中水回用對社區(qū)景觀水體葉綠素a變化的影響

李 暢,秦華鵬,*,Soon-Thiam Khu,王 波 (.北京大學(xué)深圳研究生院,環(huán)境與能源學(xué)院,城市與人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點實驗室,廣東 深圳 58055；.薩里大學(xué),土木工程與物理科學(xué)學(xué)院,GU 7XH, UK；.深港產(chǎn)學(xué)研基地環(huán)境技術(shù)中心,廣東 深圳 58057)

中水回用對社區(qū)景觀水體葉綠素a變化的影響

李 暢1,秦華鵬1,2*,Soon-Thiam Khu2,王 波3(1.北京大學(xué)深圳研究生院,環(huán)境與能源學(xué)院,城市與人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點實驗室,廣東 深圳 518055；2.薩里大學(xué),土木工程與物理科學(xué)學(xué)院,GU2 7XH, UK；3.深港產(chǎn)學(xué)研基地環(huán)境技術(shù)中心,廣東 深圳 518057)

由于中水的營養(yǎng)鹽含量較高,以中水為補水水源的社區(qū)景觀水體存在較大的水華暴發(fā)風(fēng)險.基于中水回用于景觀水體的換水控制實驗,建立了中水景觀水體的富營養(yǎng)化模型,模擬了連續(xù)換水時和終止換水后葉綠素a的變化過程,分析了中水水質(zhì)和換水周期對水體藻類生長的影響.結(jié)果表明,提高中水水質(zhì)可以降低水體的葉綠素a峰值;在連續(xù)換水期,隨著換水周期的縮短, 水體的葉綠素a峰值降低,并且從開始換水至達到峰值的時間增長;在連續(xù)換水期后終止換水,葉綠素a會重新達到峰值,并且原來的換水周期越短,水體的葉綠素a峰值反而越高,達到峰值所需時間越長.模型應(yīng)用可為中水回用于社區(qū)景觀水體的水量水質(zhì)設(shè)計與維護提供依據(jù).

中水回用；景觀水體；葉綠素a；控制實驗；WASP6

中水是指生活廢水經(jīng)過處理后,可在一定范圍內(nèi)重復(fù)使用的非飲用水.中水回用為社區(qū)景觀水體的補水提供了潛在水源.由于中水的水質(zhì)變化范圍較大,營養(yǎng)鹽本底值較高,加之景觀水體流動性較差,如果管理控制不利,易發(fā)生水華.為此,一些學(xué)者進行了有意義的探索和研究.Smeti等[1]以滿足景觀水體水質(zhì)和水量要求為目標(biāo), 研究了中水回用的水質(zhì)改善工藝和水量保證措施;司彥杰[2]采用優(yōu)化調(diào)度模型,在保證景觀水體功能的前提下對景觀水體的日常維護和管理費用進行了優(yōu)化;顏潤潤[3]通過實驗?zāi)M了不同風(fēng)浪強度、不同營養(yǎng)水平下銅綠微囊藻的生長速率,發(fā)現(xiàn)擾動可以改變由營養(yǎng)水平不同所引起的藻類生長差異.針對達到再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的中水,劉書宇等[4]通過靜態(tài)實驗研究了再生水體中的優(yōu)勢藻種、藻類演替規(guī)律及其與光照、水溫、氮磷營養(yǎng)、pH值等的關(guān)系;張毅敏[5]等提出了藻類生長可能存在臨界流速.以往的富營養(yǎng)化實驗主要以靜水或一定換水條件下的實驗為主,而對如何根據(jù)中水水質(zhì)變化范圍大的特點,通過換水調(diào)控來防止景觀水體水華暴發(fā)的研究還不夠深入.本研究將中水作為社區(qū)景觀水體的補給水源,通過換水控制實驗和數(shù)學(xué)模型,研究中水水質(zhì)、換水周期與水體葉綠素 a變化的關(guān)系,為中水回用于社區(qū)景觀水體的水量水質(zhì)設(shè)計與日常維護提供依據(jù).

1 實驗部分

1.1 填水

控制實驗的目的是為了掌握在不同中水水質(zhì)和換水周期條件下,景觀水體中浮游植物的生長趨勢,為模型的校準(zhǔn)和驗證提供數(shù)據(jù).實驗在北京大學(xué)深圳研究生院校園內(nèi)進行.本實驗裝置主要由人工快速滲濾系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)池、實驗池3個部分組成(圖1).

圖1 實驗裝置示意Fig.1 A general view of experiment system

實驗的中水來源于校園學(xué)生公寓的生活污水.經(jīng)過人工快速滲濾系統(tǒng)[6]處理后產(chǎn)生的中水被泵入流量調(diào)節(jié)池,池內(nèi)設(shè)一隔板將其分為大小2個隔室:大隔室作為主儲水室,對實驗池進行供水;小隔室為溢流室,排出溢流中水.實驗池用來模擬人工景觀水體,容積為 1m3,深 1m,池底鋪設(shè)0.5m底泥,其來源為建筑黃泥,初始營養(yǎng)物含量較少.實驗中同步進行了底泥營養(yǎng)元素釋放實驗,上覆水為蒸餾水,在控制實驗結(jié)束后測定發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)釋放量較小.

流量調(diào)節(jié)池可以為實驗池提供連續(xù)補水,中水以較慢的流速從下至上進入實驗池中部(圖1),換水過程對底泥上覆水?dāng)_動作用較弱,換水?dāng)_動作用導(dǎo)致底泥的磷源釋放不足以對實驗池水體中的磷元素水平造成實質(zhì)性影響.因此,在本次實驗和模擬過程中忽略換水?dāng)_動作用對底泥磷元素釋放的影響.實驗池的出水通過溢流方式從池側(cè)壁四周的溢流孔進入溢流槽,最后返回人工快速滲濾系統(tǒng)進行循環(huán)處理.換水周期和換水量通過流量閥控制.

在中水富營養(yǎng)化的模擬實驗中,對實驗池內(nèi)的水體進行連續(xù)換水并控制換水周期.實驗采用YSI 6600V2型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀在水體中進行原位測量,實時監(jiān)測水體中葉綠素 a含量、溶解氧和水溫.同時,在實驗池水面下 0.5m處和流量調(diào)節(jié)池內(nèi)定時取樣,以分別了解實驗池內(nèi)的水質(zhì)變化情況以及外界輸入的水質(zhì)情況.

取回的樣品用化學(xué)法測定氨氮,硝酸鹽氮,總氮,正磷酸鹽,總磷和 BOD5.氨氮,硝酸鹽氮和總氮分別采用氣相分子吸收光譜法HJ/T195-2005, HJ/T198-2005和 HJ/T199-2005進行測定;正磷酸鹽和總磷分別采用氯化亞錫還原分光光度法[7]和鉬銻抗分光光度法[8]進行測定;BOD5采用稀釋接種法[9]測定并近似代替模型中所使用的碳素生化需氧量[10].

1.2 富營養(yǎng)化模型

1.2.1 模型的選擇 由于水體富營養(yǎng)化演變過程具有復(fù)雜性和一定的偶發(fā)性,數(shù)學(xué)模型已成為研究富營養(yǎng)化問題的重要手段.本研究選用WASP6中的EUTRO富營養(yǎng)化模塊,并采用中等復(fù)雜程度的富營養(yǎng)化動力學(xué)選項(Intermediate Eutrophication Kinetics with Benthos).該模型的基本方程為對流擴散方程及特殊反應(yīng)過程中的各種動力學(xué)方程,能夠有效模擬氨氮、硝酸鹽氮、無機磷、浮游植物、碳素生化需氧量(CBOD)、溶解氧、有機氮和有機磷等 8個狀態(tài)變量[11]. WASP水質(zhì)模型的所有輸入數(shù)據(jù)(如模擬類型、時間步長、污染負(fù)荷、轉(zhuǎn)化系數(shù)、時間函數(shù)等)都可按照一定的邏輯格式輸入.該模型具有空間和時間尺度的靈活性.在大空間和時間尺度上,Lung等[12]利用WASP富營養(yǎng)化模塊對Pepin湖的葉綠素a濃度進行了為期3年的模擬,取得了比較好的效果;在小空間和時間尺度上,Hernandez等[13]進行了“微宇宙”戶外圍隔實驗,利用WASP的EUTRO模塊對圍隔水體進行了為期2周的控制實驗,在N、P的短期動態(tài)模擬上取得了比較好的效果;于順東等[14]利用Brandywine河的實測結(jié)果,證明了WASP 模型的有效性、實用性和可靠性,并研究了WASP 模型主要參數(shù)的靈敏性.綜上所述,WASP富營養(yǎng)化模型由于其狀態(tài)變量的全面性、數(shù)據(jù)輸入的規(guī)范性和在空間和時間尺度上的靈活性,適合于本次實驗的模擬需要.

1.2.2 模型校準(zhǔn)與驗證 實驗共進行2期,實驗1為2008年9月22日～9月29日,換水周期為5天;實驗2為2009年5月14日～5月22日,換水周期為3d. 實驗1、2的數(shù)據(jù)分別用來校準(zhǔn)和驗證模型.2期實驗的初始水質(zhì)基本穩(wěn)定,但是實驗2的水質(zhì)較差,特別是正磷酸鹽含量偏高,而葉綠素的初始濃度比實驗1略低(表1).

表1 富營養(yǎng)化實驗及情景分析的初始輸入Table 1 Initial inputs of eutrophication experiment and scenario analysis

模擬的時間步長為 50s,輸出步長為 14min.模擬區(qū)域分為實驗水體和底泥,模型主要的外界輸入條件有光照輻射、風(fēng)速、水溫以及降雨強度等,這些數(shù)據(jù)來源于北京大學(xué)深圳研究生院內(nèi)的氣象站.需要指出的是,在實驗1初期有臺風(fēng)和大幅降雨,而實驗2的天氣狀況較好.具體自然環(huán)境條件的變化范圍見表2.

利用實驗1的數(shù)據(jù)率定WASP富營養(yǎng)化模型的參數(shù),主要參數(shù)的率定結(jié)果為浮游植物20℃最大生長速率(d-1):3.2;浮游植物非撲食性死亡速率常數(shù)(d-1):0.4;浮游植物氮攝入的半飽和常數(shù)(mg/L): 0.05;浮游植物磷攝入的半飽和常數(shù)(mg/L):0.5;溶解態(tài)有機磷20℃礦化速率(d-1):0.1;浮游植物20℃內(nèi)源呼吸速率常數(shù)(d-1): 0.125.其中葉綠素a、溶解氧、總氮、正磷酸鹽、CBOD的測量值與模擬值的Pearson相關(guān)系數(shù)依次為0.94,0.90,0.75,0.43和 0.84.正磷酸鹽的模擬精度偏低可能是受到進水水 質(zhì)不穩(wěn)定和模型不確定性的影響.

表2 富營養(yǎng)化實驗的外界環(huán)境條件Table 2 Environmental conditions of eutrophication experiment

利用實驗2的數(shù)據(jù)對WASP富營養(yǎng)化模型進行驗證.葉綠素a、氨氮和正磷酸鹽的Pearson相關(guān)系數(shù)分別達到0.97,0.85,0.62.驗證結(jié)果如圖2所示.從驗證結(jié)果來看,擬合度較好,可用來進行不同中水水質(zhì)和換水周期情況下中水回用于社區(qū)景觀水體富營養(yǎng)化過程的情景分析.另外,2次實驗pH的變化范圍為6.8～9.1(表2),并且隨著葉綠素a的生消變化,實測pH均值逐漸升高,并和葉綠素a有較好的相關(guān)性,這與王志紅等報道的情況相似,pH值可以作為藻類增長的有效指示指標(biāo)[15].

圖2 測量值與模擬值對比Fig.2 Comparison between measured and calculated data

2 結(jié)果與分析

利用驗證后的模型進行中水富營養(yǎng)化的情景分析, 研究中水水質(zhì)、換水周期的變化對中水景觀水體富營養(yǎng)化過程的影響.由于葉綠素 a是浮游植物生物量和富營養(yǎng)化程度的重要指示指標(biāo)[16],情景分析將模擬較差水質(zhì)(與實驗水質(zhì)類似)和較好水質(zhì)(達到城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[17])2種中水水質(zhì)(水質(zhì)指標(biāo)如表1所示)在不同換水周期下葉綠素 a濃度的變化過程.

將整個模擬過程劃分為連續(xù)換水期和終止換水期兩部分,換水終止代表換水設(shè)備檢修或運行事故的發(fā)生.模擬的總天數(shù)為50d,前20d為連續(xù)換水期,設(shè)定的換水周期為不換水(靜水)、4d、2d和1d;后30d為終止換水期.外界輸入條件采用典型的華南地區(qū)夏季無降雨條件:水溫變化范圍為26～29℃,太陽輻射晝夜變化范圍為 0～9.41×104lux,風(fēng)速＜1m/s.利用富營養(yǎng)化模型模擬以上條件下水體葉綠素a的變化情況.模擬結(jié)果如圖3所示.

如圖3所示,在各種情景下,葉綠素a值隨一天之內(nèi)太陽輻射的日變化存在著晝夜的波動.并且在20d的連續(xù)換水期后的終止換水期,葉綠素a的濃度又會重新快速攀升.

在連續(xù)換水期,若中水水質(zhì)較差:靜水(不換水)、換水周期為4,2,1d情況時的葉綠素a的峰值分別為 295,224,177,115μg/L,其達到峰值的時間分別為4.48,4.48,5.47,7.46d[圖3(a)];若中水水質(zhì)較好:靜水(不換水)、換水周期為4,2,1d情況時的葉綠素a的峰值分別為199,155,121,77μg/L,其達到峰值的時間分別為 4.48,5.47,5.47,9.46d[圖 3(b)].

圖3 不同換水周期下的葉綠素a變化Fig.3 Chlorophyll-a variation under different water exchange cycles

在終止換水期,若中水水質(zhì)較差:原先換水周期為4,2,1d情況時的葉綠素a重新達到的峰值分別為 236,272,290μg/L,其重新達到峰值的時間(除去 20d的連續(xù)換水期)分別為 3.48,4.47, 4.48d[圖 3(a)];若水質(zhì)較好:原先換水周期為4,2,1d情況時的葉綠素a重新達到的峰值分別為156,183,195μg/L,其重新達到峰值的時間(除去20d的連續(xù)換水期)分別為 3.47,3.48,4.48d[圖 3(b)].

3 討論

從以上結(jié)果可知,中水在華南地區(qū)夏季的典型天氣條件下回用于社區(qū)景觀水體時,如不進行換水,葉綠素 a值將會在短時間內(nèi)(3～5d)迅速增長并有水華風(fēng)險.因此,必須通過改善水質(zhì)或換水來抑制水華的發(fā)生.利用中水對景觀水體進行換水時對葉綠素濃度存在2種效應(yīng):一是稀釋效應(yīng).由于中水中葉綠素 a濃度偏低,補水可以稀釋景觀水體中葉綠素a濃度; 二是氮、磷等營養(yǎng)鹽的補充效應(yīng),中水中營養(yǎng)鹽水平偏高,補水為景觀水體提供營養(yǎng)鹽,將促進藻類的生長,從而提高葉綠素a值.模擬結(jié)果表明,在連續(xù)換水期,隨著換水周期的縮短,葉綠素a峰值降低,并且到達峰值所需時間增加.這主要是因為連續(xù)換水帶來葉綠素 a的稀釋效應(yīng)大于了營養(yǎng)鹽的補充效應(yīng).該結(jié)果表明,在將中水回用于社區(qū)景觀水體時,可以通過縮短換水周期來降低葉綠素 a峰值并推遲峰值到達的時間,從而減小水華暴發(fā)風(fēng)險.

在終止換水期,隨著前期換水周期的縮短,葉綠素 a重新達到的峰值升高,并且到達峰值所需時間增加.這主要是因為在連續(xù)換水期,雖然換水周期越快,葉綠素a的平衡濃度越低,但營養(yǎng)鹽的補充效應(yīng)也越大,水體中營養(yǎng)鹽的平衡濃度越高.當(dāng)終止換水后,較低的葉綠素 a平衡濃度和較高的營養(yǎng)鹽平衡濃度使得葉綠素 a經(jīng)過較長時間后再次達到較高峰值.該結(jié)果表明,在將中水回用于社區(qū)景觀水體時,在連續(xù)換水期換水周期較短的條件下終止換水,水體暴發(fā)水華的風(fēng)險反而越大,這對景觀水體的換水設(shè)備提出了較高的要求.

另外,將圖 3(a)和圖 3(b)進行縱向?qū)Ρ瓤砂l(fā)現(xiàn),在換水周期相同時,隨著中水水質(zhì)的提高,富營養(yǎng)化過程中葉綠素 a的峰值有明顯降低.該結(jié)果表明,在將中水回用于社區(qū)景觀水體時,可以通過改善中水水質(zhì)來進一步降低水華暴發(fā)的風(fēng)險.

中水回用于社區(qū)景觀水體的富營養(yǎng)化過程受到中水水質(zhì),外界環(huán)境如浮游動物捕食,天氣條件如溫度,光照,降雨和風(fēng)等的綜合影響,機理十分復(fù)雜.對于水體水華暴發(fā)時的葉綠素 a限值在國內(nèi)外研究中還沒有明確的限定[18].在控制水華的過程中,應(yīng)將提高回用中水水質(zhì)和加快換水周期相配合.在確定水華暴發(fā)的葉綠素a限值之后,本模型可以為中水回用時水量水質(zhì)的過程控制與管理維護提供科學(xué)依據(jù).本次實驗和模擬過程未考慮換水?dāng)_動作用導(dǎo)致的底泥磷元素釋放,在中水回用于社區(qū)景觀水體的長期管理和維護過程中,應(yīng)根據(jù)底泥成分和換水方式考慮擾動作用對底泥磷源釋放的影響.

4 結(jié)論

4.1 基于中水回用于景觀水體換水控制實驗,建立了中水景觀水體的富營養(yǎng)化模型,模擬了連續(xù)換水時和終止換水后葉綠素a的變化過程,分析了中水水質(zhì)和換水周期對水體藻類生長的影響.

4.2 提高中水水質(zhì)可以降低水體的葉綠素a峰值,從而降低水華爆發(fā)的風(fēng)險.

4.3 在連續(xù)換水期, 縮短換水周期可以降低水體的葉綠素a峰值,并推遲峰值到來的時間.

4.4 在連續(xù)換水期后終止換水,葉綠素a會重新達到峰值,并且峰值的大小和到來的時間隨著之前換水周期的縮短相應(yīng)升高和增加.

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Influence of treated wastewater reuse on variation of chlorophyll-a in community landscape water body.

LI Chang1, QIN Hua-peng1,2*, Soon-Thiam Khu2, WANG Bo3(1.The Key Laboratory for Environmental and Urban Sciences, School of Environmental and Energy, Shenzhen Graduate School of Peking University, Shenzhen 518055, China；2.Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey, GU2 7XH, UK；3.Environmental Technology Center, Shenzhen-Hongkong Institution of Industry, Education and Research, Shenzhen 518057, China). China Environmental Science, 2010,30(10)：1338～1343

Treated wastewater provides potential water source for landscape water bodies in a community. However, these water bodies are at risk for developing algal blooms because of high nutrient levels of treated wastewater. Based on the data from water exchange experiment in an artificial landscape water body supplemented by treated wastewater, a eutrophication model was calibrated and validated. The model was furthermore applied to simulate chlorophyll-a variation in landscape water body during the period with continuous water exchange (period-1) and when water exchange was consequently suspended (period-2). Effects of treated wastewater quality and water exchange cycle on algae growth were analyzed. The results indicate that: improvement of treated wastewater quality may reduce the peak concentration of chlorophyll-a; in period-1, the shorter water exchange cycle period is, the lower peak concentration of chlorophyll-a the water body has, and the longer time it needs to reach the peak; in period-2, the concentrations of chlorophyll-a will reach peak again, however, the shorter water exchange cycle in period-1 is, the higher chlorophyll-a peak concentration the water body has, and the longer time it needs to reach the peak. The application of the model can provide support for design and daily maintenance of community landscape water body supplemented by treated wastewater.

treated wastewater reuse；landscape water body；chlorophyll-a；control experiment；WASP6

2010-02-22

European Community's Seventh Framework Programme under grant agreement(n°PIIF-GA-2008-220448);北京大學(xué)“院長基金”項目(2008012)

* 責(zé)任作者, 副教授, qinhp@szpku.edu.cn

X17

A

1000-6923(2010)10-1338-06

李 暢(1985-),男,湖北荊門人,北京大學(xué)深圳研究生院碩士研究生,主要從事水系統(tǒng)的綜合管理與富營養(yǎng)化建模研究.發(fā)表論文2篇.