0 引 言
水资源短缺、水环境污染、水生态破坏和水空间缩减等突出水环境问题是我国乃至全球面临的重大问题。水环境问题的根源在污水，构建污水再生利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。污水再生利用已经成为节约水资源、加快水污染防治、改善环境状况和满足人民日益增长的优美生态环境需求的有效途径[1,2]。
与传统水资源相比，污水再生利用具有诸多优点：1)污水的排放基本不受天气、气候等因素的影响且水源靠近主要的人口中心，是水量较为稳定的可靠水资源；2)城市污水就地可取，与外部调水、远距离输水和海水淡化等相比，在经济性上优势明显；3)污水再生利用在减少污水排放、减轻水体污染的同时，也减少了对新鲜水资源的开采，具有显著的社会与环境效益[2,3]。随着污水再生处理技术和工艺的日趋成熟，通过科学的工艺设计和系统运行管理，再生水的出水水质不断提高，能满足不同利用途径的水质要求。目前我国城镇地区再生水主要用于工业和景观环境等途径，其利用量占总回用量的80%以上。其他利用途径，包括城市杂用、农林牧渔业、地下水补给、饮用水源增补等还有很大拓展空间[4]。
截至2016年末，我国城市再生水生产能力达到2762万m3/d，再生水利用量达到45.3亿m3/年[5]。按实际再生水利用量与污水处理量的比值计算，2016年，我国城市污水再生利用率为10.1%。2016年，国家发展改革委和住房城乡建设部出台的《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》中提出，全国城市和县城再生水利用率需进一步提高，到2020年底，京津冀地区不低于30%，缺水城市不低于20%，其他城市和县城力争达到15%。因此，未来5～20年将是我国污水再生利用事业的快速发展期。
随着再生水利用途径的不断拓展和利用规模的不断扩大，对再生水系统的安全可靠高效运行和科学有效管理提出了越来越高的要求，建立健全再生水系统安全保障体系和措施成为当前面临的主要课题和任务。
1 再生水系统安全保障面临的主要问题
1.1 再生水系统面临的安全问题
再生水系统是一个复杂的非传统供水系统，主要包括水源(污水/二级处理出水)、污水再生处理、再生水储存与输配、再生水利用等基本要素[3]。污水(通常为二级出水)经过再生处理系统，成为达到一定水质要求的再生水，继而通过输配与储存系统，供给不同用户。由于污水中的生物和化学污染种类繁多、组分复杂、危害效应和处理特性各异，再生水不同利用途径所需的安全保障水平也不同，系统中的每个要素都可能对再生水水质安全保障和风险控制产生影响。表1列举了污水再生利用全流程可能存在的潜在安全问题。
基于危害分析与关键控制点(HACCP)风险评价和管理理论，按照“源头控制与过程控制相结合、单元优化与系统优化相结合”的基本原则，识别并将关键因子控制在一个可接受的风险水平，是保障再生水系统安全可靠高效运行的基本思路。
1.2 再生水系统评价指标及其局限性
我国现有的污水再生利用标准及规范主要针对工程施工及应用，对于技术参数的确定方法和工艺指标的选择依据缺乏科学系统的分析。例如，现有标准中对氨氮、有机物、大肠菌群数、浊度、色度等水质指标的要求较低，但从实际监测结果来看，再生水输配管网中这些指标浓度较高且水质波动较大。同时，对于具体处理技术单元，往往没有给出与水源水质、出水水质等之间的关系。尚未从系统的角度，综合水源、处理、储存、输配、监测等关键环节，提出再生水系统评价和质量管理要求，在实际处理过程中难以应对多样化的进水水质以及水量的变化，对再生水水质安全保障带来了困难。例如，对于种类复杂、难处理成分较多的工业废水，如果预处理系统运行不稳定，导致难处理成分特别是生物毒性大、对生物处理系统中生物活性有明显抑制作用的成分流入后续处理单元，就会给再生水系统带来不良影响，从而影响再生水出水水质。
近年来的研究表明，仅监控再生水厂出水的水质，并不能保障再生水用户端的水质安全。经过深度处理后的再生水中仍含有一定浓度的有机物和微生物，在储存和输配过程中容易发生水质劣化。消毒剂对生物有显著的抑制作用，但若管网中的余氯超过一定浓度，则可能威胁后续景观水体利用中生物的正常生存与繁衍，引起生态安全问题[11, 12]。因此，需从系统的角度进行统筹协调考虑，确定系统的薄弱环节，采取相应的措施。
美国科学研究委员会《城市污水提高城市供水能力》报告指出，在水质保障策略能够保障处理系统可靠性的前提下，现有的城市污水再生处理工艺能够提供与目前许多成功运行的供水系统同等的污染物风险控制水平。保障再生水系统的安全性、高效性和经济性，从整体上提高和保障系统的可靠性，对于推广再生水利用具有重要意义。
表1 污水再生利用系统可能存在的潜在安全问题[3,6-10]
Table 1 Possible safety problems in wastewater reclamation system[3,6-10]
主要环节潜在安全问题原水的收集和输送1)管道渗漏、未预知水损、管理不善等引起的地表水、地下水和土壤污染;2)工业、商业和医药废水的混入(可能含有合成化学品、药品、重金属、病原微生物等有毒有害污染物),影响生化处理单元和深度处理出水水质;3)放射性废水的混入(可能含有过多重金属和有毒有害化学污染物),影响生化处理单元和深度处理出水水质;4)雨水、洪水的混入/渗漏,造成进水水量和水质的冲击负荷污水再生处理1)污水中的污染物,包括病原微生物、无机盐、溶解性有机组分、微量有毒有害污染物(消毒副产物、内分泌干扰物等)和氮磷等植物营养物质。若未经过适当的污水再生处理,可能产生生产安全风险、健康风险、生态风险和造成水华爆发;2)消毒过程中产生具有毒性和“三致”效应的消毒副产物;3)剩余消毒剂与受纳水体中有机物反应,引起的二次风险再生水输配与储存1)再生水中某些组分可能引起管道结垢、侵蚀、剥落、细菌滋长等问题;2)管道破裂,造成溢流,污染土壤,长期大量溢流还有可能引起地下水污染;3)再生水输配管网标识不清,与自来水输配系统混淆,造成管道错接、误饮、意外暴露等问题;4)再生水在输配管网中回流,造成水源的交叉污染;5)再生水的储存过程中会产生浊度、气味和颜色变化等物化问题,还可能滋生藻类、微生物等,引起水质恶化;6)再生水开放储存可能会受到鸟类和其他动物的粪便、风吹来的尘埃和微生物、有机物质、藻华、微藻生长和地表径流等多种因素影响,水质恶化的风险更高再生水利用1)用于农、林、牧、渔业时,可能存在毒害灌溉植物、危害食品安全和公众健康、污染土壤及地下水等诸多风险;2)用作城镇杂用水时,高含量的重金属和无机盐可能对土壤产生影响,病原微生物可能对公众健康造成危害;3)用作地下水补给时可能造成地表撒布区富营养化,水中的总溶解性固体、硝酸盐、有机物等可能会造成再生水利用端结垢和堵塞,病原微生物和有毒有害物质可能污染土壤地下水,引发潜在健康风险;4)用作工业用水时,水中的组分会引起结垢、侵蚀、剥落、生物生长等现象,还存在公众健康问题,特别是冷却水应用中病原体在气溶胶中的传输;5)用作景观娱乐用水时,病原微生物可能对公众健康造成危害。浊度、色度等感官指标可能对公众接受程度造成影响,氮、磷引起受纳水体的富营养化。有毒物质可能在底泥和地下水中积累、毒害水生生物
2 再生水系统的可靠性
2.1 可靠性的来源及其重要性
技术领域的可靠性(reliability)概念最早起源于第一次世界大战结束，主要应用于航天军事工业，随后逐步扩展到建筑、电力、通信、生态等许多领域，发展十分迅速[13,14]。系统可靠性一般是指在规定时间内和工况下，系统稳定完成规定功能的能力[15]。
高可靠性可以提高系统完成任务的能力，同时降低维修保障费用，达到可靠性与经济性的综合平衡。系统可靠性的研究对减轻系统风险具有重要意义。例如，在系统设计方面，不仅需要重视研发产品的性能，还需重视产品的可靠性，采用行之有效的可靠性设计分析、试验技术，以保证和提高产品的固有可靠性。在管理和监管方面，可建立故障报告、分析和纠正措施系统，以重视和加强可靠性控制[16,17]。
可靠性是一个跨学科的综合性词汇，涉及多方面复杂问题。在城市供水领域，有关提高供水可靠性的问题虽然从20世纪70年代就已提出，但由于不同自来水厂的自动控制水平、水源水质、处理单元等各不相同，尚未形成统一认可的可靠性分析手段和方法，在供水行业中应用可靠性工程技术还处于理论探索阶段[18]。根据SCOPUS(目前世界最大的文摘和引文数据库)搜索，标题带有“可靠性”的文献数量高达72万篇，然而与“再生水可靠性”有关的文献数量十分有限：标题中含有“再生水可靠性”的文献仅有4篇，内容与再生水可靠性相关的文献不足300篇，针对再生水系统可靠性的研究明显不足。
2.2 再生水系统可靠性的基本概念及其内涵
再生水领域缺乏对可靠性统一的认识和定义会造成相关数据收集和整合困难、统筹协调不足、再生水系统风险管理和过程控制程度不高、评价方法不统一等问题。供水领域的可靠性通常定义为饮用水及时可达、具备一定的水质水量，且满足相应的用户端要求[19]。相比而言，再生水水源一般为城市污水，数量稳定可靠，基本不受季节、雨旱季、洪水枯水等气候影响。因此，再生水系统的核心目标是保障水质安全稳定和系统可靠高效运行。
再生水系统可靠性通常理解为系统出水水质可以稳定达到或超过现有水回用标准或处理目标的时间百分比[20,21]。对于再生水饮用回用系统，其可靠性可理解为系统出水能够始终如一地满足或超过现有饮用水系统提供的公共健康保障。再生水系统出水越符合这些要求，其可靠性就越高。
饮用水供水可靠性内涵主要包括3项彼此间相互关联的属性，即连通性(持续时间、停工期时间等)、功能性(水量、水质、水龄等)和稳定水压(水压波动性)。对于再生水系统而言，可靠性的内涵主要包括冗余度、鲁棒性和弹韧性，如图1所示。
图1 再生水系统可靠性的内涵示意
Fig.1 Connotation of the reliability of the water reuse system
提高再生水系统可靠性的重点在于故障控制，主要通过以下2种途径实现：故障预防(通过冗余度与鲁棒性来体现)和故障响应(通过弹韧性来体现)。
1)冗余度。
冗余度是指系统超出最低要求的水质保障能力配置，再生水处理能力的冗余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，以保证某一单元发生事故时，系统仍能够稳定持续地达到处理目标/性能指标。
目前，提高冗余度的常见形式主要有增加处理系统中与其他单元并行的备用单元、使用更保守的处理方法(如增加额外的处理能力或额外的处理过程)、安装用于某些关键控制点监测任务(如消毒剂残留物)的备用设备等。增加并联或备用设备的目的主要是确保系统能够更加可靠地运行其设计能力，而其他形式的冗余设备(如提供额外处理和监测)旨在确保系统可以更可靠地达到其处理目标[22]。
图2为2种不同的冗余度保障形式。方法A表示处理能力的冗余，即设定的处理能力(对数去除率7-log)超出最低水质保障要求/去除目标(对数去除率6-log)，使系统具备一定的预防故障的能力，并确保故障对系统的干扰降到最低；方法B则表示监测能力的冗余，即通过额外的监测设施/手段等，提高系统预防故障的能力。
注：方法A虚线框表示处理能力的冗余；方法B表示监测能力的冗余，虚线框1和2表示可能的监测点设置。
图2 冗余度的不同形式[22]
Fig.2 Different types of redundancies[22]：treatment and monitoring redundancy
提高系统处理能力的冗余度，可以有效地保证系统能够适应或满足更高的处理目标和水质需求。
2)鲁棒性。
鲁棒性是指系统在某种扰动作用下，保持功能稳定的能力，即抗干扰能力。再生水进水水质复杂(存在多种化学污染物、病原微生物以及一些新兴或未知污染物)、在污水再生处理过程中存在某个/多个单元失效的可能性，同时系统还可能受到外界的冲击和干扰(如进水的冲击负荷等因素的影响)。
多重屏障安全保障的概念(图3)可有效提高系统的鲁棒性。多重屏障模式可通过设置不同屏障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[22]。
图3 多屏障处理单元增强再生水饮用回用系统鲁棒性示意[22,23]
Fig.3 Schematic diagram of multi-barrier approach to enhance the robustness of potable water reuse system[22,23]
冗余度和鲁棒性相辅相成，均可通过优化多重屏障安全保障模式预防故障并提高可靠性。
3)弹韧性。
弹韧性是指系统对突发事故的应对和功能恢复能力。冗余度和鲁棒性旨在避免系统发生事故，但系统事故的发生不可能完全避免，因而弹韧性要求系统可以采取措施成功应对事故的发生，在发生故障时不会对公共健康造成伤害。
弾韧性主要通过以下2种形式增强：1)对于某些可预见性的灾害(如洪水、地震等自然灾害等)，可开发预防性策略和措施以减少其影响，例如在地震多发地区可进行水处理设施和基础设施的抗震加固，在龙卷风易发地区可设置备用隔离电源；2)建立故障迅速做出响应系统，如在停电期间对已处理和未处理的水自动进行分流。2种形式可以有效结合，以预防常见和罕见的故障事件[23]。
4)其他指标。
除冗余度、鲁棒性和弹韧性外，负效应也是评价系统可靠性的重要指标，主要反映再生水系统伴生风险，包括有毒有害消毒副产物生成、消毒后微生物复活和生物稳定性降低等方面。
此外，在某些工业领域，例如发电行业，还将可用性(或持续供应)确定为其关键目标[24]，但从公共健康的角度考虑，稳定持久的保护(可靠性)还是应当优先于稳定持久的可用性。
2.3 再生水系统可靠性评价指标
根据再生水系统可靠性内涵，可进一步确定各维度的评价指标和定性/定量评价方法(图4)。例如，冗余度评价指标可包括崩溃负荷(安全系数)、崩溃时间、传递度、备份度等；弹韧性评价指标可包括处理单元故障率、故障严重程度、故障修复时间、灵敏度、精确度、安全防范措施、管理水平等。对于鲁棒性和负效应的评价，则通过选取特征污染物(如指示病原微生物、消毒副产物等)的方式，考察其在再生水系统中的特性和变化规律。综合各维度定性/定量评价结果，结合主观赋权法(德尔菲法、层次分析法等)或客观赋权法(熵权法、CRITIC法等)确定各维度权重，可利用多准则分析模型计算得到再生水系统可靠性综合评价结果。
图4 再生水系统可靠性评价示意
Fig.4 Schematic diagram of reliability evaluation of water reuse system
3 总结与展望
再生水系统以污水为水源生产供给再生水，其核心为水质安全保障，从整体上提高系统的可靠性，对于推广再生水利用具有重要意义。本文提出从冗余度、鲁棒性、弹韧性等多个维度阐释了再生水系统可靠性内涵，系统分析了各指标的基本概念、评价指标体系和保障措施，对保障再生水系统出水水质、提高再生水系统的可靠性具有十分重要的指导意义。今后需加强再生水系统可靠性评价指标体系和定量评价方法研究，以进一步支撑污水再生处理工艺选择和系统建设。
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