城市再生水用于沙漠生態(tài)治理的水質(zhì)可行性研究*

吳琳琳 裴瑩瑩 郭昌勝 侯 嵩 呂佳佩 陳力可 張 艷 徐 建 劉雪瑜

(中國環(huán)境科學研究院，北京 100021)

我國西北干旱地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展受到沙漠侵蝕和水資源匱乏的雙重制約，城市化與水生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾突出[1]?！吧乘痔锊荨本C合開發(fā)是以沙漠景觀為主體，以恢復荒漠生態(tài)、合理利用沙漠資源為目的，在促進防沙治沙和維護生態(tài)服務功能的基礎(chǔ)上，實施生態(tài)修復和經(jīng)濟作物種植，并開發(fā)沙漠旅游資源，使防沙治沙與生態(tài)環(huán)境改善互相促進，是目前西北干旱地區(qū)的治沙新思路[2-3]。

甘肅省某地區(qū)在“沙水林田草”綜合開發(fā)過程中，為解決水資源匱乏問題，擬利用城市污水處理廠再生水灌溉沙生藥用甘草和沙漠公園的景觀綠地，實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。城市再生水回用時，針對不同用途需符合相應的水質(zhì)標準，有多種用途時，需兼顧不同適用標準的“寬度”和“嚴度”，即指標的完整性和指標限值的科學性[4-5]。本研究針對城市污水處理廠再生水灌溉沙生藥用甘草和景觀綠地的需求，構(gòu)建其回用需考慮的水質(zhì)指標體系并規(guī)定其限值，并結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行水質(zhì)達標分析，對不滿足指標體系要求的項目提出相應的控制措施，為再生水多用途回用的水質(zhì)可行性全面評價提供思路。

1 研究方法

1.1 城市污水處理廠概況

本研究選取的城市污水處理廠設計處理量9.0萬m3/d，實際處理量6.3萬m3/d，工藝流程為進水—A2/O—沉淀池—出水，進一步經(jīng)廢水調(diào)節(jié)池—曝氣生物濾池—高密度沉淀池—加氯消毒深度處理后再生回用。再生水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。

1.2 數(shù)據(jù)來源

按照GB 18918—2002對城市污水處理廠再生水進行月度取樣分析。按照《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》(GB 5084—2005)、《城市污水再生利用 農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》(GB 20922—2007)、《城市污水再生利用 綠地灌溉水質(zhì)》(GB/T 25499—2010)中的指標對再生水進行全指標檢測分析。

1.3 評價方法

采用污染物超標倍數(shù)法對再生水水質(zhì)是否達到回用指標體系要求進行評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生水多用途回用水質(zhì)指標體系的構(gòu)建

隨著城市污水再生利用的范圍越來越廣，我國陸續(xù)出臺了用于工業(yè)、灌溉、景觀等不同用途的再生水水質(zhì)標準。甘肅省某城市污水處理廠在無分質(zhì)供水的情況下，擬將再生水用于灌溉沙生藥用甘草和景觀綠地。根據(jù)再生水用途，其水質(zhì)在滿足GB 18918—2002一級A標準的基礎(chǔ)上，需同時滿足GB 20922—2007和GB/T 25499—2010。考慮甘草作為藥用植物，進一步要求再生水水質(zhì)需滿足GB 5084—2005。

該再生水回用需滿足的上述4項標準中共包含47項水質(zhì)指標。GB 18918—2002一級A排放標準規(guī)定的19項水質(zhì)指標中，5項指標為其單獨涉及，其余14項指標在另3項標準中有規(guī)定限值；GB 18918—2002一級A排放標準未涉及而另3項標準中有規(guī)定的水質(zhì)指標共28項。本研究基于4項標準的水質(zhì)指標及其限值，綜合考慮指標覆蓋的“寬度”和指標限值的“嚴度”，構(gòu)建適用于該再生水回用用途的水質(zhì)指標體系。

2.1.1 排放標準涉及的再生水回用水質(zhì)指標

前文提及的14項水質(zhì)指標中，除總砷、糞大腸菌群、pH和色度4項指標外，其余10項水質(zhì)指標限值均為GB 18918—2002一級A排放標準中最低；此外，總鉻、烷基汞、動植物油、總氮和總磷5項指標在其他3項標準中未作規(guī)定；因此，這15項水質(zhì)指標執(zhí)行GB 18918—2002一級A排放標準即可滿足該再生水回用的要求。色度在GB/T 25499—2010和GB 18918—2002兩項標準中檢測方法不同，所規(guī)定的色度值單位也不同。考慮色度在城市污水處理廠屬于常規(guī)監(jiān)測項目，確定其按照GB 18918—2002規(guī)定的檢測方法和限值執(zhí)行。上述水質(zhì)指標執(zhí)行限值見表1。

pH在4項標準中規(guī)定的限值范圍不同，綜合考慮確定回用的pH限值范圍為6.0～8.5。GB 18918—2002一級A排放標準中的總砷和糞大腸菌群兩項指標限值分別為0.1 mg/L和1 000個/L，在其他3項標準中的最嚴格限值分別為0.05 mg/L和200個/L，因此回用過程中總砷和糞大腸菌群的限值為0.05 mg/L和200個/L(見表2)。

表1 排放標準嚴于再生水回用標準的水質(zhì)指標及其限值

2.1.2 排放標準中不涉及的再生水回用水質(zhì)指標

與GB 18918—2002一級A排放標準的基本控制項目對比，該再生水回用需滿足的3項標準中增加了對溶解性總固體等28項水質(zhì)指標的限值規(guī)定；其中鈹、銅、鎳、鋅、硒、氰化物和甲醛等7項水質(zhì)指標雖然在GB 18918—2002一級A排放標準的選擇性控制項目中規(guī)定了限值，但其限值高于或等于3項標準的最低限值；因此，這28項水質(zhì)指標執(zhí)行3項標準的最低限值(見表3)，可滿足再生水回用需求。

2.2 再生水回用的水質(zhì)可行性評價

對照上述構(gòu)建的水質(zhì)指標體系和指標限值，分別從常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)和全指標分析兩方面，評價該城市污水處理廠再生水用于灌溉沙生甘草和景觀綠地的可行性。

2.2.1 再生水回用水質(zhì)指標達標分析

2018年3—12月，該城市污水處理廠對再生水的19項水質(zhì)指標進行月度常規(guī)監(jiān)測。根據(jù)該再生水回用指標體系中的指標限值對其常規(guī)監(jiān)測水質(zhì)進行達標分析。由表4可以看出，色度、化學需氧量、石油類、陰離子表面活性劑、總汞、總鎘、總砷等13項指標穩(wěn)定達標，且石油類、陰離子表面活性劑和重金屬等指標濃度顯著低于指標限值；五日生化需氧量、氨氮、總氮和總磷等4項指標部分月份超標；懸浮物、糞大腸菌群在監(jiān)測期間全部超標，超標情況比較嚴重。

表2 排放標準寬于再生水回用標準的水質(zhì)指標及其限值

表3 排放標準中不涉及的再生水回用標準水質(zhì)指標及其限值

為更全面地從水質(zhì)角度評估該再生水回用的可行性，對照指標體系對再生水進行了全指標分析，并對其達標情況進行評價。由評價結(jié)果(見表5)可以看出，城市污水處理廠再生水超標因子為4項，分別為五日生化需氧量、化學需氧量、糞大腸菌群和濁度，對應的超標倍數(shù)分別為0.80、0.12、0.05、1.60倍。

表4 再生水常規(guī)監(jiān)測水質(zhì)指標達標評價

表5 再生水水質(zhì)全指標達標評價

表5 再生水水質(zhì)全指標達標評價(續(xù))

2.2.2 再生水回用水質(zhì)不達標項目分析及對應措施

綜合常規(guī)監(jiān)測和全指標分析水質(zhì)評價結(jié)果，該城市污水處理廠再生水如回用于灌溉沙生甘草和景觀綠地，有機物、氮、磷、糞大腸菌群和濁度等水質(zhì)指標存在超標現(xiàn)象。

有機物和氮、磷等營養(yǎng)物在2018年常規(guī)監(jiān)測中部分月份超標。圖1和圖2分別是五日生化需氧量和氮磷營養(yǎng)物的月度變化情況。3—5月，該廠處于提標改造后的穩(wěn)定期，出水中有機物和氮磷不穩(wěn)定，有部分月份超標；6—11月，五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮(11月除外)指標穩(wěn)定達標；12月系統(tǒng)處理效果受水溫下降的影響，出水五日生化需氧量、氮磷營養(yǎng)物超標。由構(gòu)建的指標體系可知，化學需氧量、五日生化需氧量和氮磷營養(yǎng)物等指標限值均按照GB 18918—2002一級A排放標準執(zhí)行，因此后續(xù)再生水按照排放標準穩(wěn)定達標后，有機物和氮磷等指標均可滿足回用標準。

使用懸浮物過高的再生水灌溉植物和農(nóng)作物會造成土壤板結(jié)，嚴重時會導致幼小植株死亡，也會造成灌溉系統(tǒng)的堵塞和磨損。2018年常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，7月和8月再生水懸浮物超標，分析可能與系統(tǒng)排泥有關(guān)；其余月份該指標穩(wěn)定達標，且在出水中濃度較低。濁度和懸浮物指標有相關(guān)性，水質(zhì)全分析顯示濁度超標倍數(shù)為1.60倍。后續(xù)可增加出水濁度的常規(guī)監(jiān)測頻率，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果考慮調(diào)整沉淀池工藝參數(shù)或采取深度處理措施保證該指標穩(wěn)定達標。

圖2 再生水總氮、氨氮和總磷變化情況Fig.2 Changes of TN,ammonia nitrogen and TP in reclaimed water

糞大腸菌群是再生水灌溉時重點關(guān)注的衛(wèi)生學指標[6-7]。常規(guī)監(jiān)測和水質(zhì)全指標分析結(jié)果均顯示糞大腸菌群超標情況嚴重，超標倍數(shù)最高為11 999倍，是再生水回用需重點控制的水質(zhì)指標。建議該城市污水處理廠盡快實施有效的消毒或過濾等深度處理措施，保障該指標穩(wěn)定達標。

3 結(jié) 語

再生水在無分質(zhì)供水條件下實施多用途回用時，需綜合考慮與回用相關(guān)的水質(zhì)指標的全覆蓋原則和指標值的最嚴格原則，從水質(zhì)指標體系的角度保障回用水水質(zhì)安全，最大限度地減少再生水回用對地表水、土壤和地下水的影響。