水资源短缺、水环境污染、水生态破坏和水空间萎缩等问题是我国和全球面临的重大水安全问题, 制约经济社会发展和生态文明建设。水环境问题的根源在污水, 构建污水再生利用 (水回用) 系统是城镇和产业可持续发展的重要保障。再生水是“取之不尽, 用之不竭、供给稳定”的城市第二水源、工业第一水源。水回用系统是一个复杂的非传统供水工程, 既具有污水处理系统的特征, 又具有供水系统的特征, 水质安全保障挑战更大、更复杂, 对研究手段、技术工艺和水质监管的要求更高^[1]。为适应水回用国际标准化工作的需要, 促进水回用领域国际化业务的健康发展, 根据中国、日本和以色列等国家的提议, 2013年7月, 国际标准化组织 (ISO) 批准成立了国际标准化组织水回用技术委员会 (ISO/TC282 Water Reuse) , 下设再生水灌溉利用 (SC1) 、城镇水回用 (SC2) 、水回用系统风险与绩效评价 (SC3) 3个分技术委员会, 之后在2017年又增设了工业水回用 (SC4) 分技术委员会。ISO/TC282目前共有43个积极成员国和观察员国。ISO/TC282现已发布国际标准8项, 正在制定的标准25项, 包括清华大学等单位牵头制定的标准5项。

为推广我国水回用领域研究成果和实践经验, 助力节能环保产业走向国际, 提高我国在国际标准领域的地位和作用, 针对大型城市集中式水回用系统的规范化发展需求, 清华大学联合中国标准化研究院、中国科学院生态环境研究中心等单位编制了ISO《城镇集中式水回用系统设计指南》 (ISO 20760-1: 2018, Water reuse in urban areas-Guidelines for centralized water reuse system-Part 1: Design principle of a centralized water reuse system) 国际标准^[2]。

随着全球水回用行业的快速崛起和相关新技术的快速发展, 水回用领域国际标准的制定、颁布和实施可进一步推动全球水回用行业产业升级和发展方式转变, 推进绿色低碳循环发展, 将在全球资源节约和循环利用方面发挥越来越重要的作用。目前水回用国际标准领域仍然存在重要标准缺失、统筹协调不足、水回用系统风险管理和过程控制程度不高、方法不统一等关键技术问题。

污水再生利用模式主要包括集中式系统和分散式系统2种模式^[3,4]。目前针对采用哪种模式效果更佳以及不同模式对水回用系统创新管理的影响引起了广泛的探讨^[5,6,7]。总体来看, 国际上特别是在人口稠密的城市和地区, 主要采用集中式水回用系统模式。分散式水回用系统模式通常应用于城乡结合部、农村和偏远的区域。

集中式水回用系统具有规模效应、经济节能等特征, 并且拥有精准调控系统、完备监测设施和安全备用设施以及熟练工作人员, 可以应对进水水量水质波动等问题, 在中国、美国、澳大利亚、新加坡、日本、以色列等世界许多国家已成为主流的回用模式, 具有十分广阔的应用前景。保障城镇集中式水回用系统的安全性、高效性、经济性和可靠性对于其推广具有重要意义。

ISO《城镇集中式水回用系统设计指南》国际标准的制定、颁布和实施为各国开展集中式水回用系统规划、设计、评价等工作提供了依据和指导。该标准的颁布凸显了我国在水回用国际标准化领域的重要作用, 提升了我国在该领域的国际化水平和话语权, 对于增强我国国际竞争力具有重要的意义。

ISO《城镇集中式水回用系统设计指南》主要规定了集中式水回用系统设计原则和方法, 阐释了水源、处理、储存、输配、监测等水回用关键环节的设计要求和水质指标, 提出了集中式水回用系统4种利用模式, 明确了处理工艺、管网输配和利用途径之间的关系。具体水质指标目标值和管控区间不在该标准的讨论范围内。该标准的主要内容如下。

在制定集中式水回用系统总体规划时, 需考虑和确定的主要因素包括:规划原则和目标;规划范围和项目周期;水回用设施建设、管理和运行维护阶段可能遇到的问题;再生水利用途径和相应的水质水量需求及再生水管网设施建设要求;城镇区域规划;水回用系统现有和未来发展规划布局;经济可行性;环境影响;再生水运营单位和相关人员意见征询;再生水用户需求和公众可接受度调研。规划制定完成后, 行政主管部门需进行定期核查、更新和修正。

集中式水回用系统通常以城市污水处理厂出水或符合排入城市下水道水质标准的污水为水源, 进行集中处理, 再将再生水通过输配管网输送到不同的用水场所或用户管网^[1]。集中式水回用系统设计基本原则包括安全性、可靠性、稳定性和经济性。集中式水回用系统主要包括水源、处理、储存、输配和监测等关键环节。为保障人体和环境健康, 需要对系统各关键环节进行系统分析和评价, 并采取从再生水水源到最终输配和利用的全流程风险控制措施来预防危害或使危害降至可接受水平。

集中式水回用系统具有规模效应、再生水处理设施的建设和运行成本较低、水质稳定等优点, 但同时存在管网建设费用高、占地面积大、输送距离长、运行维护成本高等问题。集中式水回用系统设计, 应考虑“分质利用”和“优水优用、劣水低用”, 选择和发展因地制宜的集中式水回用模式。

单一用户模式 (见图1) 系统构成简单, 适用于规模较小的集中式水回用系统。水回用系统出水 (再生水) 仅供给单一用户 (或同一类用户) , 例如某一工厂房单一建筑, 或水质要求单一的用户, 例如居民住宅区。再生水一般以污水处理厂二级出水作为水源。对于某些污水处理与再生利用过程一体化设施, 也可考虑将污水原水作为再生水水源。

再生水经过储存和输配后, 强化处理单元的配置取决于再生水水质和用户要求, 非强制性实施。

多用户模式 (见图2) 适用于对水质要求不同的多个用户, 例如包含多种工业类型的工业园区或者包含工业、市政杂用等多种再生水利用途径的区域。采用分质处理与回用结构的多功能供给模式能够应对再生水水质多样化需求^[8]。分质处理与回用是集中式污水再生利用系统未来发展方向, 但系统优化复杂, 对系统的整体性保障要求高。

再生水主处理系统应优先满足大用户或优先级别高的用户的水质水量需求。对于小型用户的高品质再生水需求, 可考虑在输配管网前端或用户端设置强化处理单元和设施。为保障系统的可靠性, 再生水水质需满足最低技术保障要求。

环境储存与利用模式 (见图3) 以再生水的生态环境储存与利用为核心, 再生水排入城市地表生态储存水体 (如河湖塘池、景观水体、人工湿地等) , 经过一定时间的储存净化之后, 再利用于农业、工业、城市杂用等不同利用途径。该模式既保障了生态用水, 又净化了水质, 促进区域水循环, 在提高再生水利用效率的同时, 提高了再生水的水质安全性。同时, 通过再生水的生态环境储存, 可以提高公众心理可接受程度^[9]。

梯级利用模式 (见图4) 可实现再生水的多层次重复利用。例如, 以工业园区为依托, 可加强企业间再生水的梯级利用, 将园区内某一企业使用后的再生水应用于对水质要求更低的其他企业或利用途径, 实现再生水的多次利用。具体来讲, 可将再生水优先利用于工业企业生产和冷却等过程, 根据工业园区实际状况, 再将使用后的再生水用于园区绿化、道路冲洗和景观环境利用等利用途径。

进入城市污水收集系统的污水需要达到一定的水质标准, 以保障后续污水再生处理系统的高效稳定运行, 获得高质量的再生水。在集中式污水处理设施已建成的区域, 再生水水源通常为污水处理厂二级出水, 再生水厂宜靠近再生水水源收集区和再生水用户集中地区。因此, 再生水厂通常基于现有污水处理厂升级改造或新建于污水处理厂临近区域。

对现有污水处理厂升级改造时, 需考虑水回用设施与现有污水处理设施的兼容性、改建和扩建空间规划、水力条件、管网改建、运行条件、辅助系统等多方面因素。在集中式污水处理设施未通达或仅有有限污水处理能力的区域, 未经处理的污水可直接作为再生水水源。相比于二级出水, 未经处理的污水通常含有更高浓度的病原微生物、有毒有害化学物质和氮磷等营养物质, 需充分考虑污水水质组分和水量波动情况, 以保障水回用系统后续环节的高效稳定运行、避免对人体和环境健康造成威胁。

此外, 集中式水回用系统可能受到紧急情况、突发事件、水源干扰或中断等影响, 需配备备用水源以应对基本再生水供水服务需求。可能的备用水源包括饮用水、雨水以及集中式水回用系统周边临近的江河湖水等。当饮用水作为再生水备用水源或补充水源时, 可通过设置防逆流措施例如空气隙等装置, 有效避免再生水对饮用水管网的潜在污染。

再生水水源应以生活污水为主, 尽量减少工业废水占比。当工业废水和医药废水也进入污水收集系统时, 需要严格控制工业废水和医药废水的水质, 在排放前应进行适当的预处理, 达到相关排放标准后才能进入污水收集系统。放射性废水和含有大量有毒有害物质的工业废水不应作为再生水水源。

再生水处理技术的选择和工艺组合可能受多种因素影响, 系统设计需考虑再生水水源水质、出水水质目标、处理设施技术性能、处理设施位置和场地限制条件、能源和经济因素等方面。处理系统设计基本原则包括安全性、可靠性、稳定性、经济性和环境友好性。针对再生水不同利用途径, 需进行符合健康和环境安全目标的水质评价, 具体评价指标的选取和相关信息可参见ISO《城镇水回用安全性评价指标与方法》 (ISO 20761∶2018) 国际标准^[10]。

再生水处理系统可靠性评价对于水回用项目至关重要。可靠性分析需要考虑水量和水质两方面。可靠性保障措施包括:设置备用水源和电力供应, 备用或替代设备, 季节性、临时性或缓冲储存单元, 提升处理和消毒单元效用与效率, 增加预防预警监测手段或设施及优化设备设施操作、维护和控制。

再生水处理系统稳定性评价包括操作稳定性和系统出水稳定性。在设计阶段, 可以通过提高系统冗余度、弹韧性和鲁棒性, 优化多屏障安全保障模式和最低技术保障需求等方法, 增加系统稳定性。多屏障安全保障模式可通过设置不同屏障 (例如源头控制、二级处理、深度处理、消毒处理、环境缓冲等) 拦截或处理不同污染物, 同时可确保在某一环节发生故障时, 系统仍具备一定处理能力, 避免系统失效, 即降低了失效风险。最低技术保障需求是指系统需要具备超出最低水质安全保障要求的处理能力, 以便能够稳定持续地达到处理目标/性能指标和安全保障要求。

再生水处理系统经济性评价应考虑建设和安装阶段的初始投资成本以及运行和维护阶段的成本。处理成本可能还会受到当地状况、水源水质、再生水用户水质水量要求、电耗成本和劳动成本等影响。再生水处理系统环境友好性评价需考虑系统对土地使用、生态系统、物种或生物多样性、重要平原、农田、公用场地或保护区、地表水或地下水水质水量以及周围空气质量和噪声等方面的影响。

图5为典型再生水处理系统各环节流程, 图5a适用于以二级出水作为再生水水源的情形;图5b适用于以未经处理的市政污水作为再生水水源的情形。此外, 对于各别对再生水水质有特殊要求的用户, 可以进一步采取强化或补充性处理措施。

现有的二级强化处理包括过滤技术 (快速砂滤、滤布或圆盘过滤和微筛分) 等。现有的消毒技术主要包括化学方法 (氯化/脱氯和臭氧等) 及物理方法 (紫外线等) 。现有的深度处理技术主要包括活性炭吸附、离子交换、膜过滤 (微滤、超滤、纳滤和反渗透) 、高级氧化 (电化学氧化、光催化氧化和辐射) 等。

再生水储存设施是集中式水回用系统必要组成部分。主要包括开放式 (水库或水塘) 和封闭式 (覆盖式水箱或地下含水层) 2种类型。储存设施类型的选择可能受到地势、地震活动、气象条件、土地可用性、投资和运行成本、以往经验等方面的影响。

再生水储存系统设计需考虑储存单元运行储存和季节性储存功能以及储存容量和周转率。运行储存设计可通过调节每日或临时水量波动以平衡集中式水回用系统的进水和出水水量、提供应急储存保障和允许适当或受控的环境排放。季节性储存单元通常用于临时储存过量的再生水 (例如再生水用户需求量低、洪水或雨季进水量徒增等特殊情形) 和维持系统足量再生水以使再生水利用最大化。

再生水储存过程中, 水质可能受到物理 (温度、浊度、悬浮固体、感官指标等) 、化学 (化学污染物、消毒副产物等) 和生物 (藻类生长、微生物生长、微生物污染等) 因素的影响, 需要通过源头控制、营养物去除、浊度管理、余氯管理、光源限制、水力停留时间控制等手段控制再生水储存过程中的水质变化。

再生水输配系统设计需要考虑系统组成、供水模式、管道材质、管网标识、水质控制等方面。由于经过深度处理后的再生水中仍含有一定有机物和微生物, 仅控制再生水厂出水水质并不能够保障再生水利用过程的安全性。因此, 与饮用水系统相比, 再生水输配系统设计还需考虑再生水输配过程水质变化与控制、用户端水质水量要求和管道错接防范。

典型再生水输配系统组成如图6所示。泵站的设计需要考虑维持足够的再生水输送压力和流速, 并预留一定的发展空间。输配管网的设计需要尽量避免死水滞留、优化管线布局和管材选择、控制余氯或剩余消毒剂剂量 (当再生水用于景观环境利用时, 还应考虑脱氯作用或采用其他替代消毒技术) 、设置管线颜色编码、标识和标签并保障有效的管线联通和用户接入数量。

再生水监测主要包括流量监测和水质监测, 需根据再生水利用途径和安全评价结果进行具体设计。其中, 水质监测是维持系统稳定效能和控制风险的有效管理措施, 常规水质监测指标包括pH、生化需氧量 (BOD₅) 、化学需氧量 (COD) 、总悬浮固体、浊度、余氯、营养物质、毒性、电导率、指示微生物等。

再生水监测系统设计需考虑在集中式水回用系统全流程的关键控制点实施运行监测 (水源水质监测和预警、处理系统进出水和关键单元水质监测、预警和故障控制、输配管网水压、流速和余氯监控、储存系统水质监测、用户端水质水量监测和管理) , 并建议尽量采用在线监测仪器进行数据实时监测和记录。运行监测过程还需确定监测指标、基准值 (或限值范围) 、监测频率和监测周期等信息。

为有效地应对突发事件或状况可能对再生水水质造成的影响 (例如极端气候条件、自然灾害、处理单元失效、管道错接、疾病爆发等) , 应急预案以及有效的管理、文件记录和意见交流也是集中式水回用系统设计的重要部分。应急预案内容包括与当地有关部门或水务机构事先商议后的协议 (协议内容包括对人体健康和环境可能造成的潜在影响等) 、响应行动 (例如增设监测点) 、备用水源、告知和沟通程序及策略、监督和管理机制等。

ISO《城镇集中式水回用系统设计指南》是水回用领域的首个基础性国际标准, 开拓了ISO国际标准的新领域, 在以下几个方面具有显著的创新性。

(1) 提出了集中式水回用系统规划和设计的基本原则, 强调了规划阶段进行公众可接受度调研的重要性和必要性。

(2) 提出了全流程风险控制新理念, 强调了系统构成完整性的重要性, 水回用系统应包括水源、处理、储存、输配和监测等关键环节, 同时提出了设置备用水源的重要性。

(3) 提出了多屏障安全保障模式和最低技术保障需求概念, 通过设置源头控制、二级处理、深度处理、消毒处理、环境缓冲等环节, 拦截或处理不同污染物;通过明确最低技术保障需求, 确保水质安全。

(4) 提出了再生水处理系统可靠性和稳定性的概念、评价方法和保障措施, 为保障水回用安全提供了系统方案。

(5) 提出了集中式水回用系统的4种基本模式, 体现了再生水“分质利用”和“优水优用、劣水低用”的基本原则。“环境储存与利用模式”、“梯级利用模式”等新的模式, 能够进一步提高再生水利用效率、扩增水生态空间、恢复再生水自然属性, 可进一步提高再生水利用效益, 推动水回用行业产业升级和发展方式转变。

水回用是解决水资源短缺和水环境污染的重要途径之一, 是推进水资源循环利用和可持续发展的重要措施。针对集中式水回用系统的规范化发展需求, ISO《城镇集中式水回用系统设计指南》国际标准阐释了水源、处理、储存、输配、监测等水回用关键环节的设计原则、方法和要求, 对于保障再生水的安全高效利用具有重要意义。今后需要进一步做好国际标准的宣贯实施工作, 完善城镇水回用国际标准体系, 充分发挥国际标准的规范和引领作用。