王 怡，郭晓瑜，赵 超

(1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安 710055；2.西安清远中水有限公司，陕西 西安 710055)

目前，在我国北方缺水地区，再生水补给景观水体是其回用的一个重要方向[1].但是，再生水回用于景观水体时存在的环境风险[2]，特别是夏季富营养化风险成为景观回用的最大障碍.大量研究表明，氮磷营养物质是水体发生富营养化的最大诱因，因此，《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)标准中对氮磷浓度限值提出了明确的要求，但对浮游藻类并未关注.本研究通过对西安某再生水厂处理单元中营养物质及藻类浓度的沿程变化，以满足景观回用的再生水为模拟景观补给水进行了静态试验，并着重分析了营养物及藻类在夏季的演变规律.该研究首次揭示了污水深度处理过程以及再生水景观回用中浮游藻类的演变规律及其氮磷营养物浓度的变化，对我国再生水制取工艺优化以及再生水景观回用水质控制均具有一定的意义.

1 材料与方法

1.1 试验水源

试验水源为西安市某再生水水厂，该水厂以西安市某城市污水处理厂二级处理出水为进水，经过预氯化、絮凝-沉淀、过滤和消毒工艺处理单元制取再生水，再生水厂出水水质指标如表1所示，试验环境气温为28 ± 4 ℃.

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

1.2 试验设计及水样采集

本研究分两部分.第一部分通过再生水制取过程中水质的沿程监测，分析营养物及浮游藻类在再生水制取过程中的演变.该试验于2016年7月到8月进行，水样依次在再生水水厂的进水口及斜板沉淀、砂滤池和氯化消毒池出水口于9:00～11:00 am之间采集，每个位置每次采集水样2 L.第二部分以满足景观回用的再生水为模拟景观水体补给水，通过连续静态试验，监测模拟景观水体中营养物及浮游藻类随时间的变化规律.实验装置为一个四周遮光、直径400 mm、高420 mm、体积为50 L的容器，向装置中加入再生水处理厂满足景观回用标准的再生水，并置于并置于户外环境模拟景观水体.试验进行12 d，每隔2 d采集一次水样用于水质监测，定期加入同样质量的再生水以补充蒸发导致的水量损失使模拟系统水量稳定.

1.3 测定项目及方法

表2 测定项目及方法Tab.2 Parameters and methods of water quality

2 结果与讨论

2.1 再生水制取过程中水质的沿程变化

2.1.1 再生水制取过程中氮磷的沿程变化

图1所示为再生水制取过程中氮磷浓度的沿程变化.

图1 再生水制取过程中氮磷浓度的沿程变化(n=3，试验重复次数)Fig.1 Change of nitrogen and phosphorus concentrations in the process of preparing reclaimed water(n=3)

2.1.2 再生水制取过程中藻类及叶绿素a的沿程变化

由于藻密度和叶绿素a是再生水景观回用水质中未被纳入的指标，因此，也是长期被忽视的指标，图2所示为再生水制取过程中藻密度和叶绿素a的沿程变化.

图2 再生水制取过程中藻密度和叶绿素a的变化(n=3)Fig.2 Changes of algal density and chlorophyll a in the process of preparing reclaimed water(n=3)

从图2可以看出，再生水制取过程中，藻密度和叶绿素a浓度一直存在，且均沿程降低.首先，进入再生水处理系统的藻密度均值为2.68×104cells/mL，经过絮凝-沉淀后，藻密度均值下降至7.43×103cells/mL，降低了72.29 %.与此同时，叶绿素a浓度在进水中均值为45.75 μg/L，经过絮凝-沉淀后下降至10.21 μg/L，降低77.68 %.此后，过滤和消毒工艺对藻密度和叶绿素a浓度的降低幅度很小，最终的再生水出水中藻密度和叶绿素a浓度均值分别为4.44×103cells/mL和5.97μg/L.

目前，国家颁布的《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)标准并未对再生水出水中的藻密度和叶绿素a浓度限值提出要求.但是，早在1982年，OECD(经合组织)提出若水体中叶绿素a浓度>8 μg/L时即为富营养化[7].因此，当将含有一定量的藻细胞的再生水作为景观水体的水源时，这无异于为景观水体接种了能够耐受不良条件(比如消毒)的藻种，因而可能增大被补充景观水体发生富营养化的风险.

2.1.3 再生水制取过程中藻密度、叶绿素a和氮磷浓度的相关性分析

表2所示为再生水处理单元中藻密度、叶绿素a和氮磷营养物质浓度的相关性r的结果.

表2 再生水制取过程中藻密度、叶绿素a和氮磷浓度的相关性Tab. 2 The correlation coefficient of algae density,chlorophyll a and nutrient concentrations during the process of preparing reclaimed water

注：“+”表示正相关，“-”表示负相关

2.2 模拟再生水回用于景观水中水质的历时变化

2.2.1 模拟景观水中氮磷浓度的历时变化

图3 再生水为补给水的模拟景观水中氮磷浓度的历时变化(n=3)Fig.3 Variation of nitrogen and phosphorus concentrations in the simulated landscape water supplied with reclaimed water

2.2.2 模拟景观水中藻类的演变

(1)藻细胞密度和叶绿素a的历时变化

模拟景观水中藻细胞密度及叶绿素a浓度随时间的变化如图4所示，试验期间环境温度为28～34 ℃，自然光照充分.从图4可以看出，再生水补给的模拟景观水中藻细胞生长曲线和叶绿素a浓度变化趋势比较相似，即在前2 d，二者均维持了较低的浓度，第2 d到第4 d均出现爆发式增长，但区别在于藻密度在第4 d达最大值8.08×105cells/mL而叶绿素a在第6 d达最大值81.73 μg/L，达最大值后，两者均快速衰减，第10 d后基本稳定，但该稳定值高于补充前2 d的稳定值，其中藻密度和叶绿素a浓度分别为初始的27.76倍和5.10倍.结合图3氮磷浓度的变化，可认为，在模拟景观水中氮磷浓度大幅下降的前4 d，也是藻细胞密度迅速增长的时期，说明藻类的大量生长繁殖将导致水中氮磷营养物质的消耗，所以可将氮磷在短期内快速下降的现象作为再生水景观回用藻华爆发的预警参考.但是，藻密度和叶绿素a的最大值对应时间并非一致，前者出现在第4d后者出现在第6 d，说明水中叶绿素a浓度与藻密度可能存在时差，杜胜蓝[11]和王伟[12]对浮游植物生物量和叶绿素a的相关性研究结果表明当水体中优势藻种发生明显变化时二者相关性不显著甚至不相关.

因此，即使是完全达标的再生水补充入景观水体，在炎热的夏季，4 d的停留时间将可能导致水体严重的富营养化，即使这时水中氮磷浓度相对原水更低.国家颁布的《城市污水再生利用景观环境用水水质》标准(GB/T 18921-2002)中规定，当完全使用再生水作为景观湖泊类类水体的补充水且水温超过25 ℃时，其静止停留时间不宜超过3 d.本试验证明，在炎热夏季，再生水回用于封闭的或流动性较差的景观水体后停留时间不宜多于3 d.

图4 再生水为补给水的模拟景观水中藻密度和叶绿素a的历时变化(n=3)Fig.4 Variation of algal density and chlorophyll a in the simulated landscape water supplied with reclaimed water

(2)优势藻种相对丰度历时变化

图5所示为模拟景观水中优势藻种相对丰度的历时变化.从图5可以看出，模拟景观水中优势藻种相对单一，且相对丰度随再生水停留时间而存在一定差异.原始再生水几乎全部为绿藻门的小球藻；4 d后，小球藻、新月藻(绿藻门)和囊裸藻(裸藻门)的相对丰度分别为61%、17%和15%，小球藻的优势略有下降并持续到第8 d；12 d后，尽管藻细胞数目大幅减少但仍有新的节旋藻属(蓝藻门)出现.总之，以再生水为补给的模拟景观水中，虽然出现了不同藻种的交替更新，但是优势藻基本为小球藻，其原因之一在于再生水原水主要以小球藻为主，其二与小球藻自身生长繁殖速度快、适应环境能力强的生理优势有关[13-14].

图5 再生水补给的模拟景观水中优势藻种相对丰度历时变化Fig.5 Variation of the relative abundance of dominant algae species in the simulated landscape water supplied with reclaimed water

3 结论

(1)再生水制取过程中，絮凝-沉淀过程对进水中的无机氮磷、藻密度和叶绿素a去除发挥着主要作用，其对进水中藻密度和叶绿素a的去除率分别为72.29%和77.68%，最终的再生水出水中藻密度数量级为103而叶绿素a的平均浓度低于8 μg/L.

(3)本试验证明，在炎热夏季，应该严格执行静止停留时间不宜超过3天的标准要求.

(4)以再生水为补充水的景观水中，尽管藻类随时间出现交替更新，但是优势藻基本为小球藻，因此，以城市污水厂二级出水制取的再生水为景观水体补给水时，应重点防止绿藻尤其是小球藻的过度生长繁殖.

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