基于城镇污水处理厂尾水同级排入的深度处理技术
2013年全国总供水量为6183.4亿m3，其中地表水源和地下水源供水量占99.2%[1]。河流、湖泊是我国重要的饮用水水源地，同时也是城市的主要排水通道，水源地常受到城市排水口、排污口干扰。海河、黄河、辽河流域水资源开发利用率已经达到106%、82%、76%，西北内陆河流开发利用已接近甚至超出水资源承载能力[2]。由于地表水和地下水的过度开发和污染，而且水资源利用率低，水资源形势严峻，在全国600多个建制市中，有近400个城市缺水，其中130多个严重缺水[3]。
2015年我国颁布的《水污染防治行动计划》中要求到2020年，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等七大重点流域水质优良(达到或优于Ⅲ类)比例总体达到70%以上，地级及以上城市集中式饮用水水源水质达到或优于Ⅲ类比例总体高于93%。
虽然进入21世纪以来我国城镇污水处理能力大大提高，但完成计划中的工作目标还是面临巨大的压力。由于我国现行的GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准，仅相当于地表水劣Ⅴ类标准，而且城镇污水处理厂大多采用二级生物处理工艺削减污染物，由于工艺本身的局限性，出水污染物浓度很难再进一步降低[4]，尾水即使达标排至饮用水水源地或水域功能较高的水体，也会进一步加剧水污染状况，威胁饮用水安全。
1同级排入的水质标准
1.1同级排入的定义
同级排入，主要是为保护集中式饮用水水源或其他重要水体(地表水Ⅲ类标准或功能更高的水体)，若水体汇入源包括城市污水处理厂，其尾水必须经过进一步处理(深度处理)，使出水中的剩余微污染成分(如氮、磷、胶体、细菌、病毒、微量有机物、重金属以及影响回用的溶解性矿物质等)得以更好地去除，最后水质指标达到地表水Ⅲ类标准(或更高标准，视水域功能而定)后排入水体[5-6]。
1.2国外同级排入的标准
国外尾水同级排入的标准主要向饮用水水质标准看齐，污水处理厂将尾水深度处理至接近饮用水水质标准后，再排入饮用水源或回灌地下水。
美国、德国等虽暂无统一的地下水回灌水质标准，但美国加州要求从接收回灌水的含水层中抽取的水必须符合饮用水标准，而且对采用注入井回灌的回灌水中的总有机碳(TOC)含量要求比经地表渗滤回灌入含水层的水质标准更严格。德国一般要求回灌水应优于当地地下水水质[7]。欧美发达国家更加注重补充水及回灌水的安全问题，因此标准更加严格苛刻。
1.3国内同级排入的标准
我国2015年颁布的《水污染防治行动计划》[8-9]指出要强化城镇生活污染治理。计划要求敏感区域(重点湖泊、重点水库、近岸海域汇水区域)城镇污水处理设施应于2017年底前全面达到GB18918—2002一级A排放标准。目前许多地方的城镇污水处理厂处理效果仅能达到GB18918—2002一级B标准。
GB3838—2002《地表水环境质量标准》中将集中式生活饮用水地表水源二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖等渔业水域及游泳区划分为Ⅲ类功能水域。GB18918—2002一级A排放标准与Ⅲ功能水域的水质标准相比，还存在较大的差距，如表1所示。
考虑到GB18918—2002一级A标准排放的尾水对Ⅲ类功能水体可能带来一定的污染负荷冲击，为避免微污染现象的发生，保证用水安全，采用同级排入技术深度处理尾水，使其水质满足Ⅲ类功能水域的要求。尾水同级排入技术对于补充地表水、回灌地下水等有着重要的意义，从可持续发展的角度来看，同级排入增大了高品质水供给，大幅削减了水体污染负荷，可以有效缓解天然水体自净的压力，提高水环境质量，降低了人类行为对环境的影响。
2国内外同级排入的工程实例
2.1美国同级排入的工程实例
美国德克萨斯州的BigSpring水厂从2012年开始采用微滤(MF)-反渗透(RO)-高级氧化工艺，日处理1万t污水，处理后排入饮用水源，占城市供水的15%。北弗吉尼亚UpperOccoquan水厂采用初级处理-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-消毒工艺，日处理12万t污水，处理后出水排入为120万人提供饮用水的UpperOccaquan水库，该水厂运行25a，未发生危害公众的健康事件[11]。
美国加州的21世纪水厂和佛罗里达州的Floridan东北再生水厂将污水处理后回灌地下水，间接补充饮用水源，其中21世纪水厂自2007年以来采用MF-RO-紫外消毒工艺日处理24万t的污水，回灌前将处理后的水体与深层蓄水层的井水以2∶1的比例混合。回灌地下水后，从含水层提取的水经处理后可为200万人提供饮用水。Floridan东北再生水厂预计今年竣工，该水厂设计以超滤(UF)-RO-紫外和H2O2消毒工艺日处理1.14万t污水，技术上稳定达到饮用水标准。
2.2欧洲同级排入的工程实例
德国柏林将经过二级处理的尾水投加氯化铁与助凝剂絮凝沉淀后，投加O3氧化降解有机物和杀菌，再经无烟煤过滤后进行地下水回灌，经地质净化后作为饮用水重新抽取出来，该示范工程早在20世纪70年代已建成并投入使用。Langen市将污水处理厂的尾水通过曝气、沉淀、砂滤池过滤、O3氧化、活性炭吸附等措施深度处理后，利用土壤渗滤回灌补充地下水[12]。
比利时Torreele水厂[13]在2001年开始采用UF-RO-紫外消毒工艺日处理0.54万t的污水，重点监测超滤和反渗透模块的运行情况，处理后补充地下水，间接生产可饮用水。
2.3新加坡和澳大利亚同级排入的工程实例
新加坡Newater工程[14]从2003年开始以MF-RO(双膜)-紫外消毒工艺日处理1.36万t污水，将处理后的出水与水库水进行混合，供给饮用水。澳大利亚悉尼圣玛丽再生水厂从2010年开始采用UF-RO-再碳酸化和氯消毒工艺日处理4.9万t污水，并将高质量出水补充瓦拉甘巴大坝(水源地)。
2.4国内同级排入的工程实例
目前，北京市率先提高污水处理标准，规定污水处理厂出水水质应至少达到地表水Ⅳ类标准。北京市已于2012年开始实施DB11/890—2012《城镇污水处理厂水污染物排放》的地方性标准，要求排入北京市Ⅱ、Ⅲ类水体的城镇污水处理厂执行A标准，相当于地表水Ⅲ类水;排入Ⅳ、Ⅴ类水体的城镇污水处理厂执行B标准，相当于地表水Ⅳ类水。
深圳龙华污水处理厂[15]采用强化型前处理-垂直流人工湿地工艺，日处理2万t的一级A标准的污水处理厂尾水，出水满足地表水Ⅲ类标准指标，排入二级水源保护区的观澜河。
[page]国内还有很多对尾水进行深度处理的案例，但多关注在工业用水回用，少有对饮用水源地污水处理厂的尾水进行深度处理。天津经济技术开发区“双膜法”再生水工程，从2002年起，采用连续流MF-RO工艺处理污水，其中MF出水可供一般工业用水，而RO出水供高端用户。经测试，RO出水优于世界卫生组织和美国EPA公布的饮用水水质标准。北京经济技术开发区再生水厂[16]从2008年起采用MF-RO工艺日处理2.1万t污水，主要向开发区内工业企业、特别是高科技微电子类工业提供生产用水水源，替代原使用的自来水水源。
3同级排入深度处理技术
从众多工程实例可知，目前用于尾水同级排入的主流工艺是以膜分离为主体的组合工艺。其中同级排入补充饮用水源工程项目大都选择了MF/UF-RO工艺(俗称双膜工艺)和高级氧化/消毒的组合工艺。美国的华盛顿州甚至规定，将污水处理厂尾水处理后用于饮用水水源的地下水补给时，必须采用RO工艺[17]。
3.1膜分离技术
膜分离技术具有高效节能、易操作、占地面积小等优点，现在应用得较多的有MF、UF、RO、NF等[18]，其技术特征如表2所示[19]。双膜法目前较多采用MF、UF作为RO的前处理工序，替代常规深度处理中的沉淀、过滤、吸附和除菌等预处理，以RO进行水的软化和脱盐[20]。
膜分离技术作为污水回用处理单元时，需要解决的主要问题就是如何防止膜污染，这就要求污水在进入膜分离处理单元前必须经过预处理，预处理工艺可将污水中微细颗粒和胶体物质去除，并将大分子有机物转化为固相。此外，膜处理工艺与其他工艺相比在价格上也要昂贵得多，RO浓水排放的问题也是今后进一步研究的方向。
3.2高级氧化技术
高级氧化技术在深度处理中主要是降解有机污染物和杀菌消毒。它的特点是：①产生大量作为中间产物的˙OH，其氧化能力(2.80V)仅次于氟(2.87V)，可诱发后面的链反应;②˙OH能无选择地直接与废水中的污染物反应，将其降解为二氧化碳、水和无害盐，不会产生二次污染;③由于高级氧化反应是一种物理化学过程，较易控制;④既可作为单独处理，又可与其他处理过程相匹配。
根据所使用的氧化剂及催化条件的不同，高级氧化技术以Fenton及类Fenton氧化法、光化学和光催化氧化法、臭氧类氧化法、超声氧化法、电化学法较为常见。
3.3同级排入深度处理技术的特点
(1)一种组合工艺。单一处理单元难以实现处理要求。城镇污水处理厂的尾水污染物浓度较低，且多为难降解有机物，可生化性差，依靠单一处理单元难以实现同级排入要求。
(2)稳定运行。工艺需要满足在高水力负荷下稳定运行，同时，由于处理水量较大，在场地受限的情况下，不宜选择水力停留时间过长的处理工艺。
4展望
主流的同级排入工艺(双膜法)运行稳定，出水质量高，对各种污染物都有良好的分离去除效果，但也存在如成本高、处理水量小等缺点。北京市多数污水处理厂采用MBR和膜法处理城市污水处理厂尾水，深度处理成本接近2.5元/t[21]，其价格对一般污水处理厂是难以承受的。从探索低成本、高效率、成熟可靠的尾水同级排入工艺考虑，结合实际情况，以活性炭吸附、人工湿地、BAF、MBR为关键技术，必要时辅以针对性的处理措施，是比较好的尝试。
4.1活性炭吸附
活性炭吸附技术可耐强酸强碱，具有良好吸附性能，可以去除多数的有机物和某些无机物、痕量金属。活性炭吸附技术较常用的是与生物滤池相结合的GAC滤池和活性炭粉系统。生物活性炭(BAC)可以利用活性炭吸附与生物降解的协同作用处理污水。
温得和克的Goreangab水厂[22]以城市污水生产饮用水，采用的工艺是混凝沉淀-气浮池-砂滤池-高级氧化池-BAC/GAC滤池-UF-消毒。其中活性炭吸附技术，被认为是水质把关的最主要工序。李倩[23]采用BAC法处理一级A水体，主要指标达到Ⅳ类水水质以上，COD去除率可达35.5%，NH3-N去除率可达92.2%，SS去除率取决于反冲洗频率，最高可达100%。
4.2人工湿地
人工湿地处理效率高、投资和运行成本低，可以高效去除BOD5、COD、NH3-N和TP等污染物。目前多数采用复合人工湿地的处理工艺，常用的人工湿地处理工艺组合为：混凝沉淀/过滤-复合型人工湿地。
深圳龙华污水处理厂采用强化型前处理/垂直流人工湿地工艺对一级A尾水进行同级排入深度处理，处理后COD、BOD5、NH3-N和TP的平均去除率分别为70.3%、69.0%、91.9%和83.1%，出水符合地表水Ⅲ类标准的要求。
4.3BAF
BAF投资低，占地面积小，抗冲击能力强，滤速快，对有机物、BOD5、COD和NH3-N等有显著效果[24-25]。目前普遍采用二级出水-BAF-消毒。O3/BAF技术是目前BAF技术研究的热点之一，该技术将O3和BAF联用，提高了污水的可生化性，可取得良好的处理效果。
焦阳等[26]采用BAF深度处理污水处理厂尾水，处理后COD平均去除率在30%以上，出水NH3-N的质量浓度基本保持在0.3mg/L以下。
4.4MBR
MBR结构简单、占地面积小、活性污泥浓度高，对COD、BOD5、NH3-N、SS等去除能力强。组合形式的MBR工艺目前应用比较普遍，在深度处理上越来越有实用价值，具有很好的发展前景及拓展空间。随着MBR技术的发展，近年来发展了MBR联用RO深度处理污水的技术[27]，如图1所示。Lozier等[28]研究得出，经MBR-RO工艺处理后的出水可用于间接饮用，水质符合美国初级和州二级饮用水标准。
5结语
针对我国目前地表水和地下水的短缺现状，为加强对集中式饮用水水源的保护和提升城镇水资源利用效率，有必要开展同级排入组合工艺的研究。我国的同级排入深度处理工艺可针对不同水质和场地情况，积极探索不同的组合工艺，摸索出适用于我国实际国情的、具有技术可行性、经济可行性的处理工艺，以保证水资源的可持续发展。
