海岛远离大陆, 为独立系统, 地表水全部来自大气降水, 而大部分海岛面积有限、地形复杂, 地表径流短小, 淡水资源严重缺乏, 因此研究海岛水资源重复利用对于缓解海岛水资源紧张具有重要意义^[1-2]。而污水处理厂是对污染源排出的污废水进行人工强化处理并使水质达到一定要求的场所, 是水处理和水资源重复利用的枢纽和中心节点^[3-4], 因此研究海岛污水处理厂的中水回用问题对于海岛水资源可持续利用具有重要意义。

中水主要是指污水经处理后达到一定的水质标准后, 可在一定范围内重复使用的非饮用水^[5]。中水回用可以减少污水的排放, 同时也可以促进水资源的重复利用, 缓解水资源压力。多年来, 研究人员在中水回用的理论与实践方面做了大量的探索, 如探讨了中水回用的技术可行性^[6-7]、经济可行性^[8]、政策推动因素^[9-10]、最佳回用率分析^[11]、风险分析^[12]等。但由于海岛远离大陆、经济发展缓慢、保护理念落后、缺乏中水回用基础设施, 海岛中水回用存在较多的困难^[2], 有关海岛中水回用可行性的研究也少见报道。

平潭岛位于福建省东部海域, 福州市东南部海域。平潭县多年平均水资源量为1.72×10⁸ m³, 人均水量613 m³, 亩均水量1 637 m³, 远低于福建省全省人均4 520 m³、亩均5 850 m³的水平, 属缺水区^[13]。自2010年设立平潭综合实验区以来, 平潭岛进入了快速开发阶段, 对淡水资源的需求量逐渐增加。平潭金井湾污水处理厂是平潭综合实验区配套的重要市政基础设施, 主要处理平潭综合实验区金井湾组团现状及规划市政污水。因此研究金井湾污水处理厂中水回用具有具有较强的必要性和紧迫性。本研究利用湖泊完全混合衰减方程和二维扩散方程等解析法、经验系数法等方法, 从水量可行性和水质可行性两方面来研究平潭金井湾污水处理厂中水回用的可行性, 以期为平潭岛污水处理厂中水回用提供科技和决策支持。

1   材料与方法

1.1   研究区域

平潭岛位于福建省东部海域, 福州市东南部海域。面积281.5 km², 人口约41万(2013年)。东临台湾海峡, 西隔海坛海峡与福清市、长乐市隔海相望, 距离内陆地区最近距离约3.2 km。平潭岛呈南北长条状, 地势南北高、中部低, 岛中部为海积与风积平原, 北部、南部为丘陵、台地。

平潭金井湾污水处理厂位于平潭岛西南部, 规划用地面积7.68 hm²。如图 1所示。金井湾污水厂服务范围为金井湾组团, 服务面积约28 km²。污水厂规模为40000 t/d。项目尾水采取再生回用方式, 作为湖泊景观用水、城市杂用水使用, 湖泊景观用水排入金井南湖、金井北湖和如意湖, 城市杂用水主要用于冲厕、绿化与广场、道路与交通设施用水。污水处理厂设计的进水水质和出水水质^[14]如表 1所示。

图  1  污水处理厂地理位置

Fig.  1  Location of sewage treatment plant

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表  1  污水处理厂主要设计出水水质指标

Tab.  1  Water quality indicators of effluent from sewage treatment plant

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1.2   水质预测方法

1.2.1   湖泊完全混合衰减方程

本研究预测尾水经金井南湖、金井北湖和如意湖排放对海域环境的影响, 采用了湖泊完全混合衰减方程^[15]和二维扩散方程解析解近似方程^[16]来预测营运期尾水排放后对海域的影响范围和程度。其方程分别如下:

其中:

式中:W₀为湖中现有污染物的负荷量(g/d); Q_p为流进湖泊的污水排放量(m³/d); C_p为流进湖泊的污水排放浓度(mg/L); V为湖水体积(m³); K_h为描述污染物浓度变化的时间常数(1/d); Q_h为流出湖泊的污水排放量(m³/d); K₁表示污染物按照K₁的速度做一级降解反应。

1.2.2   二维扩散方程解析解近似方程

式中:C(x, y)为距离排污口(X, Y)点污染物平均浓度增量(mg/L); Q为污染物单位时间的排放源强(g/s); H为平均有效混合层厚度(m); U为潮流平均流速(m/s); D_y为横向扩散参数(m²/s); x和y分别为纵向、横向坐标距离(m); t为时间(s), t=x/U。

1.3   中水回用量经验计算方法

中水回用量计算采用经验公式法进行计算:

式中:Q_ti为中水回用总量(m³); Q_pi为单位面积中水回用量(m³/ha); A_i为地类i的面积(hm²); r_i为替换系数。

2   结果与讨论

2.1   结果

2.1.1   中水回用方式

平潭金井湾污水处理厂内设再生水泵站, 将达标后的出水供至城市再生水管网, 回用至居民冲厕、绿化与广场浇洒、道路与交通设施、湖泊景观用水。

2.1.2   中水回用水量可行性分析

2.1.2.1   城市杂用水需水量分析

参考《城市居民生活用水量标准》(GB 50331-2002)^[17], 规划区使用中水代替部分淡水, 居民冲厕用水占总用水的30%左右, 考虑到普及率的不确定性, 居民冲厕中水替换率取15%;绿化和道路浇灌用水中水替换率取90%。

由《福建省城市用水量标准》(DBJ/T 13-127-2010)^[18]和《平潭综合实验区金井湾组团控制性详细规划》^[19]可知, 居民用水标准为120 m³/(hm²·d), 居住用地面积为111.67 hm², 居民冲厕中水替换率取15%, 则居民冲厕用水量为2010.06 m³; 绿化与广场用水标准为25 m³/(hm²·d), 绿化与广场用地面积为232.50 hm², 则中水用量为5231.25 m³; 道路与交通设施用水标准为25 m³/(hm²·d), 道路与交通设施用地面积为199.52 hm², 则中水用量为4489.20 m³。

2.1.2.2   污水处理厂尾水作为湖泊景观用水水量分析

部分中水用于居民冲厕用水、绿化与广场用水、道路与交通设施用水后, 其余尾水可排入金井南湖、金井北湖和如意湖, 作为景观湖补水水源。

根据《平潭综合实验区金井湾组团控制性详细规划》, 金井南湖、金井北湖和如意湖的面积共约为128 hm², 平均深度为2 m, 蒸发量取平潭多年平均年蒸发量1328.9 mm, 蒸发的水量约为4660 m³/d。剩余水量约为23609 m³/d。排入金井南湖、金井北湖和如意湖后, 湖面每天上升约0.019 m。由于如意湖、金井北湖、金井南湖需要维持一定的水位, 保持和周边景观的协调性, 而本项目尾水的进入可以帮助维持水位。湖泊与海域之间存在调蓄闸门, 待湖泊水域经多天积累水位较高时, 可通过闸门将多余水体排入海域, 保持水位稳定。

表  2  一期不同用途的中水使用量

Tab.  2  The amount of reclaimed water for different uses

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2.1.2.3   中水回用水量可行性

由前述分析可知, 城市杂用水需水量约为11730.51 m³/d, 蒸发量为4660.25 m³/d, 剩余尾水作为湖泊景观用水, 水量为23609.24 m³/d, 尾水进入湖泊后, 湖泊约升高0.019 m/d, 升高幅度不大, 并可通过湖泊与海域之间的闸门调蓄, 保持水位稳定。因此, 从水量的角度看, 金井湾污水厂中水回用是可行的。

2.1.3   中水回用水质可行性分析

2.1.3.1   作为城市景观用水、城市杂用水的水质可行性

平潭金井湾污水处理厂中水作为城市景观用水、城市杂用水使用, 必须符合《城镇污水再生利用工程设计规范》(GB50335-2016)^[20]中关于观赏性景观环境用水和城市杂用水水质的要求。由表 3可知, 本项目出水水质符合《城镇污水再生利用工程设计规范》(GB50335-2016)的要求, 因此, 从水质的角度来看, 本项目中水作为城市景观用水、城市杂用水使用是可行的。

表  3  不同出水标准水质指标对照

Tab.  3  Water quality indicators for different effluent standards

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2.1.3.2   部分尾水通过调蓄闸门进入海域的水质可行性分析

污水处理厂部分尾水排入金井南湖、金井北湖和如意湖, 如意湖和海域之间通过调蓄闸门相通。本研究通过模型计算尾水通过调蓄闸门进入海域的污染物(COD_Mn、总氮、总磷)浓度增量, 并结合海域的环境现状, 分析尾水进入海域的环境可行性。

(1) 预测因子及源强

参考相关研究, 本研究确定COD、总氮、总磷为营运期影响预测因子, 源强见表 4。在预测中COD_Cr与COD_Mn的比例按2.5: 1进行换算。

表  4  污水厂排放的水污染物源强

Tab.  4  Water pollution source intensity of sewage plant discharge

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(2) 污染物背景值及允许的浓度增量

由于如意湖、金井南湖和金井北湖水域现状与海域相通, 海水水质现状监测数据是采用COD_Mn、无机氮和活性磷酸盐来代表海域的化学需氧量指标和氮磷指标, 所以本研究将通过比对COD_Mn、无机氮和活性磷酸盐的浓度变化来判断海域水质是否超标。

由于如意湖的外侧海域海洋功能区执行《海水水质标准》(GB 3097-1997)^[21]第二类标准, COD_Mn按照二类海水水质标准的浓度限值(≤3 mg/L)进行控制; 根据COD_Mn现状监测值, 本次水质预测中的COD_Mn本底值为0.8 mg/L(最大值)^[22], 故COD_Mn允许浓度增量为2.2 mg/L。

在《海水水质标准》(GB 3097-1997)中没有总氮的浓度限值, 因此总氮的水质标准参考无机氮的水质标准。无机氮按照第二类海水水质标准的浓度限值(≤0.3 mg/L)进行控制; 根据环境现状调查结果, 本次水质预测中的无机氮本底值为0.062 mg/L(最大值)^[22], 故无机氮允许浓度增量为0.23 mg/L。

总磷在计算时, 其执行标准选用活性磷酸盐在《海水水质标准》中的二类标准(≤0.03 mg/L), 根据现状调查结果, 本次预测中的活性磷酸盐本底值为0.01 mg/L(最大值)^[22], 故活性磷酸盐允许浓度增量为0.02 mg/L。

(3) 污染物在湖泊中的衰减

金井南湖、金井北湖和如意湖的面积共为128 hm², 平均深度为2 m, 蒸发量取平潭多年平均年蒸发量1328.9 mm, COD_Mn、TN和TP的一级降解反应K₁值分别取0.04、0.11和0.05, 由公式(1)计算得出经过湖泊中的衰减过程, COD_Mn、TN和TP的浓度分别为13.09 mg/L、1.68 mg/L和0.095 mg/L。

(4) 污染物在如意湖入海口处的衰减

计算考虑涨、落潮阶段(流速不为零), 同时考虑潮流的往复作用, 采用简化二维扩散方程解析解计算, 参数取值及计算结果见表 5至表 7。

表  5  如意湖出海口附近COD_Mn浓度增量分布

Tab.  5  Increasing distribution of COD_Mn concentration around the Ruyi lake estuary

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表  6  如意湖出海口附近TN浓度增量分布

Tab.  6  Increasing distribution of TN concentration around the Ruyi lake estuary

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表  7  如意湖出海口附近TP浓度增量分布

Tab.  7  Increasing distribution of TP concentration around the Ruyi lake estuary

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从表 5~表 7中可看出, 正常排放时, 在如意湖调蓄闸门外海域, COD_Mn、TN(无机氮)、TP(活性磷酸盐)浓度均不超过第二类海水水质标准要求。其中COD_Mn浓度增量超过0.5 mg/L的范围在顺涨、落潮流方向50 m, 宽20 m的范围内, 面积约0.001 km², 面积较小; TN浓度增量超过0.05 mg/L的范围在顺涨、落潮流方向50 m, 宽20 m的范围内, 面积约0.001 km², 面积较小。TP浓度增量超过0.002 mg/L的范围在顺涨、落潮流方向100 m, 宽20 m的范围内, 面积约0.002 km², 面积较小。

2.2   讨论

2.2.1   事故性排放的影响分析

2.2.1.1   事故情景概况

事故情景为:在断电或设备故障的情况下, 污水处理厂的污水未经处理直接排入湖泊。

2.2.1.2   水量影响分析

金井南湖、金井北湖和如意湖的面积共约为128 hm², 平均深度为2 m。平潭多年平均年蒸发量约为1328.9 mm, 蒸发的水量约为4660 t/d。剩余水量约为35340 t/d。排入金井南湖、金井北湖和如意湖后, 湖面上升速度约为0.027 m/d。

2.2.1.3   水质影响分析

(1) 预测因子及源强

根据工程分析, 本报告确定COD、总氮、总磷为事故性排放影响预测因子, 源强见表 8。由于事故情景设置为:污水处理厂的污水未经处理直接排入湖泊, 所以COD_Cr、总氮、总磷的浓度采用污水处理厂的进水水质中各指标的浓度, 其中COD_Cr的源强计算采用COD_Mn标准, 在预测中COD_Cr与COD_Mn的比例按2.5: 1进行换算。

表  8  污水厂事故性排放的水污染物源强

Tab.  8  Water pollution source intensity of sewage plant discharge in case of accidental discharge

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(2) 预测结果与评价

① 污染物在湖泊中的衰减

金井南湖、金井北湖和如意湖的面积共为128 hm², 平均深度为2 m, 蒸发量取平潭多年平均年蒸发量1328.9 mm, COD_Mn、TN和TP的一级降解反应K₁值分别为0.04、0.11和0.05, 计算得出经过湖泊中的衰减过程, COD_Mn、TN和TP的浓度分别为34.60 mg/L、3.48 mg/L和0.52 mg/L。

② 二维扩散方程解析解计算结果

涨、落潮阶段(流速不为零), 同时考虑潮流的往复作用时, 采用简化二维扩散方程解析解计算, 参数取值及计算结果见表 9~表 11。

表  9  事故性排放如意湖事故性排放COD_Mn浓度增量分布

Tab.  9  Increasing distribution of COD_Mn concentration around the Ruyi lake estuary in case of accidental discharge

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表  10  事故性排放如意湖事故性排放TN浓度增量分布

Tab.  10  Increasing distribution of TN concentration around the Ruyi lake estuary in case of accidental discharge

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表  11  事故性排放如意湖事故性排放TP浓度增量分布

Tab.  11  Increasing distribution of TP concentration around the Ruyi lake estuary in case of accidental discharge

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从表 9、10和11中可看出, 事故性排放时, 在如意湖出海口, COD_Mn浓度增量超过2.2 mg/L的范围在顺涨、落潮流方向20 m, 宽10 m的范围内, 面积约0.0002 km²; TN浓度增量超过0.23 mg/L的范围在顺涨、落潮流方向20 m, 宽10 m的范围内, 面积约0.0002 km²; TP浓度增量超过0.02 mg/L的范围在顺涨、落潮流方向50 m, 宽20 m的范围内, 面积约0.001 km²。

2.2.1.4   防范措施

由于事故性排放会造成湖泊水面上升较快, 并造成海域的局部水质超标, 因此, 做好事故性排放的防范措施非常必要, 主要从以下几方面来进行防范:①至少建立两套处理设备, 当一套设备发生故障时, 另外的设备可以继续运营; ②在污水处理厂区域或附近区域建立事故应急池, 当发生事故性排放时, 可将尾水排入事故池暂存, 待设备正常运营时重新将水抽入处理系统进行处理; ③在污水处理厂的污水排放系统下游建立湿地过滤系统, 对尾水进行天然过滤, 在事故性排放发生时减少尾水对下游水体的影响; ④加强在线监测, 及时发现和了解事故性排放的发生及影响范围。

2.2.2   中水回用途径

中水回用的对象分工业用水和市政杂用水。工业用水主要是回用至热电厂和化工厂等的冷却用水以及城市污水处理厂内部的杂用(如可用于污泥脱水冲洗滤布等); 市政杂用水包括河湖用水、城市绿化用水、道路路面喷洒用水、冲厕用水、洗车用水等^[9], 本研究主要主要考虑了河湖用水、冲厕用水、绿化与广场用水、道路与交通设施用水, 未涉及工业用水。随着工业的发展和城市化的推进, 水资源压力的增加, 中水的用途必将逐渐拓宽, 有更多的企业或部门可以利用中水来为生产和运营服务。

3   结论

本研究基于污水处理厂的特征和区域的规划资料, 利用经验系数法、湖泊完全混合衰减方程和二维扩散方程解析解近似方程等方法, 分析了平潭金井湾污水处理厂中水回用环境可行性。通过将中水回用于湖泊用水、冲厕用水、绿化与广场用水、道路与交通设施用水, 中水水量可以满足各种用途; 中水水质可满足冲厕用水、绿化与广场用水、道路与交通设施用水的水质要求, 排入湖泊后可以满足湖泊及其相邻的海域的环境功能区水质要求。在事故性排放情况下, 湖泊出海口处的有小面积水域的水质超过了海域功能区的水质要求, 应采取相应措施加强管理, 防范事故性排放; 随着城市化的推进和工业的发展, 中水用途将更趋于多样化。