再生水回用于社區(qū)景觀水體的富營養(yǎng)化風險與成本分析

王力玉，秦華鵬，王 波，李旭寧

(1.北京大學深圳研究生院環(huán)境與能源學院，廣東 深圳 518055; 2.北京大學深圳研究生院城市人居環(huán)境科學與技術重點實驗室，廣東 深圳 518055; 3.深圳市深港產(chǎn)學研環(huán)保工程技術股份有限公司，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，可以更好地對再生水處理過程進行控制;其缺點是占地面積大，且在管網(wǎng)的布設上費用高昂[1]。在這種模式下，再生水系統(tǒng)與景觀水系統(tǒng)是獨立運行的。國內(nèi)外學者分別針對景觀水體富營養(yǎng)化風險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)對景觀水體富營養(yǎng)化風險的影響;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對景觀水體富營養(yǎng)化風險的控制；而李暢等[5]通過換水實驗和模型模擬，分析了水質(zhì)和換水周期對富營養(yǎng)化風險的影響。在再生水的處理能力方面，從20世紀90年代開始，污水再生研究就已啟動，并取得了較好成效[6];劉杰等[7]通過對城鎮(zhèn)污水處理廠用地、運行及建設費用的研究，分析了占地面積、運行及建設費用與處理規(guī)模之間的關系。

對于社區(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)合運行的，而且運行費用一般由相應的社區(qū)承擔，在設計時需要統(tǒng)籌考慮運行費用、占地面積、富營養(yǎng)化風險等問題，但目前還缺少相應的研究。

筆者以北京大學深圳研究生院內(nèi)的再生水與景觀水體系統(tǒng)為例，擬通過對換水控制實驗和水體富營養(yǎng)化模擬，并結合再生水處理成本分析，建立該系統(tǒng)運行費用、占地面積與水體富營養(yǎng)化風險的關系曲線。

1 研究方法

北京大學深圳研究生院校園內(nèi)擬建一個深1m，體積600 m3的景觀湖。并將校內(nèi)學生宿舍的生活污水處理后作為景觀湖的換水水源。根據(jù)深圳大學城北京大學校區(qū)物業(yè)水表統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，目前北京大學深圳研究生院學生宿舍污水量平均為800 m3/d。污水處理設施為校園內(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驗、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再生水處理費用及設施的占地面積分析。

1.1 再生水換水控制實驗

再生水換水控制實驗于2008年9月和2009年5月在北京大學深圳研究生院校園內(nèi)進行，實驗裝置主要由人工快速滲濾系統(tǒng)(CRI)、流量調(diào)節(jié)池、實驗池(1m×1m×1m)3部分組成。通過對實驗池內(nèi)的水體進行可控的連續(xù)換水實驗，研究再生水水質(zhì)、換水周期對實驗池水體中Chl-a濃度、DO和水溫等指標的影響[5]。再生水換水控制實驗也為景觀水體富營養(yǎng)化模型的參數(shù)校準和驗證提供了數(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、風速、水溫以及雨強等，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，通過對富營養(yǎng)化風險的控制找到合適的處理工藝以及出水水質(zhì)和水量的相關性。

利用再生水換水控制實驗數(shù)據(jù)對WASP富營養(yǎng)化過程模型進行參數(shù)率定和驗證。主要特征參數(shù)的率定結果分別為：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。驗證結果表明，擬合度較好，模型可用于進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施的建設成本和運行成本，還包括設施的占地面積。建設費用一般包括:征地費、設備購置費、建筑工程費、安裝工程費和預備費用等[7]。運行成本包括:人員工資及附加費、材料費、水電費、折舊費、管道維護費、設備維修費、化驗費、污泥運費、管理費、財務費、車間費及其他費用等[10]。總投資額與工藝類型、工藝復雜程度、構筑物多少和工藝設備成本相關。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。

在研究案例中，污水處理設施為校園內(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)實例、相關專利和文獻[11-12]，估算不同再生水補水規(guī)模下的處理費用和占地面積。例如，當處理規(guī)模分別為75 m3/d、300 m3/d和600 m3/d時，出水達到GB/T18921-2002《景觀環(huán)境用水水質(zhì)標準》的單位處理費用分別為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 研究結果

2.1 再生水水質(zhì)、換水周期與水體富營養(yǎng)風險的關系

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可行性，建議當再生水回用于人工景觀水體時，水質(zhì)標準應相應提高，如ρ(TP)應控制在0.2～0.5 mg/L，ρ(NH3-N)應控制在1～3 mg/L，ρ(BOD)應控制在6～10 mg/L；夏季要求較為嚴格，而冬季可以適當放寬。

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

表1 兩種水質(zhì)控制指標(選摘) mg/L

水動力條件按照GB/T 18919—2002《城市污水再生利用—景觀環(huán)境用水水質(zhì)》設定為低進高出，景觀水體內(nèi)部均勻穩(wěn)定換水，水力停留時間分別選取1 d，2 d，…，8 d進行模擬。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，水華風險越大[15]，因此選擇Chl-a濃度作為景觀水體富營養(yǎng)化風險的主要表征因素。將水質(zhì)、換水周期及氣象條件分別對應輸入到WASP富營養(yǎng)化模型中進行模擬，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)標準下，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)化風險有逐漸增加的趨勢;在相同的換水周期下，提高再生水的水質(zhì)標準，Chl-a的濃度相應降低，即富營養(yǎng)化風險有減小的趨勢。

2.2 處理費用、占地面積與水體富營養(yǎng)風險的關系

綜合富營養(yǎng)風險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用及占地面積的關系，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用及占地面積關系

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，當再生水水質(zhì)達到景觀用水標準時，Chl-a的濃度隨處理費用增加幾乎呈線性減少;而當再生水水質(zhì)達到地表Ⅴ類水質(zhì)標準時，Chl-a的濃度隨處理費用增加呈明顯非線性減少，且當處理費用為50～250元/d時，增大處理規(guī)模對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，日處理費用逐漸增加，對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施的面積小于500 m2，預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)生量設計(不大于800 m3)。以下從控制富營養(yǎng)化、成本及占地面積等3方面進行景觀湖的設計分析。

a. 控制富營養(yǎng)化風險分析。假設Chl-a質(zhì)量濃度設定值為20μg/L，由圖2可知，當再生水水質(zhì)滿足地表Ⅴ類水、景觀環(huán)境用水兩種水質(zhì)標準時，對應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)標準時，對應的最小的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)境用水標準條件下的富營養(yǎng)化風險最大。

c. 占地面積控制分析。根據(jù)實際情況，污水處理設施的占地面積應不大于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)標準時對應的處理量應分別小于240 m3/d和300 m3/d。

綜合富營養(yǎng)化風險、處理成本及占地面積的限制，可得到以下設計方案:①再生水水質(zhì)達到地表Ⅴ類水標準，處理規(guī)模為200 m3/d，處理費用為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)達到地表Ⅴ類水標準，處理規(guī)模為240 m3/d，處理費用為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)具體情況進行選擇。

該研究方法可同樣應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)化風險的關系，為決策者選擇提供科學依據(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)結構等因素影響，對景觀水體的富營養(yǎng)化控制還可以通過對已經(jīng)進入景觀系統(tǒng)的水體采取進一步的凈化措施[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)化風險。本研究尚未考慮這些措施的影響。在實際應用中，應考慮將再生水水質(zhì)、換水控制與這些措施相結合。

4 結 語

以深圳大學城北京大學校區(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驗和富營養(yǎng)化模型模擬結果，建立了再生水水質(zhì)、換水周期與景觀水體富營養(yǎng)化風險的關系;結合再生水處理成本分析，建立了該系統(tǒng)運行費用、占地面積與水體富營養(yǎng)化風險的關系曲線，根據(jù)對富營養(yǎng)化風險與處理成本的控制需要及工程實地情況，找到滿足實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)化風險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)景觀水體設計與維護中權衡再生水處理成本與景觀水體富營養(yǎng)化風險的矛盾提供了科學依據(jù)。

[ 1 ] 李靜.淺議生活污水分散處理和集中管理[J].環(huán)境保護，2005(2):39-40.

[ 2 ]錢靖華，田寧寧.再生水回用于景觀水體存在的問題及防治對策[J].給水排水，2006，32(5):71-74.

[ 3 ]周律，邢麗貞，段艷萍.再生水回用于景觀水體的水質(zhì)要求探討[J].給水排水，2007，33(4):38-42.

[ 4 ]吳文雯，徐國勛，孫堅，等.上海住宅小區(qū)水景觀建設探討[J].中國給水排水，2007，23(20):16-19.

[ 5 ]李暢，秦華鵬，KHU S T， 等.中水回用對社區(qū)景觀水體葉綠素a變化的影響[J].中國環(huán)境科學，2010，30(10):1338-1343.

[ 6 ]孫亞軍.城市污水再生利用是實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的有效途徑[J].給水排水，2004，30(1):108-111.

[ 7 ]劉杰，鄭西來，高超，等.城鎮(zhèn)污水處理廠用地、運行及建設費用研究[J].環(huán)境工程學報，2010，4(11):2522-2526.

[ 8 ]呂宏德.分散式污水處理系統(tǒng)的特征及其應用[J].環(huán)境科學與管理，2009，34(8):113-115.

[ 9 ] WOOL T A， AMBROSE R B， MARTIN J L， et al. Water Quality Analysis Simulation Program (WASP) Version 6.0 DRAFT: User’s Manual [M]. Atlanta: US Environmental Protection Agency， 2001.

[10]周斌.華東地區(qū)城市污水處理廠運行成本分析[J].中國給水排水，2001， 17(8):29-30.

[11] 鐘佐燊，楊小毛.人工快速滲濾污水處理系統(tǒng)裝置[P].中國專利， 200410073951.8.2006-11-22.

[12] 王艷華，鄭春燕，簡亮，等.小城鎮(zhèn)人工快滲工藝污水處理廠投資及運行成本探討[J].給水排水，2010，12(36):39-42.

[13]邵輝煌，方先金，黃鷗.以再生水為補水水源的景觀水體富營養(yǎng)化及其控制技術研究[J].給水排水，2010，36(增刊):158-161.

[14]王鶴立，陳雷，梁偉剛，等.再生水回用于人工景觀水體的水質(zhì)目標:策略與技術[J].環(huán)境科學， 2002，23(增刊):93-98.

[15] BRICKER S B， FERREIRA J G， SIMAS T. An integrated methodology for assessment of estuarine trophic status [J]. Ecological Modelling， 2003， 169: 39-60.

[16]鄒平，江霜英，高廷耀.城市景觀水的處理方法[J].中國給水排水，2003， 19(2):24-25.