中水回用对社区景观水体叶绿素a变化的影响

李 畅,秦华鹏,*,Soon-Thiam Khu,王 波 (.北京大学深圳研究生院,环境与能源学院,城市与人居环境科学与技术重点实验室,广东 深圳 58055；.萨里大学,土木工程与物理科学学院,GU 7XH, UK；.深港产学研基地环境技术中心,广东 深圳 58057)

中水回用对社区景观水体叶绿素a变化的影响

李 畅1,秦华鹏1,2*,Soon-Thiam Khu2,王 波3(1.北京大学深圳研究生院,环境与能源学院,城市与人居环境科学与技术重点实验室,广东 深圳 518055；2.萨里大学,土木工程与物理科学学院,GU2 7XH, UK；3.深港产学研基地环境技术中心,广东 深圳 518057)

由于中水的营养盐含量较高,以中水为补水水源的社区景观水体存在较大的水华暴发风险.基于中水回用于景观水体的换水控制实验,建立了中水景观水体的富营养化模型,模拟了连续换水时和终止换水后叶绿素a的变化过程,分析了中水水质和换水周期对水体藻类生长的影响.结果表明,提高中水水质可以降低水体的叶绿素a峰值;在连续换水期,随着换水周期的缩短, 水体的叶绿素a峰值降低,并且从开始换水至达到峰值的时间增长;在连续换水期后终止换水,叶绿素a会重新达到峰值,并且原来的换水周期越短,水体的叶绿素a峰值反而越高,达到峰值所需时间越长.模型应用可为中水回用于社区景观水体的水量水质设计与维护提供依据.

中水回用；景观水体；叶绿素a；控制实验；WASP6

中水是指生活废水经过处理后,可在一定范围内重复使用的非饮用水.中水回用为社区景观水体的补水提供了潜在水源.由于中水的水质变化范围较大,营养盐本底值较高,加之景观水体流动性较差,如果管理控制不利,易发生水华.为此,一些学者进行了有意义的探索和研究.Smeti等[1]以满足景观水体水质和水量要求为目标, 研究了中水回用的水质改善工艺和水量保证措施;司彦杰[2]采用优化调度模型,在保证景观水体功能的前提下对景观水体的日常维护和管理费用进行了优化;颜润润[3]通过实验模拟了不同风浪强度、不同营养水平下铜绿微囊藻的生长速率,发现扰动可以改变由营养水平不同所引起的藻类生长差异.针对达到再生水水质标准的中水,刘书宇等[4]通过静态实验研究了再生水体中的优势藻种、藻类演替规律及其与光照、水温、氮磷营养、pH值等的关系;张毅敏[5]等提出了藻类生长可能存在临界流速.以往的富营养化实验主要以静水或一定换水条件下的实验为主,而对如何根据中水水质变化范围大的特点,通过换水调控来防止景观水体水华暴发的研究还不够深入.本研究将中水作为社区景观水体的补给水源,通过换水控制实验和数学模型,研究中水水质、换水周期与水体叶绿素 a变化的关系,为中水回用于社区景观水体的水量水质设计与日常维护提供依据.

1 实验部分

1.1 填水

控制实验的目的是为了掌握在不同中水水质和换水周期条件下,景观水体中浮游植物的生长趋势,为模型的校准和验证提供数据.实验在北京大学深圳研究生院校园内进行.本实验装置主要由人工快速渗滤系统、流量调节池、实验池3个部分组成(图1).

图1 实验装置示意Fig.1 A general view of experiment system

实验的中水来源于校园学生公寓的生活污水.经过人工快速渗滤系统[6]处理后产生的中水被泵入流量调节池,池内设一隔板将其分为大小2个隔室:大隔室作为主储水室,对实验池进行供水;小隔室为溢流室,排出溢流中水.实验池用来模拟人工景观水体,容积为 1m3,深 1m,池底铺设0.5m底泥,其来源为建筑黄泥,初始营养物含量较少.实验中同步进行了底泥营养元素释放实验,上覆水为蒸馏水,在控制实验结束后测定发现营养物质释放量较小.

流量调节池可以为实验池提供连续补水,中水以较慢的流速从下至上进入实验池中部(图1),换水过程对底泥上覆水扰动作用较弱,换水扰动作用导致底泥的磷源释放不足以对实验池水体中的磷元素水平造成实质性影响.因此,在本次实验和模拟过程中忽略换水扰动作用对底泥磷元素释放的影响.实验池的出水通过溢流方式从池侧壁四周的溢流孔进入溢流槽,最后返回人工快速渗滤系统进行循环处理.换水周期和换水量通过流量阀控制.

在中水富营养化的模拟实验中,对实验池内的水体进行连续换水并控制换水周期.实验采用YSI 6600V2型多参数水质监测仪在水体中进行原位测量,实时监测水体中叶绿素 a含量、溶解氧和水温.同时,在实验池水面下 0.5m处和流量调节池内定时取样,以分别了解实验池内的水质变化情况以及外界输入的水质情况.

取回的样品用化学法测定氨氮,硝酸盐氮,总氮,正磷酸盐,总磷和 BOD5.氨氮,硝酸盐氮和总氮分别采用气相分子吸收光谱法HJ/T195-2005, HJ/T198-2005和 HJ/T199-2005进行测定;正磷酸盐和总磷分别采用氯化亚锡还原分光光度法[7]和钼锑抗分光光度法[8]进行测定;BOD5采用稀释接种法[9]测定并近似代替模型中所使用的碳素生化需氧量[10].

1.2 富营养化模型

1.2.1 模型的选择 由于水体富营养化演变过程具有复杂性和一定的偶发性,数学模型已成为研究富营养化问题的重要手段.本研究选用WASP6中的EUTRO富营养化模块,并采用中等复杂程度的富营养化动力学选项(Intermediate Eutrophication Kinetics with Benthos).该模型的基本方程为对流扩散方程及特殊反应过程中的各种动力学方程,能够有效模拟氨氮、硝酸盐氮、无机磷、浮游植物、碳素生化需氧量(CBOD)、溶解氧、有机氮和有机磷等 8个状态变量[11]. WASP水质模型的所有输入数据(如模拟类型、时间步长、污染负荷、转化系数、时间函数等)都可按照一定的逻辑格式输入.该模型具有空间和时间尺度的灵活性.在大空间和时间尺度上,Lung等[12]利用WASP富营养化模块对Pepin湖的叶绿素a浓度进行了为期3年的模拟,取得了比较好的效果;在小空间和时间尺度上,Hernandez等[13]进行了“微宇宙”户外围隔实验,利用WASP的EUTRO模块对围隔水体进行了为期2周的控制实验,在N、P的短期动态模拟上取得了比较好的效果;于顺东等[14]利用Brandywine河的实测结果,证明了WASP 模型的有效性、实用性和可靠性,并研究了WASP 模型主要参数的灵敏性.综上所述,WASP富营养化模型由于其状态变量的全面性、数据输入的规范性和在空间和时间尺度上的灵活性,适合于本次实验的模拟需要.

1.2.2 模型校准与验证 实验共进行2期,实验1为2008年9月22日～9月29日,换水周期为5天;实验2为2009年5月14日～5月22日,换水周期为3d. 实验1、2的数据分别用来校准和验证模型.2期实验的初始水质基本稳定,但是实验2的水质较差,特别是正磷酸盐含量偏高,而叶绿素的初始浓度比实验1略低(表1).

表1 富营养化实验及情景分析的初始输入Table 1 Initial inputs of eutrophication experiment and scenario analysis

模拟的时间步长为 50s,输出步长为 14min.模拟区域分为实验水体和底泥,模型主要的外界输入条件有光照辐射、风速、水温以及降雨强度等,这些数据来源于北京大学深圳研究生院内的气象站.需要指出的是,在实验1初期有台风和大幅降雨,而实验2的天气状况较好.具体自然环境条件的变化范围见表2.

利用实验1的数据率定WASP富营养化模型的参数,主要参数的率定结果为浮游植物20℃最大生长速率(d-1):3.2;浮游植物非扑食性死亡速率常数(d-1):0.4;浮游植物氮摄入的半饱和常数(mg/L): 0.05;浮游植物磷摄入的半饱和常数(mg/L):0.5;溶解态有机磷20℃矿化速率(d-1):0.1;浮游植物20℃内源呼吸速率常数(d-1): 0.125.其中叶绿素a、溶解氧、总氮、正磷酸盐、CBOD的测量值与模拟值的Pearson相关系数依次为0.94,0.90,0.75,0.43和 0.84.正磷酸盐的模拟精度偏低可能是受到进水水 质不稳定和模型不确定性的影响.

表2 富营养化实验的外界环境条件Table 2 Environmental conditions of eutrophication experiment

利用实验2的数据对WASP富营养化模型进行验证.叶绿素a、氨氮和正磷酸盐的Pearson相关系数分别达到0.97,0.85,0.62.验证结果如图2所示.从验证结果来看,拟合度较好,可用来进行不同中水水质和换水周期情况下中水回用于社区景观水体富营养化过程的情景分析.另外,2次实验pH的变化范围为6.8～9.1(表2),并且随着叶绿素a的生消变化,实测pH均值逐渐升高,并和叶绿素a有较好的相关性,这与王志红等报道的情况相似,pH值可以作为藻类增长的有效指示指标[15].

图2 测量值与模拟值对比Fig.2 Comparison between measured and calculated data

2 结果与分析

利用验证后的模型进行中水富营养化的情景分析, 研究中水水质、换水周期的变化对中水景观水体富营养化过程的影响.由于叶绿素 a是浮游植物生物量和富营养化程度的重要指示指标[16],情景分析将模拟较差水质(与实验水质类似)和较好水质(达到城市污水再生利用景观环境用水水质标准[17])2种中水水质(水质指标如表1所示)在不同换水周期下叶绿素 a浓度的变化过程.

将整个模拟过程划分为连续换水期和终止换水期两部分,换水终止代表换水设备检修或运行事故的发生.模拟的总天数为50d,前20d为连续换水期,设定的换水周期为不换水(静水)、4d、2d和1d;后30d为终止换水期.外界输入条件采用典型的华南地区夏季无降雨条件:水温变化范围为26～29℃,太阳辐射昼夜变化范围为 0～9.41×104lux,风速＜1m/s.利用富营养化模型模拟以上条件下水体叶绿素a的变化情况.模拟结果如图3所示.

如图3所示,在各种情景下,叶绿素a值随一天之内太阳辐射的日变化存在着昼夜的波动.并且在20d的连续换水期后的终止换水期,叶绿素a的浓度又会重新快速攀升.

在连续换水期,若中水水质较差:静水(不换水)、换水周期为4,2,1d情况时的叶绿素a的峰值分别为 295,224,177,115μg/L,其达到峰值的时间分别为4.48,4.48,5.47,7.46d[图3(a)];若中水水质较好:静水(不换水)、换水周期为4,2,1d情况时的叶绿素a的峰值分别为199,155,121,77μg/L,其达到峰值的时间分别为 4.48,5.47,5.47,9.46d[图 3(b)].

图3 不同换水周期下的叶绿素a变化Fig.3 Chlorophyll-a variation under different water exchange cycles

在终止换水期,若中水水质较差:原先换水周期为4,2,1d情况时的叶绿素a重新达到的峰值分别为 236,272,290μg/L,其重新达到峰值的时间(除去 20d的连续换水期)分别为 3.48,4.47, 4.48d[图 3(a)];若水质较好:原先换水周期为4,2,1d情况时的叶绿素a重新达到的峰值分别为156,183,195μg/L,其重新达到峰值的时间(除去20d的连续换水期)分别为 3.47,3.48,4.48d[图 3(b)].

3 讨论

从以上结果可知,中水在华南地区夏季的典型天气条件下回用于社区景观水体时,如不进行换水,叶绿素 a值将会在短时间内(3～5d)迅速增长并有水华风险.因此,必须通过改善水质或换水来抑制水华的发生.利用中水对景观水体进行换水时对叶绿素浓度存在2种效应:一是稀释效应.由于中水中叶绿素 a浓度偏低,补水可以稀释景观水体中叶绿素a浓度; 二是氮、磷等营养盐的补充效应,中水中营养盐水平偏高,补水为景观水体提供营养盐,将促进藻类的生长,从而提高叶绿素a值.模拟结果表明,在连续换水期,随着换水周期的缩短,叶绿素a峰值降低,并且到达峰值所需时间增加.这主要是因为连续换水带来叶绿素 a的稀释效应大于了营养盐的补充效应.该结果表明,在将中水回用于社区景观水体时,可以通过缩短换水周期来降低叶绿素 a峰值并推迟峰值到达的时间,从而减小水华暴发风险.

在终止换水期,随着前期换水周期的缩短,叶绿素 a重新达到的峰值升高,并且到达峰值所需时间增加.这主要是因为在连续换水期,虽然换水周期越快,叶绿素a的平衡浓度越低,但营养盐的补充效应也越大,水体中营养盐的平衡浓度越高.当终止换水后,较低的叶绿素 a平衡浓度和较高的营养盐平衡浓度使得叶绿素 a经过较长时间后再次达到较高峰值.该结果表明,在将中水回用于社区景观水体时,在连续换水期换水周期较短的条件下终止换水,水体暴发水华的风险反而越大,这对景观水体的换水设备提出了较高的要求.

另外,将图 3(a)和图 3(b)进行纵向对比可发现,在换水周期相同时,随着中水水质的提高,富营养化过程中叶绿素 a的峰值有明显降低.该结果表明,在将中水回用于社区景观水体时,可以通过改善中水水质来进一步降低水华暴发的风险.

中水回用于社区景观水体的富营养化过程受到中水水质,外界环境如浮游动物捕食,天气条件如温度,光照,降雨和风等的综合影响,机理十分复杂.对于水体水华暴发时的叶绿素 a限值在国内外研究中还没有明确的限定[18].在控制水华的过程中,应将提高回用中水水质和加快换水周期相配合.在确定水华暴发的叶绿素a限值之后,本模型可以为中水回用时水量水质的过程控制与管理维护提供科学依据.本次实验和模拟过程未考虑换水扰动作用导致的底泥磷元素释放,在中水回用于社区景观水体的长期管理和维护过程中,应根据底泥成分和换水方式考虑扰动作用对底泥磷源释放的影响.

4 结论

4.1 基于中水回用于景观水体换水控制实验,建立了中水景观水体的富营养化模型,模拟了连续换水时和终止换水后叶绿素a的变化过程,分析了中水水质和换水周期对水体藻类生长的影响.

4.2 提高中水水质可以降低水体的叶绿素a峰值,从而降低水华爆发的风险.

4.3 在连续换水期, 缩短换水周期可以降低水体的叶绿素a峰值,并推迟峰值到来的时间.

4.4 在连续换水期后终止换水,叶绿素a会重新达到峰值,并且峰值的大小和到来的时间随着之前换水周期的缩短相应升高和增加.

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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);北京大学“院长基金”项目(2008012)

* 责任作者, 副教授, qinhp@szpku.edu.cn

X17

A

1000-6923(2010)10-1338-06

李 畅(1985-),男,湖北荆门人,北京大学深圳研究生院硕士研究生,主要从事水系统的综合管理与富营养化建模研究.发表论文2篇.