污水处理厂再生水补充河流水体水质变化规律

任晶晶，黄 潇，赵福祥，董文艺

(1.深圳市福田区环境保护和水务局，广东 深圳 518000；2.哈尔滨工业大学深圳研究生院土木与环境工程学院，广东 深圳 518055)

0 引言

随着我国经济快速发展，水资源短缺问题日益严重，再生水的开发利用，是实现水资源有效利用、污染物减排和环境改善相结合的必要途径，也是解决水资源短缺的经济有效的措施[1]。在我国许多城市，景观河流缺少补给水源，部分城市景观河流在枯水期存在断流问题，影响了城市景观生态系统的安全性[2-3]。

污水处理厂尾水作为河流补水可有效改善城市水环境质量，提高水体环境容量，同时，因其成本低、水质改善程度明显，越来越多的生态修复工程采用再生水作为河流补水[4-5]。然而，再生水中含有有机物和氮、磷等营养物质，存在致水体富营养化的风险，其在补水过程中的水质变化关系到补水的安全问题，不容忽视[6]。同时，再生水中含有消毒物质，补给过程中仍与水体中的物质发生化学反应，导致再生水的水质不断发生变化。所以，探讨再生水在河流补水过程中的水质变化规律尤为重要。

本文以深圳市某污水处理厂尾水作为河流补水为研究对象，选择两条具有代表性的河流，探讨其水质变化规律，为再生水科学利用、改善河流水质安全性提供参考。

1 监测和方法

1.1 补水河道监测断面设定

为保证选取的监测断面能够准确地反映再生水的水质变化规律，选取同一污水处理厂两个不同补水环境河流作为代表性河流，即：A河流流经某公园，B河流经过居民区。两河流是典型的季节性城市河流，枯水季节的径流主要来自污水处理厂的再生水，再生水采用氯消毒。选择监测全程为18 200 m，各监测断面沿程位置见表1。

为探讨氯消毒前后、河流补水过程再生水水质变化规律，根据实际再生水补水情况，水质监测断面分别为：污水处理厂氯消毒前、后；A河补水点及两个采样断面；管道预留口及B河补水点及两个采样断面，详如图1所示。

图1 再生水补水监测断面示意图

1.2 样品采集

本研究采样时间为2016年11月17日，08:00—19:00之间，根据管道流速，沿程采样点采样时间依照管道水流流速计算确定，确保沿程水质的一致性。采样频次为每小时1次，共采集7次，每次采集的水样体积约为1 L。采集的样品置于4 ℃保藏至实验室分析。

表1 采样点位置

1.3 分析方法

2 结果与讨论

2.1 有机物变化规律

再生水补水过程COD变化如图2所示，由图可知，再生水经过氯消毒后COD浓度略微降低，分别在11.5～19.2 mg/L和12.4～17.9 mg/L之间波动。在管道输送过程中，管道内COD明显降低，平均COD浓度为12.23 mg/L。再生水在A河流补水过程中COD呈明显的升高趋势，由均值12.4 mg/L升高至15.43 mg/L，而在B河流COD呈先升高后降低的趋势，最大值达21.15 mg/L。

由于氯具有较强的氧化作用，消毒后水样中的有机物被氯氧化，COD呈下降趋势。而在管网运输过程中，再生水中有机物除了被氯氧化外，管网微生物会将大分子及不饱和性的难降解有机物转化为易与生物利用的小分子及饱和性的易降解类物质，并逐渐将小分子有机物降解[7]，导致管道内COD呈下降趋势。A河流补水后出现有机物增长现象，可能存在两个原因：一是再生水中营养物质的引入刺激了河流中藻类的繁殖，而藻类的生长使水中有机物含量升高[8]；二是在补水点后河流沿线存在有机物的汇入，增加了水体中的有机物含量。B河流补水过程中有机物的变化出现降低现象，其第一断面至第二断面之间的河流中有机物含量明显降低，可能是由于水流经第一断面后流态改善及河流形态的改变，提升了河流的自净能力[9-10]。

(a)A河流

(b)B河流图2 再生水补水过程COD变化规律

2.2 氮素变化规律

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(a)A河流

(b)B河流图3 再生水补水过程变化规律

(a)A河流

(b)B河流图4 再生水补水过程变化规律

2.2.3 有机氮

图5为再生水补给过程有机氮沿程变化，经过氯消毒，有机氮含量变化不明显，消毒前后有机氮的含量为2.23 mg/L和2.25 mg/L。而在补水过程和管道输送过程中，有机氮发生了明显的衰减，较二级出水相比衰减量达10倍，质量浓度在0.25～0.5 mg/L范围内波动。在河流补水过程中，有机氮类呈升高趋势，但升高趋势不明显。

在氯消毒过程中，氯与有机氮类化合物反应生成有机氯胺，导致有机氮含量降低[14-15]。而在污水处理厂氯消毒工艺后未见有机氮显著降低，原因在于氯与再生水接触时间较短，未及时与有机氮发生反应。而在补水和管道输送过程，再生水与氯消毒剂的水力扰动和接触时间增加，加速了有机氮的转化。而在补水过程有机氮升高可能存在外源污染物的汇入。

(a)A河流

(b)B河流图5 再生水补水过程有机氮变化规律

2.3 TP变化规律

磷是导致水体富营养化的主要元素之一，关注再生水补水过程中磷的变化，可有效抑制水体富营养化现象的发生。图6为再生水补给过程TP沿程变化，由图可见，经过氯消毒，TP呈略微降低的趋势，由0.34 mg/L降到0.32mg/L。在管道输送过程中，TP升高至0.36 mg/L，整体变化较小。随着补水路程的增加，A河流TP呈上升趋势，而B河流TP呈降低趋势。

根据李兆欣等[16]、顾永刚等[17]的研究结果发现，再生水在作为河流补水的过程中，TP呈下降趋势；而范丽龑[18]等研究发现：TP在管道中变化不大，这与本研究结果是一致的。姜登岭等[19]在研究管网水中微生物可利用的磷(MAP)时发现，水中MAP质量浓度在管网运输过程中基本保持不变，认为MAP在管网中只能被水中细菌所利用，没有其他的代谢途径，而微生物利用只能够引起MAP的微量变化，所以再生水管网中的MAP质量浓度基本保持不变。A河流是位于公园内的人工河流，底泥含量少，微生物较少，磷利用率低。而B河流位于居民区附近，环境复杂，河流底泥丰富，导致较多的微生物利用磷，导致TP明显降低。

(a)A河流

(b)B河流图6 再生水补水过程TP变化规律

2.4 自由余氯和氯胺变化规律

自由余氯的变化和氯胺的变化关系到水质变化和水质安全，图7为再生水补给过程自由余氯和氯胺的沿程变化，由图7(a)可知，经过氯消毒后再生水中的自由余氯显著增加，由0.02 mg/L增加到2.75 mg/L左右。在管道传输过程中，自由余氯衰减到2.25 mg/L左右。在河流补水过程中，两条河流自由余氯的变化规律相同，随着补水路程的增加，自由余氯呈快速衰减的趋势，在两条河流的第二断面自由余氯的含量分别在0.5～1.3 mg/L和0.3～1.25 mg/L之间，是污水处理厂再生水出水自由余氯质量浓度的1/3左右。

氯消毒后的再生水中发生了化学反应，即水体中的氨氮和有机氮与氯发生化学反应(见式(1)～(3))，生成一氯胺、二氯胺和三氯胺等氯胺类化合物[13]。图7(b)为再生水补给过程氯胺沿程变化趋势，经过氯消毒后氯胺的质量浓度显著增加，并在补水过程中发生衰减。消毒前氯胺的含量为0.02～0.1 mg/L之间，经过氯消毒后氯胺质量浓度增加到0.1～1.5 mg/L之间。在管道输送到A河流补水点处发现氯胺呈上升趋势，证明管道内发生了氯胺的生成，其最大生成量为1.5 mg/L。在A河流补水过程中，氯胺呈衰减趋势，表明在河流内氯胺的分解速度大于氯胺的生成速率。而在B河流补水点处，氯胺的质量浓度为0.6 mg/L左右，而B河流第二断面氯胺的质量浓度先升高后降低，表明在第一断面存在足够的余氯与氨氮及有机氮发生反应生成氯胺，而在第二断面发生分解(见式(4)～(7))。

(a)自由余氯

(b)氯胺图7 再生水补水过程自由余氯和氯胺变化规律

3 结语

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