国外再生水饮用回用的案例分析与启示
陈梓豪,许 萍
随着世界经济和人口的快速增长,全球可用的淡水资源逐渐无法满足人类生存和可持续发展的需要。污水再生利用被视为有效解决水资源短缺的策略之一,并已成为全球可持续水资源管理的重要组成部分 。目前我国城市再生水主要用于冲厕、绿化或改善生态环境等。但在城市建成区新建再生水管网不仅投资巨大,且实施的难度也较高 。此外,不同的再生水用户对于水质标准的要求也不同,且易出现与供水管网混接等事故,这些因素在一定程度上限制了我国城市再生水的推广与利用。2018年全国再生水平均利用率仅为17.2%,西部地区更是仅为8.8% 。近年来,再生水饮用回用作为一种新的利用途径引起了国际社会的广泛关注与重视 ,而类似的自然回用现象早已在全球普遍存在,即上游城市污水经处理达标后排入河流,下游城市从该河流取水作为饮用水 。
再生水饮用回用概况
再生水饮用回用可分为间接饮用回用(Indirect Potable Reuse,IPR)与直接饮用回用(Direct Potable Reuse,DPR)。其中,IPR指有目的地将深度处理后的污水,注入特定的地表或地下水体中,经自然净化缓冲后,再进入给水处理系统的回用方式 ;DPR则指将经过深度处理后的再生水与其他水源混合,直接进入给水处理系统,或直接进入供水管网的回用方式。
1.1 全球再生水饮用回用的主要分布
据不完全统计,全球目前有报道的正在运行的再生水饮用回用项目共24处,每年产量约9.21亿m 3 。全球再生水饮用回用量的分布情况如图1所示。
图1 全球再生水饮用回用量分布情况
根据图1(a),美国是目前世界上再生水饮用回用量最高的国家,其回用量约占全球的62.68%。美国早在1962年便已有再生水饮用回用的先例 ,因此其是再生水饮用回用实践较早、经验也较为丰富的国家。根据图1(b),目前全球再生水饮用回用的主要方式为IPR,其回用量约占全球的98.90%,而DPR仅占比1.10%。由于IPR的环境缓冲区对污染物质具有稀释、混合和衰减等自然净化效果,并具有较长的停留时间 ,因而公众接受度更高。此外,在实际建成的运行项目中,IPR也具有更大的规模,其平均产水量为14.5万 m 3 /d,而DPR仅为1.6万 m 3 /d ,所以IPR能满足更多的用水需求。但也有研究者指出 ,在IPR过程中,经过深度处理的再生水水质较优,但当环境缓冲区水质较差时,通过低质量的环境缓冲区会导致再生水水质变差,进入后续的给水系统再次处理也会浪费能源与资源,故DPR的效率会更高。然而,DPR的再生水虽直接进入给水处理系统或供水管网,但其并不能作为独立水源,仍需与当地其他水源结合使用 ,因而会导致其在实际应用中受到限制。
1.2 全球再生水饮用回用的主要工艺
目前,再生水饮用回用的主要工艺为:(1)“微滤(Microfiltration,MF)/超滤(Ultrafiltration,UF)+反渗透(Reverse Osmosis,RO)+高级氧化(Advanced Oxidation Processes,AOP)”、(2)“臭氧+生物活性炭(Biological Activated Carbon,BAC)/颗粒活性炭( Granular Activated Carbon,GAC)”或(3)二者混合组成的工艺,其在不同回用方式中的应用占比如图2所示 。
图2 全球再生水饮用回用主要工艺类型占比
根据图2,其中应用最广泛的工艺为“(MF/UF)+ RO + AOP”,无论是IPR或是DPR,运用该工艺的再生水饮用回用项目占比均超过50%,而该工艺也被称为“完全高级处理”(full advanced treatment,FAT),被认为是再生水饮用回用的标准工艺 。但是RO在产水过程中会产生高盐浓水,其对地表水、地下水和土壤均会造成较大影响。沿海地区可以将高盐浓水就近排入海中,处置成本相对较低,但在内陆地区往往只能依靠蒸发浓缩、膜蒸馏或深井注入等方式解决,从而大大增加了建设成本与能耗 。这也是目前再生水饮用回用项目较多集中在沿海地区的原因,如在美国共有31个再生水饮用回用项目位于沿海地区,约占其全部的63% 。
再生水间接饮用回用案例分析
IPR的实施方式根据环境缓冲区的不同,主要包括地下水补给与地表水补给两类。二者均对再生水水质有着较高要求,以避免对地下水造成污染或导致封闭地表水体富营养化等 。并且,为保障IPR的安全性,需要建立有效的安全保障体系。此外,成本和能耗也是IPR的重要影响因素。因此本节结合实际工程案例,对上述问题展开分析。
2.1 主要工艺与出水水质
美国作为应用再生水饮用回用最为广泛的国家,其于1962年便在加州洛杉矶地区建立了全美第一个IPR工程。而在2004年建立的加州橙郡地下水补给系统(Ground Water Replenishment System,GWRS),更被证明是再生水饮用回用的黄金标准,甚至发展成为一种国际模式与设计基础 。GWRS的前身为1976年建立的21号水厂,规模为5.7万 m 3 /d ,用以IPR工程进行地下含水层补给,主要作用为抵御海水入侵和增加供水水源。目前,GWRS的规模达到了37.9万 m 3 /d,并计划在2023年扩大至49.2万 m 3 /d,以满足更大的用水需求 。
GWRS项目生产的再生水需要得到加州公共卫生部和加州区域水质控制委员会的批准才可进行饮用回用。而GWRS的进水为污水处理厂二级出水,故为确保该项目水质满足高品质要求,GWRS项目采用典型的“完全高级处理”,主要工艺包括MF、RO和AOP(UV+H 2 O 2 )等。工艺流程如图3所示,组成概况见表1。
图3 加州橙郡GWRS项目工艺流程图
表1 GWRS主要工艺组成概况
GWRS采用MF作为预处理工艺,并在进水中添加次氯酸钠,防止MF膜被生物污染。其MF的进水浊度保持在3~5 NTU之间,进料压力保持在0.020~0.086 MPa,以使MF发挥最大效用。在对MF的维护方面,每个MF单元每22 min进行一次反冲洗,以最大程度恢复膜通量,并且每21 d便会进行一次全面的化学清洗。对MF的严格维护,使得MF对浊度的平均去除率可达到97.5%。
在RO工艺中,每个RO单元由150个压力容器组成,分列三级,扩建前的15个RO单元以78:48:24的阵列配置,扩建的6个RO单元以77:49:24的阵列配置。而在高峰流量过大时,进水可以绕过RO系统,排出水厂。GWRS使用电导率(EC)和总有机碳(TOC)作为证明RO有效性的监测指标,当RO出水的EC<60 μS/cm、TOC≤0.1 mg/L时,说明RO工艺正常运行。此外,GWRS还使用硫酸和阻垢剂对RO的进水进行化学预处理,以减缓膜污染的生成,延长使用时间。
GWRS采用AOP(UV+H 2 O 2 )对再生水进行消毒,可对病原体达到6-log级的去除。同时,H 2 O 2 在紫外线的光照下会产生羟基自由基,加强氧化效果,从而破坏抗紫外线的污染物,如N-亚硝基二甲胺(NDMA)和1,4-二恶烷等。
由于GWRS在RO前添加了硫酸,致使水中二氧化碳积累,pH值降低;同时,RO在去除盐分的过程中降低了出水的碱度。所以,GWRS通过6个汽提脱碳器和添加氢氧化钙(粉末状熟石灰)提高碱度,并将出水pH维持在6~9,以免管道腐蚀并减少结垢。
最终,GWRS产水量的2/3与加州圣安娜河水混合后(其中再生水占比约为30%),输送至地表回灌点补给地下含水层,其余1/3的再生水则通过井灌注入海水屏障。并且,由于GWRS项目临近海边,RO产生的高盐浓水可直接通过海洋排污口排出,从而避免了高能耗的浓水处置方式,若其采用蒸发塘或机械浓缩的方式,能耗将会增长37.5%或300.9% 。
在水质方面,不完全统计了2019年GWRS的进、出水水质以及加州区域水质控制委员会(California Regional Water Quality Control Board,CRWQCB)所规定的GWRS水质许可要求,并与我国《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)进行对比,结果如表2所示。
表2 2019年GWRS水质部分参数与我国地下水质量标准的对比
表3 2019年GWRS的每日最低病原体的对数去除量(LRVs)结果
GWRS共监测了超过500种指标,均可达到或优于州和联邦制定的饮用水标准 。GWRS项目运行至今,该地区尚未有因其而引发的水源性疾病暴发情况,也没有任何消费者投诉或出现重大水质安全事故 。
2.2 风险管控措施
GWRS项目采用了包括源头控制、多级处理、运行监控、水质监测和环境缓冲等在内的多屏障安全工程系统,以确保水质安全。在源头控制方面,GWRS仅收集生活和商业污水,工业废水单独收集并在另一污水厂内处理后排入海洋。并且,GWRS在处理过程中,在MF、RO和AOP等位置建立了严格的危害分析关键控制点(Hazard Analysis Critical Control Point,HACCP)与关键限值,以证明每日病原体减少量符合地下水补给法规,并连续在线监控。其HACCP设置详情如表4所示。
表4 GWRS项目的HACCP设置详情
再生水饮用回用的建设成本因地点、产水规模和附属设施而异。GWRS项目由于规模较大导致成本较高,其初始建设成本为31.43亿元,后扩建花费9.35亿元,总成本高达40.78亿元 。其中,GWRS的年运行和维护费用(O&M成本)高达2.75亿元 。通常,基于膜处理的O&M成本在2.95~3.26元/ m 3 之间,并由于膜处理能耗较高,电费则能占到O&M成本的41% 。单位成本方面,在不包括管道输送与高盐浓水处置成本时,GWRS项目的单位成本为3.44~3.52元/ m 3 ,若包括以上两种成本时,其单位成本将会上升至4.06~9.92元/ m 3 之间 。
GWRS项目在2008-2016年的平均能耗为1.135 kW ? h/ m 3 ,该能耗包括MF、RO、AOP、泵送注入和水质实验室能耗。与当地其他替代水源相比,GWRS项目能耗不及从北加州工程调水的一半,且仅为海水淡化的三分之一。同时,与其他常规再生水系统相比,GWRS项目的能耗也相对较低,如Chang等人 研究得出韩国的集中式再生水系统能耗为1.224~1.914 kW ? h/ m 3 ,北京北小河再生水厂MBR+RO工艺能耗总和为1.37kW ? h/ m 3 。据《2018年GWRS年度报告》显示,其能耗较低的原因为在RO中采用了新型复合聚酰胺膜,使得RO能以相对较低的压力运行,同时还提高了污染物的去除效果。此外,其AOP仅以0.06 kW ? h/ m 3 的能耗,实现对病毒6-log级的去除量 。而若想大幅度降低能耗,则可以采用非膜处理的“臭氧-GAC/BAC”工艺,可使能耗下降至约0.37kW ? h/ m 3 。
再生水直接饮用回用案例
世界上最早的DPR项目在1969年建于非洲国家纳米比亚的首都——温得和克。温得和克市位于撒哈拉沙漠以南,因没有合适的环境缓冲区,从而只能选择DPR。此外,美国德克萨斯州的大泉市,同样与沙漠相邻,高温干燥的气候条件使得蒸发率较高,环境水体流失速度快;并且其地表水与地下水中溶解性固体(Total Dissolved Solids,TDS)的含量均较高,作为环境缓冲区效果不佳 ;同时,当地再生水非饮用回用的大型用水户较少,用户分布密度低,输水距离远,致使新建再生水管网成本过高 。所以,大泉市最终在2013年建造了其DPR项目,经过德克萨斯州水务发展局详细且独立的评估后,表明其质量符合“饮用水标准”,足以作为供水水源之一 。同时,由于该项目中再生水出水的TDS含量远低于地表水源,二者混合后不仅增加了供水量,还改善了原有供水水源的质量。
3.1 主要工艺与出水水质
大泉市的DPR水厂(Raw Water Production Facility,RWPF)采用与加州GWRS相同的“完全高级处理”工艺,但产水规模仅为7600 m 3 /d ,其主要工艺如图4所示。
图4 德州大泉市RWPF直接饮用回用水厂主要工艺图
根据图4,大泉市RWPF的主要工艺包括MF、RO和AOP(UV + H 2 O 2 )。在MF阶段,其由两个单元组成,进水流量为9463.52 m 3 /d,进水浊度要求小于10 NTU,若不能满足要求,进水将会再次回到二级污水处理厂处理,同时MF反冲洗水也回流至二级污水处理厂。在RO阶段,其同样包括两个单元,分列两级,以24:12的阵列配置,进水流量为9009.28 m 3 /d,回收率为75%。AOP(UV + H 2 O 2 )则由两个串联的UV反应器组成,每个反应器包含72盏灯。并且,每个UV反应器的设计剂量为100 mJ/cm 2 ,在设定透射率为81%的情况下,可达到2-log的病毒去除量。但实际上其UV透射率可达98%以上,故其实际UV剂量远大于设计剂量,对病毒的实际去除效果也远高于预计情况。
与大泉市RWPF项目不同,温得和克市的DPR水厂(Goreangab Water Reclamation Plant,GWRP)则采用非膜工艺“臭氧-GAC/BAC”处理,水量规模为2.1万 m 3 /d ,其主要工艺如图5所示。
图5 温得和克市GWRP直接饮用回用水厂主要工艺图
根据图5,温得和克市GWRP项目的主要工艺包括预臭氧、混凝、气浮(DAF)、双层介质过滤(DMF)、主臭氧、BAC、GAC、UF及添加Cl 2 和NaOH。其工艺设置目的如下:预臭氧主要针对铁、锰进行氧化;主臭氧则主要针对病毒、细菌进行消毒,并对有机物进行氧化,加强污染物在BAC与GAC中的去除效果;GWRP采用三步式活性炭工艺,包括一座BAC滤池及两座GAC滤池,后接UF对颗粒污染物进行截留;最后,在再生水出厂前通入氯气并确保余氯含量不小于1 mg/L,同时添加氢氧化钠以稳定出水。
温得和克市GWRP出厂的再生水,不再经过自来水厂处理,与经过处理的水库水及地下水进行混合后,直接进入自来水管网。其中,再生水的平均混合比为25%,最大混合比为35% 。而大泉市RWPF则将出厂的再生水与地表水在输水总管中混合后,再次进入常规自来水厂进行处理,方才供应。最初大泉市规定再生水混合比不高于20%,后修改为50% 。
在水质方面,温得和克市GWRP的水质限制标准和实际出水水质如表5所示。
表5 温得和克市GWRP水质参数情况
由于缺少大泉市RWPF水厂的基本出水水质信息,故使用同为“完全高级处理”工艺的加州GWRS项目与温得和克市的GWRP项目进行对比。根据表5,GWRP的出水水质在50%的置信区间下可以满足其出水限制要求,但在95%的置信条件下,其数值则普遍偏高,而氨、叶绿素a和三卤甲烷等则略微超出了其限制要求。相比于GWRS的出水水质,温得和克GWRP的稳定性则有待提高。此外,采用“臭氧-GAC/BAC”的温得和克GWRP,对COD、DOC、TDS、浊度和三卤甲烷的去除相对弱于加州GWRS项目,但在铁、锰和大肠菌群及类大肠菌群的去除上则相对较好。
在重点关注的病原体去除方面,温得和克市GWRP项目对病毒的去除量为12.4-log ~13.9-log;对细菌的去除量为15.2-log~15.7-log;对原生动物的去除量为7.9-log~9.4-log 。而大泉市RWPF项目的病原体去除效果如表6所示。
表6 大泉市RWPF项目的病原体对数去除量(LRVs)结果
图6 药品及个人护理品的抽样结果
图7 常规消毒副产物的抽样结果
表7 大泉市RWPF项目关键控制点详情
对再生水饮用回用的思考与启示
从实际工程案例可以看出,目前再生水饮用回用具有一定可行性,其中IPR由于更高的公众接受度而更容易在大部分缺水地区开展应用;而DPR则更属于一种极端的再生水饮用回用方式,无需环境缓冲区而具有更高的效率,较适合于极端干旱、水环境条件较差的地区进行利用,如我国西北的严重干旱地区或沙漠地区。在工艺方面,以RO为核心的“完全高级处理”工艺更加适合对水质要求较高的地区进行使用,其不仅在对浊度、盐、铁和锰等常规污染物的去除方面表现优异,还对PPCPs、DBPs等痕量化学污染物的去除表现良好,同时,通过多屏障安全工程可使得病原微生物满足水质安全要求。但目前再生水饮用回用的成本、能耗仍较高,在未来的推广中可能会对其规模上造成限制,故再生水饮用回用更加适合急需其他水源来填补需求空缺的城市开展应用。
此外,通过对国际上的成功案例进行分析可以对我国的再生水饮用回用形成以下几点思考与启示:
(1)打破原有标准的限制壁垒,深入开展再生水饮用回用的全流程系统研究。目前我国尚未将再生水饮用回用明确纳入再生水利用范畴,也无相关标准,再生水饮用回用缺乏应用空间。同时,再生水饮用回用需包含源头控制、处理净化技术、水质替代检测指标、环境缓冲影响、相关风险评估、关键控制点、成本与能耗管理等多个方面,系统非常复杂,需要通过全面深入的研究,为有效预防危害发生、降低风险,保证安全提供技术支持。此外,不同地区可根据自身缺水情况和环境条件,结合再生水饮用回用的不同利用方式的特点,因地制宜地开展试点项目。
(2)加强水质快速检测与痕量化学物检测技术的研发,提高安全风险快速反馈与综合评估能力。目前除了氯含量等少量参数可采用在线检测仪器进行实时监测外,大多数指标仍需在实验室中检测,耗时较长,不利于水质风险的及时发现和控制,因此亟需研发适合更多参数的在线检测技术;同时,需要提高对药品、化妆品、内分泌干扰物等痕量化学污染物的检测水平,以在更大范围内了解并控制水质风险。此外,在风险综合评估方面,可参考美国国家水研究所(NWRI)的经验,建立一支由毒理学、化学、微生物学、水文地质学、环境工程、公共卫生和水处理技术等不同交叉学科专家组成的独立评估委员会,持续开展再生水饮用回用项目的定期科学评审,以确保水质的绝对安全。
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只看楼主 我来说两句 抢板凳好资料,学习了国外再生水饮用回用的案例分析与启示,多谢了。
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