營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和藻類(lèi)在再生水制取及景觀水體補(bǔ)給中的變化

王 怡，郭曉瑜，趙 超

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

目前，在我國(guó)北方缺水地區(qū)，再生水補(bǔ)給景觀水體是其回用的一個(gè)重要方向[1].但是，再生水回用于景觀水體時(shí)存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[2]，特別是夏季富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)成為景觀回用的最大障礙.大量研究表明，氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是水體發(fā)生富營(yíng)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(zhì)》(GB/T 18921-2002)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)氮磷濃度限值提出了明確的要求，但對(duì)浮游藻類(lèi)并未關(guān)注.本研究通過(guò)對(duì)西安某再生水廠處理單元中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及藻類(lèi)濃度的沿程變化，以滿足景觀回用的再生水為模擬景觀補(bǔ)給水進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)，并著重分析了營(yíng)養(yǎng)物及藻類(lèi)在夏季的演變規(guī)律.該研究首次揭示了污水深度處理過(guò)程以及再生水景觀回用中浮游藻類(lèi)的演變規(guī)律及其氮磷營(yíng)養(yǎng)物濃度的變化，對(duì)我國(guó)再生水制取工藝優(yōu)化以及再生水景觀回用水質(zhì)控制均具有一定的意義.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水源

試驗(yàn)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(jí)處理出水為進(jìn)水，經(jīng)過(guò)預(yù)氯化、絮凝-沉淀、過(guò)濾和消毒工藝處理單元制取再生水，再生水廠出水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示，試驗(yàn)環(huán)境氣溫為28 ± 4 ℃.

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

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及水樣采集

本研究分兩部分.第一部分通過(guò)再生水制取過(guò)程中水質(zhì)的沿程監(jiān)測(cè)，分析營(yíng)養(yǎng)物及浮游藻類(lèi)在再生水制取過(guò)程中的演變.該試驗(yàn)于2016年7月到8月進(jìn)行，水樣依次在再生水水廠的進(jìn)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(gè)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(bǔ)給水，通過(guò)連續(xù)靜態(tài)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)模擬景觀水體中營(yíng)養(yǎng)物及浮游藻類(lèi)隨時(shí)間的變化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)裝置為一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的再生水，并置于并置于戶外環(huán)境模擬景觀水體.試驗(yàn)進(jìn)行12 d，每隔2 d采集一次水樣用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)，定期加入同樣質(zhì)量的再生水以補(bǔ)充蒸發(fā)導(dǎo)致的水量損失使模擬系統(tǒng)水量穩(wěn)定.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

表2 測(cè)定項(xiàng)目及方法Tab.2 Parameters and methods of water quality

2 結(jié)果與討論

2.1 再生水制取過(guò)程中水質(zhì)的沿程變化

2.1.1 再生水制取過(guò)程中氮磷的沿程變化

圖1所示為再生水制取過(guò)程中氮磷濃度的沿程變化.

圖1 再生水制取過(guò)程中氮磷濃度的沿程變化(n=3，試驗(yàn)重復(fù)次數(shù))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(guò)程中藻類(lèi)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(zhì)中未被納入的指標(biāo)，因此，也是長(zhǎng)期被忽視的指標(biāo)，圖2所示為再生水制取過(guò)程中藻密度和葉綠素a的沿程變化.

圖2 再生水制取過(guò)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(guò)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(jìn)入再生水處理系統(tǒng)的藻密度均值為2.68×104cells/mL，經(jīng)過(guò)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(shí)，葉綠素a濃度在進(jìn)水中均值為45.75 μg/L，經(jīng)過(guò)絮凝-沉淀后下降至10.21 μg/L，降低77.68 %.此后，過(guò)濾和消毒工藝對(duì)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(guó)家頒布的《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921-2002)標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)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(jīng)合組織)提出若水體中葉綠素a濃度>8 μg/L時(shí)即為富營(yíng)養(yǎng)化[7].因此，當(dāng)將含有一定量的藻細(xì)胞的再生水作為景觀水體的水源時(shí)，這無(wú)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(bǔ)充景觀水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn).

2.1.3 再生水制取過(guò)程中藻密度、葉綠素a和氮磷濃度的相關(guān)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的相關(guān)性r的結(jié)果.

表2 再生水制取過(guò)程中藻密度、葉綠素a和氮磷濃度的相關(guān)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(guān)，“-”表示負(fù)相關(guān)

2.2 模擬再生水回用于景觀水中水質(zhì)的歷時(shí)變化

2.2.1 模擬景觀水中氮磷濃度的歷時(shí)變化

圖3 再生水為補(bǔ)給水的模擬景觀水中氮磷濃度的歷時(shí)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(lèi)的演變

(1)藻細(xì)胞密度和葉綠素a的歷時(shí)變化

模擬景觀水中藻細(xì)胞密度及葉綠素a濃度隨時(shí)間的變化如圖4所示，試驗(yàn)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(bǔ)給的模擬景觀水中藻細(xì)胞生長(zhǎng)曲線和葉綠素a濃度變化趨勢(shì)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(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，但區(qū)別在于藻密度在第4 d達(dá)最大值8.08×105cells/mL而葉綠素a在第6 d達(dá)最大值81.73 μg/L，達(dá)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(bǔ)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(jié)合圖3氮磷濃度的變化，可認(rèn)為，在模擬景觀水中氮磷濃度大幅下降的前4 d，也是藻細(xì)胞密度迅速增長(zhǎng)的時(shí)期，說(shuō)明藻類(lèi)的大量生長(zhǎng)繁殖將導(dǎo)致水中氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗，所以可將氮磷在短期內(nèi)快速下降的現(xiàn)象作為再生水景觀回用藻華爆發(fā)的預(yù)警參考.但是，藻密度和葉綠素a的最大值對(duì)應(yīng)時(shí)間并非一致，前者出現(xiàn)在第4d后者出現(xiàn)在第6 d，說(shuō)明水中葉綠素a濃度與藻密度可能存在時(shí)差，杜勝藍(lán)[11]和王偉[12]對(duì)浮游植物生物量和葉綠素a的相關(guān)性研究結(jié)果表明當(dāng)水體中優(yōu)勢(shì)藻種發(fā)生明顯變化時(shí)二者相關(guān)性不顯著甚至不相關(guān).

因此，即使是完全達(dá)標(biāo)的再生水補(bǔ)充入景觀水體，在炎熱的夏季，4 d的停留時(shí)間將可能導(dǎo)致水體嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化，即使這時(shí)水中氮磷濃度相對(duì)原水更低.國(guó)家頒布的《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 18921-2002)中規(guī)定，當(dāng)完全使用再生水作為景觀湖泊類(lèi)類(lèi)水體的補(bǔ)充水且水溫超過(guò)25 ℃時(shí)，其靜止停留時(shí)間不宜超過(guò)3 d.本試驗(yàn)證明，在炎熱夏季，再生水回用于封閉的或流動(dòng)性較差的景觀水體后停留時(shí)間不宜多于3 d.

圖4 再生水為補(bǔ)給水的模擬景觀水中藻密度和葉綠素a的歷時(shí)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(shì)藻種相對(duì)豐度歷時(shí)變化

圖5所示為模擬景觀水中優(yōu)勢(shì)藻種相對(duì)豐度的歷時(shí)變化.從圖5可以看出，模擬景觀水中優(yōu)勢(shì)藻種相對(duì)單一，且相對(duì)豐度隨再生水停留時(shí)間而存在一定差異.原始再生水幾乎全部為綠藻門(mén)的小球藻；4 d后，小球藻、新月藻(綠藻門(mén))和囊裸藻(裸藻門(mén))的相對(duì)豐度分別為61%、17%和15%，小球藻的優(yōu)勢(shì)略有下降并持續(xù)到第8 d；12 d后，盡管藻細(xì)胞數(shù)目大幅減少但仍有新的節(jié)旋藻屬(藍(lán)藻門(mén))出現(xiàn).總之，以再生水為補(bǔ)給的模擬景觀水中，雖然出現(xiàn)了不同藻種的交替更新，但是優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)繁殖速度快、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)的生理優(yōu)勢(shì)有關(guān)[13-14].

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

3 結(jié)論

(1)再生水制取過(guò)程中，絮凝-沉淀過(guò)程對(duì)進(jìn)水中的無(wú)機(jī)氮磷、藻密度和葉綠素a去除發(fā)揮著主要作用，其對(duì)進(jìn)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(shù)量級(jí)為103而葉綠素a的平均濃度低于8 μg/L.

(3)本試驗(yàn)證明，在炎熱夏季，應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行靜止停留時(shí)間不宜超過(guò)3天的標(biāo)準(zhǔn)要求.

(4)以再生水為補(bǔ)充水的景觀水中，盡管藻類(lèi)隨時(shí)間出現(xiàn)交替更新，但是優(yōu)勢(shì)藻基本為小球藻，因此，以城市污水廠二級(jí)出水制取的再生水為景觀水體補(bǔ)給水時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)防止綠藻尤其是小球藻的過(guò)度生長(zhǎng)繁殖.

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