基于城鎮污水處理廠尾水同級排入的深度處理技術
2013年全國總供水量為6183.4億m3，其中地表水源和地下水源供水量占99.2%[1]。河流、湖泊是我國重要的飲用水水源地，同時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利用率已經達到106%、82%、76%，西北內陸河流開發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度開發和污染，而且水資源利用率低，水資源形勢嚴峻，在全國600多個建制市中，有近400個城市缺水，其中130多個嚴重缺水[3]。
2015年我國頒布的《水污染防治行動計劃》中要求到2020年，長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河等七大重點流域水質優良(達到或優于Ⅲ類)比例總體達到70%以上，地級及以上城市集中式飲用水水源水質達到或優于Ⅲ類比例總體高于93%。
雖然進入21世紀以來我國城鎮污水處理能力大大提高，但完成計劃中的工作目標還是面臨巨大的壓力。由于我國現行的GB18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準，僅相當于地表水劣Ⅴ類標準，而且城鎮污水處理廠大多采用二級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一步降低[4]，尾水即使達標排至飲用水水源地或水域功能較高的水體，也會進一步加劇水污染狀況，威脅飲用水安全。
1同級排入的水質標準
1.1同級排入的定義
同級排入，主要是為保護集中式飲用水水源或其他重要水體(地表水Ⅲ類標準或功能更高的水體)，若水體匯入源包括城市污水處理廠，其尾水必須經過進一步處理(深度處理)，使出水中的剩余微污染成分(如氮、磷、膠體、細菌、病毒、微量有機物、重金屬以及影響回用的溶解性礦物質等)得以更好地去除，最后水質指標達到地表水Ⅲ類標準(或更高標準，視水域功能而定)后排入水體[5-6]。
1.2國外同級排入的標準
國外尾水同級排入的標準主要向飲用水水質標準看齊，污水處理廠將尾水深度處理至接近飲用水水質標準后，再排入飲用水源或回灌地下水。
美國、德國等雖暫無統一的地下水回灌水質標準，但美國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準，而且對采用注入井回灌的回灌水中的總有機碳(TOC)含量要求比經地表滲濾回灌入含水層的水質標準更嚴格。德國一般要求回灌水應優于當地地下水水質[7]。歐美發達國家更加注重補充水及回灌水的安全問題，因此標準更加嚴格苛刻。
1.3國內同級排入的標準
我國2015年頒布的《水污染防治行動計劃》[8-9]指出要強化城鎮生活污染治理。計劃要求敏感區域(重點湖泊、重點水庫、近岸海域匯水區域)城鎮污水處理設施應于2017年底前全面達到GB18918—2002一級A排放標準。目前許多地方的城鎮污水處理廠處理效果僅能達到GB18918—2002一級B標準。
GB3838—2002《地表水環境質量標準》中將集中式生活飲用水地表水源二級保護區、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產養殖等漁業水域及游泳區劃分為Ⅲ類功能水域。GB18918—2002一級A排放標準與Ⅲ功能水域的水質標準相比，還存在較大的差距，如表1所示。
考慮到GB18918—2002一級A標準排放的尾水對Ⅲ類功能水體可能帶來一定的污染負荷沖擊，為避免微污染現象的發生，保證用水安全，采用同級排入技術深度處理尾水，使其水質滿足Ⅲ類功能水域的要求。尾水同級排入技術對于補充地表水、回灌地下水等有著重要的意義，從可持續發展的角度來看，同級排入增大了高品質水供給，大幅削減了水體污染負荷，可以有效緩解天然水體自凈的壓力，提高水環境質量，降低了人類行為對環境的影響。
2國內外同級排入的工程實例
2.1美國同級排入的工程實例
美國德克薩斯州的BigSpring水廠從2012年開始采用微濾(MF)-反滲透(RO)-高級氧化工藝，日處理1萬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水廠采用初級處理-帶硝化的二級處理-石灰再碳酸化處理-過濾-粒狀活性炭吸附-消毒工藝，日處理12萬t污水，處理后出水排入為120萬人提供飲用水的UpperOccaquan水庫，該水廠運行25a，未發生危害公眾的健康事件[11]。
美國加州的21世紀水廠和佛羅里達州的Floridan東北再生水廠將污水處理后回灌地下水，間接補充飲用水源，其中21世紀水廠自2007年以來采用MF-RO-紫外消毒工藝日處理24萬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處理后可為200萬人提供飲用水。Floridan東北再生水廠預計今年竣工，該水廠設計以超濾(UF)-RO-紫外和H2O2消毒工藝日處理1.14萬t污水，技術上穩定達到飲用水標準。
2.2歐洲同級排入的工程實例
德國柏林將經過二級處理的尾水投加氯化鐵與助凝劑絮凝沉淀后，投加O3氧化降解有機物和殺菌，再經無煙煤過濾后進行地下水回灌，經地質凈化后作為飲用水重新抽取出來，該示范工程早在20世紀70年代已建成并投入使用。Langen市將污水處理廠的尾水通過曝氣、沉淀、砂濾池過濾、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充地下水[12]。
比利時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t的污水，重點監測超濾和反滲透模塊的運行情況，處理后補充地下水，間接生產可飲用水。
2.3新加坡和澳大利亞同級排入的工程實例
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t污水，將處理后的出水與水庫水進行混合，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t污水，并將高質量出水補充瓦拉甘巴大壩(水源地)。
2.4國內同級排入的工程實例
目前，北京市率先提高污水處理標準，規定污水處理廠出水水質應至少達到地表水Ⅳ類標準。北京市已于2012年開始實施DB11/890—2012《城鎮污水處理廠水污染物排放》的地方性標準，要求排入北京市Ⅱ、Ⅲ類水體的城鎮污水處理廠執行A標準，相當于地表水Ⅲ類水;排入Ⅳ、Ⅴ類水體的城鎮污水處理廠執行B標準，相當于地表水Ⅳ類水。
深圳龍華污水處理廠[15]采用強化型前處理-垂直流人工濕地工藝，日處理2萬t的一級A標準的污水處理廠尾水，出水滿足地表水Ⅲ類標準指標，排入二級水源保護區的觀瀾河。
[page]國內還有很多對尾水進行深度處理的案例，但多關注在工業用水回用，少有對飲用水源地污水處理廠的尾水進行深度處理。天津經濟技術開發區“雙膜法”再生水工程，從2002年起，采用連續流MF-RO工藝處理污水，其中MF出水可供一般工業用水，而RO出水供高端用戶。經測試，RO出水優于世界衛生組織和美國EPA公布的飲用水水質標準。北京經濟技術開發區再生水廠[16]從2008年起采用MF-RO工藝日處理2.1萬t污水，主要向開發區內工業企業、特別是高科技微電子類工業提供生產用水水源，替代原使用的自來水水源。
3同級排入深度處理技術
從眾多工程實例可知，目前用于尾水同級排入的主流工藝是以膜分離為主體的組合工藝。其中同級排入補充飲用水源工程項目大都選擇了MF/UF-RO工藝(俗稱雙膜工藝)和高級氧化/消毒的組合工藝。美國的華盛頓州甚至規定，將污水處理廠尾水處理后用于飲用水水源的地下水補給時，必須采用RO工藝[17]。
3.1膜分離技術
膜分離技術具有高效節能、易操作、占地面積小等優點，現在應用得較多的有MF、UF、RO、NF等[18]，其技術特征如表2所示[19]。雙膜法目前較多采用MF、UF作為RO的前處理工序，替代常規深度處理中的沉淀、過濾、吸附和除菌等預處理，以RO進行水的軟化和脫鹽[20]。
膜分離技術作為污水回用處理單元時，需要解決的主要問題就是如何防止膜污染，這就要求污水在進入膜分離處理單元前必須經過預處理，預處理工藝可將污水中微細顆粒和膠體物質去除，并將大分子有機物轉化為固相。此外，膜處理工藝與其他工藝相比在價格上也要昂貴得多，RO濃水排放的問題也是今后進一步研究的方向。
3.2高級氧化技術
高級氧化技術在深度處理中主要是降解有機污染物和殺菌消毒。它的特點是：①產生大量作為中間產物的˙OH，其氧化能力(2.80V)僅次于氟(2.87V)，可誘發后面的鏈反應;②˙OH能無選擇地直接與廢水中的污染物反應，將其降解為二氧化碳、水和無害鹽，不會產生二次污染;③由于高級氧化反應是一種物理化學過程，較易控制;④既可作為單獨處理，又可與其他處理過程相匹配。
根據所使用的氧化劑及催化條件的不同，高級氧化技術以Fenton及類Fenton氧化法、光化學和光催化氧化法、臭氧類氧化法、超聲氧化法、電化學法較為常見。
3.3同級排入深度處理技術的特點
(1)一種組合工藝。單一處理單元難以實現處理要求。城鎮污水處理廠的尾水污染物濃度較低，且多為難降解有機物，可生化性差，依靠單一處理單元難以實現同級排入要求。
(2)穩定運行。工藝需要滿足在高水力負荷下穩定運行，同時，由于處理水量較大，在場地受限的情況下，不宜選擇水力停留時間過長的處理工藝。
4展望
主流的同級排入工藝(雙膜法)運行穩定，出水質量高，對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。北京市多數污水處理廠采用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]，其價格對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排入工藝考慮，結合實際情況，以活性炭吸附、人工濕地、BAF、MBR為關鍵技術，必要時輔以針對性的處理措施，是比較好的嘗試。
4.1活性炭吸附
活性炭吸附技術可耐強酸強堿，具有良好吸附性能，可以去除多數的有機物和某些無機物、痕量金屬。活性炭吸附技術較常用的是與生物濾池相結合的GAC濾池和活性炭粉系統。生物活性炭(BAC)可以利用活性炭吸附與生物降解的協同作用處理污水。
溫得和克的Goreangab水廠[22]以城市污水生產飲用水，采用的工藝是混凝沉淀-氣浮池-砂濾池-高級氧化池-BAC/GAC濾池-UF-消毒。其中活性炭吸附技術，被認為是水質把關的最主要工序。李倩[23]采用BAC法處理一級A水體，主要指標達到Ⅳ類水水質以上，COD去除率可達35.5%，NH3-N去除率可達92.2%，SS去除率取決于反沖洗頻率，最高可達100%。
4.2人工濕地
人工濕地處理效率高、投資和運行成本低，可以高效去除BOD5、COD、NH3-N和TP等污染物。目前多數采用復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/過濾-復合型人工濕地。
深圳龍華污水處理廠采用強化型前處理/垂直流人工濕地工藝對一級A尾水進行同級排入深度處理，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類標準的要求。
4.3BAF
BAF投資低，占地面積小，抗沖擊能力強，濾速快，對有機物、BOD5、COD和NH3-N等有顯著效果[24-25]。目前普遍采用二級出水-BAF-消毒。O3/BAF技術是目前BAF技術研究的熱點之一，該技術將O3和BAF聯用，提高了污水的可生化性，可取得良好的處理效果。
焦陽等[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的質量濃度基本保持在0.3mg/L以下。
4.4MBR
MBR結構簡單、占地面積小、活性污泥濃度高，對COD、BOD5、NH3-N、SS等去除能力強。組合形式的MBR工藝目前應用比較普遍，在深度處理上越來越有實用價值，具有很好的發展前景及拓展空間。隨著MBR技術的發展，近年來發展了MBR聯用RO深度處理污水的技術[27]，如圖1所示。Lozier等[28]研究得出，經MBR-RO工藝處理后的出水可用于間接飲用，水質符合美國初級和州二級飲用水標準。
5結語
針對我國目前地表水和地下水的短缺現狀，為加強對集中式飲用水水源的保護和提升城鎮水資源利用效率，有必要開展同級排入組合工藝的研究。我國的同級排入深度處理工藝可針對不同水質和場地情況，積極探索不同的組合工藝，摸索出適用于我國實際國情的、具有技術可行性、經濟可行性的處理工藝，以保證水資源的可持續發展。
