回用水处理技术、水质标准和回用方式

Glen T. Daigger, Ph.D., P.E., DEE
副主席
CH2M HILL[2]

　　摘　要：本文概述了不同回用方式所要求的回用水质和处理技术之间的关系。根据水回用的用途不同，可采取一系列的水质标准和相关的处理方法。一些农业水回用中，公众不应接触回用水，或者所灌溉的作物不是被人类直接食用，或者经过深加工处理后才被人食用。对于这一类回用水，基本的二级处理，甚至更低级的处理就足够了。生物塘处理系统不仅可以将污水中可生物降解的有机物质稳定化，并进行消毒，而且还使水处理系统中附带具有季节性贮存水的作用，把供水与农业需水配合得更紧密。任何情况下都应控制工业废水中有毒物质，不准工业排放物进入准备再生的污水收集系统和（或）要求工厂在排入集水系统之前去除有毒物质。
　　经适当程度消毒后的二级出水（100-1000个粪性大肠菌群/100mL）广泛适用于各种用途，包括限制接触性回用（如某些灌溉方式和非接触性景观用水）、环境修复和许多工业应用。有些形式的环境修复要求去除营养物质，提高消毒水平。回用水用作工业冷却水时，需去除硬度、氨和溶解性固体。当用作给水补充之前要求有一系列的处理过程，要取决于原有供水对回用水的稀释程度和是否形成处理而定，例如回用水流经土壤后汇入原水源即可认为是行成处理工序。目前，许多回用水工程正在运用膜处理技术生产回用水。其中一种为采用二级出水作为原水，经过微滤（予处理）、反渗透、有时加上紫外线消毒。微滤膜和超滤膜也可并入生物处理工艺，取代传统的二沉池。

1.简介

　　目前存在许多水的再生和回用方法并在实践中正常运作（美国 EPA，1992）,每一种使用方式都有不同的水质要求，因此也要求不同的处理水平。表1总结了常用的回用水使用方式和所要求的相应的处理水平，从最高水平到最低水平处理都有所涉及。本文将论述不同的使用方式和相应的处理方法，还将讨论一些新出现的处理技术。

2.非食用型作物和深加工型食用作物的农业回用水

　　回用水可以灌溉人类并不直接消费的各种作物，如灌溉那些动物食用的作物（苜蓿、青草、高粱、玉米、大豆等各种饲料作物）和需要深加工才可食用的作物（如小麦、也许还有大米）。关系公共健康和环境的首要问题是这种回用方式是否会将有毒物质和致病菌带到我们的食物供应中来。主要有两种机制来控制有毒物质，其中包括不允许工业废水（很大可能含有毒物质）排入要回用的污水收集系统和污水处理系统中。为避免工业污水，我们可以从工厂稀少的服务区收集污水或要求工厂首先去除废水中有毒物质，然后再排入市政排水管网。废水中有毒物质的去除方法有许多种。在一些实际应用中，基本的二级处理就可予以足够的保护。事实上，初级处理可能已经足够了，而二级处理则对有毒物质又加了一道关卡。二级处理中允许回用水贮存起来以满足不同季节变化的农灌需水量。致病菌的传播是通过防止一般公众与污水直接接触以及适度的杀菌消毒来解决的。

　　用于农业性回用的水可通过许多种处理方法，包括初级处理、二级（生物）处理和传统的消毒工艺。生物塘处理系统广泛用于可生物降解有机物的稳定化，因此当回用水季节性贮存时不产生过多令人厌恶的问题（气味、病菌等），同时，生物塘还有自然的消毒作用。如图1所示的污水处理系统，包括一个厌氧或好氧塘，进行污水的基本处理，然后是兼性塘，对污水进行更深一步的处理和消毒，同时还可用作季节性贮水。已经预处理和消毒的再生水则可根据作物的需水量进行农灌使用。这样的一个系统允许回用市政污水中的水和其的营养物质，但要控制有毒物质的量，并进行消毒处理。从水管理的整体和长远角度来看，水回用灌溉农作物时，土壤的进一步处理去除了污染物，减少了环境中污染物质的排放量，因此也减少了污染物质向地表水和地下水的排放量。而净用水量却下降了，因为先前用作农业的水现在可以转向城市供水或以地表水或地下水的方式保留在环境中。

3.环境修复

　　环境修复指污水处理后以合格的水质向环境排放以保持水环境的流量，维持环境的功能。所要求的处理则根据修复环境对污染物的同化容量而定。一般至少要求传统的二级（生物）处理和一定程度的消毒。有些环境修复则要求更高级的处理方式，如去除营养物质等。一些传统的处理系统可用于这些情况。而目前新兴的一种处理工艺是二级处理（传统二级处理或生物塘二级处理）后加湿地处理。湿地不仅提供处理（提高了水质），也改善了环境。可以将湿地设计成野生生物栖息地或者设计成市区开放性的绿地。
　　图2和图3分别列举了两个湿地处理系统，接收传统的二级出水。图2为位于迈阿密附近的佛罗里达州Wakodhatchee湿地处理系统，接收Palm Beach县污水处理厂的二级出水。作为二级出水的三级处理，它的水力负荷从0.5cm-5cm/d(水力停留时间为10-40d)。湿地处理系统包括多个种有水生植物的浅水区，水生植物可以处理污水。在浅水区中穿插几个深水区，深水区中的重新布水的层流间断性地流过湿地，固体可收集后定期排除（维护）。重要的是，在深水区设野生生物栖息岛，建造通道使公众能够无需接触湿地便可观赏野生动物和植物。
　　Palm Beach县属于潮湿的亚热带气候。而恰恰相反，Tres Rios 湿地位于阿利桑那州Phoenix城附近，属于沙漠地区。但Tres Rios湿地处理系统和Wakodhatchee湿地处理系统有许多相似之处，如图3所示，他们都有浅水水生植物生长区、深水区和栖息岛。绿色湿地对于Phoenix城的沙漠景观是一个很受欢迎的补充，同时也改善了水质，为野生生物提供了栖息地。

4.限制接触性回用

　　限制接触性回用包括城市水回用，这种回用方式应控制公众接触回用水以保护公众健康。对于农业性回用，主要风险的是这类回用可能将有毒物质引入环境中和传播疾病，有毒物质可以采用降低回用水中有毒物浓度来控制，可采用多种方法，如控制排放源和污水处理。而疾病传播的控制则可采用一定的消毒措施，同时防止公众直接接触回用水。恰当的限制接触性回用还包括灌溉和景观水面。
　　限制接触性回用一般至少采用二级处理，卫生指标为100-1000个粪性大肠菌群/100mL。二级处理可以控制原水（工业废水或生活污水）中有毒物质的量，也能减少水回用时配水系统中的麻烦问题。不完全消毒的回用水仅能保证系统操作者偶尔接触回用水时的安全，因操作者能采取常规的、适当的防护措施。然而不能保证普通公众广泛接触回用水时的安全。为保护公众的安全，不允许他们与回用水经常接触。例如，使用回用水浇灌时，将浇灌时间限制在公众不在现场的时候，或者采用公众与回用水隔绝的灌溉方式（滴灌）。又例如，当回用水用于限制公众与之接触的景观水面时，不允许在湖中钓鱼和（或）游泳。

5.非限制接触性回用

　　非限制接触性回用水是经过更高级的处理工艺产生的，公众与之接触（并非消耗）是安全的。尽管一个地区与另一个地区之间具体要求有变化，但加利福尼亚州在其“22条”中所确定的条款提供了一个一致的解决方案，已被广泛接受。这些要求进行高度的消毒，明显地减少再生水中致病菌的存在机会。其基本的处理工艺为生物处理，用来减少可生物降解的有机物浓度和总悬浮固体（TSS），然后是过滤以减少颗粒物质的浓度，最后为消毒。颗粒物质的去除可以从几个方面帮助消毒的进行。首先，一些较大的致病菌，如贾第鞭毛虫（Giardia）和隐性芽孢虫（cryptosporidia）等，可以通过过滤直接去除；其次，颗粒物质的去除使得下面的消毒处理更为有效，这是因为经过生物处理和过滤后，水中残留的致病菌是呈游离状态的，当然更容易在消毒工序中被杀死。氯消毒和紫外线（UV）消毒都是常用的方法。为了使回用水达到非限制接触性应用的标准，表2总结了一些处理要求。如表2所示，用颗粒介质过滤法和膜过滤法的要求不同。

　　*根据加利福尼亚州“22条”的规定

　　按照表2所列的处理要求生产的回用水，公众可以直接接触，可用作公众可以接触到的喷洒浇灌，可用于钓鱼、划船和游泳的娱乐性水体以及灌溉一些生食的食用作物。

6.工业性回用

　　不同的工业性回用方式要求不同的回用水质。一般需要二级处理和适度消毒以尽量减少回用水中的污染物质，保护工厂工人的健康。回用水作为工厂冷却水应用较为广泛。它要求去除水中的会引起冷却装置结垢的硬度，还要求去除会引起装置腐蚀和生物污垢的氨。图4列出了这类回用水的处理工艺流程。二级出水（一般来自现有的污水处理厂）需经过石灰软水装置和粒状介质过滤。如果作为回用水原水的二级出水未进行硝化处理，硝化需合并入过滤工序中进行。目前新兴的一种应用于工业性回用的处理方法是使用膜装置进行脱盐处理。
　　特别是采用微滤或超滤预处理的二级出水再接反渗透的工艺流程在这一领域的应用日益增多，这种工艺流程的进一步的讨论将和补充给水的工艺流程结合在一起进行。

7.补充给水和新兴技术

　　补充给水就是故意将回用水加入饮用水供应的回用方式。回用水可以引入供给饮用水的地表水（如水库）或地下水源。和工业性回用的处理方法一样，这种回用方式也可采用许多种处理方法。其所需要的处理程度则根据回用水和天然水体的混合程度以及在被提取用作公共给水供应之前的处理能力而定。
　　 如果通过地表漫流方式注入地下水的回用水所占比例相当小，则仅需要经过二级处理和适度消毒。土壤的渗滤作用可将回用水中大量的有机物和致病菌去除，然后再与地下水混合。这种情况下要考虑的主要的问题是可能引入氮，而氮可以在土壤中转化为硝酸盐。天然地下水和回用水混合后在取水井抽取之前流经地下蓄水层时也会进行一些处理。
　　 自然环境所提供的处理程度越低，和回用水混合的天然水比例越小，回用水所需要的处理程度就越高，就需要更高级别的处理方法去除有机物和致病菌。图5列出 Upper Occoquan 污水管理部门（UOSA）使用的传统处理工艺。UOSA厂从服务区域收集包括生活污水、商业污水和达标排放的工业废水在内的原污水，处理后出水接近饮用水质标准，排放至Occoquan水库，这是美国弗吉尼亚州东北部的主要饮用水源。处理工艺为传统的初级处理和带硝化的二级处理、石灰再碳酸化处理、过滤、粒状活性炭吸附，最后进行消毒处理。在pH﹥11的情况下石灰澄清处理起到消毒、去除高分子有机物、阻拦重金属的作用。粒状活性炭更进一步地去除溶解性有机物，尤其是上道工艺的生物处理中无法去除的非生物降解性有机物。加氯消毒为最后一个环节。

　　UOSA设施从1978年便开始运行，已经显示了满足常规的具体排放标准和保护公众健康的能力。其目前的能力为130,000m3/d，正在扩建为210,000m3/d。进入Occoquan水库的水中回用水（UOSA厂出水）占的比例为雨季时不到10%，旱季时超过90%。
　　目前新兴的一种处理流程为二级处理后接微滤(MF)、反渗透（RO）和紫外线消毒（UV）（AWWA,1996）。MF可很大范围地去除颗粒物质，放在RO处理工艺的前面是十分必要的。RO广泛去除有机物和无机物，这两级顺序的膜处理工艺也起到了广泛的消毒作用。UV消毒则是公众免受致病菌侵袭的又一道保护屏障。如上所述，MF后接RO工艺也成为生产各种工业用水的新兴技术。 另一新兴的处理技术为膜生物反应器，以置于反应器外部或浸没在反应器内部的生物膜 取代传统的二沉池(Gunder, 2001; Stephenson, et al., 2000) 。膜上留有必要的生物量，用于处理污水，也能去除颗粒物质，所以出水的颗粒物质含量很低。生产的出水可用于许多回用目的，或经活性炭吸附、RO和UV消毒可用于非直饮水的回用。

8.总结与结论

　　总之，不同回用方式所要求的水质同相应的处理技术之间的关系已经列出，如表1所示。大范围的水质及其相应的生产回用水所用的处理方法取决于不同的回用目标。基本的二级处理，或更低程度的处理对农业性回用来说就足够了。这种农业性回用，一般不允许公众接触回用水，而且所浇灌的作物是人类不直接食用的和（或）需要深加工的作物。由于生物塘处理工艺可以使进入的污水中可生物降解有机物稳定化，具有消毒的作用，生物塘还可将季节性贮水与处理系统结合，使供水量和农灌需水量更为吻合，因而常被采用。在所有情况下都应控制来自工业废水中的有毒物质量，不允许工业废水排入要进行回用的污水集水系统中和（或）要求工厂去除废水中有毒物质后再排入集水系统。

　　二级出水经过适度消毒（100-1000个粪性大肠菌群/100mL）后适合于许多用途，包括限制接触性回用（如某些方式的灌溉和非接触性景观水体）、某些方式的环境修复和许多工业性回用。一些环境修复要求去除营养物质，加强消毒，当用作工业冷却水则要求先去除硬度、氨和溶解性固体。用作给水补充时，可有许多种需要的处理方法，取决于回用水和现有给水源的稀释程度以及是否进行了处理，如流经土壤时进行的处理。膜处理系统正在回用水应用领域兴起。其中一种新兴的膜处理工艺流程为二级出水作为原水，由微滤（予处理）、反渗透、有时加紫外线消毒工艺组成。微滤膜和超滤膜也可并入生物处理工艺取代传统的二沉池。

参考文献：

　　American Water Works Association, Water Treatment Membrane Processes, McGraw-Hill, New York, 1996.
　　Gunder, B., The Membrane-Coupled Activated Sludge Process in Municipal Wastewater Treatment, Technomic Publishing Co., Lancaster, PA, 2001.
　　Stephenson, T., S Judd, B. Jefferson, and K. Brindle, Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment, IWA Publishing, London, 2000.
　　United States Environmental Protection Agency, Guidelines for Water Reuse, EPA/625/R-92/004, 1992.