任晶晶，黃 瀟，趙福祥，董文藝

(1.深圳市福田區(qū)環(huán)境保護(hù)和水務(wù)局，廣東 深圳 518000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518055)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，再生水的開(kāi)發(fā)利用，是實(shí)現(xiàn)水資源有效利用、污染物減排和環(huán)境改善相結(jié)合的必要途徑，也是解決水資源短缺的經(jīng)濟(jì)有效的措施[1]。在我國(guó)許多城市，景觀河流缺少補(bǔ)給水源，部分城市景觀河流在枯水期存在斷流問(wèn)題，影響了城市景觀生態(tài)系統(tǒng)的安全性[2-3]。

污水處理廠尾水作為河流補(bǔ)水可有效改善城市水環(huán)境質(zhì)量，提高水體環(huán)境容量，同時(shí)，因其成本低、水質(zhì)改善程度明顯，越來(lái)越多的生態(tài)修復(fù)工程采用再生水作為河流補(bǔ)水[4-5]。然而，再生水中含有有機(jī)物和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，存在致水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)，其在補(bǔ)水過(guò)程中的水質(zhì)變化關(guān)系到補(bǔ)水的安全問(wèn)題，不容忽視[6]。同時(shí)，再生水中含有消毒物質(zhì)，補(bǔ)給過(guò)程中仍與水體中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致再生水的水質(zhì)不斷發(fā)生變化。所以，探討再生水在河流補(bǔ)水過(guò)程中的水質(zhì)變化規(guī)律尤為重要。

本文以深圳市某污水處理廠尾水作為河流補(bǔ)水為研究對(duì)象，選擇兩條具有代表性的河流，探討其水質(zhì)變化規(guī)律，為再生水科學(xué)利用、改善河流水質(zhì)安全性提供參考。

1 監(jiān)測(cè)和方法

1.1 補(bǔ)水河道監(jiān)測(cè)斷面設(shè)定

為保證選取的監(jiān)測(cè)斷面能夠準(zhǔn)確地反映再生水的水質(zhì)變化規(guī)律，選取同一污水處理廠兩個(gè)不同補(bǔ)水環(huán)境河流作為代表性河流，即：A河流流經(jīng)某公園，B河流經(jīng)過(guò)居民區(qū)。兩河流是典型的季節(jié)性城市河流，枯水季節(jié)的徑流主要來(lái)自污水處理廠的再生水，再生水采用氯消毒。選擇監(jiān)測(cè)全程為18 200 m，各監(jiān)測(cè)斷面沿程位置見(jiàn)表1。

為探討氯消毒前后、河流補(bǔ)水過(guò)程再生水水質(zhì)變化規(guī)律，根據(jù)實(shí)際再生水補(bǔ)水情況，水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面分別為：污水處理廠氯消毒前、后；A河補(bǔ)水點(diǎn)及兩個(gè)采樣斷面；管道預(yù)留口及B河補(bǔ)水點(diǎn)及兩個(gè)采樣斷面，詳如圖1所示。

圖1 再生水補(bǔ)水監(jiān)測(cè)斷面示意圖

1.2 樣品采集

本研究采樣時(shí)間為2016年11月17日，08:00—19:00之間，根據(jù)管道流速，沿程采樣點(diǎn)采樣時(shí)間依照管道水流流速計(jì)算確定，確保沿程水質(zhì)的一致性。采樣頻次為每小時(shí)1次，共采集7次，每次采集的水樣體積約為1 L。采集的樣品置于4 ℃保藏至實(shí)驗(yàn)室分析。

表1 采樣點(diǎn)位置

1.3 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)物變化規(guī)律

再生水補(bǔ)水過(guò)程COD變化如圖2所示，由圖可知，再生水經(jīng)過(guò)氯消毒后COD濃度略微降低，分別在11.5～19.2 mg/L和12.4～17.9 mg/L之間波動(dòng)。在管道輸送過(guò)程中，管道內(nèi)COD明顯降低，平均COD濃度為12.23 mg/L。再生水在A河流補(bǔ)水過(guò)程中COD呈明顯的升高趨勢(shì)，由均值12.4 mg/L升高至15.43 mg/L，而在B河流COD呈先升高后降低的趨勢(shì)，最大值達(dá)21.15 mg/L。

由于氯具有較強(qiáng)的氧化作用，消毒后水樣中的有機(jī)物被氯氧化，COD呈下降趨勢(shì)。而在管網(wǎng)運(yùn)輸過(guò)程中，再生水中有機(jī)物除了被氯氧化外，管網(wǎng)微生物會(huì)將大分子及不飽和性的難降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易與生物利用的小分子及飽和性的易降解類(lèi)物質(zhì)，并逐漸將小分子有機(jī)物降解[7]，導(dǎo)致管道內(nèi)COD呈下降趨勢(shì)。A河流補(bǔ)水后出現(xiàn)有機(jī)物增長(zhǎng)現(xiàn)象，可能存在兩個(gè)原因：一是再生水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的引入刺激了河流中藻類(lèi)的繁殖，而藻類(lèi)的生長(zhǎng)使水中有機(jī)物含量升高[8]；二是在補(bǔ)水點(diǎn)后河流沿線存在有機(jī)物的匯入，增加了水體中的有機(jī)物含量。B河流補(bǔ)水過(guò)程中有機(jī)物的變化出現(xiàn)降低現(xiàn)象，其第一斷面至第二斷面之間的河流中有機(jī)物含量明顯降低，可能是由于水流經(jīng)第一斷面后流態(tài)改善及河流形態(tài)的改變，提升了河流的自?xún)裟芰9-10]。

(a)A河流

(b)B河流圖2 再生水補(bǔ)水過(guò)程COD變化規(guī)律

2.2 氮素變化規(guī)律

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(a)A河流

(b)B河流圖3 再生水補(bǔ)水過(guò)程變化規(guī)律

(a)A河流

(b)B河流圖4 再生水補(bǔ)水過(guò)程變化規(guī)律

2.2.3 有機(jī)氮

圖5為再生水補(bǔ)給過(guò)程有機(jī)氮沿程變化，經(jīng)過(guò)氯消毒，有機(jī)氮含量變化不明顯，消毒前后有機(jī)氮的含量為2.23 mg/L和2.25 mg/L。而在補(bǔ)水過(guò)程和管道輸送過(guò)程中，有機(jī)氮發(fā)生了明顯的衰減，較二級(jí)出水相比衰減量達(dá)10倍，質(zhì)量濃度在0.25～0.5 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)。在河流補(bǔ)水過(guò)程中，有機(jī)氮類(lèi)呈升高趨勢(shì)，但升高趨勢(shì)不明顯。

在氯消毒過(guò)程中，氯與有機(jī)氮類(lèi)化合物反應(yīng)生成有機(jī)氯胺，導(dǎo)致有機(jī)氮含量降低[14-15]。而在污水處理廠氯消毒工藝后未見(jiàn)有機(jī)氮顯著降低，原因在于氯與再生水接觸時(shí)間較短，未及時(shí)與有機(jī)氮發(fā)生反應(yīng)。而在補(bǔ)水和管道輸送過(guò)程，再生水與氯消毒劑的水力擾動(dòng)和接觸時(shí)間增加，加速了有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化。而在補(bǔ)水過(guò)程有機(jī)氮升高可能存在外源污染物的匯入。

(a)A河流

(b)B河流圖5 再生水補(bǔ)水過(guò)程有機(jī)氮變化規(guī)律

2.3 TP變化規(guī)律

磷是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要元素之一，關(guān)注再生水補(bǔ)水過(guò)程中磷的變化，可有效抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生。圖6為再生水補(bǔ)給過(guò)程TP沿程變化，由圖可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)氯消毒，TP呈略微降低的趨勢(shì)，由0.34 mg/L降到0.32mg/L。在管道輸送過(guò)程中，TP升高至0.36 mg/L，整體變化較小。隨著補(bǔ)水路程的增加，A河流TP呈上升趨勢(shì)，而B(niǎo)河流TP呈降低趨勢(shì)。

根據(jù)李兆欣等[16]、顧永剛等[17]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，再生水在作為河流補(bǔ)水的過(guò)程中，TP呈下降趨勢(shì)；而范麗龑[18]等研究發(fā)現(xiàn)：TP在管道中變化不大，這與本研究結(jié)果是一致的。姜登嶺等[19]在研究管網(wǎng)水中微生物可利用的磷(MAP)時(shí)發(fā)現(xiàn)，水中MAP質(zhì)量濃度在管網(wǎng)運(yùn)輸過(guò)程中基本保持不變，認(rèn)為MAP在管網(wǎng)中只能被水中細(xì)菌所利用，沒(méi)有其他的代謝途徑，而微生物利用只能夠引起MAP的微量變化，所以再生水管網(wǎng)中的MAP質(zhì)量濃度基本保持不變。A河流是位于公園內(nèi)的人工河流，底泥含量少，微生物較少，磷利用率低。而B(niǎo)河流位于居民區(qū)附近，環(huán)境復(fù)雜，河流底泥豐富，導(dǎo)致較多的微生物利用磷，導(dǎo)致TP明顯降低。

(a)A河流

(b)B河流圖6 再生水補(bǔ)水過(guò)程TP變化規(guī)律

2.4 自由余氯和氯胺變化規(guī)律

自由余氯的變化和氯胺的變化關(guān)系到水質(zhì)變化和水質(zhì)安全，圖7為再生水補(bǔ)給過(guò)程自由余氯和氯胺的沿程變化，由圖7(a)可知，經(jīng)過(guò)氯消毒后再生水中的自由余氯顯著增加，由0.02 mg/L增加到2.75 mg/L左右。在管道傳輸過(guò)程中，自由余氯衰減到2.25 mg/L左右。在河流補(bǔ)水過(guò)程中，兩條河流自由余氯的變化規(guī)律相同，隨著補(bǔ)水路程的增加，自由余氯呈快速衰減的趨勢(shì)，在兩條河流的第二斷面自由余氯的含量分別在0.5～1.3 mg/L和0.3～1.25 mg/L之間，是污水處理廠再生水出水自由余氯質(zhì)量濃度的1/3左右。

氯消毒后的再生水中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，即水體中的氨氮和有機(jī)氮與氯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(見(jiàn)式(1)～(3))，生成一氯胺、二氯胺和三氯胺等氯胺類(lèi)化合物[13]。圖7(b)為再生水補(bǔ)給過(guò)程氯胺沿程變化趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)氯消毒后氯胺的質(zhì)量濃度顯著增加，并在補(bǔ)水過(guò)程中發(fā)生衰減。消毒前氯胺的含量為0.02～0.1 mg/L之間，經(jīng)過(guò)氯消毒后氯胺質(zhì)量濃度增加到0.1～1.5 mg/L之間。在管道輸送到A河流補(bǔ)水點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)氯胺呈上升趨勢(shì)，證明管道內(nèi)發(fā)生了氯胺的生成，其最大生成量為1.5 mg/L。在A河流補(bǔ)水過(guò)程中，氯胺呈衰減趨勢(shì)，表明在河流內(nèi)氯胺的分解速度大于氯胺的生成速率。而在B河流補(bǔ)水點(diǎn)處，氯胺的質(zhì)量濃度為0.6 mg/L左右，而B(niǎo)河流第二斷面氯胺的質(zhì)量濃度先升高后降低，表明在第一斷面存在足夠的余氯與氨氮及有機(jī)氮發(fā)生反應(yīng)生成氯胺，而在第二斷面發(fā)生分解(見(jiàn)式(4)～(7))。

(a)自由余氯

(b)氯胺圖7 再生水補(bǔ)水過(guò)程自由余氯和氯胺變化規(guī)律

3 結(jié)語(yǔ)

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