中新天津生态城以突出生态优先的理念, 规划最终形成以位于中新天津生态城起步区中央的静湖、故道河为核心, 人工强化水系为生态走廊, 水系两侧湿地为缓冲带, 并由此外延辐射, 形成顺畅的水系循环, 起到了地域之肺的作用, 并带动辐射着周边区域^[1]。

　　 实际上, 围绕生态城的景观水体污染目前处于封闭状态, 没有相互通联和自己的生态体系, 水质呈现逐年恶化状态。为有效提高河湖整体流速, 降低水域低流速区比例, 通过生态补水等工程可增加生态城水体的生态补水量, 提高水体流动性, 加大水环境容量及自净能力, 增强水环境质量改善效果, 为生态城水体环境的水质保持与可持续发展提供重要的保障^[2~4]。

　　 另外, 中新天津生态城位于严重缺水的海河流域下游, 属于资源型严重缺水地区。现状天津人均当地水资源量仅为160m³, 仅为全国人均水资源占有量的1/4, 而滨海新区人均当地水资源量仅有103m³, 淡水资源严重匮乏, 生态用水难以保障^[5~7]。

　　 解决缺水的主要途径有节水和开辟新水源两种, 针对中新天津生态城水环境建设目标高、水资源严重匮乏、水环境现状质量差等问题, 地下水开发利用已基本达到极限, 开发传统水资源并不现实, 而开发并充分利用非常规水资源无疑是解决景观补水水资源危机的重要途径^[8]。按照中新天津生态城指标体系的要求, 到2020年非传统水源利用率≥50%。如何提高再生水回用率、促使生态城水系水质达Ⅳ类水体成为等成为了滨海新区水资源开发利用所面临的新的挑战。建立完善的生态城景观水体非常规多水源净化处理及补水系统则能有效降低排水系统对水环境的污染程度, 同时提高水资源的利用率, 实现废水资源化回用, 有效缓解中新天津生态城用水量增长与水资源短缺的矛盾。

　　 因此, 本文重点研究非常规多水源的净化处理技术, 通过天津生态城水处理中心一级B技术改造和一级A工艺提升, 以及再生水项目的建立与运行, 实现污水深度处理与利用、微污染过境水处理与利用以及蓄存雨水收集处理与利用的综合协调与优化配置, 为生态城景观水体实施复杂多水源及多等级补水的水质水量调配提供依据。

　　 本研究在大量前期调研和工程总结的基础上, 通过对微絮凝直接过滤、高效沉淀池、气浮滤池等工艺特点以及在工程应用中的优缺点进行对比, 得出适用于本研究的多水源补水深度处理技术集成方法。针对高含盐、高矿化度的一级B出水, 通过原有生化池技术改造、新增气浮滤池、超滤和反渗透等处理单元, 可将污水处理厂尾水、微污染过境水、雨水等多种景观补水水源, 处理为可用于高品质再生利用的再生水。具体工艺如图1所示。

　　 中新天津生态城景观水体多水源补水的一个重要途径是通过普通补水工艺, 景观水体补水的普通补水标准 (COD≤50 mg/L、NH₃-N≤5 mg/L、NO₃^--N≤15 mg/L、TP≤0.5 mg/L) 。结合生态城水体的特征以及水处理中心工艺现状, 本研究提出有效的工艺提升方案:原工艺升级改造+深度处理工艺。污水处理采用“预处理+厌氧池+氧化沟+二沉池+紫外消毒”工艺, 出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级B标准 (其中NH₃-N执行5 (8) mg/L、TN执行15mg/L) 。在此基础上, 后续增加“絮凝+沉淀+气浮过滤”深度处理工艺, 使出水达到一级A标准后排入蓟运河或规划由汉沽污水库改造的清静湖。

　　 对原有工艺的升级改造主要通过3种途径实现:一是投加碳源, 解决碳源不足造成总氮不达标的问题;二是投加微生物, 以解决长期高盐度偏酸性运行环境带来的生物活性极低、不耐冲击负荷的问题;最重要的一项是进行生物池内氧化沟工艺的改造, 将原来的池内曝气改造为底部曝气, 解决曝气增氧问题, 提高脱氮除磷效率。

　　 本研究开展了一级B出水和低污染过境水处理不同单元组合比选的中试研究, 比较混凝-沉淀-过滤、微絮凝过滤和 (微絮凝) 气浮过滤3种单元组合。研究结果显示, 对于一级B出水而言, 3种组合处理效果接近, 其中气浮过滤工艺略有优势;对于微污染过境水而言, 由于区域内地表水形成絮体较轻, 气浮过滤工艺处理效果最优 (见表1) 。

　　 气浮滤池工艺包括快混、絮凝、气浮过滤3个部分。生化池出水进入快混、絮凝、气浮过滤一体化处理单元, 包括快混池、絮凝池和气浮过滤池 (DAF池) 。气浮滤池系统一期设计处理能力为10万m³/d, 出水效果良好。

　　 为了有效提高水资源的利用率, 实现废水资源化回用, 缓解滨海新区水资源紧张状况, 为生态城景观水体提供高品质补水水源, 本研究在中心生态城污水处理厂内建设中心生态城再生水厂。再生水厂采用“CMF-S+RO (浸没式超滤膜工艺+反渗透工艺) ”工艺, 考察和探索水处理装置的运行工艺和模式、出水水质指标及保证、膜元件稳定运行通量等性能指标, 为工程设计和建设的系统合理性、工艺可靠性、装置稳定性等提供了充实的依据。

　　 再生水厂设计产水规模远期为4.2万m³/d, 近期产水规模为2.1万m³/d。该工艺中气浮滤池出水进入机械膜格栅, 设计流量为3.33万m³/d, 格栅出水进入浸没式超滤池。浸没式超滤池6座, 并联排列, 出水由超滤产水水泵输送至超滤产水水池, 由于有3 300 m³/d流量用于反冲洗水, 因此有3万m³/d流量通过RO增压泵、保安过滤器和RO串联泵进入RO工艺装置及能量回收装置, 产水21 000m³/d进入RO产水水池, 9 000m³/d浓水进入下一步处理系统。

　　 再生水补水水源水质情况为COD、氨氮、硝酸盐氮和TP均能满足高品质补水水质要求 (COD≤30mg/L、NH₃-N≤1.5mg/L、NO^-₃-N≤10mg/L、TP≤0.3mg/L) 。

　　 示范工程建设的地点在天津生态城水处理中心, 建设规模为10万m³/d, 执行一级A标准;再生水生产规模2.1万m³/d。示范工程分为两个部分, 一部分为水处理中心一级A工艺提升改造工程, 此工程主要通过处理雨水、过境水以及生态城的污水对生态城景观水体进行普通补水;另一部分通过再生水厂的建设和运行, 利用再生水作为生态城景观水体的高品质补水。使用的关键技术是多水源补水的深度处理技术, 包含低污染过境水净化、再生水处理和雨水综合处理技术及其工艺组合, 其中低污染过境水净化和再生水处理的气浮过滤-浸没式超滤-反渗透技术在示范工程中得到应用。目前示范工程均已建成投入、运行。

　　 示范工程投运后, 2016年7~11月的运行数据见图2。

　　 从图2可以看出, 出水COD虽然有一定程度的波动, 但是基本维持在50mg/L以下, 甚至在8月、9月运行过程中低于30mg/L, 满足普通补水COD≤50mg/L的考核指标要求。其中9月COD变化幅度较大, 可能是进水水质不稳定造成;NH₃-N虽然有一定程度的波动, 但是监测期间内均稳定在5mg/L以内, 其中在8月、9月的变化幅度大, 满足普通补水NH₃-N≤5 mg/L的考核指标要求。NO₃^--N在监测期间内有一定程度的波动, 其中在9月27日与10月13日监测数据分别为15.7mg/L与18mg/L, 其余监测数据均在15mg/L以下, 满足普通补水NO₃^--N≤15.0 mg/L的考核指标要求;TP浓度在9月份有较大的波动, 在9月14日的监测数据为0.89 mg/L, 9月27日的监测数据为0.3mg/L, 略有超标, 其余监测日期均小于0.2mg/L, 满足普通补水TP≤0.5 mg/L的考核指标要求。

　　 示范工程运行6个月, 取样日期与普通补水相同。具体的运行效果见图3所示。

　　 从图3可以看出, COD基本保持稳定, 出水基本维持在10 mg/L以下, 在9月14日出水达到24mg/L, 但是均低于30 mg/L, 满足高品质补水COD≤30mg/L的考核指标要求;出水NH₃-N的变化幅度较大, 运行初期, 7月、8月再生水出水基本均小于1.2mg/L, 9月14日的运行效果浓度值为2.61mg/L, 后期随着再生水工艺运行时间的增加, 超滤加反渗透处理工艺的运行效果逐步稳定, 低于0.68mg/L。总体来说, 除9月14日的监测数据, 经过深度处理的再生水NH₃-N含量小于1.5mg/L, 满足高等级补水NH₃-N≤1.5mg/L的考核指标要求;NO₃^--N含量在监测期间内也有一定程度的波动, 但是在监测期间内数据均在5mg/L以下, 满足高等级补水NO₃^--N≤10.0 mg/L的考核指标要求;TP在监测期间内总磷的效果比较稳定, 基本保持在0.5mg/L以下, 绝大多数时间能够满足高等级补水要求的TP≤0.3mg/L的考核要求。

　　 图4显示了试运行期间示范工程产水量情况, 如图所示, 连续6个月运行期间, 在12个监测日内, 补水能力达到28 021m³, 日均产水量为28 021m³, 超过考核指标规定的2万m³的补水能力。

　　 本研究的关键技术和示范工程都在中新生态城水处理中心的实际运行中得以成功应用。目前水处理中心通过一级B技术改造与增设气浮滤池工艺, 出水可实现普通补水水质要求;新建再生水工艺采用浸没式超滤膜加反渗透工艺, 出水可实现高品质补水水质要求, 补水能力超过示范工程要求的2万m³/d。

　　 该示范工程的成功建立为中新生态城新型水环境系统构建与实施提供了保障, 同时为实现天津生态城污水处理出水指标提高至地表Ⅳ类水体的阶段目标提供了技术支撑。

　　 本研究在中新天津生态城取得了一定的示范效果, 但也存在许多不足, 为了改善再生水厂, 特提出如下建议: (1) 反渗透浓水处理。建议进行减量化和达标排放技术研究, 旨在进一步提高再生水系统整体回收率, 最大限度地实现水资源回收利用, 同时对剩余高浓缩尾水进行达标排放处理; (2) 针对污水处理厂尾水回用于景观水体的生态效应及人体健康效应评价。普通补水主要由污水处理厂经深度处理后的一级A出水排入生态城景观水体, 出水指标COD含量为小于50mg/L, 一般情况下, 出水COD残留的主要为难降解有机污染物, 有些情况下含有持久性有机物以及新兴污染物, 排入水体后可能会产生一定的生态风险, 例如水体中的持久性有机物浓度增加而危害水体生态系统健康乃至人体健康。因此对补水后生态城景观水体的难降解有机污染物进行监测, 增加动植物例如鱼类、大型蚤等的毒性检测, 明确普通补水可能带来的生态风险, 对于今后生态城景观水体持续补水和良性循环具有十分重要的意义。