再生(污)水灌溉生態(tài)風險與可持續(xù)利用

陳衛(wèi)平,呂斯丹,張煒鈴,伊麗麗,焦文濤

(中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085)

再生(污)水灌溉生態(tài)風險與可持續(xù)利用

陳衛(wèi)平*,呂斯丹,張煒鈴,伊麗麗,焦文濤

(中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085)

作為一個農(nóng)業(yè)大國，水資源貧乏及地域分布不均勻造成了我國嚴重的農(nóng)業(yè)用水危機。為緩解我國農(nóng)業(yè)用水危機，污水灌溉及再生水灌溉已成為解決農(nóng)業(yè)灌溉水源不足的一項重要措施。在總結污水灌溉及再生水灌溉生態(tài)風險的基礎上，針對國內(nèi)研究現(xiàn)狀，分析了我國再生水灌溉利用的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，再生水灌溉的污染風險遠小于污水灌溉，且再生水灌溉還具有回用成本低、減少農(nóng)作物生產(chǎn)成本等經(jīng)濟效益，以及減少污染物向水環(huán)境中排放、改善土壤質量等環(huán)境效益。與污水灌溉相比再生水在農(nóng)業(yè)灌溉上具有較大的應用前景，應加大其推廣與應用的力度。最后，根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，提出了一些再生水灌溉可持續(xù)管理措施及其安全利用的相關建議。

污水回用；農(nóng)業(yè)灌溉；污染風險；環(huán)境效益；可持續(xù)管理

我國是一個水資源貧乏且地域分布很不均勻的國家，人均水資源量僅為世界人均水平的1/4[1]，占全國總面積36.5%的長江及其以南地區(qū)，擁有全國80.9%的水資源總量，而占全國總面積63.5%的長江以北地區(qū)，僅擁有全國19.1%的水資源總量[2]?？焖俚慕?jīng)濟發(fā)展進一步加劇了我國水資源的供需矛盾，目前我國年缺水總量約為300億至400億m3[3]。于此同時，我國城鎮(zhèn)污水排放量逐年增加，2010年我國污水排放總量為617.3億t，比上年增加4.7%[4]。開發(fā)利用廢污水資源，不僅是緩解水資源供需矛盾的重要措施，也是減輕環(huán)境污染的有效途徑。

作為一個農(nóng)業(yè)大國，我國農(nóng)業(yè)年用水量能達到全年總用水量的60%以上[5]，較高的農(nóng)業(yè)需水量使得我國污水回用主要集中于農(nóng)業(yè)灌溉。在我國，早期由于污水處理技術及設施的限制，污水回灌大多是使用未處理或處理后未達標的污水，1998年污水灌溉農(nóng)田面積達361.8萬hm2[6]。隨著再生水概念的提出、污水處理技術的發(fā)展，達到一定水質標準的再生水逐步用于農(nóng)業(yè)灌溉替代污水灌溉。我國2008年再生水回用量是16.6億m3，占污水處理總量的8%，其中28.9%用于農(nóng)業(yè)灌溉[1]。同未經(jīng)處理或簡單處理的污水相比，再生水水質大幅提高，有效降低了其環(huán)境風險，此外再生水利用還具有節(jié)省肥料、促進作物生長等經(jīng)濟效益，因此再生水在農(nóng)業(yè)利用方面具有較大的潛力。

本文通過對我國污水利用及國內(nèi)外再生水利用經(jīng)驗進行總結分析，明確了我國污水、再生水灌溉面臨的生態(tài)風險，探討了再生水灌溉在我國可持續(xù)利用的可行性，提出了再生水灌溉可持續(xù)管理的措施及建議，以期推動我國再生水農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展，促進我國再生水的安全利用。

1 我國污水灌溉利用生態(tài)風險分析

1.1 污水灌溉對土壤物化性質的影響

污染物在土壤中的殘留及積累是污水灌溉主要生態(tài)環(huán)境影響之一。由于灌溉污水中重金屬含量較高，國內(nèi)關于土壤重金屬污染的研究和報道較多。據(jù)我國農(nóng)業(yè)部進行的全國污灌區(qū)調(diào)查，在約140萬hm2的污灌區(qū)中，遭受重金屬污染的土地面積占污灌區(qū)面積的64.8%，其中輕度污染面積占46.7%，中度污染面積占9.7%，嚴重污染面積占8.4%[14]。多數(shù)研究[12，15-16]均發(fā)現(xiàn)污灌區(qū)重金屬在土壤中逐漸積累，其含量明顯高于土壤的背景值，甚至超過國家標準[13]，我國37個主要污灌區(qū)中明顯重金屬污染的灌區(qū)有22個，其中多半是積累性重金屬超標[17]；土壤中重金屬主要積累在耕作層[18-19]，并且其污染程度與污染源距離之間呈負相關[20-21]。長期污灌下污水中較高的全鹽量會使土壤發(fā)生次生鹽堿化，總堿度和鈉堿度急劇升高，進而導致土壤板結、土壤滲透性降低[22-23]。關于污灌下土壤中PAHs(polycyclic aromatic hydrocarbons)的變化研究較少，研究發(fā)現(xiàn)污灌區(qū)土壤中的PAHs含量有超標現(xiàn)象，但是污水并不是PAHs的主要污染源，并且污灌區(qū)的PAHs含量與其他普通農(nóng)田中的含量差別不大[24-25]。

1.2 污水灌溉對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤質量評價的重要內(nèi)容之一，學者主要從土壤微生物群落和土壤酶活性兩個方面來研究了污灌對土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)的影響。污灌可以改變土壤中微生物的種群數(shù)量和多樣性[26]，并且能夠選擇性地刺激土壤微生物中細菌和真菌類群的生長[27]。污灌對土壤酶活性的影響受到污染物種類、土壤酶種類等因素的影響，曹靖等[28]以甘肅省金昌市污灌土壤為研究對象，發(fā)現(xiàn)Cu與Ni復合污染對土壤脲酶、酸性磷酸酶和堿性磷酸酶活性均表現(xiàn)為激活作用，對過氧化氫酶和轉化酶有輕微的抑制作用，對多酚氧化酶有較強的抑制作用。李慧等[27]以沈撫污灌區(qū)為例，發(fā)現(xiàn)含石油烴污水灌溉能夠增加土壤中脫氫酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶的活性，且酶活性隨著污染程度的增加而增加，土壤脲酶則呈現(xiàn)相反趨勢。

1.3 污水灌溉對地下水的影響

1.4 污水灌溉對植被的影響

污水灌溉對植被的影響集中體現(xiàn)為作物產(chǎn)量和品質、污染物累積等方面，由于物種、灌溉水質、灌溉措施等因素的差異，污水回灌對作物的影響并不一致。污水中富含有N、P、K、Zn、S、B和有機質等營養(yǎng)物質，污水灌溉在一定程度上能促進作物生長[39]；但大多數(shù)研究表明長期連續(xù)污灌使土壤性能降低如土壤板結、通透性降低等，進而導致作物生長緩慢、長勢變差、生產(chǎn)量下降，葉片發(fā)黃等[19，40-41]；此外，對于植被生長非必需的微量元素Cd、Cr和Pb等，能通過植被的根系或其他途徑進入植被并富集，影響植被生長的同時，能通過食物鏈進入人體[12，42]。

2 再生水灌溉利用生態(tài)風險分析

再生水是指污水經(jīng)適當處理后，達到一定的水質標準，滿足某種使用需求的水。由于經(jīng)濟、技術等原因，再生水中仍然含有較高的全鹽量、多種毒性痕量物質(重金屬、有機污染物等)、豐富的氮元素及致病微生物等，這些物質隨著灌溉進入土壤-植被系統(tǒng)中，有可能對土壤、植物生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，污染地下水，進而危害人體健康[43]。據(jù)此，國內(nèi)外針對于再生水灌溉下鹽分、痕量污染物(重金屬、有機污染物等)、氮素、病原微生物等的潛在風險進行了相關研究，研究發(fā)現(xiàn)再生灌溉下土壤具有較大的鹽化風險，尤其是長期灌溉，且土壤中鹽分的累積會影響土壤性質及植物生長，地下水中的含鹽量也有增加的趨勢；灌區(qū)土壤、地下水受重金屬污染的風險較?。恍滦陀袡C污染物對土壤及地下水的影響有待進一步加強研究；氮的污染主要是導致土壤中營養(yǎng)元素失衡，以及地下水中硝態(tài)氮含量增加；目前的研究表明病原微生物對土壤、地下水污染的風險較小，但仍需進一步的研究。

2.1 土壤、地下水鹽化風險

再生水的含鹽量一般可高于同地區(qū)自來水的2倍，尤其是再生水中的鈉等一些可溶性鹽分離子，即使再進一步處理仍很難被有效去除[44]。再生水灌溉下土壤中鹽分的累積受到土壤性質、灌溉水質、氣候條件等因素的影響，因此不同的條件下土壤鹽分累積的程度并不相同。有研究表明，再生水灌溉下土壤中鹽分會出現(xiàn)累積，但并未達到鹽化的程度[45-46]，然而也有研究表明在長期再生水灌溉下土壤會出現(xiàn)一定程度的鹽漬化[47]，還有研究發(fā)現(xiàn)當土壤中累積的鹽分較多時會影響作物的正常生長[48-49]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)[50]再生水中較高的Na+，會引起灌溉土壤板結，進而導致土壤的入滲性能下降；也會導致土壤孔隙度減小，從而減小土壤滯留營養(yǎng)元素的能力，最終使土壤肥力下降[45]。對北京再生水灌區(qū)[51]進行實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)再生水灌溉可導致地下水中全鹽量增加，其增加的程度依賴于灌溉水質及地理環(huán)境等因素，其中Cl-的增加較為明顯。

2.2 痕量物質污染風險

隨著工業(yè)污水處理能力的加強，以及工業(yè)、生活污水的分開處理，近些年再生水中重金屬含量明顯降低，通常與地表水沒有明顯差異，大多數(shù)研究[52-53]均發(fā)現(xiàn)中短期的再生水灌溉不足以引起土壤重金屬的明顯累積，土壤重金屬污染風險較??；但長期再生水灌溉土壤重金屬可能累積至危害水平[54]。此外，再生水灌溉下重金屬主要集中在土壤20—40 cm土層[55]，總體上污染地下水的風險較小。再生水中POPs(persistent organic pollutants)的含量一般較低，如OCPs(organochlorine pesticides)含量在1—100 ng/L，PAHs含量在10—1000 ng/L[56]，相對于大氣沉降等其他來源，對土壤污染的風險較小[57]；但是再生水中一些新型有機物污染物(阻燃劑、塑化劑、個人護理產(chǎn)品等)的含量較高，如多環(huán)麝香抗生素含量多在1—10 μg/L，因此這些新型污染物的再生水灌溉污染風險逐漸受到關注，有研究表明再生水灌溉下土壤中的新型污染物含量將會增加[58]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)再生水灌區(qū)的地下水中能監(jiān)測出一些新型污染物，但一般濃度較小[59]。

2.3 氮素污染風險

經(jīng)過常規(guī)二級處理的再生水硝態(tài)氮含量較高，通常在10 mg/L以上，再生水中較高的氮含量能為植物提供生長所需的氮營養(yǎng)元素，但不當?shù)脑偕喔瓤赡軙е峦寥乐械^量，進而使植物的氮、磷、鉀等營養(yǎng)失衡，使植物非果實部分瘋狂生長，果實產(chǎn)量下降，果實質量下降等[48]；甚至會導致易遷移的硝態(tài)氮進入地下水，進而引起地下水污染[60]。研究發(fā)現(xiàn)，再生水灌溉下地下水中的總氮含量會增加[51，60]；而由于氨態(tài)氮容易在土壤中被吸附、轉化，使得地下水中硝態(tài)氮一般增加的較多[61]。但是，地下水中氮的來源不僅僅局限于再生水，農(nóng)業(yè)活動例如施肥也會導致地下水中氮含量增加[59]。

2.4 病原微生物污染風險

再生水中含有多種病原微生物(包括細菌、原生動物類、寄生蟲和病毒等)，目前對于再生水灌溉病原微生物的污染研究較少，主要集中在大腸桿菌的研究，大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)大腸桿菌主要集中在土壤表層[60]，且存活時間不長[62]；地下水受到大腸桿菌污染的風險較小[62]；但是對于一些存活能力和遷移能力較強的病原微生物，例如賈地鞭毛蟲、沙門菌等，其能在地下水中監(jiān)測到，只是監(jiān)測到的數(shù)量很小[63]。

3 再生水灌溉的可持續(xù)利用

3.1 可行性分析

(1)再生水利用已提升到國家戰(zhàn)略規(guī)劃的高度

為了加快建設全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施，2012年4月國務院辦公廳印發(fā)了《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設規(guī)劃》，指出“十二五”期間再生水利用率需增加5%以上，再生水生產(chǎn)規(guī)模將從2010年的1210萬m3/日增加到2015年的3885萬m3/日。此外，2012年12月住房和城鄉(xiāng)建設部頒發(fā)了《城鎮(zhèn)污水再生利用技術指南(試行)》，提出城鎮(zhèn)污水再生利用的總體目標是充分利用城鎮(zhèn)污水資源，緩解區(qū)域水資源短缺，提升我國城鎮(zhèn)水資源綜合利用效率和水平。為配合我國城市開展污水再生利用工作，建設部和國家標準化管理委員會編制了《城市污水處理廠工程質量驗收規(guī)范》、《城市污水再生利用-城市雜用水水質》等污水再生利用系列規(guī)范和標準?？梢?，我國再生水利用已提升到國家戰(zhàn)略規(guī)劃的高度，這一點能極大地推進高效、低耗能的污水處理再生技術發(fā)展，以及將再生水作為可利用水資源的一部分來考慮的水資源統(tǒng)籌規(guī)劃。

(2)科學管理下再生水灌溉利用是安全的

(3)再生水灌溉具有巨大的經(jīng)濟效益

再生水回用的基建投資比遠距離引水便宜，城市污水經(jīng)處理后達到生活雜用水和工業(yè)冷卻水水質的基建投資相當于從30余km外引水，若處理到可回用作較高要求的生產(chǎn)工藝用水，其投資也只相當于從40—60 km外引水[65]；而南水北調(diào)東線輸水主干線長1150 km，中線輸水總干渠長1246 km，可見對于需要遠距離引水的地方采取再生水回用更經(jīng)濟。再生水處理的成本一般在0.3—2.5元/t之間，南水北調(diào)水的成本是6.0—8.0元/t，我國海水淡化的成本大至在4.0—6.0元/t左右，可見再生水回用比南水北調(diào)和海水淡化具有更大的經(jīng)濟效益。在農(nóng)業(yè)灌溉方面，由于再生水含有大量的氮、磷、鉀、鈣等營養(yǎng)元素，當使用再生水灌溉農(nóng)田時可以減少化肥的使用量，節(jié)約生產(chǎn)成本，以北京市為例，經(jīng)估算每年使用再生水灌溉可以減少氮素的施用量7140—8610 t，磷的施用量1119—1590 t。再生水中含有較豐富的BOD(biochemical oxygen demand)，在一定條件下分解，可以釋放為作物吸收利用的多種營養(yǎng)元素，在一定范圍內(nèi)可以促使作物增產(chǎn)[57，66]。以北京市2010年再生水的利用為例，通過計算再生處理廠基建花費、運行和維護花費、管網(wǎng)建設花費、對人體健康不利影響的花費等，以及再生水利用能減少污染物排放、節(jié)省肥料、改善土壤環(huán)境等的利益，發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生凈利潤7.12億元，是再生水利用所需費用的1.7倍。

(4)再生水灌溉具有巨大的環(huán)境效益

再生水灌溉時可以利用土壤、作物對污水的凈化過濾功能，減少污染物例如重金屬、BOD等向水環(huán)境中的排放，以BOD為例，研究發(fā)現(xiàn)[67]大多數(shù)可降解性有機物能在土壤表層被降解，假設再生水灌溉下土壤對BOD的降解率為100%，對于北京二級處理水BOD為 16.0—25.8 mg/L[66]，每年可以減少BOD向環(huán)境中排放4800—7740 t；再生水灌溉能顯著改善土壤質量，例如提高土壤全氮、速效氮、速效磷的含量，增加陽離子交換量[68]，以及增加土壤微生物數(shù)量[45,69]，提高土壤酶活性[47，70]，這些具有較高活性及數(shù)量的微生物通過自身的生命活動可使土壤中的一些有害物質轉化為可為植物吸收利用的某些營養(yǎng)成分[70]。此外，再生水利用可以在一定程度上緩解水資源的供需矛盾，以我國2010年城鎮(zhèn)污水處理設施的平均處理水量0.96億m3/d[4]來估算，可知每年若將所有的再生水加以利用，可以緩解水資源壓力350.4億m3。

3.2 可持續(xù)管理

考慮到再生水灌溉具有巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，再生水灌溉應該被積極推廣。為實現(xiàn)再生水灌溉的可持續(xù)利用，應考慮如下幾個方面：

(1)鹽漬化是再生水灌溉利用的主要風險，但并不屬于再生水特有。在一些干旱半干旱地區(qū)，其地表水含鹽量可高于再生水。在蒸發(fā)蒸騰量大于降雨及灌溉量的情況下，土壤鹽漬化均可能發(fā)生。因此，再生水灌溉應保證適宜的淋溶量，在灌溉管理上遵循最佳管理措施，節(jié)水灌溉并不適宜。此外，可通過調(diào)整種植措施及適當?shù)耐寥栏牧?，避免鹽漬化的影響。

(2)高含氮量是再生水灌溉的雙刃劍。美國加州的一些利用案例表明，再生水灌溉可滿足一季作物生長的需求，不需使用額外的肥料。因而，為避免營養(yǎng)失衡及潛在的地下水污染，需要根據(jù)再生水的含氮量進行相應的灌溉調(diào)整。

(3)再生水中痕量污染物如重金屬、新型污染物受到廣泛關注，現(xiàn)有的研究成果表明，再生水灌溉下這些污染物的生態(tài)風險較小。為確保再生水長期可持續(xù)利用，需要依據(jù)再生水中這些污染物的含量，估算再生水灌溉承載力，確定安全的再生水灌溉量閾值及年限。

(4)病原菌傳播是再生水灌溉利用的潛在風險，可通過一些場地管理措施如設置緩沖區(qū)(遠離水井、公共可接觸區(qū))、徑流控制管理及作物收獲管理，有效避免病原菌傳播風險。

4 結論與建議

隨著水資源供需矛盾的進一步加劇、污水處理技術的發(fā)展，國家將更加重視再生水的利用，再生水灌溉將會逐漸替代污水灌溉，為了進一步促進再生水灌溉安全利用，提出以下建議：

(1)在科學研究層面，目前污染物研究范圍還比較有限，大多國內(nèi)外的研究重點放在鹽分、氮、重金屬、多環(huán)芳烴等物質上，而較忽略了新型污染物、致病微生物等的影響研究；同時針對污染物在不同介質之間的遷移轉化規(guī)律、影響因素等研究需要進一步完善，需要將多個學科聯(lián)合起來展開共同研究。此外，還需要進一步加強長期定位研究，由于許多污染物形成風險需要經(jīng)過長期再生水灌溉才能表現(xiàn)出來，在時間和空間上是動態(tài)的，僅僅通過野外實地調(diào)查和小規(guī)模室內(nèi)模擬研究是不夠的，為了盡可能獲取再生水灌溉風險及綜合效應相關信息，應對灌區(qū)的土壤、植被、地下水等進行定期監(jiān)測。通過進一步加強再生水灌溉污染風險的理論研究，綜合野外定期監(jiān)測、室內(nèi)土柱模擬、模型研究，建立再生水水質與生態(tài)風險的有機關聯(lián)，以便在再生水灌溉前進行相應的風險評估，進而減小再生水灌溉的污染風險。

(2)在標準體系方面，雖然我國已頒布了《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質》標準，以指導再生水灌溉利用，但該標準與灌溉利用的生態(tài)風險缺乏有機聯(lián)系，同時隨著科學研究的進展以及檢測技術的發(fā)展，這些標準仍需要進一步的完善。

(3)在風險管理方面，目前還沒有形成系統(tǒng)的科學的風險管理體系。為促進再生水灌溉的安全性和可持續(xù)性，需結合我國再生水發(fā)展的特點并參考借鑒國外再生水風險管理措施，建立耦合水質風險管理-終端用戶風險管理-設施風險管理-安全監(jiān)督管理的風險管理體系，以保障再生水灌溉的可持續(xù)利用。

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Ecological risks and sustainable utilization of reclaimed water and wastewater irrigation

CHEN Weiping*,Lü Sidan,ZHANG Weiling,YI Lili,JIAO Wentao

StateKeyLaboratoryforUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

water reuse; agricultural irrigation; pollution risk; environmental benefit; sustainable management

國家自然科學基金資助項目(41271501)

2013-05-02;

2013-11-13

*通訊作者Corresponding author.E-mail:wpchen@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201305020887

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