再生水回用于社區景觀水體的富營養化風險與成本分析

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境科學與技術重點實驗室，廣東 深圳 518055; 3.深圳市深港產學研環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。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，且在管網的布設上費用高昂[1]。在這種模式下，再生水系統與景觀水系統是獨立運行的。國內外學者分別針對景觀水體富營養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對景觀水體富營養化風險的影響;吳文雯等[4]提出，根據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，分析了水質和換水周期對富營養化風險的影響。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模之間的關系。

對于社區的小型水體，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，再生水系統與景觀水體系統是聯合運行的，而且運行費用一般由相應的社區承擔，在設計時需要統籌考慮運行費用、占地面積、富營養化風險等問題，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的再生水與景觀水體系統為例，擬通過對換水控制實驗和水體富營養化模擬，并結合再生水處理成本分析，建立該系統運行費用、占地面積與水體富營養化風險的關系曲線。

1 研究方法

北京大學深圳研究生院校園內擬建一個深1m，體積600 m3的景觀湖。并將校內學生宿舍的生活污水處理后作為景觀湖的換水水源。根據深圳大學城北京大學校區物業水表統計的數據，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待改建的人工快速滲濾系統。

研究方法主要包括再生水換水控制實驗、景觀水體富營養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進行，實驗裝置主要由人工快速滲濾系統(CRI)、流量調節池、實驗池(1m×1m×1m)3部分組成。通過對實驗池內的水體進行可控的連續換水實驗，研究再生水水質、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化模型的參數校準和驗證提供了數據。

1.2 景觀水體富營養模型

模型主要的外界輸入條件有:水質、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，通過對富營養化風險的控制找到合適的處理工藝以及出水水質和水量的相關性。

利用再生水換水控制實驗數據對WASP富營養化過程模型進行參數率定和驗證。主要特征參數的率定結果分別為：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0.4 d-1、浮游植物氮攝入的半飽和常數0.05 mg/L、浮游植物磷攝入的半飽和常數0.5 mg/L、浮游植物20℃內源呼吸速率常數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、處理規模及出水水質相關。

在研究案例中，污水處理設施為校園內待改建的人工快速滲濾系統。因此，本研究基于人工快速滲濾系統實例、相關專利和文獻[11-12]，估算不同再生水補水規模下的處理費用和占地面積。例如，當處理規模分別為75 m3/d、300 m3/d和600 m3/d時，出水達到GB/T18921-2002《景觀環境用水水質標準》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、換水周期與水體富營養風險的關系

研究表明:富營養化發生條件為充足的氮、磷等營養物質，緩慢的水流狀態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。

根據以上的研究，本研究選取以下水質標準的控制指標(表1)。

表1 兩種水質控制指標(選摘) mg/L

水動力條件按照GB/T 18919—2002《城市污水再生利用—景觀環境用水水質》設定為低進高出，景觀水體內部均勻穩定換水，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的輸入條件(表2)。

表2 深圳地區典型夏季氣候氣象參數

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化風險的主要表征因素。將水質、換水周期及氣象條件分別對應輸入到WASP富營養化模型中進行模擬，得到再生水水質、換水周期與景觀水體Chl-a峰值質量濃度的關系，見圖1。

圖1 不同水質、換水周期情況下，Chl-a峰值質量濃度變化

圖1表明，在相同的水質標準下，隨著換水周期的增大，Chl-a質量濃度逐漸升高，即富營養化風險有逐漸增加的趨勢;在相同的換水周期下，提高再生水的水質標準，Chl-a的濃度相應降低，即富營養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風險的關系

綜合富營養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條件下Chl-a峰值質量濃度與污水日處理費用及占地面積的關系，見圖2。

圖2 不同水質條件下，Chl-a峰值質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條件下，隨著再生水處理成本的增加(亦即處理規模的增大、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;而當再生水水質達到地表Ⅴ類水質標準時，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。在相同的處理規模下，再生水水質越好，Chl-a濃度就越低；但隨著出水水質的提高，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，人工快滲系統規模根據研究區域的污水日產生量設計(不大于800 m3)。以下從控制富營養化、成本及占地面積等3方面進行景觀湖的設計分析。

a. 控制富營養化風險分析。假設Chl-a質量濃度設定值為20μg/L，由圖2可知，當再生水水質滿足地表Ⅴ類水、景觀環境用水兩種水質標準時，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，再生水水質滿足地表Ⅴ類水、景觀環境用水兩種水質標準時，對應的最小的Chl-a質量濃度分別為16.1μg/L和30.6μg/L。在滿足成本控制的前提下，再生水水質為景觀環境用水標準條件下的富營養化風險最大。

c. 占地面積控制分析。根據實際情況，污水處理設施的占地面積應不大于500 m2，再生水水質滿足地表Ⅴ類水、景觀環境用水兩種水質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再生水水質達到地表Ⅴ類水標準，處理規模為200 m3/d，處理費用為166元/d，景觀水體換水周期為3d，Chl-a質量濃度為19.7 μg/L;② 再生水水質達到地表Ⅴ類水標準，處理規模為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質量濃度為16.1μg/L等，決策者可以根據具體情況進行選擇。

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)與社區景觀水體系統，進而得到不同再生水處理工藝、出水水質和換水周期下，再生水處理成本與景觀水體富營養化風險的關系，為決策者選擇提供科學依據。此外，由于水體的富營養化還受底質、水體生態系統結構等因素影響，對景觀水體的富營養化控制還可以通過對已經進入景觀系統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系統，增加景觀水體的自凈能力，從而降低富營養化風險。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、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的再生水與景觀水體系統為例，通過再生水換水控制實驗和富營養化模型模擬結果，建立了再生水水質、換水周期與景觀水體富營養化風險的關系;結合再生水處理成本分析，建立了該系統運行費用、占地面積與水體富營養化風險的關系曲線，根據對富營養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、水量組合。研究提出了一種社區再生水回用于景觀水體在控制成本和富營養化風險前提下尋求合適處理工藝與水質、水量組合的方法。該方法為社區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化風險的矛盾提供了科學依據。

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