城市污水再生利用面临的重要科学问题与技术需求 作者：胡洪营 吴乾元 黄晶晶 赵欣 清华大学环境科学与工程系//环境模拟与污染控制国家重点联合实验室； 建设科技, Construction Science and Technology, 2010年 03期 关键词：污水再生利用，再生水，水资源，污水再生处理，水质安全 城市污水再生利用主要包括污水再生处理、再生水输配储存、再生水利用等主要环节过程。如何优化这些过程，从而保障再生水水质安全，是再生水风险控制亟待解决的问题。其关键科学问题主要包括污水再生处理过程中风险因子（病原微生物、微量有毒有害化学污染物和氮磷）的识别与转化机制及高效控制原理，再生水输配储存过程中水质劣化机理与控制技术，再生水利用过程中风险产生机制及高效控制原理等。本文围绕城市污水再生利用所需解决的重要科学问题，系统分析了污水再生利用各过程中所面临的技术挑战，并针对现有技术的研究现状，提出了保障再生水水质安全的技术需求。 污水再生处理过程中的水质安全保障技术 污水再生处理过程中的水质安全保障技术以病原微生物、微量有毒有害化学物质、氮磷等关键风险因子为控制目标，主要包括安全消毒技术、有毒有害物质控制技术、再生水氮磷深度去除技术等。 1再生水安全消毒技术与工艺 国内外有关饮用水消毒的研究有较长的历史，但有关再生水消毒的研究起步较晚，特别是关于再生水消毒风险的研究远远不够。再生水消毒有其自身的技术特点和要求，其对微生物杀灭作用和规律与饮用水消毒相比存在明显差别。饮用水消毒方面的研究成果和经验能为污水消毒提供有益的参考，但不能直接指导再生水消毒实践。因此，系统深入开展再生水消毒的安全性研究是目前再生水处理领域面临的重要课题。 目前再生水常用的消毒方法主要包括氯消毒、紫外线消毒等。这些方法虽能杀灭常见病原微生物，但均存在一定问题。如氯消毒技术对隐孢子虫和贾第鞭毛虫的灭活效果较差，紫外线消毒可有效灭活隐孢子和贾第鞭毛虫，但是被紫外线灭活的细菌（致病菌），在光照或黑暗条件下可以修复紫外线造成的损伤，重新获得活性（称“光复活”和“暗修复”），从而引起二次健康风险。近期研究发现，紫外线/氯、过氧乙酸/紫外线等组合消毒工艺、高剂量紫外线消毒技术可有效抑制致病菌紫外线消毒后的复活。相关的再生水紫外线消毒中致病菌的复活及控制技术仍有待进一步研究。 近年来新型的病原微生物不断出现，尤其是高风险致病病毒的屡次流行，给再生水利用的安全保障提出了更高的要求，现有的单一消毒技术已不能满足高风险病原微生物和抗性病原微生物的控制，通过优势互补的组合消毒工艺对病原微生物的联合控制技术研究还很少，有待进一步开展。 再生水在氯消毒过程中常产生有毒有害消毒副产物，造成一定的水质风险。如何解决病原微生物灭活与消毒副产物生成的矛盾，是再生水消毒实践中面临的重要问题之一。目前，对饮用水消毒副产物研究已经比较深入，但对再生水消毒副产物及生物毒性的生成研究则刚刚起步。我国研究人员就再生水氯消毒过程中典型消毒副产物、生物毒性变化规律及其影响因素展开了探索研究，发现高氨氮条件下氯消毒使再生水三卤甲烷等典型消毒副产物显著降低，但遗传毒性显著升高，存在典型消毒副产物和生物毒性效应变化规律不同的现象。目前，污水氯消毒过程中典型消毒副产物（三卤甲烷、卤乙酸等）的生成规律及生物毒性变化研究正在逐步开展。但总的来说，再生水消毒工艺典型消毒副产物及生物毒性变化规律的相关研究还不够系统，新兴的高毒性消毒副产物如二甲基亚硝胺(NDMA)等的生成规律研究还很少，再生水消毒后高生物毒性消毒副产物甄别研究尚未开展，消毒副产物所引发的健康风险尚不得知，针对高毒性副产物的控制技术研究有待深入开展。 2 再生水有毒有害物质控制技术 国内外现有的再生水处理技术与工艺主要针对SS、COD、色度等常规污染指标的控制，以有机物总量控制为目标的再生水处理工艺还不能保证再生水的水质安全。近年来，针对特定有毒有害物质的去除研究受到关注。但再生水中有毒物质组成十分复杂，仅对特定有毒有害化学物质进行评价和去除，难以有效保障再生水水质安全，以综合生物毒性削减为目标的再生水处理技术研究有待加强。 再生水有毒物质去除技术主要采用过滤、吸附、化学氧化、生物降解等手段，但每一种处理手段都有其优势和局限性，单一的技术难以高效去除所有有毒有害物质。 3再生水氮磷深度去除技术 城市污水经二级生物处理后仍含有较高浓度的氮、磷等营养物质。例如，污水处理厂按《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918-2002）》执行一级A标准时，其总氮和总磷浓度分别不高于15 和0.5 mg·L-1，但该浓度水平显著高于水体富营养化状态定义中的氮磷浓度。含有高浓度营养物质的再生水回用于城市环境与景观水体，存在爆发水华、影响生态安全的风险。因此，对再生水中氮、磷等营养物质进行深度去除，保障再生水利用的生态安全是城市污水再生利用的重要课题。 二级处理出水具有低碳高氮的特点，水中有机物浓度低，无法提供足够的电子供体用于硝酸盐氮的反硝化。目前，反硝化生物滤池等工艺已逐步应用于深度脱氮，其常添加乙酸钠、甲醇等作为电子供体。基于电子供体添加的硝酸盐氮去除工艺研究还有待进一步开展。 近期研究表明，微藻可高效去除硝酸盐氮等营养物质（图1），其具有去除氮磷无需投加外部碳源、细胞利用潜力大(生物柴油等)、去除氮磷的同时可固定CO2、能源（太阳光）充足、处理出水中含有丰富溶解氧等优点。目前，微藻深度脱氮除磷工艺研究受到高度关注，高效脱氮除磷藻种的筛选、脱氮除磷藻光生物反应器的开发、藻细胞利用研究正逐步开展。 图1 不同初始总氮浓度下栅藻LX1对氮磷的去除（初始TP 质量浓度1.30 mg·L-1） 再生水储存与输配过程中的水质劣化控制技术 经过深度处理后的再生水中仍含有一定的有机物和微生物（包括病原微生物），在储存、管网输配过程中可能发生水质劣化，威胁再生水的水质安全性。由于再生水中有机物包括可同化有机碳的含量仍明显高于饮用水，这些有机物一方面可以作为微生物生长的营养物质，另一方面还会加快水中余氯的消耗，从而促进再生水储存、输配过程中微生物（包括病原微生物）的生长。仅仅控制再生水厂出水的水质，并不一定能够保障再生水利用过程中的安全性。再生水储存与输配过程中水质安全保障技术有待开发。 再生水利用过程中的风险评价与控制技术 1 再生水健康风险评价技术 由于再生水中存在一定浓度的病原微生物和微量有毒有害化学物质，因此再生水的利用存在一定的健康风险。风险评价技术可用于评价再生水因病原微生物和微量有毒有害化学物质而引发的健康风险，从而为再生水的利用方式提供指导，为再生水水质标准的制定提供参考。 目前，再生水中化学物质的健康风险评价方法有致癌强度系数法、耐受分布模型、对数模型等。比较常用的是1983年美国科学院公布的四步法即致癌强度系数法，包括风险识别、暴露评价、剂量效应分析、风险表征。再生水中病原微生物的健康风险评价方法则是由化学物质风险评价方法发展而来，具体评价方法亦遵循以上四个步骤。 暴露评价是风险评价的关键环节，科学准确地计算健康风险因子的暴露剂量是再生水利用健康风险评价的重要前提。国外研究者对再生水不同利用途径的暴露剂量给出了估计值，这一估计值在之后的许多风险评价研究中广泛采用。但该方法忽略了许多重要影响因素，如未考虑同一使用途径下具体使用强度和暴露方式等问题。国内有研究者通过现场调研和监测分析，初步计算了再生水用于绿地灌溉、道路降尘和冲洗作业时，暴露人群的再生水日摄入量和终生日均暴露剂量。目前，仍有多种常用再生水利用途径（消防、景观娱乐用水等）的暴露评价技术研究尚未开展，相关再生水利用途径的暴露剂量和风险强度尚不清楚，今后仍需针对再生水的各种使用过程进行暴露评价技术的研究。 2再生水环境与景观利用的风险控制技术 处理后的再生水中仍然含有一定浓度的氮、磷等植物营养物质，因此回用于环境和景观水体存在爆发水华、影响生态安全的风险。城市环境与景观水体实质上是受人工高度调控维持的生态系统，其生态系统结构和功能及其演变过程与补充水源有关，而当再生水作为补给水源时，水质的变化规律更加复杂。 目前，再生水水质条件下的藻类生长与水华爆发规律研究开始受到关注，杨佳等采用藻类生长潜力反映再生水回用于环境与景观水体时的水华风险，研究表明超滤、活性炭吸附等再生水处理工艺对水华藻铜绿微囊藻的生长没有影响，难以保障再生水回用于环境与景观水体的生态安全。因此，有必要研究有害藻类生长控制技术，开发再生水环境与景观水体维护与保障关键技术和组合工艺，以保证再生水环境与景观利用的生态安全。有研究表明，芦苇提取液及其中的化感物质2-甲基乙酰乙酸乙酯可有效控制铜绿微囊藻，但工程应用研究有待进一步开展。 结论 综述，以高风险病原微生物和消毒副产物“协同控制”为目标的安全消毒技术、以有毒物质去除和毒性削减为目标的有毒有害物质控制技术、深度脱氮除磷工艺等是污水再生处理过程中的主要技术需求。再生水在储存与输配过程中存在水质劣化风险。再生水在储存和进入管网后的水质劣化规律以及生物稳定性研究有待审图研究。再生水利用过程中再生水风险因子的暴露剂量及其引发的风险强度尚不清楚，再生水暴露评价技术是再生水利用过程中的重要技术需求。再生水环境与景观利用过程中，如何控制水体富营养化、防止水华爆发是其面临的重要课题。再生水水质条件下藻类生长与水华爆发规律、有害藻类生长控制技术，再生水环境与景观水体维护与保障关键技术和组合工艺研究是再生水环境与景观利用过程中重要研究方向。
