2013年全國(guó)總供水量為6183.4億m3，其中地表水源和地下水源供水量占99.2%[1]。河流、湖泊是我國(guó)重要的飲用水水源地，同時(shí)也是城市的主要排水通道，水源地常受到城市排水口、排污口干擾。海河、黃河、遼河流域水資源開發(fā)利用率已經(jīng)達(dá)到106%、82%、76%，西北內(nèi)陸河流開發(fā)利用已接近甚至超出水資源承載能力[2]。由于地表水和地下水的過(guò)度開發(fā)和污染，而且水資源利用率低，水資源形勢(shì)嚴(yán)峻，在全國(guó)600多個(gè)建制市中，有近400個(gè)城市缺水，其中130多個(gè)嚴(yán)重缺水[3]。

2015年我國(guó)頒布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中要求到2020年，長(zhǎng)江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河等七大重點(diǎn)流域水質(zhì)優(yōu)良(達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類)比例總體達(dá)到70%以上，地級(jí)及以上城市集中式飲用水水源水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類比例總體高于93%。

雖然進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理能力大大提高，但完成計(jì)劃中的工作目標(biāo)還是面臨巨大的壓力。由于我國(guó)現(xiàn)行的GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，僅相當(dāng)于地表水劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，而且城鎮(zhèn)污水處理廠大多采用二級(jí)生物處理工藝削減污染物，由于工藝本身的局限性，出水污染物濃度很難再進(jìn)一步降低[4]，尾水即使達(dá)標(biāo)排至飲用水水源地或水域功能較高的水體，也會(huì)進(jìn)一步加劇水污染狀況，威脅飲用水安全。

1同級(jí)排入的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1同級(jí)排入的定義

同級(jí)排入，主要是為保護(hù)集中式飲用水水源或其他重要水體(地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)或功能更高的水體)，若水體匯入源包括城市污水處理廠，其尾水必須經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理(深度處理)，使出水中的剩余微污染成分(如氮、磷、膠體、細(xì)菌、病毒、微量有機(jī)物、重金屬以及影響回用的溶解性礦物質(zhì)等)得以更好地去除，最后水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(或更高標(biāo)準(zhǔn)，視水域功能而定)后排入水體[5-6]。

1.2國(guó)外同級(jí)排入的標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外尾水同級(jí)排入的標(biāo)準(zhǔn)主要向飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)看齊，污水處理廠將尾水深度處理至接近飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后，再排入飲用水源或回灌地下水。

美國(guó)、德國(guó)等雖暫無(wú)統(tǒng)一的地下水回灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但美國(guó)加州要求從接收回灌水的含水層中抽取的水必須符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)，而且對(duì)采用注入井回灌的回灌水中的總有機(jī)碳(TOC)含量要求比經(jīng)地表滲濾回灌入含水層的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。德國(guó)一般要求回灌水應(yīng)優(yōu)于當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)[7]。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家更加注重補(bǔ)充水及回灌水的安全問(wèn)題，因此標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格苛刻。

1.3國(guó)內(nèi)同級(jí)排入的標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)2015年頒布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[8-9]指出要強(qiáng)化城鎮(zhèn)生活污染治理。計(jì)劃要求敏感區(qū)域(重點(diǎn)湖泊、重點(diǎn)水庫(kù)、近岸海域匯水區(qū)域)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施應(yīng)于2017年底前全面達(dá)到GB18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。目前許多地方的城鎮(zhèn)污水處理廠處理效果僅能達(dá)到GB18918—2002一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中將集中式生活飲用水地表水源二級(jí)保護(hù)區(qū)、魚蝦類越冬場(chǎng)、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖等漁業(yè)水域及游泳區(qū)劃分為Ⅲ類功能水域。GB18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)與Ⅲ功能水域的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相比，還存在較大的差距，如表1所示。

考慮到GB18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)排放的尾水對(duì)Ⅲ類功能水體可能帶來(lái)一定的污染負(fù)荷沖擊，為避免微污染現(xiàn)象的發(fā)生，保證用水安全，采用同級(jí)排入技術(shù)深度處理尾水，使其水質(zhì)滿足Ⅲ類功能水域的要求。尾水同級(jí)排入技術(shù)對(duì)于補(bǔ)充地表水、回灌地下水等有著重要的意義，從可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，同級(jí)排入增大了高品質(zhì)水供給，大幅削減了水體污染負(fù)荷，可以有效緩解天然水體自凈的壓力，提高水環(huán)境質(zhì)量，降低了人類行為對(duì)環(huán)境的影響。

2國(guó)內(nèi)外同級(jí)排入的工程實(shí)例

2.1美國(guó)同級(jí)排入的工程實(shí)例

美國(guó)德克薩斯州的BigSpring水廠從2012年開始采用微濾(MF)-反滲透(RO)-高級(jí)氧化工藝，日處理1萬(wàn)t污水，處理后排入飲用水源，占城市供水的15%。北弗吉尼亞UpperOccoquan水廠采用初級(jí)處理-帶硝化的二級(jí)處理-石灰再碳酸化處理-過(guò)濾-粒狀活性炭吸附-消毒工藝，日處理12萬(wàn)t污水，處理后出水排入為120萬(wàn)人提供飲用水的UpperOccaquan水庫(kù)，該水廠運(yùn)行25a，未發(fā)生危害公眾的健康事件[11]。

美國(guó)加州的21世紀(jì)水廠和佛羅里達(dá)州的Floridan東北再生水廠將污水處理后回灌地下水，間接補(bǔ)充飲用水源，其中21世紀(jì)水廠自2007年以來(lái)采用MF-RO-紫外消毒工藝日處理24萬(wàn)t的污水，回灌前將處理后的水體與深層蓄水層的井水以2∶1的比例混合。回灌地下水后，從含水層提取的水經(jīng)處理后可為200萬(wàn)人提供飲用水。Floridan東北再生水廠預(yù)計(jì)今年竣工，該水廠設(shè)計(jì)以超濾(UF)-RO-紫外和H2O2消毒工藝日處理1.14萬(wàn)t污水，技術(shù)上穩(wěn)定達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

2.2歐洲同級(jí)排入的工程實(shí)例

德國(guó)柏林將經(jīng)過(guò)二級(jí)處理的尾水投加氯化鐵與助凝劑絮凝沉淀后，投加O3氧化降解有機(jī)物和殺菌，再經(jīng)無(wú)煙煤過(guò)濾后進(jìn)行地下水回灌，經(jīng)地質(zhì)凈化后作為飲用水重新抽取出來(lái)，該示范工程早在20世紀(jì)70年代已建成并投入使用。Langen市將污水處理廠的尾水通過(guò)曝氣、沉淀、砂濾池過(guò)濾、O3氧化、活性炭吸附等措施深度處理后，利用土壤滲濾回灌補(bǔ)充地下水[12]。

比利時(shí)Torreele水廠[13]在2001年開始采用UF-RO-紫外消毒工藝日處理0.54萬(wàn)t的污水，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)超濾和反滲透模塊的運(yùn)行情況，處理后補(bǔ)充地下水，間接生產(chǎn)可飲用水。

2.3新加坡和澳大利亞同級(jí)排入的工程實(shí)例

新加坡Newater工程[14]從2003年開始以MF-RO(雙膜)-紫外消毒工藝日處理1.36萬(wàn)t污水，將處理后的出水與水庫(kù)水進(jìn)行混合，供給飲用水。澳大利亞悉尼圣瑪麗再生水廠從2010年開始采用UF-RO-再碳酸化和氯消毒工藝日處理4.9萬(wàn)t污水，并將高質(zhì)量出水補(bǔ)充瓦拉甘巴大壩(水源地)。

2.4國(guó)內(nèi)同級(jí)排入的工程實(shí)例

目前，北京市率先提高污水處理標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定污水處理廠出水水質(zhì)應(yīng)至少達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。北京市已于2012年開始實(shí)施DB11/890—2012《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放》的地方性標(biāo)準(zhǔn)，要求排入北京市Ⅱ、Ⅲ類水體的城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行A標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于地表水Ⅲ類水;排入Ⅳ、Ⅴ類水體的城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行B標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于地表水Ⅳ類水。

深圳龍華污水處理廠[15]采用強(qiáng)化型前處理-垂直流人工濕地工藝，日處理2萬(wàn)t的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠尾水，出水滿足地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，排入二級(jí)水源保護(hù)區(qū)的觀瀾河。

國(guó)內(nèi)還有很多對(duì)尾水進(jìn)行深度處理的案例，但多關(guān)注在工業(yè)用水回用，少有對(duì)飲用水源地污水處理廠的尾水進(jìn)行深度處理。天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)“雙膜法”再生水工程，從2002年起，采用連續(xù)流MF-RO工藝處理污水，其中MF出水可供一般工業(yè)用水，而RO出水供高端用戶。經(jīng)測(cè)試，RO出水優(yōu)于世界衛(wèi)生組織和美國(guó)EPA公布的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)再生水廠[16]從2008年起采用MF-RO工藝日處理2.1萬(wàn)t污水，主要向開發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)、特別是高科技微電子類工業(yè)提供生產(chǎn)用水水源，替代原使用的自來(lái)水水源。

3同級(jí)排入深度處理技術(shù)

從眾多工程實(shí)例可知，目前用于尾水同級(jí)排入的主流工藝是以膜分離為主體的組合工藝。其中同級(jí)排入補(bǔ)充飲用水源工程項(xiàng)目大都選擇了MF/UF-RO工藝(俗稱雙膜工藝)和高級(jí)氧化/消毒的組合工藝。美國(guó)的華盛頓州甚至規(guī)定，將污水處理廠尾水處理后用于飲用水水源的地下水補(bǔ)給時(shí)，必須采用RO工藝[17]。

3.1膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)具有高效節(jié)能、易操作、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在應(yīng)用得較多的有MF、UF、RO、NF等[18]，其技術(shù)特征如表2所示[19]。雙膜法目前較多采用MF、UF作為RO的前處理工序，替代常規(guī)深度處理中的沉淀、過(guò)濾、吸附和除菌等預(yù)處理，以RO進(jìn)行水的軟化和脫鹽[20]。

膜分離技術(shù)作為污水回用處理單元時(shí)，需要解決的主要問(wèn)題就是如何防止膜污染，這就要求污水在進(jìn)入膜分離處理單元前必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理，預(yù)處理工藝可將污水中微細(xì)顆粒和膠體物質(zhì)去除，并將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為固相。此外，膜處理工藝與其他工藝相比在價(jià)格上也要昂貴得多，RO濃水排放的問(wèn)題也是今后進(jìn)一步研究的方向。

3.2高級(jí)氧化技術(shù)

高級(jí)氧化技術(shù)在深度處理中主要是降解有機(jī)污染物和殺菌消毒。它的特點(diǎn)是：①產(chǎn)生大量作為中間產(chǎn)物的˙OH，其氧化能力(2.80V)僅次于氟(2.87V)，可誘發(fā)后面的鏈反應(yīng);②˙OH能無(wú)選擇地直接與廢水中的污染物反應(yīng)，將其降解為二氧化碳、水和無(wú)害鹽，不會(huì)產(chǎn)生二次污染;③由于高級(jí)氧化反應(yīng)是一種物理化學(xué)過(guò)程，較易控制;④既可作為單獨(dú)處理，又可與其他處理過(guò)程相匹配。

根據(jù)所使用的氧化劑及催化條件的不同，高級(jí)氧化技術(shù)以Fenton及類Fenton氧化法、光化學(xué)和光催化氧化法、臭氧類氧化法、超聲氧化法、電化學(xué)法較為常見。

3.3同級(jí)排入深度處理技術(shù)的特點(diǎn)

(1)一種組合工藝。單一處理單元難以實(shí)現(xiàn)處理要求。城鎮(zhèn)污水處理廠的尾水污染物濃度較低，且多為難降解有機(jī)物，可生化性差，依靠單一處理單元難以實(shí)現(xiàn)同級(jí)排入要求。

(2)穩(wěn)定運(yùn)行。工藝需要滿足在高水力負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，由于處理水量較大，在場(chǎng)地受限的情況下，不宜選擇水力停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的處理工藝。

4展望

主流的同級(jí)排入工藝(雙膜法)運(yùn)行穩(wěn)定，出水質(zhì)量高，對(duì)各種污染物都有良好的分離去除效果，但也存在如成本高、處理水量小等缺點(diǎn)。北京市多數(shù)污水處理廠采用MBR和膜法處理城市污水處理廠尾水，深度處理成本接近2.5元/t[21]，其價(jià)格對(duì)一般污水處理廠是難以承受的。從探索低成本、高效率、成熟可靠的尾水同級(jí)排入工藝考慮，結(jié)合實(shí)際情況，以活性炭吸附、人工濕地、BAF、MBR為關(guān)鍵技術(shù)，必要時(shí)輔以針對(duì)性的處理措施，是比較好的嘗試。

4.1活性炭吸附

活性炭吸附技術(shù)可耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿，具有良好吸附性能，可以去除多數(shù)的有機(jī)物和某些無(wú)機(jī)物、痕量金屬。活性炭吸附技術(shù)較常用的是與生物濾池相結(jié)合的GAC濾池和活性炭粉系統(tǒng)。生物活性炭(BAC)可以利用活性炭吸附與生物降解的協(xié)同作用處理污水。

溫得和克的Goreangab水廠[22]以城市污水生產(chǎn)飲用水，采用的工藝是混凝沉淀-氣浮池-砂濾池-高級(jí)氧化池-BAC/GAC濾池-UF-消毒。其中活性炭吸附技術(shù)，被認(rèn)為是水質(zhì)把關(guān)的最主要工序。李倩[23]采用BAC法處理一級(jí)A水體，主要指標(biāo)達(dá)到Ⅳ類水水質(zhì)以上，COD去除率可達(dá)35.5%，NH3-N去除率可達(dá)92.2%，SS去除率取決于反沖洗頻率，最高可達(dá)100%。

4.2人工濕地

人工濕地處理效率高、投資和運(yùn)行成本低，可以高效去除BOD5、COD、NH3-N和TP等污染物。目前多數(shù)采用復(fù)合人工濕地的處理工藝，常用的人工濕地處理工藝組合為：混凝沉淀/過(guò)濾-復(fù)合型人工濕地。

深圳龍華污水處理廠采用強(qiáng)化型前處理/垂直流人工濕地工藝對(duì)一級(jí)A尾水進(jìn)行同級(jí)排入深度處理，處理后COD、BOD5、NH3-N和TP的平均去除率分別為70.3%、69.0%、91.9%和83.1%，出水符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.3BAF

BAF投資低，占地面積小，抗沖擊能力強(qiáng)，濾速快，對(duì)有機(jī)物、BOD5、COD和NH3-N等有顯著效果[24-25]。目前普遍采用二級(jí)出水-BAF-消毒。O3/BAF技術(shù)是目前BAF技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，該技術(shù)將O3和BAF聯(lián)用，提高了污水的可生化性，可取得良好的處理效果。

焦陽(yáng)等[26]采用BAF深度處理污水處理廠尾水，處理后COD平均去除率在30%以上，出水NH3-N的質(zhì)量濃度基本保持在0.3mg/L以下。

4.4MBR

MBR結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、活性污泥濃度高，對(duì)COD、BOD5、NH3-N、SS等去除能力強(qiáng)。組合形式的MBR工藝目前應(yīng)用比較普遍，在深度處理上越來(lái)越有實(shí)用價(jià)值，具有很好的發(fā)展前景及拓展空間。隨著MBR技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)發(fā)展了MBR聯(lián)用RO深度處理污水的技術(shù)[27]，如圖1所示。Lozier等[28]研究得出，經(jīng)MBR-RO工藝處理后的出水可用于間接飲用，水質(zhì)符合美國(guó)初級(jí)和州二級(jí)飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)目前地表水和地下水的短缺現(xiàn)狀，為加強(qiáng)對(duì)集中式飲用水水源的保護(hù)和提升城鎮(zhèn)水資源利用效率，有必要開展同級(jí)排入組合工藝的研究。我國(guó)的同級(jí)排入深度處理工藝可針對(duì)不同水質(zhì)和場(chǎng)地情況，積極探索不同的組合工藝，摸索出適用于我國(guó)實(shí)際國(guó)情的、具有技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性的處理工藝，以保證水資源的可持續(xù)發(fā)展。