ISO《城鎮集中式水回用系統設計指南》國際標準解讀
面對世界各地日益增長的水回用研究、實踐和發展需求，國際標準化組織（ISO）于2018年2月首次發布了《城鎮集中式水回用系統設計指南》（ISO 20760-1: 2018）。該標準是城鎮水回用領域的首個基礎性國際標準，以集中式水回用系統安全保障為目標，規定了集中式水回用系統設計原則和方法，闡釋了水源、處理、儲存、輸配、監測等水回用關鍵環節的設計要求和關鍵水質指標，提出了集中式水回用系統4種利用模式，明確了處理工藝、管網輸配和利用途徑之間的關系。
0 前言
水資源短缺、水環境污染、水生態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，制約經濟社會發展和生態文明建設。水環境問題的根源在污水，構建污水再生利用（水回用）系統是城鎮和產業可持續發展的重要保障。再生水是“取之不盡，用之不竭、供給穩定”的城市第二水源、工業第一水源。水回用系統是一個復雜的非傳統供水工程，既具有污水處理系統的特征，又具有供水系統的特征，水質安全保障挑戰更大、更復雜，對研究手段、技術工藝和水質監管的要求更高。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務的健康發展，根據中國、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）、城鎮水回用（SC2）、水回用系統風險與績效評價（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現已發布國際標準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驗，助力節能環保產業走向國際，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的規范化發展需求，清華大學聯合中國標準化研究院、中國科學院生態環境研究中心等單位編制了ISO《城鎮集中式水回用系統設計指南》（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的快速崛起和相關新技術的快速發展，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產業升級和發展方式轉變，推進綠色低碳循環發展，將在全球資源節約和循環利用方面發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、統籌協調不足、水回用系統風險管理和過程控制程度不高、方法不統一等關鍵技術問題。
污水再生利用模式主要包括集中式系統和分散式系統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創新管理的影響引起了廣泛的探討。總體來看，國際上特別是在人口稠密的城市和地區，主要采用集中式水回用系統模式。分散式水回用系統模式通常應用于城鄉結合部、農村和偏遠的區域。
集中式水回用系統具有規模效應、經濟節能等特征，并且擁有精準調控系統、完備監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。保障城鎮集中式水回用系統的安全性、高效性、經濟性和可靠性對于其推廣具有重要意義。
ISO《城鎮集中式水回用系統設計指南》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規劃、設計、評價等工作提供了依據和指導。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 國際標準的主要內容
ISO《城鎮集中式水回用系統設計指南》主要規定了集中式水回用系統設計原則和方法，闡釋了水源、處理、儲存、輸配、監測等水回用關鍵環節的設計要求和水質指標，提出了集中式水回用系統4種利用模式，明確了處理工藝、管網輸配和利用途徑之間的關系。具體水質指標目標值和管控區間不在該標準的討論范圍內。該標準的主要內容如下。
2.1 集中式水回用系統規劃和設計
在制定集中式水回用系統總體規劃時，需考慮和確定的主要因素包括：規劃原則和目標；規劃范圍和項目周期；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水量需求及再生水管網設施建設要求；城鎮區域規劃；水回用系統現有和未來發展規劃布局；經濟可行性；環境影響；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研。規劃制定完成后，行政主管部門需進行定期核查、更新和修正。
2.2 集中式水回用系統關鍵環節和利用模式
集中式水回用系統通常以城市污水處理廠出水或符合排入城市下水道水質標準的污水為水源，進行集中處理，再將再生水通過輸配管網輸送到不同的用水場所或用戶管網。集中式水回用系統設計基本原則包括安全性、可靠性、穩定性和經濟性。集中式水回用系統主要包括水源、處理、儲存、輸配和監測等關鍵環節。為保障人體和環境健康，需要對系統各關鍵環節進行系統分析和評價，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。
集中式水回用系統具有規模效應、再生水處理設施的建設和運行成本較低、水質穩定等優點，但同時存在管網建設費用高、占地面積大、輸送距離長、運行維護成本高等問題。集中式水回用系統設計，應考慮“分質利用”和“優水優用、劣水低用”，選擇和發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）系統構成簡單，適用于規模較小的集中式水回用系統。水回用系統出水（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，或水質要求單一的用戶，例如居民住宅區。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。
再生水經過儲存和輸配后，強化處理單元的配置取決于再生水水質和用戶要求，非強制性實施。
2.2.2 多用戶模式
多用戶模式（見圖2）適用于對水質要求不同的多個用戶，例如包含多種工業類型的工業園區或者包含工業、市政雜用等多種再生水利用途徑的區域。采用分質處理與回用結構的多功能供給模式能夠應對再生水水質多樣化需求。分質處理與回用是集中式污水再生利用系統未來發展方向，但系統優化復雜，對系統的整體性保障要求高。
再生水主處理系統應優先滿足大用戶或優先級別高的用戶的水質水量需求。對于小型用戶的高品質再生水需求，可考慮在輸配管網前端或用戶端設置強化處理單元和設施。為保障系統的可靠性，再生水水質需滿足最低技術保障要求。
2.2.3 環境儲存與利用模式
環境儲存與利用模式（見圖3）以再生水的生態環境儲存與利用為核心，再生水排入城市地表生態儲存水體（如河湖塘池、景觀水體、人工濕地等），經過一定時間的儲存凈化之后，再利用于農業、工業、城市雜用等不同利用途徑。該模式既保障了生態用水，又凈化了水質，促進區域水循環，在提高再生水利用效率的同時，提高了再生水的水質安全性。同時，通過再生水的生態環境儲存，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）可實現再生水的多層次重復利用。例如，以工業園區為依托，可加強企業間再生水的梯級利用，將園區內某一企業使用后的再生水應用于對水質要求更低的其他企業或利用途徑，實現再生水的多次利用。具體來講，可將再生水優先利用于工業企業生產和冷卻等過程，根據工業園區實際狀況，再將使用后的再生水用于園區綠化、道路沖洗和景觀環境利用等利用途徑。
2.3 再生水水源
進入城市污水收集系統的污水需要達到一定的水質標準，以保障后續污水再生處理系統的高效穩定運行，獲得高質量的再生水。在集中式污水處理設施已建成的區域，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和再生水用戶集中地區。因此，再生水廠通常基于現有污水處理廠升級改造或新建于污水處理廠臨近區域。
對現有污水處理廠升級改造時，需考慮水回用設施與現有污水處理設施的兼容性、改建和擴建空間規劃、水力條件、管網改建、運行條件、輔助系統等多方面因素。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域，未經處理的污水可直接作為再生水水源。相比于二級出水，未經處理的污水通常含有更高濃度的病原微生物、有毒有害化學物質和氮磷等營養物質，需充分考慮污水水質組分和水量波動情況，以保障水回用系統后續環節的高效穩定運行、避免對人體和環境健康造成威脅。
此外，集中式水回用系統可能受到緊急情況、突發事件、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。可能的備用水源包括飲用水、雨水以及集中式水回用系統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的潛在污染。
再生水水源應以生活污水為主，盡量減少工業廢水占比。當工業廢水和醫藥廢水也進入污水收集系統時，需要嚴格控制工業廢水和醫藥廢水的水質，在排放前應進行適當的預處理，達到相關排放標準后才能進入污水收集系統。放射性廢水和含有大量有毒有害物質的工業廢水不應作為再生水水源。
2.4 再生水處理系統
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，系統設計需考慮再生水水源水質、出水水質目標、處理設施技術性能、處理設施位置和場地限制條件、能源和經濟因素等方面。處理系統設計基本原則包括安全性、可靠性、穩定性、經濟性和環境友好性。針對再生水不同利用途徑，需進行符合健康和環境安全目標的水質評價，具體評價指標的選取和相關信息可參見ISO《城鎮水回用安全性評價指標與方法》（ISO 20761∶2018）國際標準。
再生水處理系統可靠性評價對于水回用項目至關重要。可靠性分析需要考慮水量和水質兩方面。可靠性保障措施包括：設置備用水源和電力供應，備用或替代設備，季節性、臨時性或緩沖儲存單元，提升處理和消毒單元效用與效率，增加預防預警監測手段或設施及優化設備設施操作、維護和控制。
再生水處理系統穩定性評價包括操作穩定性和系統出水穩定性。在設計階段，可以通過提高系統冗余度、彈韌性和魯棒性，優化多屏障安全保障模式和最低技術保障需求等方法，增加系統穩定性。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、環境緩沖等）攔截或處理不同污染物，同時可確保在某一環節發生故障時，系統仍具備一定處理能力，避免系統失效，即降低了失效風險。最低技術保障需求是指系統需要具備超出最低水質安全保障要求的處理能力，以便能夠穩定持續地達到處理目標/性能指標和安全保障要求。
再生水處理系統經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地狀況、水源水質、再生水用戶水質水量要求、電耗成本和勞動成本等影響。再生水處理系統環境友好性評價需考慮系統對土地使用、生態系統、物種或生物多樣性、重要平原、農田、公用場地或保護區、地表水或地下水水質水量以及周圍空氣質量和噪聲等方面的影響。
2.4.2 處理系統環節
圖5為典型再生水處理系統各環節流程，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）。現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
再生水儲存設施是集中式水回用系統必要組成部分。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、以往經驗等方面的影響。
再生水儲存系統設計需考慮儲存單元運行儲存和季節性儲存功能以及儲存容量和周轉率。運行儲存設計可通過調節每日或臨時水量波動以平衡集中式水回用系統的進水和出水水量、提供應急儲存保障和允許適當或受控的環境排放。季節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變化。
2.6 再生水輸配系統
再生水輸配系統設計需要考慮系統組成、供水模式、管道材質、管網標識、水質控制等方面。由于經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，與飲用水系統相比，再生水輸配系統設計還需考慮再生水輸配過程水質變化與控制、用戶端水質水量要求和管道錯接防范。
典型再生水輸配系統組成如圖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，并預留一定的發展空間。輸配管網的設計需要盡量避免死水滯留、優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通和用戶接入數量。
2.7 集中式水回用系統規劃和設計
再生水監測主要包括流量監測和水質監測，需根據再生水利用途徑和安全評價結果進行具體設計。其中，水質監測是維持系統穩定效能和控制風險的有效管理措施，常規水質監測指標包括pH、生化需氧量（BOD5）、化學需氧量（COD）、總懸浮固體、濁度、余氯、營養物質、毒性、電導率、指示微生物等。
再生水監測系統設計需考慮在集中式水回用系統全流程的關鍵控制點實施運行監測（水源水質監測和預警、處理系統進出水和關鍵單元水質監測、預警和故障控制、輸配管網水壓、流速和余氯監控、儲存系統水質監測、用戶端水質水量監測和管理），并建議盡量采用在線監測儀器進行數據實時監測和記錄。運行監測過程還需確定監測指標、基準值（或限值范圍）、監測頻率和監測周期等信息。
2.8 應急預案
為有效地應對突發事件或狀況可能對再生水水質造成的影響（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設計的重要部分。應急預案內容包括與當地有關部門或水務機構事先商議后的協議（協議內容包括對人體健康和環境可能造成的潛在影響等）、響應行動（例如增設監測點）、備用水源、告知和溝通程序及策略、監督和管理機制等。
03 國際標準的主要創新點與啟示
ISO《城鎮集中式水回用系統設計指南》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新性。
（1）提出了集中式水回用系統規劃和設計的基本原則，強調了規劃階段進行公眾可接受度調研的重要性和必要性。
（2）提出了全流程風險控制新理念，強調了系統構成完整性的重要性，水回用系統應包括水源、處理、儲存、輸配和監測等關鍵環節，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、環境緩沖等環節，攔截或處理不同污染物；通過明確最低技術保障需求，確保水質安全。
（4）提出了再生水處理系統可靠性和穩定性的概念、評價方法和保障措施，為保障水回用安全提供了系統方案。
（5）提出了集中式水回用系統的4種基本模式，體現了再生水“分質利用”和“優水優用、劣水低用”的基本原則。“環境儲存與利用模式”、“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，推動水回用行業產業升級和發展方式轉變。
04 結語
水回用是解決水資源短缺和水環境污染的重要途徑之一，是推進水資源循環利用和可持續發展的重要措施。針對集中式水回用系統的規范化發展需求，ISO《城鎮集中式水回用系統設計指南》國際標準闡釋了水源、處理、儲存、輸配、監測等水回用關鍵環節的設計原則、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，完善城鎮水回用國際標準體系，充分發揮國際標準的規范和引領作用。
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