以再生水为水源的封闭景观水体营养状态分析

冯萃敏，李 莹，张雅君，李素娟

(1. 北京林业大学林学院，北京 100083，2. 北京建筑工程学院环境与能源工程学院，北京 100044)

在我国北方，多风少雨的气候使景观水体的蒸发量较大．如北京市年均蒸发量1,200,mm，远高于降雨量585,mm[1]．因此，景观水体需大量补水以维持水体水量，保持其景观效果．北方城市大多水资源紧缺，再生水的回用是缓解水资源紧缺状况的有效途径，常作为景观水体的补水水源[2-3]．但再生水的补入对景观水体水质的影响须做具体分析，并根据具体情况采取水质处理或水质控制措施，以避免造成水体污染，影响水体的景观效果．

北京某公园某湖基本属于封闭水体，且内部无循环推进设施，因水资源紧缺，已不具有利用自然河道水体作为补水水源的条件，自 2005年起主要以市政再生水为补水水源，然而，湖水污染严重，水体局部地区发黑、发臭，甚至出现水华，水体的透明度较低，严重影响景观旅游，危害人体健康，影响城市经济和社会可持续发展．笔者以该湖为监测对象，进行水质监测和补水前、后水质变化分析．

1 方 法

1.1 采样点位

目标湖体水域面积 5.7×104,m2，平均水深1.5,m，湖水无温度分层，在每个监测垂线上采集水面下 0.5,m处的水作为监测水样[4]．由于该湖湖区无明显功能区别，针对研究目标，在湖心及靠近岸边处容易发生湖水滞留的角落设置采样点，采样点位如图 1所示，共包括5个采样点：①补水口附近；②主导风向下风向；③主导风向垂直线上；④主导风向上风向；⑤湖心．

图1 采样点位布设Fig.1 Location of sampling points

1.2 采样频率

从2007年3月湖面解冻开始，每2周监测一次湖水主要水质指标，至夏季(6月～9月)每周监测一次，并根据具体情况，在补入再生水水后及降水后适时监测，至 9月底结束当年的湖水水质监测工作．取样时间统一为采样日的上午10∶00左右．

1.3 检测方法

湖水水质监测共涉及9项常规检测指标，其中3项在现场检测，6项在实验室检测．水温、pH值、溶解氧(dissolved oxygen，DO)等3项指标，可采用便携检测仪器在湖区现场检测并记录；有机物污染指标，如CODCr、CODMn、BOD5，以及氮、磷营养指标，如氨氮NH3-N、总氮(total nitrogen，TN)、总磷(total phosphorus，TP)等为在现场取样，实验室检测．对再生水水样，主要检测其有机物污染指标和氮、磷营养指标．主要检测指标及检测方法[4]见表1．

主要仪器包括 Mini1240型分光光度计、消解器和恒温箱等．主要试剂购于北京化学试剂公司，包括高锰酸钾、重铬酸钾、硫酸亚铁铵((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)、碘化钾、碘化汞、酒石酸钾钠(KNaC4H4O6·4H2O)、钼酸铵((NH4)6MO7O24·4H2O)、抗坏血酸和过硫酸钾等，均为分析法．

表1 检测指标及检测方法Tab.1 Testing items and methods

以采样日各采样点水质检测的平均值作为该日的湖水水质，再生水水样取自采样日再生水管网．

2 结果与讨论

湖水及再生水的水质检测结果见表2，与地表水环境质量标准(GB 3838—2002)[5]相比可知，2007年湖水的 CODCr、NH3-N、TP和 TN均超过Ⅴ类水体限值，该湖属于劣Ⅴ类水体．

表2 水质检测结果及地表水环境质量标准Tab.2 Testing results of lake water and criterion of surface water environment quality

2.1 补入再生水对湖水水质的影响与分析

湖面解冻后，于2007年3月和 5月，分2次向湖内补充再生水，3月 15日～19日补入 2.8×104,m3，5月 5日～8日补入 2.2×104,m3，2次共补入再生水 5×104,m3，即为全年的补水量．从 3月湖面解冻到 9月防空清淤期间，湖水 CODCr、NH3-N、TP、TN等指标的变化如图2所示．

图2 补充再生水后湖水水质变化Fig.2 Change of water quality after supplementing Fig.2 reclaimed water

2.1.1 湖水CODCr的变化

由图 2可知，3月 15日～19日和 5月 5日～8日2次补充再生水，湖水CODCr出现短时间的降低，而后随着时间的延续及降雨等湖面污染物质的侵入而有不同程度的增长．

2.1.2 湖水氮、磷含量的变化

因为再生水的NH3-N、TP、TN浓度较高，再生水的补入使得湖水的 NH3-N、TP、TN均大幅度升高，如3月份补水使得湖水的 TP、TN浓度增加到 2倍左右，NH3-N增加则更多，如表3中“第1次补水前”和“第1次补水后”数据所示．

第2次补水(5月份)后湖水水质的变化与3月份补水后的变化规律类似，即 CODCr经再生水稀释后有所降低，其后仍然呈增长趋势；湖水总磷在补水前已保持较高浓度，再生水的补入使总磷浓度发生微弱波动，而后继续增长；总氮和氨氮指标则因再生水浓度较高而大幅度升高，如表3中“第2次补水前”和“第2次补水后”数据所示．

表3 补充再生水对湖水水质的影响Tab.3 Influences of reclaimed water supplement on lake water quality

NH3-N、TN等含氮营养物质随着时间的延续，在水体自净作用下缓慢减少，如图 2所示．含氮有机物质在水体微生物的作用下，进行着一系列复杂的生化反应过程，如氨化、硝化和反硝化等，水中的总氮将以有机氮、氨态氮和硝态氮等形式存在．再生水的补充促进了有机氮向无机氮的转化，故水中氨氮浓度和总氮浓度呈降低的趋势，氨氮和总氮分别降低为补水初始状态的88%和60%，至5月份再次补入再生水之前，湖水的剩余总氮质量浓度(6.25,mg/L)仍是Ⅴ类水体限值的3.1倍．

TP在补水初期因再生水的高磷达到较高水平后，在水体自净作用下略有降低，但随着时间的延续，因湖水缺乏流动性、无水流扰动，底泥中的磷不断得到释放，致使湖水中TP有较大增长，如图2所示．至5月份，即第 2次补水前，湖水的剩余总磷质量浓度(0.76,mg/L)仍是Ⅴ类水体TP限值的3.8倍．

2.1.3 湖水富营养状态评价

采用综合营养状态指数法[6]对湖水富营养化程度进行评价．以透明度(Secchi depth transparency，SD)、TN、TP、CODMn、叶绿素 a(chla)为评价因子，根据综合营养状态指数法水质评价标准(见表 4)，对2007年湖水的营养状态进行评价．

表4 湖泊富营养化水质评分标准Tab.4 Evaluating standard of lake water quality

评价因子营养状态指数及水体综合营养状态指数按照综合营养状态指数法公式[6]计算，即

式中：T LI(∑)为综合营养状态指数，无量纲；T L I(j)为第 j种参数的营养状态指数，无量纲；Wj为第 j种参数的营养状态指数的相关权重，无量纲，以chla作为基准参数，第j种参数的归一化权重计算式为

式中：ijr为第j种参数与基准参数chla的相关系数，无量纲．

对湖水2007年3月～9月份的水体营养状态进行评价，对照表 4确定水体的营养状态，评价结果如表 5所示．在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越严重．

从表5可以看出，2007年，湖水从3月份冰盖溶化到 9月份放空清淤，一直属于重度富营养化状态．因水体中污染物常年累积，氮、磷等营养盐含量较高，且水体封闭不流动，是水体常年处于重度富营养状态的主要原因．5月综合营养状态指数较高，6月和 7月，采取人工打捞藻类，综合营养状态指数相对降低．8月份温度条件适宜，综合营养状态指数达最高，与国内大多数湖体的藻类高发规律相一致．

表5 湖水营养程度评价结果(2007)Tab.5 Evaluation results of eutrophication standard for lake water(2007)

在各评价因子中，透明度的营养状态指数最高，与藻类爆发时透明度明显降低相一致．总氮的营养状态指数高于总磷和高锰酸盐指数 TLI(CODMn)的营养状态指数，表明该湖氮污染比较严重，这与补水水源中总氮含量较高有关．可见，湖水营养状态受总氮影响最大，且首先体现为透明度降低，因此，可将总氮指标作为水体营养程度的指示性指标，通过监测湖水总氮及透明度的变化直接判断湖水营养状态变化情况．

2.2 湖水富营养原因分析及治理建议

2.2.1 富营养原因分析

一般发生富营养化的水体同时具备水中氮、磷营养物高，平均流速小，水温适当及日照充足等特征．该湖的水只有补入而没有排水，污染物质易于浓缩、富集，补给的再生水氮、磷含量高，使导致水体富营养化的关键指标氮、磷含量较高，因此，随着季节变化，水温升高时，富营养化成为不可避免的结果．2007年5月～9月，湖水的叶绿素a含量基本在207～600,mg/m3之间，平均值为335.68,mg/m3，表明湖水处于严重富营养状态．

另外，雨水径流污染不可忽视，对2007年3月～9月入湖径流雨水的水质进行及时监测，结果如表 6所示．可见，入湖雨水平均 TP为 1.36,mg/L，TN 为11.03,mg/L．底泥释放造成的内源污染也是湖水 TP浓度升高的重要影响因素，底泥检测表明，与湖水接触的表层泥平均 TP为 5,360,mg/kg，深层泥 TP较低，平均为2,140,mg/kg．

表6 降雨径流水质监测结果(2007)Tab.6 Testing results of runoff water quality(2007)

总结该湖的运行状况，其富营养的主要原因可概括为再生水的直接补入、雨水的径流污染、湖水无流动性、底泥营养释放、缺乏流动性等方面，其中高磷、高氮再生水的直接补入已成为该湖富营养化的根本原因．

2.2.2 再生水处理措施

作为湖水补水水源的市政再生水，因其营养盐含量远高于发生富营养化的临界含量，其直接补入使湖水营养盐大幅增加，在环境条件(气温、光照等)适宜时必然爆发水华，因此在再生水补入之前，有必要增加水质改善措施．

根据该湖运行现状，考虑景观要求，可采用人工湿地[7-9]等生态处理方法处理再生水．根据国内外相关文献的研究报道[10]，人工湿地处理措施不仅能满足景观要求而且水质处理效果好，对 TP、TN 的去除率都在 60%左右．也可结合景观效果，利用现有的土地植被，采用土壤渗滤系统处理再生水．以去除率均为60%计，经人工湿地等处理后，再生水的TP、TN可降低至0.4,mg/L和16,mg/L．虽然距离Ⅴ类水体的要求还较远，但通过辅以其他水质控制措施，有望减轻或者控制湖水的富营养状况．

2.2.3 其他水质控制措施

再生水经过适当处理后，氮、磷含量会大幅度降低，但尚需辅以水质控制措施以改善湖水水质．如增加水生植物、水生生物的种类和数量，提高生物多样性，达到水质的生态净化目的[11-12]；在水面下均匀布设水下增氧机或水下搅拌机，或将湖中假山改造成跌水瀑布，增强天然复氧的效果，以达到流水不腐[13]；定期进行底泥疏浚，降低营养盐释放量，或借鉴向湖水中投加特殊的微生物激活添加剂，促进能消纳污泥的土著微生物生长繁殖，解决底泥之患[14]，改善水质．通过上述系列水质控制措施的实施，湖水的营养状态可逐渐得到控制．

3 结 论

(1)北京某湖湖水的 NH3-N、TP、TN等指标远高于地表水环境质量标准(GB 3838—2002)中Ⅴ类水体限值，叶绿素a含量也较高，尤其TP、TN浓度最高可超过Ⅴ类水体限值7倍，水体富营养化严重．

(2)再生水的高磷、高氮特征使得其补入成为该湖富营养化的根本原因，欲控制湖水富营养程度，必需加强源头控制．

(3)再生水直接补入湖体后，湖水 NH3-N、TP、TN等指标迅速升高，已远远超过湖水的自净能力，NH3-N会不断减少，而TP、TN始终维持较高的浓度．

(4)建议采用人工湿地等生态处理方法对再生水进行进一步处理，再辅以提高生物多样性、增强水体流动性、定期清淤等水质控制措施，以减轻或者控制湖水的富营养状态．

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