再生水直接用于饮用并非天方夜谭 |纳米比亚48年经验分享
因为水资源短缺问题严重，可饮用再生水技术在世界不少地区得到实践，回用方式包括污水处理后直接用于饮用(DPR – direct potable reuse)和间接用于饮用(IPR - indirect potable reuse)。处理后的污水间接用于饮用最著名的工程案例莫过于美国加州橙郡的地下水补给系统（GWRS - Groundwater Replenishment System）和新加坡的与水库水混合的新水计划(NEWater)，两者都是IPR的经典例子。
越来越多国家考虑可饮用再生水技术：印度的班加罗尔(Bangalore)人口超过1000万，这个著名城市面临着严峻的人口增长和水资源短缺的挑战，当地政府正在考虑采用IPR还是DPR的方式来应对水危机。在南美洲，亚马逊热带雨林不断退化，亚马逊流域的降水量大大减少，包括阿根廷和巴西等国都受到了水短缺的影响。在巴西这个看似水资源丰富的国家，它的特大城市圣保罗(Sao Paolo)也在讨论是否使用IPR或者DPR技术来作为可替代的饮用水供应方式来应对人口增长、饮用水污染和气候变化带来的干旱等问题。
▲ 同时遭受旱灾和水污染的巴西城市圣保罗
再生水直接用于饮用（DPR）不需要地下水补给或者地表水水库等环境缓冲区(environmental buffers)。直接与其他饮用水水源混合和输送使DPR一般会比IPR便宜，这不仅是理论上，而是在实际案例中得到了验证。而且在一些无法提供环境缓冲区的地方，DPR是唯一的选择。因为一系列的优点，年DPR受到越来越多的的关注，澳大利亚、美国和南非等国甚至颁布了各自的DPR指南，目的在于解决再生水直接用于饮用的源头控制、有害物鉴定、风险评估、公共宣传和法规制定等问题。世界卫生组织WHO也在着手起草一个国际性的DPR指南，计划在今年内能发布。
纳米比亚是非洲南部土地最肥沃的国度。纳米比亚的首都温得和克(Windhoek)的年降雨量约为370mm，但年蒸发量约为3400mm。距离城市最近的河流Okavango也在700km外，所谓远水解不了近渴，因此Windhoek一直面临严重的水危机。
纳米比亚的旱灾持续恶化，2016年6月纳米比亚共和国总统宣布了全国进入紧急状态——主要的水库都干涸了，当时的模型预测，供水只能维持到9月，最多撑到12月。目前Windhoek的供水主要有两个来源，一个是战略性地下水储备，一个是高质量再生水，北部的一个含水土层也能在非常时刻满足该市7%-8%的用水需求。如果旱灾继续这样下去，政府估计战略性地下水储备能再撑2-3年。
▲ 纳米比亚的再生水厂
1968年纳米比亚在Windhoek修建了Goreangab再生水厂，实现市政污水回用直接用于饮用。在DPR技术上，他们积累了超过48年的经验。除了纳比米亚，在过去几年世界各地增加了不少DPR的案例，例如南非的Beaufort West 和eMalahleni，美国德州大泉市(Big Spring)和Wichita Falls。另外还有一些处于规划、中试或验收阶段，例如美国加州的San Diego、德州的El Paso、和新墨西哥州的Cloudcroft。纳米比亚也在计划DPR的扩建项目来应对城市人口的增长。
WABAG公司的研发主管Josef Lahnsteiner、Windhoek市政府的P.van Rensburg以及当地的水务公司WINGOC的J. Esterhuizen在2017年的水回用和海水淡化期刊中介绍了纳米比亚的DPR经验，同时也对非反渗透(non-RO)、多层屏障系统和更新的DPR系统做对比。非反渗透系统的优点包括了不会产生浓水，而且能耗更低，随着近几年可持续性和效率的提高，它受到更多的关注。三位作者在报告中对两套系统的优缺点进行了对比，对比内容包括了运行维护的经济适用性、关键质控因素、臭氧影响、抗药性和浓水管理等。下表总结了目前主要的DPR项目，概述了再生水厂的水源、处理规模、处理工艺和混合水源等信息。
▲ 世界各地主要的DPR项目
纳米比亚的Windhoek再生水厂使用的进水是经过二级处理的生活用水。为了确保出水符合最高的安全标准，他们采用了多层屏障系统(multiple-barrier approach)，并分为三种类型。管理方面的非技术屏障（non-treatment barrier）是执行严格的生活污水和工业废水的分离，也就是说只有生活污水用于饮用水回用。纳米比亚的工业废水年产量约120-130万m³，啤酒生产、皮革制造和屠宰加工是主要的排放源。这些废水通过基于MBR工艺的中心污水厂集中处理，该厂自2014年10月开始运行。另一个管理类的关键屏障是污水处理厂和再生水厂的进水和出水的综合监测。第三个管理方面的屏障就是再生饮用水和其他饮用水源的安全混合，包括了Von Bach大坝等，再生水的比例最高为35%。再生水只有通过混合后在进入供水管网。除了稀释回用水中的溶解性固体之外，混合也稀释了出水的有机物含量。另外从心理学的角度考虑，这样做能提高公众接受度。
处理技术方面的屏障主要由稳定运行的净化过滤系统构成，包括了具备脱氮除磷工艺的Gammams污水处理厂、稳定塘、以及从2002年中期开始运行的新Goreangab再生水厂 (NGWRP)。NGWRP再生水厂将稳定塘的出水转化成优质饮用水。这套系统的日处理能力为21,000m³。处理工艺包括：粉末活性炭(PAC，可选)、预臭氧(pre-ozonation)、强化絮凝混凝、溶气气浮(DAF)、双层滤料过滤(DMF)、臭氧、生物活性炭过滤、颗粒活性炭吸附、超滤 (UF)和投氯消毒、烧碱稳定化。
▲ 纳米比亚再生水厂使用的再生水过滤系统的工艺流程简图
第三个屏障来自运行方面的，包括新增的处理选择或者可以按需调配的运行措施。例如如果GAC的吸附能力很低或者再生水厂的进水的有机负荷很高的时候，可以根据需要投加适量PAC。灵活的运行措施包括了循环模式的切换，这指的是出水水质不能满足在线监测系统的绝对值的时候。
纳比米亚NGWRP再生水厂的出水一直很稳定。下表是具体的出水规格和运行结果。纳比米亚采用的出水规格是参照三个标准得到的：1993年的WHO指南、1996年的 Rand Water Guidelines Potable Water Quality Criteria 和1998年的Namibian Guidelines for Group A Water。2012年纳米比亚起草了新的饮用水标准，不过还没正式开始实施，目前正作为他们新的DPR项目的一部分，对新标准进行评估。
Windhoek直接再生水饮用系统的总对数去除率值(total log removal values - LRVs))如下：
上述数据显示纳比米亚可饮用再生水的几个主要指标都优于澳洲的参照值(注：LRV=lgN0-lgN 式中: N0为样品除菌前的微生物数量，N为样品除菌后的微生物数量)，自1968年引入DPR以来，纳米比亚还没有一起因为回用水引起的疾病爆发案件。值得一提的是，在1968-2002年期间还是没有臭氧和膜过滤的传统再生水厂，因此LRVs会更低一些。
目前这套再生水生产系统的总运行成本为0.72欧元/m³ (CAPEX为0.12 欧元/m³ , OPEX为 0.60 欧元/m³)，这比从其他地方输水到Windhoek的选项都要便宜。按照9年的工作寿命、10%的年利率，以及年产580万m³再生水(76%的使用率)计算的话，超滤膜的替换成本为0.012欧元/m³。普通的长途运水的泵机能耗为0.46kWh/m³(0.046 欧元/m³)，加上与天然水源混合的成本，最终总成本在0.86 欧元/m³。因为根据他们的参考数字显示，就运输和混合的成本就在0.08-0.81欧元/m³之间。
Von Bach大坝的水是经过净化处理的，纳米比亚将NGWRP再生水厂的出水跟大坝的水做过对比，结果如下表所示，除了TDS一项之外，NGWRP其他主要指标都远优于大坝水，而且TDS也是满足当地的再生水的标准的。
纳米比亚的DPR项目是没有使用RO的案例，相反它使用了臭氧和生物活性炭工艺，后者的优点是通过DOC的高效去除，减少生成THM的可能性，但使用臭氧的缺点是溴酸盐的生成。报告作者认为这可以通过减少臭氧用量来解决，但这最后需要运营商的同意和实施。为了测试不同的海水淡化技术，他们对RO膜和NF纳滤膜进行了实验室规模的对比试验。结果显示反渗透的效果在主要指标上都优于纳滤。计算结果显示，如果增加反渗透单元来去除TDS和溴酸盐的话，总成本会从0.72欧元/m³升至0.89欧元/m³。他们需要进一步的研究来分析反渗透技术的利弊，包括反渗透膜浓水的处理、抗药性细菌和基因的控制、溶解性有机碳的去除等。
报告最后总结说，纳米比亚的Windhoek和其他示范案例都证明DPR是安全和经济的回用生活污水的方法，而且与IPR技术相比也更便宜经济。但在是是否选择反渗透过滤的问题上，需要结合当地情况做决策。纳米比亚的三层屏障管理机制值得其他地区的水务部门参考借鉴，毕竟他们有着48年的安全运行经验和很高的公众接受度。报告的作者对DPR理应前景表示乐观，认为在未来5到10年其会变成更加常见和广泛使用的水处理技术选择。
参考资料
J. Lahnsteiner, P. van Rensburg and J. Esterhuizen, Direct potable reuse – a feasible water management option, Journal of Water Reuse and Desalination, Feb 2017, jwrd2017172; DOI: 10.2166/wrd.2017.172