建立城鎮(zhèn)水體污染治理工程成果轉(zhuǎn)化市場化
運行機制,，搭建產(chǎn)業(yè)科研間橋梁
WATER POLLUTION CONTROL TECHNOLOGY MAJOR PROJECT
行業(yè)交流
BOUNCE
0前言
水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞和水空間萎縮等問題是我國和全球面臨的重大水安全問題,，制約經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設,。水環(huán)境問題的根源在污水，構(gòu)建污水再生利用（水回用）系統(tǒng)是城鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障,。再生水是“取之不盡,，用之不竭、供給穩(wěn)定”的城市第二水源,、工業(yè)第一水源,。水回用系統(tǒng)是一個復雜的非傳統(tǒng)供水工程，既具有污水處理系統(tǒng)的特征,，又具有供水系統(tǒng)的特征,，水質(zhì)安全保障挑戰(zhàn)更大、更復雜,，對研究手段,、技術工藝和水質(zhì)監(jiān)管的要求更高。為適應水回用國際標準化工作的需要,，促進水回用領域國際化業(yè)務的健康發(fā)展,，根據(jù)中國、日本和以色列等國家的提議,，2013年7月,，國際標準化組織（ISO）批準成立了國際標準化組織水回用技術委員會（ISO/TC282 Water Reuse），下設再生水灌溉利用（SC1）,、城鎮(zhèn)水回用（SC2）,、水回用系統(tǒng)風險與績效評價（SC3）3個分技術委員會，之后在2017年又增設了工業(yè)水回用（SC4）分技術委員會,。ISO/TC282目前共有43個積極成員國和觀察員國,。ISO/TC282現(xiàn)已發(fā)布國際標準8項，正在制定的標準25項,，包括清華大學等單位牽頭制定的標準5項,。
為推廣我國水回用領域研究成果和實踐經(jīng)驗，助力節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)走向國際,，提高我國在國際標準領域的地位和作用,，針對大型城市集中式水回用系統(tǒng)的規(guī)范化發(fā)展需求，清華大學聯(lián)合中國標準化研究院,、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心等單位編制了ISO《城鎮(zhèn)集中式水回用系統(tǒng)設計指南》（ISO 207601: 2018, Water reuse in urban areasGuidelines for centralized water reuse systemPart 1: Design principle of a centralized water reuse system）國際標準,。
01國際標準制定的重要意義
隨著全球水回用行業(yè)的快速崛起和相關新技術的快速發(fā)展，水回用領域國際標準的制定,、頒布和實施可進一步推動全球水回用行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展方式轉(zhuǎn)變,，推進綠色低碳循環(huán)發(fā)展,，將在全球資源節(jié)約和循環(huán)利用方面發(fā)揮越來越重要的作用。目前水回用國際標準領域仍然存在重要標準缺失,、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)不足,、水回用系統(tǒng)風險管理和過程控制程度不高、方法不統(tǒng)一等關鍵技術問題,。
污水再生利用模式主要包括集中式系統(tǒng)和分散式系統(tǒng)2種模式,。目前針對采用哪種模式效果更佳以及不同模式對水回用系統(tǒng)創(chuàng)新管理的影響引起了廣泛的探討?？傮w來看,，國際上特別是在人口稠密的城市和地區(qū)，主要采用集中式水回用系統(tǒng)模式,。分散式水回用系統(tǒng)模式通常應用于城鄉(xiāng)結(jié)合部,、農(nóng)村和偏遠的區(qū)域。
集中式水回用系統(tǒng)具有規(guī)模效應,、經(jīng)濟節(jié)能等特征,，并且擁有精準調(diào)控系統(tǒng)、完備監(jiān)測設施和安全備用設施以及熟練工作人員,，可以應對進水水量水質(zhì)波動等問題,，在中國、美國,、澳大利亞、新加坡,、日本,、以色列等世界許多國家已成為主流的回用模式，具有十分廣闊的應用前景,。保障城鎮(zhèn)集中式水回用系統(tǒng)的安全性,、高效性、經(jīng)濟性和可靠性對于其推廣具有重要意義,。
ISO《城鎮(zhèn)集中式水回用系統(tǒng)設計指南》國際標準的制定,、頒布和實施為各國開展集中式水回用系統(tǒng)規(guī)劃、設計,、評價等工作提供了依據(jù)和指導,。該標準的頒布凸顯了我國在水回用國際標準化領域的重要作用，提升了我國在該領域的國際化水平和話語權,，對于增強我國國際競爭力具有重要的意義,。
02國際標準的主要內(nèi)容
ISO《城鎮(zhèn)集中式水回用系統(tǒng)設計指南》主要規(guī)定了集中式水回用系統(tǒng)設計原則和方法，闡釋了水源,、處理,、儲存,、輸配、監(jiān)測等水回用關鍵環(huán)節(jié)的設計要求和水質(zhì)指標,，提出了集中式水回用系統(tǒng)4種利用模式,，明確了處理工藝、管網(wǎng)輸配和利用途徑之間的關系,。具體水質(zhì)指標目標值和管控區(qū)間不在該標準的討論范圍內(nèi),。該標準的主要內(nèi)容如下。
2.1 集中式水回用系統(tǒng)規(guī)劃和設計
在制定集中式水回用系統(tǒng)總體規(guī)劃時,，需考慮和確定的主要因素包括：規(guī)劃原則和目標,；規(guī)劃范圍和項目周期；水回用設施建設,、管理和運行維護階段可能遇到的問題,；再生水利用途徑和相應的水質(zhì)水量需求及再生水管網(wǎng)設施建設要求；城鎮(zhèn)區(qū)域規(guī)劃,；水回用系統(tǒng)現(xiàn)有和未來發(fā)展規(guī)劃布局,；經(jīng)濟可行性；環(huán)境影響,；再生水運營單位和相關人員意見征詢,；再生水用戶需求和公眾可接受度調(diào)研。規(guī)劃制定完成后,，行政主管部門需進行定期核查,、更新和修正。
2.2 集中式水回用系統(tǒng)關鍵環(huán)節(jié)和利用模式
集中式水回用系統(tǒng)通常以城市污水處理廠出水或符合排入城市下水道水質(zhì)標準的污水為水源,，進行集中處理,，再將再生水通過輸配管網(wǎng)輸送到不同的用水場所或用戶管網(wǎng)。集中式水回用系統(tǒng)設計基本原則包括安全性,、可靠性,、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。集中式水回用系統(tǒng)主要包括水源,、處理,、儲存、輸配和監(jiān)測等關鍵環(huán)節(jié),。為保障人體和環(huán)境健康,，需要對系統(tǒng)各關鍵環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)分析和評價，并采取從再生水水源到最終輸配和利用的全流程風險控制措施來預防危害或使危害降至可接受水平,。
集中式水回用系統(tǒng)具有規(guī)模效應,、再生水處理設施的建設和運行成本較低、水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點,，但同時存在管網(wǎng)建設費用高,、占地面積大,、輸送距離長、運行維護成本高等問題,。集中式水回用系統(tǒng)設計,，應考慮“分質(zhì)利用”和“優(yōu)水優(yōu)用、劣水低用”,，選擇和發(fā)展因地制宜的集中式水回用模式,。
2.2.1 單一用戶模式
單一用戶模式（見圖1）系統(tǒng)構(gòu)成簡單，適用于規(guī)模較小的集中式水回用系統(tǒng),。水回用系統(tǒng)出水（再生水）僅供給單一用戶（或同一類用戶）,，例如某一工廠房單一建筑，或水質(zhì)要求單一的用戶,，例如居民住宅區(qū),。再生水一般以污水處理廠二級出水作為水源。對于某些污水處理與再生利用過程一體化設施,，也可考慮將污水原水作為再生水水源,。
再生水經(jīng)過儲存和輸配后，強化處理單元的配置取決于再生水水質(zhì)和用戶要求,，非強制性實施,。
2.2.2 多用戶模式
多用戶模式（見圖2）適用于對水質(zhì)要求不同的多個用戶，例如包含多種工業(yè)類型的工業(yè)園區(qū)或者包含工業(yè),、市政雜用等多種再生水利用途徑的區(qū)域,。采用分質(zhì)處理與回用結(jié)構(gòu)的多功能供給模式能夠應對再生水水質(zhì)多樣化需求。分質(zhì)處理與回用是集中式污水再生利用系統(tǒng)未來發(fā)展方向,，但系統(tǒng)優(yōu)化復雜,，對系統(tǒng)的整體性保障要求高。
再生水主處理系統(tǒng)應優(yōu)先滿足大用戶或優(yōu)先級別高的用戶的水質(zhì)水量需求,。對于小型用戶的高品質(zhì)再生水需求,，可考慮在輸配管網(wǎng)前端或用戶端設置強化處理單元和設施,。為保障系統(tǒng)的可靠性,，再生水水質(zhì)需滿足最低技術保障要求。
2.2.3 環(huán)境儲存與利用模式
環(huán)境儲存與利用模式（見圖3）以再生水的生態(tài)環(huán)境儲存與利用為核心,，再生水排入城市地表生態(tài)儲存水體（如河湖塘池,、景觀水體、人工濕地等）,，經(jīng)過一定時間的儲存凈化之后,，再利用于農(nóng)業(yè)、工業(yè),、城市雜用等不同利用途徑,。該模式既保障了生態(tài)用水,，又凈化了水質(zhì)，促進區(qū)域水循環(huán),，在提高再生水利用效率的同時,，提高了再生水的水質(zhì)安全性。同時,，通過再生水的生態(tài)環(huán)境儲存,，可以提高公眾心理可接受程度。
2.2.4 梯級利用模式
梯級利用模式（見圖4）可實現(xiàn)再生水的多層次重復利用,。例如,，以工業(yè)園區(qū)為依托，可加強企業(yè)間再生水的梯級利用,，將園區(qū)內(nèi)某一企業(yè)使用后的再生水應用于對水質(zhì)要求更低的其他企業(yè)或利用途徑,，實現(xiàn)再生水的多次利用。具體來講,，可將再生水優(yōu)先利用于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)和冷卻等過程,，根據(jù)工業(yè)園區(qū)實際狀況，再將使用后的再生水用于園區(qū)綠化,、道路沖洗和景觀環(huán)境利用等利用途徑,。
2.3 再生水水源
進入城市污水收集系統(tǒng)的污水需要達到一定的水質(zhì)標準，以保障后續(xù)污水再生處理系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行,，獲得高質(zhì)量的再生水,。在集中式污水處理設施已建成的區(qū)域，再生水水源通常為污水處理廠二級出水,，再生水廠宜靠近再生水水源收集區(qū)和再生水用戶集中地區(qū),。因此，再生水廠通?；诂F(xiàn)有污水處理廠升級改造或新建于污水處理廠臨近區(qū)域,。
對現(xiàn)有污水處理廠升級改造時，需考慮水回用設施與現(xiàn)有污水處理設施的兼容性,、改建和擴建空間規(guī)劃,、水力條件、管網(wǎng)改建,、運行條件,、輔助系統(tǒng)等多方面因素。在集中式污水處理設施未通達或僅有有限污水處理能力的區(qū)域,，未經(jīng)處理的污水可直接作為再生水水源,。相比于二級出水，未經(jīng)處理的污水通常含有更高濃度的病原微生物,、有毒有害化學物質(zhì)和氮磷等營養(yǎng)物質(zhì),，需充分考慮污水水質(zhì)組分和水量波動情況,，以保障水回用系統(tǒng)后續(xù)環(huán)節(jié)的高效穩(wěn)定運行、避免對人體和環(huán)境健康造成威脅,。
此外,，集中式水回用系統(tǒng)可能受到緊急情況、突發(fā)事件,、水源干擾或中斷等影響,，需配備備用水源以應對基本再生水供水服務需求?？赡艿膫溆盟窗嬘盟?、雨水以及集中式水回用系統(tǒng)周邊臨近的江河湖水等。當飲用水作為再生水備用水源或補充水源時,，可通過設置防逆流措施例如空氣隙等裝置,，有效避免再生水對飲用水管網(wǎng)的潛在污染。
再生水水源應以生活污水為主,，盡量減少工業(yè)廢水占比,。當工業(yè)廢水和醫(yī)藥廢水也進入污水收集系統(tǒng)時，需要嚴格控制工業(yè)廢水和醫(yī)藥廢水的水質(zhì),，在排放前應進行適當?shù)念A處理,，達到相關排放標準后才能進入污水收集系統(tǒng)。放射性廢水和含有大量有毒有害物質(zhì)的工業(yè)廢水不應作為再生水水源,。
2.4 再生水處理系統(tǒng)
2.4.1 設計原則
再生水處理技術的選擇和工藝組合可能受多種因素影響,，系統(tǒng)設計需考慮再生水水源水質(zhì)、出水水質(zhì)目標,、處理設施技術性能,、處理設施位置和場地限制條件、能源和經(jīng)濟因素等方面,。處理系統(tǒng)設計基本原則包括安全性,、可靠性、穩(wěn)定性,、經(jīng)濟性和環(huán)境友好性,。針對再生水不同利用途徑，需進行符合健康和環(huán)境安全目標的水質(zhì)評價,，具體評價指標的選取和相關信息可參見ISO《城鎮(zhèn)水回用安全性評價指標與方法》（ISO 20761∶2018）國際標準,。
再生水處理系統(tǒng)可靠性評價對于水回用項目至關重要,?？煽啃苑治鲂枰紤]水量和水質(zhì)兩方面?？煽啃员Ｕ洗胧┌ǎ涸O置備用水源和電力供應,，備用或替代設備,，季節(jié)性、臨時性或緩沖儲存單元,，提升處理和消毒單元效用與效率,，增加預防預警監(jiān)測手段或設施及優(yōu)化設備設施操作、維護和控制,。
再生水處理系統(tǒng)穩(wěn)定性評價包括操作穩(wěn)定性和系統(tǒng)出水穩(wěn)定性,。在設計階段，可以通過提高系統(tǒng)冗余度,、彈韌性和魯棒性,，優(yōu)化多屏障安全保障模式和最低技術保障需求等方法，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性,。多屏障安全保障模式可通過設置不同屏障（例如源頭控制,、二級處理、深度處理,、消毒處理,、環(huán)境緩沖等）攔截或處理不同污染物，同時可確保在某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障時,，系統(tǒng)仍具備一定處理能力,，避免系統(tǒng)失效，即降低了失效風險,。最低技術保障需求是指系統(tǒng)需要具備超出最低水質(zhì)安全保障要求的處理能力,，以便能夠穩(wěn)定持續(xù)地達到處理目標/性能指標和安全保障要求。
再生水處理系統(tǒng)經(jīng)濟性評價應考慮建設和安裝階段的初始投資成本以及運行和維護階段的成本,。處理成本可能還會受到當?shù)貭顩r,、水源水質(zhì)、再生水用戶水質(zhì)水量要求,、電耗成本和勞動成本等影響,。再生水處理系統(tǒng)環(huán)境友好性評價需考慮系統(tǒng)對土地使用、生態(tài)系統(tǒng),、物種或生物多樣性,、重要平原、農(nóng)田,、公用場地或保護區(qū),、地表水或地下水水質(zhì)水量以及周圍空氣質(zhì)量和噪聲等方面的影響。
2.4.2 處理系統(tǒng)環(huán)節(jié)
圖5為典型再生水處理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)流程,，圖5a適用于以二級出水作為再生水水源的情形;圖5b適用于以未經(jīng)處理的市政污水作為再生水水源的情形,。此外，對于各別對再生水水質(zhì)有特殊要求的用戶，可以進一步采取強化或補充性處理措施,。
現(xiàn)有的二級強化處理包括過濾技術（快速砂濾,、濾布或圓盤過濾和微篩分）等。現(xiàn)有的消毒技術主要包括化學方法（氯化/脫氯和臭氧等）及物理方法（紫外線等）?，F(xiàn)有的深度處理技術主要包括活性炭吸附,、離子交換、膜過濾（微濾,、超濾,、納濾和反滲透）、高級氧化（電化學氧化,、光催化氧化和輻射）等,。
2.5 再生水儲存系統(tǒng)
再生水儲存設施是集中式水回用系統(tǒng)必要組成部分。主要包括開放式（水庫或水塘）和封閉式（覆蓋式水箱或地下含水層）2種類型,。儲存設施類型的選擇可能受到地勢,、地震活動、氣象條件,、土地可用性,、投資和運行成本、以往經(jīng)驗等方面的影響,。
再生水儲存系統(tǒng)設計需考慮儲存單元運行儲存和季節(jié)性儲存功能以及儲存容量和周轉(zhuǎn)率,。運行儲存設計可通過調(diào)節(jié)每日或臨時水量波動以平衡集中式水回用系統(tǒng)的進水和出水水量、提供應急儲存保障和允許適當或受控的環(huán)境排放,。季節(jié)性儲存單元通常用于臨時儲存過量的再生水（例如再生水用戶需求量低,、洪水或雨季進水量徒增等特殊情形）和維持系統(tǒng)足量再生水以使再生水利用最大化。
再生水儲存過程中,，水質(zhì)可能受到物理（溫度,、濁度、懸浮固體,、感官指標等）,、化學（化學污染物、消毒副產(chǎn)物等）和生物（藻類生長,、微生物生長,、微生物污染等）因素的影響，需要通過源頭控制,、營養(yǎng)物去除,、濁度管理、余氯管理,、光源限制,、水力停留時間控制等手段控制再生水儲存過程中的水質(zhì)變化,。
2.6 再生水輸配系統(tǒng)
再生水輸配系統(tǒng)設計需要考慮系統(tǒng)組成、供水模式,、管道材質(zhì)、管網(wǎng)標識,、水質(zhì)控制等方面,。由于經(jīng)過深度處理后的再生水中仍含有一定有機物和微生物，僅控制再生水廠出水水質(zhì)并不能夠保障再生水利用過程的安全性,。因此,，與飲用水系統(tǒng)相比，再生水輸配系統(tǒng)設計還需考慮再生水輸配過程水質(zhì)變化與控制,、用戶端水質(zhì)水量要求和管道錯接防范,。
典型再生水輸配系統(tǒng)組成如圖6所示。泵站的設計需要考慮維持足夠的再生水輸送壓力和流速,，并預留一定的發(fā)展空間,。輸配管網(wǎng)的設計需要盡量避免死水滯留、優(yōu)化管線布局和管材選擇,、控制余氯或剩余消毒劑劑量（當再生水用于景觀環(huán)境利用時,，還應考慮脫氯作用或采用其他替代消毒技術）、設置管線顏色編碼,、標識和標簽并保障有效的管線聯(lián)通和用戶接入數(shù)量,。
2.7 集中式水回用系統(tǒng)規(guī)劃和設計
再生水監(jiān)測主要包括流量監(jiān)測和水質(zhì)監(jiān)測，需根據(jù)再生水利用途徑和安全評價結(jié)果進行具體設計,。其中,，水質(zhì)監(jiān)測是維持系統(tǒng)穩(wěn)定效能和控制風險的有效管理措施，常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測指標包括pH,、生化需氧量（BOD5）,、化學需氧量（COD）、總懸浮固體,、濁度,、余氯、營養(yǎng)物質(zhì),、毒性,、電導率、指示微生物等,。
再生水監(jiān)測系統(tǒng)設計需考慮在集中式水回用系統(tǒng)全流程的關鍵控制點實施運行監(jiān)測（水源水質(zhì)監(jiān)測和預警,、處理系統(tǒng)進出水和關鍵單元水質(zhì)監(jiān)測、預警和故障控制,、輸配管網(wǎng)水壓,、流速和余氯監(jiān)控、儲存系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測、用戶端水質(zhì)水量監(jiān)測和管理）,，并建議盡量采用在線監(jiān)測儀器進行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和記錄,。運行監(jiān)測過程還需確定監(jiān)測指標、基準值（或限值范圍）,、監(jiān)測頻率和監(jiān)測周期等信息,。
2.8 應急預案
為有效地應對突發(fā)事件或狀況可能對再生水水質(zhì)造成的影響（例如極端氣候條件、自然災害,、處理單元失效,、管道錯接、疾病爆發(fā)等）,，應急預案以及有效的管理,、文件記錄和意見交流也是集中式水回用系統(tǒng)設計的重要部分。應急預案內(nèi)容包括與當?shù)赜嘘P部門或水務機構(gòu)事先商議后的協(xié)議（協(xié)議內(nèi)容包括對人體健康和環(huán)境可能造成的潛在影響等）,、響應行動（例如增設監(jiān)測點）,、備用水源、告知和溝通程序及策略,、監(jiān)督和管理機制等,。
03
國際標準的主要創(chuàng)新點與啟示
ISO《城鎮(zhèn)集中式水回用系統(tǒng)設計指南》是水回用領域的首個基礎性國際標準，開拓了ISO國際標準的新領域,，在以下幾個方面具有顯著的創(chuàng)新性,。
（1）提出了集中式水回用系統(tǒng)規(guī)劃和設計的基本原則，強調(diào)了規(guī)劃階段進行公眾可接受度調(diào)研的重要性和必要性,。
（2）提出了全流程風險控制新理念,，強調(diào)了系統(tǒng)構(gòu)成完整性的重要性，水回用系統(tǒng)應包括水源,、處理,、儲存、輸配和監(jiān)測等關鍵環(huán)節(jié),，同時提出了設置備用水源的重要性,。
（3）提出了多屏障安全保障模式和最低技術保障需求概念，通過設置源頭控制,、二級處理,、深度處理、消毒處理,、環(huán)境緩沖等環(huán)節(jié),，攔截或處理不同污染物；通過明確最低技術保障需求,，確保水質(zhì)安全,。
（4）提出了再生水處理系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的概念,、評價方法和保障措施，為保障水回用安全提供了系統(tǒng)方案,。
（5）提出了集中式水回用系統(tǒng)的4種基本模式,，體現(xiàn)了再生水“分質(zhì)利用”和“優(yōu)水優(yōu)用、劣水低用”的基本原則,?！碍h(huán)境儲存與利用模式”、“梯級利用模式”等新的模式,，能夠進一步提高再生水利用效率,、擴增水生態(tài)空間,、恢復再生水自然屬性,，可進一步提高再生水利用效益，推動水回用行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展方式轉(zhuǎn)變,。
04結(jié)語
水回用是解決水資源短缺和水環(huán)境污染的重要途徑之一,，是推進水資源循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展的重要措施。針對集中式水回用系統(tǒng)的規(guī)范化發(fā)展需求,，ISO《城鎮(zhèn)集中式水回用系統(tǒng)設計指南》國際標準闡釋了水源,、處理、儲存,、輸配,、監(jiān)測等水回用關鍵環(huán)節(jié)的設計原則、方法和要求,，對于保障再生水的安全高效利用具有重要意義,。今后需要進一步做好國際標準的宣貫實施工作，完善城鎮(zhèn)水回用國際標準體系,，充分發(fā)揮國際標準的規(guī)范和引領作用,。