国外建筑再生水饮用回用的案例分析与启示.doc

国外建筑再生水饮用回用的案例分析与启示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目前，美国、澳大利亚、新加坡、南非和纳米比亚等国家已有再生水饮用回用的实践，而我国尚无实际应用案例本文在简要回顾全球再生水饮用回用概貌的基础上，分别选取国外间接和直接饮用回用的典型案例，对其主要工艺、出水水质、风险管控措施、成本和能耗等展开分析，为扩展我国再生水回用的思路与途径提供参考1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m3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m3/d，而DPR仅为1.6万m3/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%2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m3/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m3/d，并计划在2023年扩大至49.2万m3/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+H2O2）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+H2O2）对再生水进行消毒，可对病原体达到6-log级的去除同时，H2O2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根据表2，相较于CRWQCB的水质许可要求，GWRS的进水中浊度、TDS、总硬度、钠、氯、硫酸盐、硝酸氮、铁、锰、大肠菌群总数、三卤甲烷、电导率、总氮和总有机碳等指标偏高，需要着重去除而经处理后，出水中包括如消毒副产物在内的各项水质指标检测值均满足CRWQCB的水质许可要求，并实现了无药物残留（检测水平＜10 ng/L）并且，所采用工艺对浊度、盐、总有机碳及铁锰等金属元素的去除效果优异，去除率可达90%以上，同时对大肠菌群的去除达到了99.66%对比我国《地下水质量标准》可知，GWRS的出水水质也符合我国地下水质量Ⅲ级标准要求，达到了我国集中式生活饮用水水源及工农业用水水质要求此外，除亚硝酸盐、汞、氰、表面活性剂、三卤甲烷和氨氮外，其他指标甚至符合要求更为严格的地下水质量Ⅰ级标准。

对于饮用水安全的重点关注对象病原体而言，GWRS的出水同样可满足加州对再生水饮用回用病原体去除量的要求，具体结果如表3所示表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/m3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/m3，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/m3之间GWRS项目在2008-2016年的平均能耗为1.135 kWh/m3，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 kWh/m3，北京北小河再生水厂MBR+RO工艺能耗总和为1.37kWh/m3据《2018年GWRS年度。