王 怡，郭曉瑜，趙 超

(1.西安建筑科技大學 環(huán)境與市政工程學院，陜西 西安 710055；2.西安清遠中水有限公司，陜西 西安 710055)

目前，在我國北方缺水地區(qū)，再生水補給景觀水體是其回用的一個重要方向[1].但是，再生水回用于景觀水體時存在的環(huán)境風險[2]，特別是夏季富營養(yǎng)化風險成為景觀回用的最大障礙.大量研究表明，氮磷營養(yǎng)物質是水體發(fā)生富營養(yǎng)化的最大誘因，因此，《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質》(GB/T 18921-2002)標準中對氮磷濃度限值提出了明確的要求，但對浮游藻類并未關注.本研究通過對西安某再生水廠處理單元中營養(yǎng)物質及藻類濃度的沿程變化，以滿足景觀回用的再生水為模擬景觀補給水進行了靜態(tài)試驗，并著重分析了營養(yǎng)物及藻類在夏季的演變規(guī)律.該研究首次揭示了污水深度處理過程以及再生水景觀回用中浮游藻類的演變規(guī)律及其氮磷營養(yǎng)物濃度的變化，對我國再生水制取工藝優(yōu)化以及再生水景觀回用水質控制均具有一定的意義.

1 材料與方法

1.1 試驗水源

試驗水源為西安市某再生水水廠，該水廠以西安市某城市污水處理廠二級處理出水為進水，經過預氯化、絮凝-沉淀、過濾和消毒工藝處理單元制取再生水，再生水廠出水水質指標如表1所示，試驗環(huán)境氣溫為28 ± 4 ℃.

表1 西安市某再生水廠出水水質Tab.1 Water quality of wastewater treatment and reuse plant in Xi′an mg/L

1.2 試驗設計及水樣采集

本研究分兩部分.第一部分通過再生水制取過程中水質的沿程監(jiān)測，分析營養(yǎng)物及浮游藻類在再生水制取過程中的演變.該試驗于2016年7月到8月進行，水樣依次在再生水水廠的進水口及斜板沉淀、砂濾池和氯化消毒池出水口于9:00～11:00 am之間采集，每個位置每次采集水樣2 L.第二部分以滿足景觀回用的再生水為模擬景觀水體補給水，通過連續(xù)靜態(tài)試驗，監(jiān)測模擬景觀水體中營養(yǎng)物及浮游藻類隨時間的變化規(guī)律.實驗裝置為一個四周遮光、直徑400 mm、高420 mm、體積為50 L的容器，向裝置中加入再生水處理廠滿足景觀回用標準的再生水，并置于并置于戶外環(huán)境模擬景觀水體.試驗進行12 d，每隔2 d采集一次水樣用于水質監(jiān)測，定期加入同樣質量的再生水以補充蒸發(fā)導致的水量損失使模擬系統(tǒng)水量穩(wěn)定.

1.3 測定項目及方法

表2 測定項目及方法Tab.2 Parameters and methods of water quality

2 結果與討論

2.1 再生水制取過程中水質的沿程變化

2.1.1 再生水制取過程中氮磷的沿程變化

圖1所示為再生水制取過程中氮磷濃度的沿程變化.

圖1 再生水制取過程中氮磷濃度的沿程變化(n=3，試驗重復次數)Fig.1 Change of nitrogen and phosphorus concentrations in the process of preparing reclaimed water(n=3)

2.1.2 再生水制取過程中藻類及葉綠素a的沿程變化

由于藻密度和葉綠素a是再生水景觀回用水質中未被納入的指標，因此，也是長期被忽視的指標，圖2所示為再生水制取過程中藻密度和葉綠素a的沿程變化.

圖2 再生水制取過程中藻密度和葉綠素a的變化(n=3)Fig.2 Changes of algal density and chlorophyll a in the process of preparing reclaimed water(n=3)

從圖2可以看出，再生水制取過程中，藻密度和葉綠素a濃度一直存在，且均沿程降低.首先，進入再生水處理系統(tǒng)的藻密度均值為2.68×104cells/mL，經過絮凝-沉淀后，藻密度均值下降至7.43×103cells/mL，降低了72.29 %.與此同時，葉綠素a濃度在進水中均值為45.75 μg/L，經過絮凝-沉淀后下降至10.21 μg/L，降低77.68 %.此后，過濾和消毒工藝對藻密度和葉綠素a濃度的降低幅度很小，最終的再生水出水中藻密度和葉綠素a濃度均值分別為4.44×103cells/mL和5.97μg/L.

目前，國家頒布的《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質》(GB/T 18921-2002)標準并未對再生水出水中的藻密度和葉綠素a濃度限值提出要求.但是，早在1982年，OECD(經合組織)提出若水體中葉綠素a濃度>8 μg/L時即為富營養(yǎng)化[7].因此，當將含有一定量的藻細胞的再生水作為景觀水體的水源時，這無異于為景觀水體接種了能夠耐受不良條件(比如消毒)的藻種，因而可能增大被補充景觀水體發(fā)生富營養(yǎng)化的風險.

2.1.3 再生水制取過程中藻密度、葉綠素a和氮磷濃度的相關性分析

表2所示為再生水處理單元中藻密度、葉綠素a和氮磷營養(yǎng)物質濃度的相關性r的結果.

表2 再生水制取過程中藻密度、葉綠素a和氮磷濃度的相關性Tab. 2 The correlation coefficient of algae density,chlorophyll a and nutrient concentrations during the process of preparing reclaimed water

注：“+”表示正相關，“-”表示負相關

2.2 模擬再生水回用于景觀水中水質的歷時變化

2.2.1 模擬景觀水中氮磷濃度的歷時變化

圖3 再生水為補給水的模擬景觀水中氮磷濃度的歷時變化(n=3)Fig.3 Variation of nitrogen and phosphorus concentrations in the simulated landscape water supplied with reclaimed water

2.2.2 模擬景觀水中藻類的演變

(1)藻細胞密度和葉綠素a的歷時變化

模擬景觀水中藻細胞密度及葉綠素a濃度隨時間的變化如圖4所示，試驗期間環(huán)境溫度為28～34 ℃，自然光照充分.從圖4可以看出，再生水補給的模擬景觀水中藻細胞生長曲線和葉綠素a濃度變化趨勢比較相似，即在前2 d，二者均維持了較低的濃度，第2 d到第4 d均出現爆發(fā)式增長，但區(qū)別在于藻密度在第4 d達最大值8.08×105cells/mL而葉綠素a在第6 d達最大值81.73 μg/L，達最大值后，兩者均快速衰減，第10 d后基本穩(wěn)定，但該穩(wěn)定值高于補充前2 d的穩(wěn)定值，其中藻密度和葉綠素a濃度分別為初始的27.76倍和5.10倍.結合圖3氮磷濃度的變化，可認為，在模擬景觀水中氮磷濃度大幅下降的前4 d，也是藻細胞密度迅速增長的時期，說明藻類的大量生長繁殖將導致水中氮磷營養(yǎng)物質的消耗，所以可將氮磷在短期內快速下降的現象作為再生水景觀回用藻華爆發(fā)的預警參考.但是，藻密度和葉綠素a的最大值對應時間并非一致，前者出現在第4d后者出現在第6 d，說明水中葉綠素a濃度與藻密度可能存在時差，杜勝藍[11]和王偉[12]對浮游植物生物量和葉綠素a的相關性研究結果表明當水體中優(yōu)勢藻種發(fā)生明顯變化時二者相關性不顯著甚至不相關.

因此，即使是完全達標的再生水補充入景觀水體，在炎熱的夏季，4 d的停留時間將可能導致水體嚴重的富營養(yǎng)化，即使這時水中氮磷濃度相對原水更低.國家頒布的《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質》標準(GB/T 18921-2002)中規(guī)定，當完全使用再生水作為景觀湖泊類類水體的補充水且水溫超過25 ℃時，其靜止停留時間不宜超過3 d.本試驗證明，在炎熱夏季，再生水回用于封閉的或流動性較差的景觀水體后停留時間不宜多于3 d.

圖4 再生水為補給水的模擬景觀水中藻密度和葉綠素a的歷時變化(n=3)Fig.4 Variation of algal density and chlorophyll a in the simulated landscape water supplied with reclaimed water

(2)優(yōu)勢藻種相對豐度歷時變化

圖5所示為模擬景觀水中優(yōu)勢藻種相對豐度的歷時變化.從圖5可以看出，模擬景觀水中優(yōu)勢藻種相對單一，且相對豐度隨再生水停留時間而存在一定差異.原始再生水幾乎全部為綠藻門的小球藻；4 d后，小球藻、新月藻(綠藻門)和囊裸藻(裸藻門)的相對豐度分別為61%、17%和15%，小球藻的優(yōu)勢略有下降并持續(xù)到第8 d；12 d后，盡管藻細胞數目大幅減少但仍有新的節(jié)旋藻屬(藍藻門)出現.總之，以再生水為補給的模擬景觀水中，雖然出現了不同藻種的交替更新，但是優(yōu)勢藻基本為小球藻，其原因之一在于再生水原水主要以小球藻為主，其二與小球藻自身生長繁殖速度快、適應環(huán)境能力強的生理優(yōu)勢有關[13-14].

圖5 再生水補給的模擬景觀水中優(yōu)勢藻種相對豐度歷時變化Fig.5 Variation of the relative abundance of dominant algae species in the simulated landscape water supplied with reclaimed water

3 結論

(1)再生水制取過程中，絮凝-沉淀過程對進水中的無機氮磷、藻密度和葉綠素a去除發(fā)揮著主要作用，其對進水中藻密度和葉綠素a的去除率分別為72.29%和77.68%，最終的再生水出水中藻密度數量級為103而葉綠素a的平均濃度低于8 μg/L.

(3)本試驗證明，在炎熱夏季，應該嚴格執(zhí)行靜止停留時間不宜超過3天的標準要求.

(4)以再生水為補充水的景觀水中，盡管藻類隨時間出現交替更新，但是優(yōu)勢藻基本為小球藻，因此，以城市污水廠二級出水制取的再生水為景觀水體補給水時，應重點防止綠藻尤其是小球藻的過度生長繁殖.

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