg/L就可能引起富营养化[1]。从这一标准来看,目前我们所利用的许多景观水体都不同程度地存在富营养化现象,甚至 也包括一些Ⅳ、Ⅴ类水体。然而,只要水体没有黑臭腐化就仍然具有重要的景观用水价值,甚至可以说,再生水回用于景观水体的目标并非是控制其不发生富营养化,而是控制其不发生黑臭腐化现象。事实上,所谓富营养化是湖泊演化分类学的一个概念,其标志着湖泊老化(在封闭或缓流水体中极易发生),严重的富营养化最终易导致水体黑臭。对于流动水体,由于流动水流不断复氧,在水体生态系统的作用下将一定程度地维持水体的环境容量,即轻度的富营养化不会很快使流动水体形成黑臭现象。基于此,再生水回用于流动景观水体,可以不必用控制水体富营养化的水质标准来衡量,氮磷指标可以适当放宽。特别是在水体生态系统较完善的情况下,水生植物可以吸收大量氮磷与有机营养,并向水中释放氧,可以在一定程度上维持水体质量的稳定。因此,在水体的生态系统或水力流动等复氧机制完善的情况下 ,应考虑充分利用水体的自净作用。

  原则上,城市污水厂二级出水可以通过现已掌握的各种技术措施,如采用活性炭吸附、生物活性炭、臭氧—活性炭、膜分离技术及离子交换等,经深度处理再生后能达到更高的要求,但建设投资高、运行费用昂贵,我国目前的大规模回用工程很难承受,因而也就难以得到普 及应用。“七五”与“八五”期间[2],科研工作者通过人工水体模拟,进行了大量卓有成效的研究工作[3],提出的推荐指标为总磷≤0.5 mg/L,但由于下面一些原因,《再生水回用于景观水体的水质标准》CJ/T 95—2000最终将指标定为如表1所列出的1.0 mg/L(人体非全身性接触)和2.0 mg/L(人体非直接接触):①由于课题组资金限制,成果的最终评议为函评,评议专家与课题组成员缺乏直接交流,因此很多专家从当时的可实现性来考虑,按照二级处理所能达到的较高水质指标推荐了较为宽松的景观回用标准;②起草上述标准之时,参与起草的很多专家从当时我国国情出发,认为我国现状与污水大规模再生回用于景观的实践还相距甚远,因此在一些水质指标上也没有严格考虑。正因为如此,“全国污水回用研究会”2001年年会期间,由中国市政工程东北设计院主持,征集了与会专家的意见,对原《城市污水回用设计规范》CECS61:94的水质指标,特别是再生回用于景观水体 的水质标准将作出更为严格的规定,并将把此规范由行业标准提升为国家标准颁布实行。

  对于城市污水厂二级出水的回用,国内采用较多的是混凝、沉淀、过滤这一“老三段”工艺 ,其对悬浮物的去除较好,而对COD、BOD、氨氮及色度的去除很不理想,因而只局 限于二级出水再生回用于水质要求不高的工业及生活杂用水的回用工程中。

  从我国目前城市污水处理厂排放的水质来看,要再生处理回用于景观用水的水体,需要对氮、磷、BOD、COD、悬浮物等进一步有效去除,并消毒杀菌。这从深度处理的技术角度来分析,一般需要采用生化方法与物化方法结合来协同处理。

  对于氨氮的去除,一般有物化法(折点加氯)与生化法(硝化)两种方案。但前者用氯量是氨氮含量的十几倍,在氨氮较高时的运行是很不经济的;后者由于活性污泥在二级出水的低浓度 有机物含量下很难培养,一般采用生物膜处理方法,通常可以去除90%左右的氨氮,例如采用曝气生物滤池,不但可以有效去除氨氮及部分BOD、COD,还可以去除大部分悬浮物,从而可省去沉淀池。如果二级出水达到了GB 8978—1996的一级排放标准,则三级生化处理在常温季节可将氨氮降至1 mg/L以下或接近1 mg/L。考虑到北方冬季气温较低,氨氮的去除将受到温度的较大影响,因此可以预设折点加氯作为保障。同时,由于景观水体在冬季不容易变质腐化,因而可将氨氮的指标适当放宽至1~3 mg/L。

  笔者建议采用氨氮而不是总氮作为二级出水回用景观的水质控制指标是基于以下考虑:①在水体的富营养化中,氨氮所起的作用是主要和决定性的[4];②二级出水采用反 硝化脱氮会由于碳源不足需要外加而增加运行费用;③反硝化所需回流将使电耗大 幅度增加;④反硝化的缺氧段构筑物会大幅度提高建设投资。

  对于磷的去除一般也有生化法与物化法两种方案。前者依靠聚磷菌对磷的过量摄取通过排泥可以达到除磷的目的,但二级处理时没有考虑生物除磷,那么在三级处理时采用生物法 除磷是极为困难的。后者投加金属盐混凝剂,通过沉淀、过滤等分离工艺予以去除,如果进口处悬浮物浓度不高(如曝气生物滤池的出水),可以考虑微絮凝后直接过滤,这样做的好处是可以节省反应沉淀池而缩减建设投资,其代价是增加滤池的负荷,缩短反冲周期,自耗水较浪费,提高了运行成本;在处理水量相对不大时,也可考虑压力式过滤方案,其优点是滤速更高、节省滤池容积和占地、节省建设投资、同时截污能力更强,一般水头损失为10m时才进行反冲(重力式滤池水头损失为2m时即需反冲),因此反冲洗周期较长、节省自耗水量,代价是由于泵的电耗增加而使运行费用有所提高。一般采用物化方法可使总磷去除达80%,如果城市污水厂二级出水达到GB 8978—1996一级或二级标准,那么,三级处理将总磷控 制在0.2~0.5 mg/L是可行的。即使二级出水总磷超标高达5 mg/L时,通过混凝过滤方法使三级出水的总磷达到0.5mg/L或更低也是可能的,但代价是投药量的成倍增加。另外,其他有关指标如BOD、COD、悬浮物等在脱氮除磷过程可以得到一定程度的去除,完全可以达到景观用水水质要求,而溶解氧等指标应结合水体生态系统的改善,强化水体复氧机制,才能有所保障。

  生化—物化两段工艺将成为我国现阶段污水再生回用于景观水体用水的主要技术措施,但如果不进行合理优化,也将给建设投资及运行成本带来不必要的浪费。如华东某城市将二级出 水进行深度处理(2×104m3/d)后再生回用于河道景观用水,出水水质指标采用了较为 严格的GHZB1—1999Ⅲ类水体标准,其主体设计工艺流程为:二级出水→第一段淹没式曝气生物滤池(缺氧运行)→第二段淹没式曝气生物滤池(好氧运行)→混凝→沉淀(澄清)→压力式 纤维球过滤→消毒→深度处理出水。

  如果从尽可能节省建设投资与运行成本并保障水质的角度来分析上述工艺流程,将会发现有如下几方面问题有待进一步优化:①缺氧运行的第一段淹没式曝气生物滤池可以不设,原因上已述及,这样可以节省这一部分的投资与运行费用;②沉淀(澄清)池可以不设,因为上向流曝气生物滤池(BAF)出水悬浮物<10 mg/L,这样的低浊度是可以满足压力式直接过滤条件的,因此可以用微絮凝—过滤代替上述混凝—沉淀—过滤,省去沉淀池,大幅度节省基建投资,同时这样做的另一个好处是,由于矾花只需满足过滤而不需要达到沉淀分离尺度,因此可以节省一部分药剂;③压力式纤维球过滤由于其纤维球填料中间扎结处很难反冲洗干净,随着运行时间延续,其出水质量难以保障,因此可以用纤维束填料替代而取得更好的过滤效果。优化上述几方面,可以推荐如下更为节省投资与运行成本的工艺流程:二级出水→上向流曝气生物滤池(BAF)→微絮凝→压力式纤维束过滤→深度处理出水。

  通过上面分析讨论可知,此工艺流程是生化—物化两段工艺进行三级(深度)处理的精简优化流程。此系统以合理的参数运行时,对二级出水中氨氮与总磷的去除均可达到90%以上,即在经济合理的运行成本下,一般可以将出水水质控制在氨氮≤1~3 mg/L、总磷≤0.5 mg/L以下。

  因此,综合安全性与技术可行性来考虑,对于较高要求的再生水回用于景观水体的水质标准,建议:总磷应控制在0.5 mg/L以下(否则将超出GB 8978—1996一级标准的水质指标,这是矛盾的与不合理的);氨氮应控制在1~3 mg/L;CODCr应控制在20~30 mg/L;BOD5可以控制到6 mg/L以下。

  国内一些污水处理厂在建设之初并没有作回用的计划和准备,因而再考虑回用时一般只能在二级出水后考虑三级处理,于是形成一些工艺环节重复建设的局面,造成投资与运行的极 大浪费,同时一些可以在二级处理中合理解决的问题也留给了三级处理,极大地增加了三级处理的难度。譬如对氮、磷的去除,众所周知,生物脱氮除磷是最为经济高效的办法,但如果二级生物处理中没有选择可以有效脱氮除磷的工艺,则三级处理由于活性污泥难于培养而 难以考虑生物除磷,对氮的去除也只能考虑用生物膜法,且由于负荷较高也很不经济。如果城市污水处理厂建设时选择了可以脱氮除磷的工艺,使二级出水达到GB 8978—1996一级标准或更好的水质指标,则三级处理的工艺选择将变得更为容易,同时建设投资和运行费用也 将大幅度缩减。因此建议新建二级污水处理厂要优先选择可以有效脱氮除磷的工艺,而计划将再生水回用于景观水体的已建城市污水厂,也应首先考虑二级污水厂通过部分工艺改造来 强化脱氮或除磷效果,这样将更为经济有效。

  对于已建城市污水厂,可以考虑调整运行方式,强化原工艺使其具备厌氧—好氧除磷或缺氧—好氧脱氮的功能,也可以在原曝气池投加悬浮或固定生化填料,利于硝化菌生长繁殖,强化硝化作用与氨氮的去除,同时增加微生物密度,提高容积负荷,也可以使生化处理效果全面得到增强。

  ①我国现有城建行业标准:CJ/T 95—2000《再生水回用于景观水体的水质标准》及CECS6 1∶94《城市污水回用设计规范》,水质指标要求偏低,且对于再生水回用于景观水体的具体情形没有区别对待和分别说明,有待于进一步提高完善。

  ②再生水回用于景观水体的水质目标并非是控制其不发生富营养化,而是控制其不发生黑臭腐化现象,轻度富营养化不会很快使流动水体形成黑臭现象,因此氮、磷等指标可以适当放宽。

  ③在水体生态系统及水流复氧机制完善的情况下,水生植物可以吸收大量氮、磷与有机物质,并复氧自净保持环境容量。因此人工水体应考虑建立完善的生态系统(如种植芦苇等水生植物、强化复氧机制等),充分利用水体的自净功能。

  ④强化二级生物处理的脱氮除磷效果将使三级处理的负荷大为缩小,建设投资与运行费用 也将大幅度降低,因此建议新建二级污水处理厂要优先选择可以有效脱氮除磷的工艺,而计划将再生水回用于景观水体的已建城市污水厂,应首先考虑二级污水厂通过部分工艺改 造来强化脱氮或除磷效果,这样将更为经济有效。

  ⑤综合安全性与技术可行性来考虑,对于较高要求的再生水回用于景观水体的水质标准,建议:总磷应控制在0.5mg/L以下,氨氮应控制在1~3mg/L,CODCr应控制在20~30 mg/L,BOD5应控制在6 mg/L以下。

  ⑥对于再生水回用于景观水体的不同具体情形应区别对待,可以参考现有水质标准(正在完善之中)而不可简单套用,建议通过更充分的论证与模拟试验确定选用的水质标准,避免巨额投资的浪费。

  [1]任南琪,马放,等.水污染控制微生物学[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出 版社,1993.

  [2]国家环保局. 水污染防治及城市污水资源化技术[M].北京:科学 出版社,1992.

  [3]陈立.城市污水回用于人工水体的探讨[J].中国给水排水,1999,15(9):16 -18.

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