清华大学胡洪营教授团队：再生水生态利用安全保障需求与发展策略

再生水生态利用可缓解水资源短缺和改善城市水生态环境。但是，目前还存在再生水的生态效应不清楚，相关水质指标体系和阈值确定方法不完善，深度处理工艺和生态缓冲区构建待优化，经济成本、节能降碳和环境效益缺乏统筹等关键问题。因此，亟需建立快速评价水质生态安全的有效技术与方法，厘清再生水的生态效应，完善再生水水质标准的指标体系，建立体现环境特质的再生水水质安全阈值确定方法，开发新污染物和病原微生物等关键风险因子的绿色去除技术，明晰生态缓冲区构建原理和水质净化融合机制，建立再生水生态利用综合环境效益评价方法和再生水生态利用方案优化方法。

水是社会经济发展的基础性和战略性资源，但我国水资源严重短缺，成为制约可持续发展的突出瓶颈。我国超过60%的城市存在缺水问题，北京、天津、深圳等城市人均水资源量(52~201 m ³ /a)接近甚至低于新加坡、以色列等极度缺水国家(104~212 m ³ /a) ^[1] 。另一方面，我国水环境污染问题依然严峻，成为生态文明建设的突出短板。值得高度重视的是，水资源短缺和水环境污染问题深度交织，互相制约。在水资源短缺情况下，生态环境用水往往被挤占，导致水生态基流缺乏、水体自净能力下降、水生态系统健康受损。同时，水环境污染会导致可利用水资源减少，水质型缺水更加突出。

大量实践表明，再生水利用是破解水资源短缺和水环境污染问题的双赢途径，也是我国高质量可持续发展和生态文明建设的必然要求 ^[2,3] 。2021年1月，发改委等十部委共同出台《关于推进污水资源化利用的指导意见》，将污水资源化利用上升为国家行动计划，提出了再生水利用发展目标 ^[4] 。再生水利用不仅是环境问题，更是保障国家水资源安全，实现可持续发展的重大问题。

我国每年污水处理量大(约700亿 m ³ )，是量大面广的非常规水资源 ^[5] 。生态利用是再生水利用的首要途径，北京92%以上的再生水用于生态补水 ^[6,7] 。在我国北方缺水地区，再生水生态补给可满足水体生态需水，提高水体流动性，加大水环境容量，是解决河湖干枯断流问题的重要举措，在实践中已被广泛利用。

再生水生态利用已成为当今国际水处理研究的热点和发展趋势。新加坡、澳大利亚、美国加州等缺水国家和地区均将其作为解决水资源短缺问题的重要战略举措。新加坡将新生水厂生产的高品质再生水作为城市水体的重要补充水源和部分饮用水，这已成为其城市综合竞争力的重要体现。澳大利亚自2006年严重旱灾后，积极推进水资源多样化政策，大力推动再生水的生态利用。美国加利福尼亚州、德克萨斯州等地区开展了广泛的再生水生态利用实践，且相继出台了相关标准指南、技术规范等文件。

在我国北方缺水地区，再生水生态补给可以实现有水、有景、有鱼，但能否实现水生态修复，保障可游、可渔、可食是需要关注的焦点。在南方丰水地区，河湖是重要的水产养殖地、水源地和亲水空间，同时也是再生水的受纳水体。如何实现再生水生态融合，保障渔业发展、水源地安全和人体健康，是丰水地区迫切需要回答的问题。

再生水生态利用关系河湖水环境质量、水生态安全和水资源保障。但是，我国目前对再生水生态利用的生态效应认识还不深入。在我国多座城市污水处理厂出水中，新污染物被频繁检出，包括药物与个人护理品27种，内分泌干扰物11种，全氟化合物10种，挥发、半挥发有机新污染物129种 ^[8-12] ，还有大量在处理过程中产生的毒性副产物 ^[13,14] ，尽管其质量浓度在ng/L~μg/L水平，但长期低剂量暴露仍然会对水生生物和人体产生生殖、神经及发育以及免疫毒性等 ^[15] 。很多具有生物毒性、环境持久性、生物累积性的新污染物的风险产生机制、安全阈值和控制机理尚不明确。2022年5月，国务院办公厅印发《新污染物治理行动方案》，要求加强新污染物治理科技攻关，开展新污染物风险评估、危害机理和管控技术等方面的研究。

另一方面，传统的水质标准都以污染物为指标，然而毒性污染物种类繁多，无法一一列举，且不同污染物的毒性还会有协同或拮抗效应，缺乏反映再生水生态危害的生物毒性指标 ^[16] 。同时，除了有毒有害污染物以外，再生水的理化性质，如硬度、TDS、DOM和pH等，也可能影响水生生物 ^[17] ，目前也没有相关的指标体系。

最后，我国实现碳达峰碳中和目标的决策部署对污水再生利用提出了新的要求 ^[18] 。如何变革高能耗物耗、高碳排放的传统污水处理模式、减少污水处理系统的温室气体排放?如何实现污水再生过程低碳与安全协同?如何建设水生态修复设施，实现生态改善、环境扩容、碳汇提升?上述问题成为我国碳减排新形势下再生水生态利用面临的新课题。

综上所述，开展再生水生态利用与调控机制的基础科学和关键技术研究，发展再生水生态利用与安全保障理论与技术体系，对支撑国家水资源安全和生态安全战略，促进绿色低碳发展和生态文明建设具有重要意义。

纵观国内外研究前沿和最新进展，针对我国再生水生态利用和生态安全保障的重大需求，提出了再生水生态利用安全保障技术路线见图1。首先应识别出再生水中的关键风险因子，明晰其生态风险的产生机制，以风险因子控制为目标建立完善的再生水生态利用水质指标体系，并根据区域环境特质建立指标阈值区域差异化确定方法，指导再生水厂的深度处理工艺开发和生态缓冲区设计，高效削减进入受纳水体的风险因子含量，最后通过经济成本、碳减排和环境效益的综合评价，整体优化再生水生态利用策略。

明晰再生水生态利用的生态效应和潜在生态风险，识别关键风险因子是建立再生水生态风险评价指标体系，确定安全阈值的前提和基础(图2)。然而，长期以来，缺乏全面、快速评价水质生态安全的有效技术与方法。

传统水质评价方法主要结合毒理学方法、生态学方法等的生物监测技术，可测定和评价水环境中单一化学物质或毒性物质对水生生物的影响 ^[19] 。该方法采用鱼类、溞类、藻类等作为模式生物，通过检测有毒物质对生物的运动或呼吸活动的抑制效应来评估水质毒性 ^[20] 。但是，传统的生物监测方法存在灵敏度低、检测时间较长、维护成本高、指示生物保存困难等问题，难以全面反映水质毒性。

在生物毒性实时监测方面，目前发光细菌法有较多应用。该方法将明亮发光杆菌或基因工程菌株等特定发光细菌置于被测水样中，通过监测细菌发光强度的衰减程度来判断测试体的毒性强弱 ^[21] 。在欧美国家，在线发光细菌生物毒性检测仪已被应用于实时在线监控欧洲莱茵河等重要河流以及库区水质，该方法目前也在国内的部分水域得到初步应用 ^[22] 。虽然这种方法易受水体色度、离子强度的干扰，难以全面评价水质生态安全性 ^[23] ，但仍是较实用的方法。

解决上述问题的潜在途径是结合传统毒理实验的有效性和发光细菌毒性实时监测法的便捷性，建立两类方法毒性效应之间的相关性(即急-慢性毒性阈值比)，即以快速的细胞毒性检测效应外推长期慢性生态毒性效应。这种方式虽然会有很大误差，但相较于COD这类广谱的评价指标仍是一种进步。而且还可以加上相关系数等不确定性因子，使得利用急-慢性毒性阈值比推导出的再生水阈值具有较高的生态保护效果。

我国人口密集、水资源分布不均匀，在缺水地区再生水是地表水体的主要补给水源，导致微量新污染物与大量常规污染物共存，在生物个体水平上可能存在协同或拮抗毒性效应，在生态群落水平上可能存在累积放大毒性效应 ^[24] 。同时，非化学物质因素(如低氧、热应力以及酸化等)也可能与化学污染物产生相互作用 ^[25,26] 。

此外，由于水环境中参与碳、氮、磷等元素循环以及有生态系统服务功能的微生物通常不是人工化学物质急性毒性和遗传毒性的目标测试生物 ^[27] ，种类繁多的化学污染物对水中这些微生物的影响，以及微生物对复合污染物的(共)代谢作用过程，是评估再生水利用过程中人工化学物质迁移转化和环境效应必须关注的问题。虽然人们已经认识到这些化学物质之间，甚至化学物质和环境条件之间的作用和影响，但是，利用科学的再生水生态效应评价方法对其进行准确的评估仍然是当前领域研究的一个重大挑战。

解决方案可以是将再生水补给河湖与同一地区相似的天然河湖进行水生态系统对比，但这种情况往往可遇而不可求，尤其是纯天然的对照河湖在城市区域很少。因此，利用含有多营养级的大型微宇宙系统来揭示再生水的主要生态风险是可能的解决方案。

另外，水环境是病原微生物(病原菌、致病耐药菌、致病病毒等)传播的重要途径。钟南山教授团队 ^[28] 证实新冠肺炎患者粪便中可分离出活病毒，存在粪口传播风险，同时也表明新冠病毒传播可能存在从马桶→市政管网→污水处理厂→受纳水体的路径。由霍乱弧菌( Vibrio cholerae )导致的霍乱疫情是典型的水源性疾病 ^[29] 。大肠杆菌( Escherichia coli )、肺炎克雷伯杆菌( Klebsiella pneumonia )、金黄色葡萄球菌( Staphylococcus aureus )等也被证实在水环境中存在 ^[30,31] 。然而，目前国内外对于水环境(包括再生水及其受纳水体)中病原微生物的种类、相对丰度及其对水生生态系统的影响等基本信息的认识还不清晰，亟需获得水环境病原微生物的赋存信息，以丰富对再生水及其受纳水体环境中病原微生物的认知。

得益于高通量测序技术的发展，大量再生水中微生物的宏基因组数据可从数据库直接获得，通过生物信息学分析就能统计出全球再生水中各类病原微生物的发生频率。但宏基因组的主要缺点是无法绝对定量，而绝对定量是风险评价的必要条件。解决这个问题可以通过再生水中常见的高丰度微生物来进行标定，虽然误差较大，但只要数据量足够大，其估算的病原微生物浓度范围也能保证相对可信。

要对再生水生态风险进行控制，首先应建立能有效保障生态安全的水质指标体系，然而目前再生水的水质指标中缺乏毒性指标，难以对水生生态提供全方位的保护。其次，指标阈值的确定方法一直是本领域研究的热点方向，而且不同区域的环境特质对阈值的确定也有较大影响。因此，完善再生水水质指标体系和阈值确定方法是亟待开展的重要课题。

现有再生水水质标准以常规污染物管控为主要目标。然而，新污染物不断出现，如激素类和神经类药物，这些污染物具有极低剂量即可产生毒性效应的特点。如雌激素在1ng/L水平即可对鱼类生殖系统产生负面影响，1ng/L的抗抑郁药氟西汀就能改变幼年乌贼的行为，影响其生存能力，部分污染物还具有生物累积性，其潜在生态危害不容忽视 ^[32,33] 。其次，由于抗生素及其代谢产物被排放至城市污水厂，城市污水厂排水已经成为水环境中抗生素抗性基因的主要来源 ^[34] 。另外，再生水受纳水体如果需要实现亲水娱乐功能，则还需要重视病原微生物指标 ^[35] 。

除了有毒有害污染物以外，再生水与天然水之间在理化性质方面也可能存在较大差异，比如硬度、总离子强度、溶解性有机物等，这些因素也可能会影响水生生物的生长繁殖。所以，可以引入一个全新的概念“天然度”，它表征再生水与天然地表水水质的相似程度，其具体检测指标包括硬度、总溶解性固体(TDS)、溶解性有机物(DOM)和pH等。

根据以上对再生水生态安全的新需求，结合以往再生水水质标准的经验，保障水生态安全的水质指标可以整合为5大类：生物毒性指标、污染度指标(常规污染物指标)、微生物指标、天然度指标和感官指标(图3)。因此，从目前的研究现状出发，首先应筛选再生水的优控生态风险因子，用以确定毒性污染物指标。其次，由于有毒有害污染物众多，还应增加再生水生物毒性指标，体现再生水中所有污染物的整体潜在生态效应。第三，以生态修复和生态融合为目标，建立全新的天然度指标。

现有的毒害污染物阈值确定方法主要依赖于毒理学实验结果。然而，环境特质因素，如温度、硬度、浊度等会显著影响毒性效应强度，需要根据流域区域特点对阈值进行修正 ^[36-40] 。

现有氮磷营养盐指标的目标是控制水体富营养化，但目前的标准存在一刀切的局限，特定区域易出现保护不足或者保护过度的问题。微藻生长潜势也受到环境特质因素，如温度、光照、浊度，以及水体水力停留时间的影响，流域区域差异大，亟需制定区域差异性氮磷阈值确定方法 ^[41-44] 。

天然度指标也与区域水质特征密切相关，但具体哪些指标能较好地表征天然度，再生水和天然水在这些指标上达到多大的相似度就能满足生态相融的要求，其评价方法仍是前沿课题。

因此，应发展体现环境特质的水质生态安全阈值确定理论和方法，结合区域生态禀赋差异确定水质安全阈值，比如根据硬度、DOM调整某些重金属的阈值，根据温度和pH调整氨氮的阈值，通过温度、光照和水生生物群落特点调整氮、磷阈值等，以便为区域再生水处理工艺设计和生态缓冲区构建提供依据。

常规污水处理无法有效去除某些有毒有害新污染物，它们种类繁多，往往浓度低，风险大，亟需高效深度处理技术进行风险控制。但是，厂内处理往往伴随着高碳排放，且无法将污水完全净化成天然水。因此，厂外的生态缓冲区不仅有低碳协同处理能力，还能对水质起到天然化的提升，但其构建原理和生态缓冲机制还不清楚，也是再生水生态利用的重要课题(图4)。

传统污水再生处理工艺的核心目标是去除常规污染物，对新污染物、病原微生物等关键风险因子的去除率有限。研究表明，现有的污水一级处理的去除率为20%~50%，二级处理为30%~70% ^[9] 。二级处理过程中微生物能够降解部分新污染物，但其过程缓慢，降解能力很大程度取决于外界环境条件 ^[45] 。基于定量宏转录组学的研究发现，生物处理过程90%以上的反硝化菌是耐药基因的活性宿主，耐药基因也是潜在的抗生素降解基因，活性污泥菌群在去除常规污染物的同时，具有协同去除抗生素等新污染物的潜在可能性 ^[46-48] 。

同时，污水也是病原微生物传播的重要媒介 ^[49] 。研究表明，污水处理系统中监测到的病原微生物已超过140种，部分浓度高于人体健康保护阈值 ^[50] 。发展何种污水再生深度处理工艺才能满足生态安全需求是亟待回答的科学问题。

深度处理(如高级氧化技术)被认为是去除关键风险因子的重要工艺过程 ^[51] 。然而，与常规污染物相比，新污染物浓度普遍偏低，催化剂与污染物接触不充分或者催化剂投加量与所需量难以有效匹配，使得深度处理工艺存在较大的技术制约 ^[52] 。同时，深度处理采用的物理或化学工艺能有效去除部分污染物，但也有可能将部分有机物转化为毒性更高的污染物，如消毒副产物等，需要协同控制水质化学和生物风险。如何能保留生物处理低碳绿色的技术优势并与物化处理过程相结合也成为了目前的研究热点 ^[51,53,54] 。为实现关键风险因子的深度去除，需要系统性优化生物处理与物化处理工艺过程的耦合模式及工艺匹配策略。此外，深度处理过程是一个“增碳”过程，实现低碳再生与水质安全的协同，需要突破现有的技术体系和工艺范式。因此，一方面应开发更高效的深度处理工艺，除了高级氧化以外，还需发展高级还原、原位催化/生物降解耦合技术、微生物群体感应调控技术等。另一方面，可利用人工智能(AI)系统，对全工艺流程和多目标控制进行系统化梳理和优化，形成低碳再生与水质安全协同的工艺优化调控策略。

在再生水排入水体之前设置生态缓冲区，可以通过生态手段进一步降解和净化污染物，抵御、缓解和降低对受纳水体的影响，实现生态修复和生态融合 ^[55-57] ，是保障再生水生态安全的重要环节，受到了越来越多的关注。但是，生态缓冲区的水质生态净化机制尚不清晰，生态缓冲区构建原理和方法亟待研究。

目前研究较多的生态缓冲区多通过湿地系统的植物、基质和微生物协同作用，去除再生水中常规污染物以及新污染物 ^[58-61] 。然而，对于湿地系统中污染物的去除过程多基于“黑箱”理论，污染物的迁移转化、归趋途径及其环境效应尚不明晰，再生水的生态净化机制和强化原理亟待研究。

因此，亟需通过微宇宙模拟系统或物质传输模型，掌握再生水化学生物组分在生态缓冲区的多相间跨介质迁移转化规律，探究湿地填料对物质迁移转化的影响，针对生态缓冲区进水和受纳水体的水质差异设计生态缓冲区的运行模式、容量和水力停留时间。

在生态融合方面，已有研究发现即使已知的有毒有害风险因子得到了有效控制，再生水水质与受纳水体仍存在水质特征差异，也就是“天然度”的问题，其连续排放可能改变受纳水体的水质特征，进而对受纳水体生态系统的物种丰度、群落组成和结构及生态功能产生影响 ^[62-64] 。

在本文2.2节中已经提出了应对天然度指标的筛选，可以包括硬度、TDS、DOM、pH等。在生态缓冲区的设计上，应考虑天然度指标在生态缓冲过程中的转化/变化规律和机制，如填料选择和水力停留时间等。然而，天然度指标在多大程度上相似于天然水才能保证生态安全仍需明晰。

在“双碳”目标背景下，如何在最低碳排放条件下达到再生水的生态安全利用也是本领域的前沿课题。因此，需要建立减污降碳效果的评价方法，生态系统服务价值评估方法，从而整合成生态安全约束条件下的低碳再生水生态利用系统优化方法，实现区域污水低碳再生与水生态安全保障的耦合(图5)。

污水再生处理及生态利用过程不仅会直接影响污水处理系统CO ₂ 、CH ₄ 与N ₂ O等温室气体及各类污染物的排放，也会对社会经济系统产生深远影响。再生水厂要达到不同的出水水质，其工艺构建、运行维护过程等产生的环境影响将不尽相同 ^[65] ；另一方面，不同再生水生态利用途径的环境影响及其经济效益也不同。因此，评估再生水利用系统的环境效益(温室气体排放、污染物排放、生态系统服务价值增值)对建立再生水生态利用体系、保障我国水生态安全具有至关重要的作用 ^[66-68] ，但目前尚缺乏科学的方法。

污水再生处理及生态利用系统是一个复杂体系，其污水处理、生态缓冲和生态融合等环节涉及多个单元过程的组合和多种技术路径的选择。不同的再生水生态利用系统会产生不同的环境效益，且随季节、污水处理量、水生态安全标准等因素变化 ^[69,70] 。

因此，评估其全生命周期的综合环境效益对于建立安全低碳的再生水生态利用系统至关重要。需要从系统视角开展研究，综合城市再生水处理量的社会经济效益 ^[71,72] 、城市再生水处理污染特征 ^[73] 、流域的再生水经济效益 ^[74] 、城市污水处理的生命周期的综合评价分析 ^[75-77] 等各方面因素，评价处理工艺技术的选择，支撑动态调控决策。

再生水生态利用的安全阈值存在较大的区域化差异，不同生态安全阈值下再生水系统的最优化设计也不尽相同。同时，再生水生态利用的长期发展在很大程度上取决于气候、社会和经济的变化，不同中长期情景下系统最优的低碳发展路径不同。因此，提出针对中长期气候、社会、经济变化情景与区域化安全阈值的低碳系统，对不同地区逐步实现水质安全的低碳再生水生态利用至关重要。但是，现有研究主要针对城市绿色低碳发展 ^[78] 等宏观尺度，且并未考虑不同的变化情景与生态安全阈值，对于再生水生态利用的低碳发展指导有限。

解决途径首先应以环境效益与低碳发展耦合为核心，围绕再生水生态利用系统，融合机器学习算法、生命周期评价等手段，评价系统的减污降碳效果，识别对排放贡献较大的关键单元过程。其次建立再生水生态系统服务价值评价方法，核算再生水生态利用带来的生态系统服务价值增量，预测未来不同社会经济情景下的演化趋势。构建以水生态安全为约束条件的再生水生态利用多目标系统优化模型，探究最优化工艺技术路径及调控运行策略。在此基础上，基于我国典型区域水质安全阈值的差异化，提出不同区域再生水生态利用的低碳系统。

再生水生态利用是缓解水资源短缺和恢复城市水生态系统的重要途径，然而再生水对水生态系统的潜在影响和所需要的工程保障措施仍不清楚。

现阶段的首要任务是揭示再生水中的潜在风险因子及其生态效应，如新污染物及其生态危害效应。为了解决有毒有害污染物种类繁多的问题，应通过污染物赋存调研和生态风险评价来筛选潜在的优控风险因子。

其次，建立高安全保障的再生水生态利用水质指标体系和确定阈值的方法。在传统的再生水水质指标体系中发展毒性指标和天然度指标，最大限度地保障生态安全。同时，在确定指标阈值时应考虑区域环境特质的影响，为建立区域差异化水质标准提供依据。

第三，发展新污染物高效去除材料和技术，以高效低碳为目标，建立基于经济成本、碳减排和环境效益的综合评价体系，指导再生水深度处理工艺优化和生态缓冲区设计，形成再生水区域生态利用策略。

注：受限于文章篇幅，参考文献未标注，详见原文。