再生水回用于社區(qū)景觀水體的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)與成本分析

王力玉，秦華鵬，王 波，李旭寧

(1.北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 深圳 518055; 2.北京大學(xué)深圳研究生院城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055; 3.深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518057)

再生水回用于景觀水體具有廣闊的應(yīng)用前景。再生水主要來源于集中式再生水廠或分散式、小型再生水處理系統(tǒng)。對(duì)于城市公園等大型景觀水體，一般采用集中式再生水回用于景觀水體的模式。集中式再生水廠在管理上具有可靠性和高效性，可以更好地對(duì)再生水處理過程進(jìn)行控制;其缺點(diǎn)是占地面積大，且在管網(wǎng)的布設(shè)上費(fèi)用高昂[1]。在這種模式下，再生水系統(tǒng)與景觀水系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)行的。國內(nèi)外學(xué)者分別針對(duì)景觀水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)和再生水處理能力兩方面開展了研究。錢靖華等[2-3]研究了不同再生水水質(zhì)對(duì)景觀水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的影響;吳文雯等[4]提出，根據(jù)氣溫變化改變景觀水體換水周期可以加強(qiáng)對(duì)景觀水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的控制；而李暢等[5]通過換水實(shí)驗(yàn)和模型模擬，分析了水質(zhì)和換水周期對(duì)富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的影響。在再生水的處理能力方面，從20世紀(jì)90年代開始，污水再生研究就已啟動(dòng)，并取得了較好成效[6];劉杰等[7]通過對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠用地、運(yùn)行及建設(shè)費(fèi)用的研究，分析了占地面積、運(yùn)行及建設(shè)費(fèi)用與處理規(guī)模之間的關(guān)系。

對(duì)于社區(qū)的小型水體，由于其用水量少且分散，可通過分散式污水處理后就地回用[8]。在這種模式下，再生水系統(tǒng)與景觀水體系統(tǒng)是聯(lián)合運(yùn)行的，而且運(yùn)行費(fèi)用一般由相應(yīng)的社區(qū)承擔(dān)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要統(tǒng)籌考慮運(yùn)行費(fèi)用、占地面積、富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)等問題，但目前還缺少相應(yīng)的研究。

筆者以北京大學(xué)深圳研究生院內(nèi)的再生水與景觀水體系統(tǒng)為例，擬通過對(duì)換水控制實(shí)驗(yàn)和水體富營養(yǎng)化模擬，并結(jié)合再生水處理成本分析，建立該系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用、占地面積與水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系曲線。

1 研究方法

北京大學(xué)深圳研究生院校園內(nèi)擬建一個(gè)深1m，體積600 m3的景觀湖。并將校內(nèi)學(xué)生宿舍的生活污水處理后作為景觀湖的換水水源。根據(jù)深圳大學(xué)城北京大學(xué)校區(qū)物業(yè)水表統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，目前北京大學(xué)深圳研究生院學(xué)生宿舍污水量平均為800 m3/d。污水處理設(shè)施為校園內(nèi)待改建的人工快速滲濾系統(tǒng)。

研究方法主要包括再生水換水控制實(shí)驗(yàn)、景觀水體富營養(yǎng)化模擬和再生水處理成本分析，在成本分析中還包括對(duì)再生水處理費(fèi)用及設(shè)施的占地面積分析。

1.1 再生水換水控制實(shí)驗(yàn)

再生水換水控制實(shí)驗(yàn)于2008年9月和2009年5月在北京大學(xué)深圳研究生院校園內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置主要由人工快速滲濾系統(tǒng)(CRI)、流量調(diào)節(jié)池、實(shí)驗(yàn)池(1m×1m×1m)3部分組成。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)池內(nèi)的水體進(jìn)行可控的連續(xù)換水實(shí)驗(yàn)，研究再生水水質(zhì)、換水周期對(duì)實(shí)驗(yàn)池水體中Chl-a濃度、DO和水溫等指標(biāo)的影響[5]。再生水換水控制實(shí)驗(yàn)也為景觀水體富營養(yǎng)化模型的參數(shù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)。

1.2 景觀水體富營養(yǎng)模型

模型主要的外界輸入條件有:水質(zhì)、換水周期、光照輻射、風(fēng)速、水溫以及雨強(qiáng)等，其中主要變量為水質(zhì)和換水周期，這是由于本研究針對(duì)的是特定的景觀水體，在確定水深及相同的氣候條件下，通過對(duì)富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的控制找到合適的處理工藝以及出水水質(zhì)和水量的相關(guān)性。

利用再生水換水控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)WASP富營養(yǎng)化過程模型進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證。主要特征參數(shù)的率定結(jié)果分別為：浮游植物20℃最大生長速率3.2 d-1、浮游植物非撲食性死亡速率常數(shù)0.4 d-1、浮游植物氮攝入的半飽和常數(shù)0.05 mg/L、浮游植物磷攝入的半飽和常數(shù)0.5 mg/L、浮游植物20℃內(nèi)源呼吸速率常數(shù)0.125 d-1。驗(yàn)證結(jié)果表明，擬合度較好，模型可用于進(jìn)行中水回用于城市景觀水體富營養(yǎng)化過程的情景分析[5]。

1.3 再生水處理成本分析

再生水處理成本考慮污水處理設(shè)施的建設(shè)成本和運(yùn)行成本，還包括設(shè)施的占地面積。建設(shè)費(fèi)用一般包括:征地費(fèi)、設(shè)備購置費(fèi)、建筑工程費(fèi)、安裝工程費(fèi)和預(yù)備費(fèi)用等[7]。運(yùn)行成本包括:人員工資及附加費(fèi)、材料費(fèi)、水電費(fèi)、折舊費(fèi)、管道維護(hù)費(fèi)、設(shè)備維修費(fèi)、化驗(yàn)費(fèi)、污泥運(yùn)費(fèi)、管理費(fèi)、財(cái)務(wù)費(fèi)、車間費(fèi)及其他費(fèi)用等[10]?？偼顿Y額與工藝類型、工藝復(fù)雜程度、構(gòu)筑物多少和工藝設(shè)備成本相關(guān)。占地面積與再生水的處理工藝、處理規(guī)模及出水水質(zhì)相關(guān)。

在研究案例中，污水處理設(shè)施為校園內(nèi)待改建的人工快速滲濾系統(tǒng)。因此，本研究基于人工快速滲濾系統(tǒng)實(shí)例、相關(guān)專利和文獻(xiàn)[11-12]，估算不同再生水補(bǔ)水規(guī)模下的處理費(fèi)用和占地面積。例如，當(dāng)處理規(guī)模分別為75 m3/d、300 m3/d和600 m3/d時(shí)，出水達(dá)到GB/T18921-2002《景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的單位處理費(fèi)用分別為0.84元/m3、0.66元/m3、0.50元/m3;單位占地面積分別為1.67 m2/m3、1.50 m2/m3、1.47 m2/m3。

2 研究結(jié)果

2.1 再生水水質(zhì)、換水周期與水體富營養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系

研究表明:富營養(yǎng)化發(fā)生條件為充足的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，緩慢的水流狀態(tài)及適宜的溫度條件等[13]。王鶴立等[14]綜合考慮安全性與技術(shù)可行性，建議當(dāng)再生水回用于人工景觀水體時(shí)，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)相應(yīng)提高，如ρ(TP)應(yīng)控制在0.2～0.5 mg/L，ρ(NH3-N)應(yīng)控制在1～3 mg/L，ρ(BOD)應(yīng)控制在6～10 mg/L；夏季要求較為嚴(yán)格，而冬季可以適當(dāng)放寬。

根據(jù)以上的研究，本研究選取以下水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的控制指標(biāo)(表1)。

表1 兩種水質(zhì)控制指標(biāo)(選摘) mg/L

水動(dòng)力條件按照GB/T 18919—2002《城市污水再生利用—景觀環(huán)境用水水質(zhì)》設(shè)定為低進(jìn)高出，景觀水體內(nèi)部均勻穩(wěn)定換水，水力停留時(shí)間分別選取1 d，2 d，…，8 d進(jìn)行模擬。以深圳典型的夏季氣候作為氣象參數(shù)的輸入條件(表2)。

表2 深圳地區(qū)典型夏季氣候氣象參數(shù)

Chl-a 濃度大小標(biāo)志水體中藻類生物量的大小，Chl-a 濃度越高，水體的富營養(yǎng)化程度越高，水華風(fēng)險(xiǎn)越大[15]，因此選擇Chl-a濃度作為景觀水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的主要表征因素。將水質(zhì)、換水周期及氣象條件分別對(duì)應(yīng)輸入到WASP富營養(yǎng)化模型中進(jìn)行模擬，得到再生水水質(zhì)、換水周期與景觀水體Chl-a峰值質(zhì)量濃度的關(guān)系，見圖1。

圖1 不同水質(zhì)、換水周期情況下，Chl-a峰值質(zhì)量濃度變化

圖1表明，在相同的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下，隨著換水周期的增大，Chl-a質(zhì)量濃度逐漸升高，即富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)有逐漸增加的趨勢;在相同的換水周期下，提高再生水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，Chl-a的濃度相應(yīng)降低，即富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)有減小的趨勢。

2.2 處理費(fèi)用、占地面積與水體富營養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系

綜合富營養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)和再生水處理成本分析，得到人工快滲處理工藝在不同水質(zhì)條件下Chl-a峰值質(zhì)量濃度與污水日處理費(fèi)用及占地面積的關(guān)系，見圖2。

圖2 不同水質(zhì)條件下，Chl-a峰值質(zhì)量濃度與污水日處理費(fèi)用及占地面積關(guān)系

由圖2可知，在特定的再生水水質(zhì)條件下，隨著再生水處理成本的增加(亦即處理規(guī)模的增大、換水頻率加快)，Chl-a的濃度逐漸降低。其中，當(dāng)再生水水質(zhì)達(dá)到景觀用水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，Chl-a的濃度隨處理費(fèi)用增加幾乎呈線性減少;而當(dāng)再生水水質(zhì)達(dá)到地表Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，Chl-a的濃度隨處理費(fèi)用增加呈明顯非線性減少，且當(dāng)處理費(fèi)用為50～250元/d時(shí)，增大處理規(guī)模對(duì)Chl-a濃度下降的影響更顯著。

此外，隨著人工快滲占地面積的逐漸增大，處理成本也逐漸增加。在相同的處理規(guī)模下，再生水水質(zhì)越好，Chl-a濃度就越低；但隨著出水水質(zhì)的提高，日處理費(fèi)用逐漸增加，對(duì)土地的需求也逐漸增大。

3 討 論

受土地面積的限制，擬建的景觀湖要求污水處理設(shè)施的面積小于500 m2，預(yù)算的日污水處理成本約為200元，人工快滲系統(tǒng)規(guī)模根據(jù)研究區(qū)域的污水日產(chǎn)生量設(shè)計(jì)(不大于800 m3)。以下從控制富營養(yǎng)化、成本及占地面積等3方面進(jìn)行景觀湖的設(shè)計(jì)分析。

a. 控制富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)分析。假設(shè)Chl-a質(zhì)量濃度設(shè)定值為20μg/L，由圖2可知，當(dāng)再生水水質(zhì)滿足地表Ⅴ類水、景觀環(huán)境用水兩種水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的最小的處理成本分別為166元/d和300元/d，最小的占地面積分別為38 0m2、880 m2。

b. 成本控制分析。由圖2可知，再生水水質(zhì)滿足地表Ⅴ類水、景觀環(huán)境用水兩種水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的最小的Chl-a質(zhì)量濃度分別為16.1μg/L和30.6μg/L。在滿足成本控制的前提下，再生水水質(zhì)為景觀環(huán)境用水標(biāo)準(zhǔn)條件下的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)最大。

c. 占地面積控制分析。根據(jù)實(shí)際情況，污水處理設(shè)施的占地面積應(yīng)不大于500 m2，再生水水質(zhì)滿足地表Ⅴ類水、景觀環(huán)境用水兩種水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)對(duì)應(yīng)的處理量應(yīng)分別小于240 m3/d和300 m3/d。

綜合富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)、處理成本及占地面積的限制，可得到以下設(shè)計(jì)方案:①再生水水質(zhì)達(dá)到地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，處理規(guī)模為200 m3/d，處理費(fèi)用為166元/d，景觀水體換水周期為3d，Chl-a質(zhì)量濃度為19.7 μg/L;② 再生水水質(zhì)達(dá)到地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，處理規(guī)模為240 m3/d，處理費(fèi)用為197元/d，景觀水體換水周期為2.5 d，Chl-a質(zhì)量濃度為16.1μg/L等，決策者可以根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

該研究方法可同樣應(yīng)用于其他再生水處理工藝(如人工濕地、MBR、氧化溝和A2/O等)與社區(qū)景觀水體系統(tǒng)，進(jìn)而得到不同再生水處理工藝、出水水質(zhì)和換水周期下，再生水處理成本與景觀水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系，為決策者選擇提供科學(xué)依據(jù)。此外，由于水體的富營養(yǎng)化還受底質(zhì)、水體生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等因素影響，對(duì)景觀水體的富營養(yǎng)化控制還可以通過對(duì)已經(jīng)進(jìn)入景觀系統(tǒng)的水體采取進(jìn)一步的凈化措施[16]，如曝氣充氧法、物化法(如混凝—沉淀法、過濾法、加藥氣浮法)、生化處理法(如生物接觸氧化法)等;還可以通過建立完善的生態(tài)系統(tǒng)，增加景觀水體的自凈能力，從而降低富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。本研究尚未考慮這些措施的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮將再生水水質(zhì)、換水控制與這些措施相結(jié)合。

4 結(jié) 語

以深圳大學(xué)城北京大學(xué)校區(qū)的再生水與景觀水體系統(tǒng)為例，通過再生水換水控制實(shí)驗(yàn)和富營養(yǎng)化模型模擬結(jié)果，建立了再生水水質(zhì)、換水周期與景觀水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系;結(jié)合再生水處理成本分析，建立了該系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用、占地面積與水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系曲線，根據(jù)對(duì)富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)與處理成本的控制需要及工程實(shí)地情況，找到滿足實(shí)際條件的合理的水質(zhì)、水量組合。研究提出了一種社區(qū)再生水回用于景觀水體在控制成本和富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)前提下尋求合適處理工藝與水質(zhì)、水量組合的方法。該方法為社區(qū)景觀水體設(shè)計(jì)與維護(hù)中權(quán)衡再生水處理成本與景觀水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的矛盾提供了科學(xué)依據(jù)。

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