2013年全國總供水量為6183.4億m3，其中地表水源和地下水源供水量占99.2%[1]。河流、湖泊是我國重要的飲用水水源地，同時也是城市的主要排水通道，水源地常受到城市排水口、排污口干擾。海河、黃河、遼河流域水資源開發(fā)利用率已經(jīng)達(dá)到106%、82%、76%，西北內(nèi)陸河流開發(fā)利用已接近甚至超出水資源承載能力[2]。由于地表水和地下水的過度開發(fā)和污染，而且水資源利用率低，水資源形勢嚴(yán)峻，在全國600多個建制市中，有近400個城市缺水，其中130多個嚴(yán)重缺水[3]。

2015年我國頒布的《水污染防治行動計劃》中要求到2020年，長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河等七大重點流域水質(zhì)優(yōu)良(達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類)比例總體達(dá)到70%以上，地級及以上城市集中式飲用水水源水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類比例總體高于93%。

雖然進(jìn)入21世紀(jì)以來我國城鎮(zhèn)污水處理能力大大提高，但完成計劃中的工作目標(biāo)還是面臨巨大的壓力。由于我國現(xiàn)行的GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A標(biāo)準(zhǔn)，僅相當(dāng)于地表水劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，而且城鎮(zhèn)污水處理廠大多采用二級生物處理工藝削減污染物，由于工藝本身的局限性，出水污染物濃度很難再進(jìn)一步降低[4]，尾水即使達(dá)標(biāo)排至飲用水水源地或水域功能較高的水體，也會進(jìn)一步加劇水污染狀況，威脅飲用水安全。

1同級排入的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1同級排入的定義

同級排入，主要是為保護(hù)集中式飲用水水源或其他重要水體(地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)或功能更高的水體)，若水體匯入源包括城市污水處理廠，其尾水必須經(jīng)過進(jìn)一步處理(深度處理)，使出水中的剩余微污染成分(如氮、磷、膠體、細(xì)菌、病毒、微量有機(jī)物、重金屬以及影響回用的溶解性礦物質(zhì)等)得以更好地去除，最后水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(或更高標(biāo)準(zhǔn)，視水域功能而定)后排入水體[5-6]。

1.2國外同級排入的標(biāo)準(zhǔn)

國外尾水同級排入的標(biāo)準(zhǔn)主要向飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)看齊，污水處理廠將尾水深度處理至接近飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后，再排入飲用水源或回灌地下水。

美國、德國等雖暫無統(tǒng)一的地下水回灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但美國加州要求從接收回灌水的含水層中抽取的水必須符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)，而且對采用注入井回灌的回灌水中的總有機(jī)碳(TOC)含量要求比經(jīng)地表滲濾回灌入含水層的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。德國一般要求回灌水應(yīng)優(yōu)于當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)[7]。歐美發(fā)達(dá)國家更加注重補(bǔ)充水及回灌水的安全問題，因此標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格苛刻。

1.3國內(nèi)同級排入的標(biāo)準(zhǔn)

我國2015年頒布的《水污染防治行動計劃》[8-9]指出要強(qiáng)化城鎮(zhèn)生活污染治理。計劃要求敏感區(qū)域(重點湖泊、重點水庫、近岸海域匯水區(qū)域)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施應(yīng)于2017年底前全面達(dá)到GB18918—2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。目前許多地方的城鎮(zhèn)污水處理廠處理效果僅能達(dá)到GB18918—2002一級B標(biāo)準(zhǔn)。

GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中將集中式生活飲用水地表水源二級保護(hù)區(qū)、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖等漁業(yè)水域及游泳區(qū)劃分為Ⅲ類功能水域。GB18918—2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)與Ⅲ功能水域的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相比，還存在較大的差距，如表1所示。

考慮到GB18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)排放的尾水對Ⅲ類功能水體可能帶來一定的污染負(fù)荷沖擊，為避免微污染現(xiàn)象的發(fā)生，保證用水安全，采用同級排入技術(shù)深度處理尾水，使其水質(zhì)滿足Ⅲ類功能水域的要求。尾水同級排入技術(shù)對于補(bǔ)充地表水、回灌地下水等有著重要的意義，從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，同級排入增大了高品質(zhì)水供給，大幅削減了水體污染負(fù)荷，可以有效緩解天然水體自凈的壓力，提高水環(huán)境質(zhì)量，降低了人類行為對環(huán)境的影響。

2國內(nèi)外同級排入的工程實例

2.1美國同級排入的工程實例

美國德克薩斯州的BigSpring水廠從2012年開始采用微濾(MF)-反滲透(RO)-高級氧化工藝，日處理1萬t污水，處理后排入飲用水源，占城市供水的15%。北弗吉尼亞UpperOccoquan水廠采用初級處理-帶硝化的二級處理-石灰再碳酸化處理-過濾-粒狀活性炭吸附-消毒工藝，日處理12萬t污水，處理后出水排入為120萬人提供飲用水的UpperOccaquan水庫，該水廠運行25a，未發(fā)生危害公眾的健康事件[11]。

美國加州的21世紀(jì)水廠和佛羅里達(dá)州的Floridan東北再生水廠將污水處理后回灌地下水，間接補(bǔ)充飲用水源，其中21世紀(jì)水廠自2007年以來采用MF-RO-紫外消毒工藝日處理24萬t的污水，回灌前將處理后的水體與深層蓄水層的井水以2∶1的比例混合?；毓嗟叵滤?，從含水層提取的水經(jīng)處理后可為200萬人提供飲用水。Floridan東北再生水廠預(yù)計今年竣工，該水廠設(shè)計以超濾(UF)-RO-紫外和H2O2消毒工藝日處理1.14萬t污水，技術(shù)上穩(wěn)定達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

2.2歐洲同級排入的工程實例

德國柏林將經(jīng)過二級處理的尾水投加氯化鐵與助凝劑絮凝沉淀后，投加O3氧化降解有機(jī)物和殺菌，再經(jīng)無煙煤過濾后進(jìn)行地下水回灌，經(jīng)地質(zhì)凈化后作為飲用水重新抽取出來，該示范工程早在20世紀(jì)70年代已建成并投入使用。Langen市將污水處理廠的尾水通過曝氣、沉淀、砂濾池過濾、O3氧化、活性炭吸附等措施深度處理后，利用土壤滲濾回灌補(bǔ)充地下水[12]。

比利時Torreele水廠[13]在2001年開始采用UF-RO-紫外消毒工藝日處理0.54萬t的污水，重點監(jiān)測超濾和反滲透模塊的運行情況，處理后補(bǔ)充地下水，間接生產(chǎn)可飲用水。

2.3新加坡和澳大利亞同級排入的工程實例

新加坡Newater工程[14]從2003年開始以MF-RO(雙膜)-紫外消毒工藝日處理1.36萬t污水，將處理后的出水與水庫水進(jìn)行混合，供給飲用水。澳大利亞悉尼圣瑪麗再生水廠從2010年開始采用UF-RO-再碳酸化和氯消毒工藝日處理4.9萬t污水，并將高質(zhì)量出水補(bǔ)充瓦拉甘巴大壩(水源地)。

2.4國內(nèi)同級排入的工程實例

目前，北京市率先提高污水處理標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定污水處理廠出水水質(zhì)應(yīng)至少達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。北京市已于2012年開始實施DB11/890—2012《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放》的地方性標(biāo)準(zhǔn)，要求排入北京市Ⅱ、Ⅲ類水體的城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行A標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于地表水Ⅲ類水;排入Ⅳ、Ⅴ類水體的城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行B標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于地表水Ⅳ類水。

深圳龍華污水處理廠[15]采用強(qiáng)化型前處理-垂直流人工濕地工藝，日處理2萬t的一級A標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠尾水，出水滿足地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，排入二級水源保護(hù)區(qū)的觀瀾河。

國內(nèi)還有很多對尾水進(jìn)行深度處理的案例，但多關(guān)注在工業(yè)用水回用，少有對飲用水源地污水處理廠的尾水進(jìn)行深度處理。天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)“雙膜法”再生水工程，從2002年起，采用連續(xù)流MF-RO工藝處理污水，其中MF出水可供一般工業(yè)用水，而RO出水供高端用戶。經(jīng)測試，RO出水優(yōu)于世界衛(wèi)生組織和美國EPA公布的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)再生水廠[16]從2008年起采用MF-RO工藝日處理2.1萬t污水，主要向開發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)、特別是高科技微電子類工業(yè)提供生產(chǎn)用水水源，替代原使用的自來水水源。

3同級排入深度處理技術(shù)

從眾多工程實例可知，目前用于尾水同級排入的主流工藝是以膜分離為主體的組合工藝。其中同級排入補(bǔ)充飲用水源工程項目大都選擇了MF/UF-RO工藝(俗稱雙膜工藝)和高級氧化/消毒的組合工藝。美國的華盛頓州甚至規(guī)定，將污水處理廠尾水處理后用于飲用水水源的地下水補(bǔ)給時，必須采用RO工藝[17]。

3.1膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)具有高效節(jié)能、易操作、占地面積小等優(yōu)點，現(xiàn)在應(yīng)用得較多的有MF、UF、RO、NF等[18]，其技術(shù)特征如表2所示[19]。雙膜法目前較多采用MF、UF作為RO的前處理工序，替代常規(guī)深度處理中的沉淀、過濾、吸附和除菌等預(yù)處理，以RO進(jìn)行水的軟化和脫鹽[20]。

膜分離技術(shù)作為污水回用處理單元時，需要解決的主要問題就是如何防止膜污染，這就要求污水在進(jìn)入膜分離處理單元前必須經(jīng)過預(yù)處理，預(yù)處理工藝可將污水中微細(xì)顆粒和膠體物質(zhì)去除，并將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為固相。此外，膜處理工藝與其他工藝相比在價格上也要昂貴得多，RO濃水排放的問題也是今后進(jìn)一步研究的方向。

3.2高級氧化技術(shù)

高級氧化技術(shù)在深度處理中主要是降解有機(jī)污染物和殺菌消毒。它的特點是：①產(chǎn)生大量作為中間產(chǎn)物的˙OH，其氧化能力(2.80V)僅次于氟(2.87V)，可誘發(fā)后面的鏈反應(yīng);②˙OH能無選擇地直接與廢水中的污染物反應(yīng)，將其降解為二氧化碳、水和無害鹽，不會產(chǎn)生二次污染;③由于高級氧化反應(yīng)是一種物理化學(xué)過程，較易控制;④既可作為單獨處理，又可與其他處理過程相匹配。

根據(jù)所使用的氧化劑及催化條件的不同，高級氧化技術(shù)以Fenton及類Fenton氧化法、光化學(xué)和光催化氧化法、臭氧類氧化法、超聲氧化法、電化學(xué)法較為常見。

3.3同級排入深度處理技術(shù)的特點

(1)一種組合工藝。單一處理單元難以實現(xiàn)處理要求。城鎮(zhèn)污水處理廠的尾水污染物濃度較低，且多為難降解有機(jī)物，可生化性差，依靠單一處理單元難以實現(xiàn)同級排入要求。

(2)穩(wěn)定運行。工藝需要滿足在高水力負(fù)荷下穩(wěn)定運行，同時，由于處理水量較大，在場地受限的情況下，不宜選擇水力停留時間過長的處理工藝。

4展望

主流的同級排入工藝(雙膜法)運行穩(wěn)定，出水質(zhì)量高，對各種污染物都有良好的分離去除效果，但也存在如成本高、處理水量小等缺點。北京市多數(shù)污水處理廠采用MBR和膜法處理城市污水處理廠尾水，深度處理成本接近2.5元/t[21]，其價格對一般污水處理廠是難以承受的。從探索低成本、高效率、成熟可靠的尾水同級排入工藝考慮，結(jié)合實際情況，以活性炭吸附、人工濕地、BAF、MBR為關(guān)鍵技術(shù)，必要時輔以針對性的處理措施，是比較好的嘗試。

4.1活性炭吸附

活性炭吸附技術(shù)可耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿，具有良好吸附性能，可以去除多數(shù)的有機(jī)物和某些無機(jī)物、痕量金屬。活性炭吸附技術(shù)較常用的是與生物濾池相結(jié)合的GAC濾池和活性炭粉系統(tǒng)。生物活性炭(BAC)可以利用活性炭吸附與生物降解的協(xié)同作用處理污水。

溫得和克的Goreangab水廠[22]以城市污水生產(chǎn)飲用水，采用的工藝是混凝沉淀-氣浮池-砂濾池-高級氧化池-BAC/GAC濾池-UF-消毒。其中活性炭吸附技術(shù)，被認(rèn)為是水質(zhì)把關(guān)的最主要工序。李倩[23]采用BAC法處理一級A水體，主要指標(biāo)達(dá)到Ⅳ類水水質(zhì)以上，COD去除率可達(dá)35.5%，NH3-N去除率可達(dá)92.2%，SS去除率取決于反沖洗頻率，最高可達(dá)100%。

4.2人工濕地

人工濕地處理效率高、投資和運行成本低，可以高效去除BOD5、COD、NH3-N和TP等污染物。目前多數(shù)采用復(fù)合人工濕地的處理工藝，常用的人工濕地處理工藝組合為：混凝沉淀/過濾-復(fù)合型人工濕地。

深圳龍華污水處理廠采用強(qiáng)化型前處理/垂直流人工濕地工藝對一級A尾水進(jìn)行同級排入深度處理，處理后COD、BOD5、NH3-N和TP的平均去除率分別為70.3%、69.0%、91.9%和83.1%，出水符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.3BAF

BAF投資低，占地面積小，抗沖擊能力強(qiáng)，濾速快，對有機(jī)物、BOD5、COD和NH3-N等有顯著效果[24-25]。目前普遍采用二級出水-BAF-消毒。O3/BAF技術(shù)是目前BAF技術(shù)研究的熱點之一，該技術(shù)將O3和BAF聯(lián)用，提高了污水的可生化性，可取得良好的處理效果。

焦陽等[26]采用BAF深度處理污水處理廠尾水，處理后COD平均去除率在30%以上，出水NH3-N的質(zhì)量濃度基本保持在0.3mg/L以下。

4.4MBR

MBR結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、活性污泥濃度高，對COD、BOD5、NH3-N、SS等去除能力強(qiáng)。組合形式的MBR工藝目前應(yīng)用比較普遍，在深度處理上越來越有實用價值，具有很好的發(fā)展前景及拓展空間。隨著MBR技術(shù)的發(fā)展，近年來發(fā)展了MBR聯(lián)用RO深度處理污水的技術(shù)[27]，如圖1所示。Lozier等[28]研究得出，經(jīng)MBR-RO工藝處理后的出水可用于間接飲用，水質(zhì)符合美國初級和州二級飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

5結(jié)語

針對我國目前地表水和地下水的短缺現(xiàn)狀，為加強(qiáng)對集中式飲用水水源的保護(hù)和提升城鎮(zhèn)水資源利用效率，有必要開展同級排入組合工藝的研究。我國的同級排入深度處理工藝可針對不同水質(zhì)和場地情況，積極探索不同的組合工藝，摸索出適用于我國實際國情的、具有技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性的處理工藝，以保證水資源的可持續(xù)發(fā)展。