Water quality variation of a typical urban landscape river replenished with reclaimed water

作者：Xin Shan, Chen-Guang Li, Feng-Min Li

Water Cycle, Volume 4, 2023, Pages 137-144, ISSN 2666-4453

https://doi.org/10.1016/j.watcyc.2023.04.001

• 沿再生水管道输配方向，COD、TN、TP呈现降低的趋势

• 沿河流流向，COD（夏季除外）、TN、NO₃^--N呈现出先降低后升高的趋势

• 各个季节下，TP呈现出沿程升高的趋势

• 再生水中高浓度的营养盐促进了河流中藻类的生长

• 再生水补给期间水生植物的生物量增加

中国海洋大学环境科学与工程学院李锋民教授团队发表关于典型城市景观河流再生水补给后的水质变化规律研究的论文。城市景观水体具有重要的观赏价值和生态价值，但其面临生态基流不足、缺乏补水水源、生态系统退化等问题。为了维持景观水体良好的生态环境，亟需寻找一种补给水源。再生水具有量大质稳、就近可取等特点，被广泛用于补给城市景观水体。但达标排放的再生水中氮磷浓度远高于地表V类水标准中对应的氮磷浓度，还可能包含重金属、抗生素、病原微生物等有害物质。城市景观水体具有水深较浅、流速较低、水体自净能力较弱等特点，当再生水回用于景观水体后可能会导致水质劣化，最常见的现象是爆发水华。但是目前对再生水补给前后水质的时空变化规律以及水生植物群落结构变化规律并不清晰。因此，本文以青岛市李村河为例，探究再生水在管道输配过程中的水质变化规律，再生水补给李村河前后水质的时空变化规律以及水生植物群落结构变化规律。研究结果有助于加深对再生水补给城市景观河道水质变化的规律和机理的认识，为再生水和城市景观河道水质管理提供理论支持。

如图1所示，沿再生水管道设置3个采样点（S1、S2、S3）以分析再生水沿管道输配方向的水质变化规律；沿河流流向设置7个采样点，包括上游2个采样点（#1、#2）、下游5个采样点（#3 ~ #7），分析再生水补给前后水质变化规律。设置4个采样点（#1、#4、#5、#6）用来分析再生水补给前后水生植物群落结构变化规律。采样时间为2020.8 ~ 2021.4, 每10 ~ 20天采样一次。

图1 李村河地图和采样点

由于余氯和微生物的作用，COD沿着管道输配方向逐渐降低。除夏季外，COD浓度低于25 mg/L，优于地表IV类水标准。秋、冬季节微生物活性较低，TN、NO₃^--N浓度变化不大；但夏季和春季微生物活性较高，TN、NO₃^--N的平均浓度沿管道输配方向降低。而NH₄⁺-N浓度无明显的变化趋势。由于微生物的利用以及管道内颗粒和生物膜的吸附作用，TP和PO₄^3--P浓度呈现降低的趋势（图2）。

图2 管道输配过程中（a）COD、（b）TN、（c）NO₃^--N、（d）NH₄⁺-N、（e）TP、（f）PO₄^3--P的季节性变化规律

再生水补给后，COD浓度显著降低。夏季，由于有机物的释放和生物分解作用，COD浓度呈现出沿程升高的趋势；秋季和冬季，COD浓度呈现出先降低后升高的趋势；而春季，COD浓度呈现出先升高后降低的趋势。再生水补给后，下游TN浓度显著升高。除夏季和冬季外，沿河流流向，TN、NO₃^--N浓度呈现出先降低后升高的趋势。在不同的采样点之间，NH₄⁺-N浓度呈现出波动性变化的趋势，无明显的变化规律。除夏季外，TP、PO₄^3--P, DTP 和 PP浓度呈现出沿程升高的趋势，这是由于河流的冲刷作用使得沉积物中的磷释放到上覆水体；在#7处稍有降低，这是由再生水的稀释作用以及河流的自净作用所致。沿河流流向，不同采样点的Chla浓度在所有的季节均呈波动趋势，无明显变化规律（图3、图4）。

图3 沿李村河流向，（a）COD、（b）TN、（c）NO₃^--N、（d）NH₄⁺-N、（e）TP、（f）PO₄^3--P、（g）DTP和（h）PP浓度的季节性变化规律

在适宜的温度条件下，大量的氮、磷促进了藻类的生长，藻类代谢产生的有机物导致河流中浊度、COD和PP浓度升高。藻类利用CO₂进行光合作用，释放出大量O₂，导致DO浓度较高。再生水中NH₄⁺-N浓度和COD浓度较高，有利于反硝化。光合作用和反硝化作用是导致pH升高的主要原因。因此，Chla与TN、NO₃^--N、DTP 和 PO₄^3--P呈现出负相关关系，而Chla与COD、浊度、 PP、 DO、 pH 和 T呈现出正相关关系（图4）。

图4 （a）沿李村河流向Chla浓度的季节性变化规律；（b）Chla与可能的影响因素之间的相关性

再生水补给后，李村河下游流量变大、流速变快，不利于藻类生长，Chla浓度显著降低，有利于改善水质。水生植物群落结构发生变化，水生植物从以沉水植物为主，变为以挺水植物和沉水植物为主，平均生物量变大，有利于水质净化（图5）。

图5 再生水补给后（a）Chla、（b）水生植物的平均生物量和（c）密度的变化规律

再生水中大量的氮磷促进了植物的生长，使得植物生物量与氮磷浓度呈正相关。Shannon-Wiener指数与COD和pH呈显著正相关。而TN、NO₃^--N、TP、氧化还原电位和电导率之间呈明显的负相关，表明生物群落多样性高有利于去除营养盐和净化水体。藻类生物量与COD呈显著正相关,表明藻类生物量的增加容易导致河道中COD浓度的增加,引起水质劣化（图6）。

图6 植物/藻类生物量与水质参数之间的相关性

由于微生物和余氯的作用，沿管道输配方向，COD、TN、TP浓度逐渐降低。再生水补给显著改善了李村河下游水质，COD、浊度、叶绿素a浓度显著降低，水生植物生物量显著增加。由于河流自净作用以及植物的吸收，COD、N、P浓度沿程逐渐降低，但有的河段会出现水质劣化现象。水温、再生水的氮磷营养盐浓度是影响藻类生长的主要原因。