奥运公园再生水的利用研究
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2008-03-07
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根据北京市奥组委发布的消息，奥运公园及中心区景观规划设计方案将面向全球征集。景观规划设计的要求是，能够体现“科技奥运、绿色奥运、人文奥运”主题。将城市污水处理厂
根据北京市奥组委发布的消息，奥运公园及中心区景观规划设计方案将面向全球征集。景观规划设计的要求是，能够体现“科技奥运、绿色奥运、人文奥运”主题。将城市污水处理厂的再生水作为奥运公园的景观娱乐用水是“科技奥运、绿色奥运”的重要组成部分，是向世界展示中国科技实力的重要窗口，将对中国的国际形象产生深远的影响。完美体现“人与自然和谐统一”的水处理理念将是北京对奥运百年历史的珍贵馈赠。
奥运公园水面是世界上迄今为止规模最大的以再生水为唯一水源的人工水景。奥运公园水面规划占地约60公顷，其中奥运公园北区水面约50公顷，日需补充水量为6.5万吨；中心区水面面积约10公顷，日需补充水量为1万吨。总补充水量为每日7.5万吨。
为实现奥运公园的再生水补水目标，北京城市排水集团有限责任公司提出了相应的再生水补水方案。奥运公园的再生水补水水源由清河再生水处理厂（8万吨/日）出水和北小河再生水处理厂（6万吨/日）出水联网供应，充分保证奥运公园的补水要求。同时，为了保证奥运公园北区水面补水水质为Ⅳ类水体标准，中心区水面补水水质为Ⅲ类水体标准，排水集团组织科研单位和高校进行了大量研究。
1.再生水利用研究现状
1.1再生水处理技术
水资源的紧缺加快了国际上对再生水处理技术的研发，在国外再生水处理技术已经得到了广泛的应用，我国也有部分城市已经应用，但对再生水处理技术的深入研究还远远不够。
国际上，水污染治理技术路线已经发生转变，关键性的转变在于由单项技术转变为技术集成。水处理技术的发展主要体现在以下两个方面：一是城市污水处理厂普遍采用以除磷脱氮为重点的强化二级生物处理技术，并增加三级处理流程，包括多种类型的过滤技术和现代消毒技术；二是采用当代高新技术如微滤、反渗透、膜生物生物反应器等，使处理后的再生水达到市政杂用、生活杂用、园林绿化、生态景观、工业冷却、回灌地下水、发电厂锅炉补给水等多种用途要求。
1.2再生水安全性研究
尽管世界上许多国家具有废水再生回用的悠久历史，但在废水回用的安全方面，仍然很难定义和描述人们争论激烈的可接受的健康危险。当再生废水使用在人类可能接触到的地方时，其主要的健康危险来自生物致病菌，包括致病细菌、寄生虫、原生动物以及肠道病毒。为保护公共卫生，自20世纪60年代以来，许多国家已经建立了再生水安全使用的基本条件和法规。
再生水安全性评价体系总体可以分为三大部分——感观与物理化学评价指标、致病微生物与病原体评价指标、毒理学评价指标。根据污水回用的目的和回用水域的功能，评价采用相应的水质标准与技术规范，因而指标体系也有一定差异。
美国各级政府都十分注重对回用水安全性的评价与科研监测工作。八十年代中期以来，随着回灌地下水和补充地表饮用水源的回用水量逐渐增长，美国政府及有关科研机构加强了对间接饮用的回用水卫生安全性的研究评价和跟踪测试。
我国目前城市污水回用处于起步阶段，尚没有国家统一制定的相关标准，再生水回用大多沿用的是各种景观用水和杂排水的标准，仅包括一些常规指标如氨氮、磷、大肠杆菌等，国内环境标准中尚没有针对大多数微量有毒污染物的环境标准，达不到保障奥运公园回用水安全可靠的设计目标。同时，处理过程（如加氯消毒）可能形成毒性更大或毒性特征不同的中间体，传统指标体系不能很好适应微污染等新问题。因此，迫切需要对再生水安全性进行深入研究。
2.再生水利用研究
2.1典型深度处理工艺经济技术对比研究
城市污水深度处理的单元技术有：混凝沉淀、过滤、生物活性炭、石灰、臭氧、微滤、超滤、反渗透等。针对不同水质情况，可选择其中一种或几种组合，在选择工艺过程中需要考虑以下因素：
1）回用水的用途和目标水质；
2）工艺适用性和稳定性；
3）技术经济性；
4）环境因素，包括环境污染、人体健康和安全保障。
工艺流程的确定最好经过现场试验，借鉴成功运行经验。本部分研究主要介绍了混凝沉淀、高效过滤、生物活性炭、石灰、臭氧、微滤、超滤、反渗透等多种水回用深度处理单元技术，并对其进行技术经济对比及稳定性分析。通过大量试验，得出如下结论：
1）膜过滤技术产水浊度低；封闭运行，对周围环境无干扰；只加少量化学药剂，基本上无二次污染；运行稳定，操作简便，易于维护，占地小。因此，与传统的物化处理工艺相比，具有明显的优越性。微滤、超滤膜过滤技术对有机污染物、氮、磷的去除受进水水质影响比较大，对非溶解态污染物具有极高去除率。
2）超滤膜过滤技术出水水质可基本满足《城市污水再生利用景观环境用水水质》（GB/T18921-2002）及《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）标准，可以作为奥运公园补水的优选深度处理工艺。
3）降低氮、磷类相关指标应在二级生化处理工艺中解决，这是最为有效和经济的。因此，建议污水处理厂二级处理增加脱氮除磷工艺，这样可使反渗透工艺出水稳定满足《地表水环境质量标准II类》，甚至更严格的标准。
4）反渗透工艺出水水质最优，可以满足地表水二类水质标准，大部分指标满足饮用水水源标准，可以作为最优质的回用水用于奥运公园中心区，但此工艺投资和运行费用较高。
2.2再生水安全性评价研究
针对奥运公园重要的政治意义和再生水回用的示范意义，本研究拟综合化学、生物毒性和生态风险三套评价指标体系，评价不同处理工艺所能达到的水质处理效果，并以回用奥运公园的长期健康风险和生态风险为重点，发展适合于北方地区再生水回用补充城市景观水体的水质评价指标体系和监测技术方法。
研究以深度处理工艺的进出水为对象，从生态安全性和人体健康安全性以及再生水利用对生态绿地的影响两方面出发，对奥运公园补水技术作全面的安全性评价。研究中应用和发展了先进的监测技术，建立经济适用、符合奥运公园补水方案要求的评价指标体系和监测技术规范。
2.2.1生态安全和人体健康安全
试验在高碑店和北小河污水处理厂进行，通过大量试验研究，得出如下结论：
1）北小河污水厂二沉出水及各种深度处理工艺出水对斑马鱼与大型水蚤未见急性毒性。混凝沉淀出水中营养物质略有减少，对栅藻的生长有一定影响。
2）经深度处理（活性炭、絮凝沉淀或反渗透）后的出水，没有致突变现象发生。
3）采用适当的处理工艺和明确不同工艺再生水的用途，可以有效控制使用再生水的风险，达到安全使用再生水的目的。其中超滤+反渗透和活性炭对慢性有毒物质的去除效果最好。
4）反渗透工艺及活性炭工艺出水中营养物质明显不足，出水有利于控制水体富营养化的发生。
5）北小河污水处理厂各深度处理工艺出水有毒有害污染物检出浓度均未超出《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中特定项目的标准限值，可以安全地回用于景观环境。
2.2.2再生水利用对生态绿地的影响
在再生水浇灌作物研究中，健康安全性一直是人们关注的一个重点。健康安全性是指：灌溉作物时，再生水中有毒有害物质（包括重金属）为作物所吸收或在其上累积，进而影响农作物产品的品质，被人类食用或为牲畜饲用时，危害健康。
文献中大部分研究是针对农作物的试验或局限于研究灌区土壤生态系统某一方面的试验，而再生水灌溉对某一地区甚至整个城市绿地生态系统的影响研究尚未见报导。本研究主要在北京市北小河污水处理厂内进行，试验分四个部分，即水培、盆栽、实地调查和大田试验。
经过调查和试验得到两方面的结论：
1）用于园林绿化、城市生态绿地浇灌的再生水的最重要指标是总硬度、溶解性总固体（全盐量）、氯化物，而再生水的这三项指标值均大于自来水值，但远小于饮用水标准值。
2）再生水与自来水浇灌的植物中，叶绿素含量未发现明显差异。
2.3再生水水质保障系统研究
研究分小型试验和露天景观水塘的模拟试验两部分。小型试验在试验室中进行，主要是对北小河污水处理厂再生水混合槽出水、高碑店污水处理厂石灰法出水、自来水配水水样等进行人工光照培养。露天景观水塘在北小河污水处理厂内，除了模拟将来实际运行再生水质变化情况及水体流动的水力条件等，还进行了人工载体的研究，最终得到如下结论：
1）深度处理后的水中仍有部分氮磷，因此，在夏季应抑制水体富营养化的发生。
2）通过对比分析，藻类数量最大值随磷浓度的增加而增加，说明磷是水体富营养化中影响显著的因子。当水样中藻生长达到最大值时水中大部分磷已被转化为藻体内的磷，水中溶解磷的浓度一般已低于0.02mg/L。再生水体富营养化的优势藻种为栅藻，藻类转化水体中磷浓度的最大限制因素为氮营养。
3）人工载体对于控制水体富营养化有较大的作用，它可以有效地控制浮游藻类的生长，提高水体的透明度。
2.4再生水利用的卫生学研究
根据奥运公园景观补水处理技术方案，对北小河污水处理厂深度处理中试装置出水进行氯和二氧化氯及紫外消毒试验，比较各种消毒方法的消毒效果，研究消毒副产物的产生，选择最佳的经济有效的、适于再生水回用的消毒技术。
1）紫外消毒不产生任何消毒副产物，对灭活大多数细菌、病毒、孢子均有效。与化学消毒技术相比，紫外消毒少了有毒、有害化学品的运输、储藏和投加过程，占地少，且年总运行成本比加氯消毒法低很多。
2）加氯消毒试验中，对于大多数所测污水处理厂二沉池出水，即使在采用远大于常规加氯量（高到20mg/L）的条件下，所生成的消毒副产物三卤甲烷和卤乙酸的浓度也未超过饮用水的标准。这表明再生水消毒的副产物风险较低。
3）二氧化氯消毒产生的消毒副产物不到氯消毒产生的10%，臭氧、紫外消毒则不产生三卤甲烷、卤乙酸类消毒副产物。
4）对于再生水的消毒，卫生学指标可达到饮用水标准。氨氮是再生水消毒中最重要的影响因素。
3.建议
通过以上几方面的研究并综合分析，对奥运公园再生水利用提出如下建议：
1）降低再生水中氮、磷类相关指标应在二级生化处理工艺中解决，这是最为有效和经济的。建议污水处理厂二级处理增加脱氮除磷工艺。
2）超滤膜过滤技术出水水质可基本满足《城市污水再生利用景观环境用水水质》（GB/T18921-2002）及《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）标准，可以作为奥运公园补水的优选深度处理工艺。
3）再生水作为景观用水和河湖补水时，建议在景观水体的设计中，充分考虑水的循环和流态，水体中可适当设置曝气、跌落、旁滤及人工载体等系统，在温度高、光照好的7~9月，加大补水量，减少水力停留时间，以抑制富营养化的发生。
4）考虑到奥运供水安全以及经济技术可行性，建议再生水作为景观水体回用和绿化用水时采用紫外消毒处理工艺；而当再生水作为杂用水输送过程较长时，考虑管道中应保持一定的余氯，可以采用加氯消毒，也可将紫外和加氯消毒结合起来。
奥运公园水面是世界上迄今为止规模最大的以再生水为唯一水源的人工水景。奥运公园水面规划占地约60公顷，其中奥运公园北区水面约50公顷，日需补充水量为6.5万吨；中心区水面面积约10公顷，日需补充水量为1万吨。总补充水量为每日7.5万吨。
为实现奥运公园的再生水补水目标，北京城市排水集团有限责任公司提出了相应的再生水补水方案。奥运公园的再生水补水水源由清河再生水处理厂（8万吨/日）出水和北小河再生水处理厂（6万吨/日）出水联网供应，充分保证奥运公园的补水要求。同时，为了保证奥运公园北区水面补水水质为Ⅳ类水体标准，中心区水面补水水质为Ⅲ类水体标准，排水集团组织科研单位和高校进行了大量研究。
1.再生水利用研究现状
1.1再生水处理技术
水资源的紧缺加快了国际上对再生水处理技术的研发，在国外再生水处理技术已经得到了广泛的应用，我国也有部分城市已经应用，但对再生水处理技术的深入研究还远远不够。
国际上，水污染治理技术路线已经发生转变，关键性的转变在于由单项技术转变为技术集成。水处理技术的发展主要体现在以下两个方面：一是城市污水处理厂普遍采用以除磷脱氮为重点的强化二级生物处理技术，并增加三级处理流程，包括多种类型的过滤技术和现代消毒技术；二是采用当代高新技术如微滤、反渗透、膜生物生物反应器等，使处理后的再生水达到市政杂用、生活杂用、园林绿化、生态景观、工业冷却、回灌地下水、发电厂锅炉补给水等多种用途要求。
1.2再生水安全性研究
尽管世界上许多国家具有废水再生回用的悠久历史，但在废水回用的安全方面，仍然很难定义和描述人们争论激烈的可接受的健康危险。当再生废水使用在人类可能接触到的地方时，其主要的健康危险来自生物致病菌，包括致病细菌、寄生虫、原生动物以及肠道病毒。为保护公共卫生，自20世纪60年代以来，许多国家已经建立了再生水安全使用的基本条件和法规。
再生水安全性评价体系总体可以分为三大部分——感观与物理化学评价指标、致病微生物与病原体评价指标、毒理学评价指标。根据污水回用的目的和回用水域的功能，评价采用相应的水质标准与技术规范，因而指标体系也有一定差异。
美国各级政府都十分注重对回用水安全性的评价与科研监测工作。八十年代中期以来，随着回灌地下水和补充地表饮用水源的回用水量逐渐增长，美国政府及有关科研机构加强了对间接饮用的回用水卫生安全性的研究评价和跟踪测试。
我国目前城市污水回用处于起步阶段，尚没有国家统一制定的相关标准，再生水回用大多沿用的是各种景观用水和杂排水的标准，仅包括一些常规指标如氨氮、磷、大肠杆菌等，国内环境标准中尚没有针对大多数微量有毒污染物的环境标准，达不到保障奥运公园回用水安全可靠的设计目标。同时，处理过程（如加氯消毒）可能形成毒性更大或毒性特征不同的中间体，传统指标体系不能很好适应微污染等新问题。因此，迫切需要对再生水安全性进行深入研究。
2.再生水利用研究
2.1典型深度处理工艺经济技术对比研究
城市污水深度处理的单元技术有：混凝沉淀、过滤、生物活性炭、石灰、臭氧、微滤、超滤、反渗透等。针对不同水质情况，可选择其中一种或几种组合，在选择工艺过程中需要考虑以下因素：
1）回用水的用途和目标水质；
2）工艺适用性和稳定性；
3）技术经济性；
4）环境因素，包括环境污染、人体健康和安全保障。
工艺流程的确定最好经过现场试验，借鉴成功运行经验。本部分研究主要介绍了混凝沉淀、高效过滤、生物活性炭、石灰、臭氧、微滤、超滤、反渗透等多种水回用深度处理单元技术，并对其进行技术经济对比及稳定性分析。通过大量试验，得出如下结论：
1）膜过滤技术产水浊度低；封闭运行，对周围环境无干扰；只加少量化学药剂，基本上无二次污染；运行稳定，操作简便，易于维护，占地小。因此，与传统的物化处理工艺相比，具有明显的优越性。微滤、超滤膜过滤技术对有机污染物、氮、磷的去除受进水水质影响比较大，对非溶解态污染物具有极高去除率。
2）超滤膜过滤技术出水水质可基本满足《城市污水再生利用景观环境用水水质》（GB/T18921-2002）及《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）标准，可以作为奥运公园补水的优选深度处理工艺。
3）降低氮、磷类相关指标应在二级生化处理工艺中解决，这是最为有效和经济的。因此，建议污水处理厂二级处理增加脱氮除磷工艺，这样可使反渗透工艺出水稳定满足《地表水环境质量标准II类》，甚至更严格的标准。
4）反渗透工艺出水水质最优，可以满足地表水二类水质标准，大部分指标满足饮用水水源标准，可以作为最优质的回用水用于奥运公园中心区，但此工艺投资和运行费用较高。
2.2再生水安全性评价研究
针对奥运公园重要的政治意义和再生水回用的示范意义，本研究拟综合化学、生物毒性和生态风险三套评价指标体系，评价不同处理工艺所能达到的水质处理效果，并以回用奥运公园的长期健康风险和生态风险为重点，发展适合于北方地区再生水回用补充城市景观水体的水质评价指标体系和监测技术方法。
研究以深度处理工艺的进出水为对象，从生态安全性和人体健康安全性以及再生水利用对生态绿地的影响两方面出发，对奥运公园补水技术作全面的安全性评价。研究中应用和发展了先进的监测技术，建立经济适用、符合奥运公园补水方案要求的评价指标体系和监测技术规范。
2.2.1生态安全和人体健康安全
试验在高碑店和北小河污水处理厂进行，通过大量试验研究，得出如下结论：
1）北小河污水厂二沉出水及各种深度处理工艺出水对斑马鱼与大型水蚤未见急性毒性。混凝沉淀出水中营养物质略有减少，对栅藻的生长有一定影响。
2）经深度处理（活性炭、絮凝沉淀或反渗透）后的出水，没有致突变现象发生。
3）采用适当的处理工艺和明确不同工艺再生水的用途，可以有效控制使用再生水的风险，达到安全使用再生水的目的。其中超滤+反渗透和活性炭对慢性有毒物质的去除效果最好。
4）反渗透工艺及活性炭工艺出水中营养物质明显不足，出水有利于控制水体富营养化的发生。
5）北小河污水处理厂各深度处理工艺出水有毒有害污染物检出浓度均未超出《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中特定项目的标准限值，可以安全地回用于景观环境。
2.2.2再生水利用对生态绿地的影响
在再生水浇灌作物研究中，健康安全性一直是人们关注的一个重点。健康安全性是指：灌溉作物时，再生水中有毒有害物质（包括重金属）为作物所吸收或在其上累积，进而影响农作物产品的品质，被人类食用或为牲畜饲用时，危害健康。
文献中大部分研究是针对农作物的试验或局限于研究灌区土壤生态系统某一方面的试验，而再生水灌溉对某一地区甚至整个城市绿地生态系统的影响研究尚未见报导。本研究主要在北京市北小河污水处理厂内进行，试验分四个部分，即水培、盆栽、实地调查和大田试验。
经过调查和试验得到两方面的结论：
1）用于园林绿化、城市生态绿地浇灌的再生水的最重要指标是总硬度、溶解性总固体（全盐量）、氯化物，而再生水的这三项指标值均大于自来水值，但远小于饮用水标准值。
2）再生水与自来水浇灌的植物中，叶绿素含量未发现明显差异。
2.3再生水水质保障系统研究
研究分小型试验和露天景观水塘的模拟试验两部分。小型试验在试验室中进行，主要是对北小河污水处理厂再生水混合槽出水、高碑店污水处理厂石灰法出水、自来水配水水样等进行人工光照培养。露天景观水塘在北小河污水处理厂内，除了模拟将来实际运行再生水质变化情况及水体流动的水力条件等，还进行了人工载体的研究，最终得到如下结论：
1）深度处理后的水中仍有部分氮磷，因此，在夏季应抑制水体富营养化的发生。
2）通过对比分析，藻类数量最大值随磷浓度的增加而增加，说明磷是水体富营养化中影响显著的因子。当水样中藻生长达到最大值时水中大部分磷已被转化为藻体内的磷，水中溶解磷的浓度一般已低于0.02mg/L。再生水体富营养化的优势藻种为栅藻，藻类转化水体中磷浓度的最大限制因素为氮营养。
3）人工载体对于控制水体富营养化有较大的作用，它可以有效地控制浮游藻类的生长，提高水体的透明度。
2.4再生水利用的卫生学研究
根据奥运公园景观补水处理技术方案，对北小河污水处理厂深度处理中试装置出水进行氯和二氧化氯及紫外消毒试验，比较各种消毒方法的消毒效果，研究消毒副产物的产生，选择最佳的经济有效的、适于再生水回用的消毒技术。
1）紫外消毒不产生任何消毒副产物，对灭活大多数细菌、病毒、孢子均有效。与化学消毒技术相比，紫外消毒少了有毒、有害化学品的运输、储藏和投加过程，占地少，且年总运行成本比加氯消毒法低很多。
2）加氯消毒试验中，对于大多数所测污水处理厂二沉池出水，即使在采用远大于常规加氯量（高到20mg/L）的条件下，所生成的消毒副产物三卤甲烷和卤乙酸的浓度也未超过饮用水的标准。这表明再生水消毒的副产物风险较低。
3）二氧化氯消毒产生的消毒副产物不到氯消毒产生的10%，臭氧、紫外消毒则不产生三卤甲烷、卤乙酸类消毒副产物。
4）对于再生水的消毒，卫生学指标可达到饮用水标准。氨氮是再生水消毒中最重要的影响因素。
3.建议
通过以上几方面的研究并综合分析，对奥运公园再生水利用提出如下建议：
1）降低再生水中氮、磷类相关指标应在二级生化处理工艺中解决，这是最为有效和经济的。建议污水处理厂二级处理增加脱氮除磷工艺。
2）超滤膜过滤技术出水水质可基本满足《城市污水再生利用景观环境用水水质》（GB/T18921-2002）及《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）标准，可以作为奥运公园补水的优选深度处理工艺。
3）再生水作为景观用水和河湖补水时，建议在景观水体的设计中，充分考虑水的循环和流态，水体中可适当设置曝气、跌落、旁滤及人工载体等系统，在温度高、光照好的7~9月，加大补水量，减少水力停留时间，以抑制富营养化的发生。
4）考虑到奥运供水安全以及经济技术可行性，建议再生水作为景观水体回用和绿化用水时采用紫外消毒处理工艺；而当再生水作为杂用水输送过程较长时，考虑管道中应保持一定的余氯，可以采用加氯消毒，也可将紫外和加氯消毒结合起来。
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