再生水用于景观水体的氮磷水质标准确定
【Author】 LI Xin, HU Hongying, YANG Jia, BAI Yu State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control//Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
【机构】 清华大学环境科学与工程系//环境模拟与污染控制国家重点联合实验室；
【摘要】 污水再生利用是解决水资源短缺问题的重要措施,其中再生水回用于景观水体是主要途径之一。而防止水华爆发则是再生水景观利用的首要任务,控制再生水中的氮磷是防止水华爆发的根本措施。目前已有的景观水体水质标准中,氮磷浓度限值要求不统一,缺乏科学依据。因此再生水处理过程中氮磷控制标准执行易出现矛盾,不利于保障再生水景观利用的水质安全。再生水景观利用的氮磷控制标准,应在藻类最大生长潜力研究的基础上,通过藻类生长的Logistic模型和Monod模型、景观水体氮磷浓度模型按拟合,并结合水体自净能力和水质保障措施等综合因素加以确定。以栅藻(Scenedesmus sp)为例,通过Logistic模型和Monod模型拟合景观水体水华控制氮磷浓度限值的确定方法。
【关键词】 污水再生利用； 景观利用； 水华控制； 氮磷标准；
Abstract: Reclamation and reuse of wastewater are important to handle the shortage of water resource. One of the major reuse approaches is landscape reuse, in which algae bloom must be avoided. Controlling of nitrogen and phosphorus concentration in reclaimed water is a fundamental way to prevent algae bloom. The present standards on nitrogen and phosphorus concentration in landscape water are not consistent with each other, and are also lack of scientific basis. Based on the existed water quality standards, it is difficult to control nitrogen and phosphorus in the treatment of reclaimed water to prevent algae bloom. In this paper, a method was put forward to establish the nitrogen and phosphorus standard of reclaimed water reused in landscape. The nitrogen and phosphorus standard should be established on the basis of Algal Growth Potential (AGP) Test, integrated with the Logistic model, Monod model, and the model of nitrogen and phosphorus concentration in landscape water. The self-purification ability and safeguard measures of landscape water should also be considered in the establishment of reclaimed water quality. With Scenedesmus sp. as an example, the process of establishing nitrogen and phosphorus limits in landscape water was demonstrated.
【Key words】 Reclamation and reuse of wastewater； landscape reuse； prevention of algae bloom； water quality standard on nitrogen and phosphorus； water quality of reclaimed water；
水资源短缺是我国面临的一大问题，污水再生利用是解决这一问题的有效措施[1-2]。再生水回用于景观水体是污水再生利用的主要方式之一，既可解决缺水城市对娱乐性水环境的需要，也是完成水生态循环自然修复的最佳途径[3]。国外再生水回用于景观水体非常普遍[4]，而国内再生水景观利用正处于起步阶段[5]，其中水华爆发是再生水回用过程中面临的主要问题[5-6]，氮磷营养盐是造成水华爆发的主要原因。因此再生水景观利用，氮磷水质标准的确定是关键问题。本文通过试验研究和数学模型，探讨再生水景观利用中氮磷水质标准的确定方法。
1 再生水景观利用的氮磷水质标准确定
1.1 现有标准及存在问题
再生水景观利用易爆发水华，其原因[7]为：再生水中污染物本底值相对较高，水体稀释及自净能力较天然水体差；景观水体流速缓慢甚至静止，营养盐输出慢，易在水体中积聚，为藻类生长繁殖提供条件；景观水体水深一般为1~2 m，浅型水体上下水层的光通量满足藻类光合作用所需[8]。
控制景观水体中的氮磷浓度，是防止其爆发水华的根本措施。我国先后颁布了一系列水环境质量标准，其中与再生水景观利用相关的水质标准包括《地表水环境质量标准（GB 3838-2002）》[9]中的III类~V 类水标准、《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918-2002）》[10]和《城市污水再生利用景观娱乐用水水质（GB 18921-2002）》[11]。
《地表水环境质量标准（GB 3838-2002）》中的V 类水标准规定了一般景观要求水域的氮磷水质标准；《城镇污水处理厂污染物排放标准（ GB18918-2002）》中规定，当污水处理厂出水排放到稀释能力较小的河湖中，作为城镇景观用水和一般回用水等时，执行一级A 标准；《城市污水再生利用景观娱乐用水水质（GB 18921-2002）》规定了湖泊类观赏性景观环境用水的氮磷水质标准。此外，水体富营养化状态定义也对水体的氮磷浓度做了相关规定。3 个标准和水体富营养化状态定义[12]中氮磷浓度限值的要求如表1 所示。
表1 与景观水体相关的氮磷水质标准比较
Table 1 Comparison of different landscape water quality standard on nitrogen and phosphorus
一般认为水体形成富营养化的指标是：无机氮大于0.3 mg·L-1，总磷大于0.02 mg·L-1，BOD5 大于10 mg·L-1，细菌总数大于10 万个·mL-1，叶绿素a大于10 mg·L-1。美国环保局（EPA）在水质富营养化研究中也认为当TP 超过0.02 mg·L-1 时，磷浓度即达到富营养化状态指标。但水体富营养化状态定义中对氮磷浓度的限制标准过于严格，尤其是氮浓度的限制，一般生物处理工艺难以将氮去除到如此低的水平。按照该氮磷浓度限值制定再生水水质标准，不仅技术上难以实现，经济成本也不合算。《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918-2002）》的一级A 标准和《城市污水再生利用景观娱乐用水水质（GB 18921-2002）》的湖泊类观赏性景观环境用水标准对氮磷浓度的限值则过于宽松，没有考虑面源污染负荷输入和水分蒸发等因素造成的景观水体中氮磷浓度的积累和升高，对于不流动或流动缓慢的浅水型景观水体仍存在水华爆发的风险。
《地表水环境质量标准（GB 3838-2002）》的V类水标准对氮磷的要求介于上述“严格”和“宽松”之间。然而，该标准中限定的V 类水体已是水质相对较低、水体功能相对较弱的水体。对于浅水型景观V 类水体，在夏季极易因水分蒸发、阳光充足和面源污染负荷输入等因素导致水体中氮磷浓度的积累和升高，最终爆发水华。
综上，在已有的景观水体水质标准中，氮磷浓度标准限值的科学依据不明确，多种不统一的标准并行，再生水处理过程中标准执行易出现矛盾，不利于保障再生水回用于景观水体的水质安全。
1.2 水华控制再生水景观利用氮磷水质标准的确定方法
针对现有标准的不足，本研究提出再生水景观利用的氮磷水质标准制定思路及方法如下：
（1）根据水华爆发的藻密度限值，在藻类最大生长潜力研究的基础上，通过Logistic 模型和Monod 模型计算出景观水体（不流动或流动缓慢）的氮磷限值。
（2）构建景观水体氮磷浓度模型，综合考虑氮磷输入、输出和累积，在步骤（1）的基础上，通过模型初步确定再生水（用于不流动或流动缓慢的景观水体）回用的氮磷水质标准。
（3）充分考虑水体自净功能和水质保障措施（水生生物和人工湿地净化水质等），在步骤（2）的基础上确定再生水实际景观水体利用的氮磷水质标准。
1.2.1 景观水体中氮磷限值的确定
确定景观水体的氮磷限值，主要目的是控制景观水体中的氮磷浓度，使其不足以支持水华爆发的藻密度。以下将利用Logistic 模型和Monod 模型，探讨景观水体中氮磷限值确定的方法。
Logistic 模型是描述有限环境下种群生物量增长速率具密度制约特点的经典种群增长模型[13]，即：
式中，N 为t 时刻的种群密度，个·mL-1；t 为培养时间，d；K 为种群最大密度，个·mL-1；a 为常数，表示曲线对原点的相对位置；r 为种群内禀增长速率，指单个个体潜在的最大增长速率，d-1。
式（1）表示种群生物量随时间变化的生长曲线，具“S”型特征。
通过不同氮磷浓度下的藻类最大生长潜力研究，利用Logistic 模型拟合得到不同氮磷浓度下的种群最大藻密度K。
Monod 模型可用于描述生物量随基质浓度的变化关系[14]：
式中，Kmax 为K 的最大值，表示在不受氮磷浓度限制时的种群最大密度，个·mL-1；KP 为磷浓度的半饱和速率常数；KN 为氮浓度的半饱和速率常数；P 为水体中磷浓度；N 为水体中氮浓度。
利用Monod 模型可以得到最大藻密度（K）与氮磷基质浓度（N, P）的关系。通过确定景观水体中允许达到的最大藻密度，利用Monod 模型可求得对应的氮磷浓度（N, P），即为景观水体中氮磷的限值。
1.2.2 再生水景观利用氮磷水质标准的初步确定
前文讨论了利用Logistic 模型和Monod 模型可以确定景观水体中氮磷的限值。实际水体中的氮磷浓度与进水氮磷负荷符合一定的关系，因而通过计算可以反推景观水体的进水氮磷负荷。
Vollenweider 模型[15]是经典的磷负荷模型，该模型假定：湖泊中水体均匀混合，故水体的总磷浓度等于单位容积内输入的磷减去输出的磷及其在湖内沉积的磷，即：
式中，V 为湖泊水体积；P 为磷浓度（假设全湖均匀）；Qin 和Pin 为进水流量和进水磷浓度； Qout和Pout 为出水流量和出水磷浓度；A 为湖面面积；S为磷的表观沉降速率。
进入湖水中的磷会发生
