再生水入渗回灌利用的发展趋势＊

何江涛 沈照理

①副教授,②俄罗斯工程院外籍院士,教授,中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京100083

＊国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA100205)资助

再生水入渗回灌利用的发展趋势＊

何江涛①沈照理②

①副教授,②俄罗斯工程院外籍院士,教授,中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京100083

＊国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA100205)资助

再生水 入渗回灌 地下水 发展趋势

再生水回灌补给地下水是缓解地下水过量开采含水层枯竭问题的有效手段。作者介绍了中国再生水利用发展的现状,并总结了目前国际上再生水入渗回灌研究的主要方向和进展,结合中国实际情况指出,再生水入渗回灌增补地下水研究,是地表水—土壤—地下水资源转化研究领域中一个新的重要研究方向,具有多学科交叉渗透特点,加强这一领域的研究对于推动中国再生水安全利用和健康快速发展具有重要的实际意义。

再生水利用是缓解水资源短缺的必然途径。早在20世纪70年代初美国就开始大规模地兴建污水处理厂并开始将污水再生回用。俄罗斯、以色列、南非和纳米比亚的污水再生回用也很普遍[1]。近年来随着世界各国人口增加和水资源危机加剧,越来越多的国家和地区开始重视对再生水的利用[2-6]。2000年欧盟出台了《水框架指令》(Water Framework Directive),2004年美国环境保护局(USEPA)出版了《再生水利用导则》(Guidelines for Water Reuse),2006年世界卫生组织(WHO)出台了《世界卫生组织污水安全利用指南》(WHO Guidelines for the Safe Use of Wastewater),进一步促进了世界各国对再生水的利用。据Bixio等[7]统计,目前全世界大约有超过3300个再生水利用工程,主要分布在日本、美国、澳大利亚以及欧洲等国家和地区,以农业灌溉、工业利用、城市杂用为主。

1 再生水入渗回灌方式

按照再生水的回用方式可划分为：工业用水、农业灌溉、景观环境用水、城市杂用、地下水补给、饮用水源增补等[1,6,8,9]。其中,地下水补给是再生水利用的重要途径之一,也是缓解地下水过量开采含水层枯竭问题的有效手段。1983年Pyne提出了ASR的概念(aquifer storage and recovery),这一概念最早是指利用地下含水层储存调整功能,回灌(井管或渗灌)储存丰水期过剩的天然水(包括大气降水、地表河湖水等),枯水期再抽出利用,实现地表水地下水的联合调蓄[10]。后来,再生水也加入到回灌用水的行列。SAT系统(soil aquifer treatment)即是以再生水用作回灌水源的一种典型模式。Sheng[11]进一步拓展ASR的概念,将其定义为将处理或未处理的地表水、再生水通过入渗盆地(spreading basins)、渗滤廊道(infiltration galleries)、回灌井(recharge wells)等方式回灌至合适的含水层,然后再通过回灌井或者附近的生产井部分或全部的抽出利用,或者以增加河道基流方式排泄维持河流生态。USEPA的《再生水利用指南》指出,利用再生水进行地下水回灌主要目的包括防止海水入侵、为再生水利用提供进一步的深度处理、增补饮用和非饮用地下水水源以及控制地面沉降等。回灌方式包括地表入渗(surface spreading)、土壤含水层处理系统(SAT)、包气带注入回灌(vadose zone injection)以及直接井灌(direct injection)几种方式[8]。实际上,这几种方式本质的差异根本在于采用井灌还是入渗回灌,中国的 GB/T19772—2005标准中就主要区分了地表回灌和井灌两种方式。当然,地表回灌方式还可以进一步划分为田间入渗、沟渠河网、以及坑塘入渗回灌等方式[9]。

井灌方式由于不受地形条件限制,不受弱透水层分布和地下水埋深等条件的限制,占地少,水量浪费少,不易受气候变化等因素影响,有着较为广泛的应用,特别是在防止海水入侵、地面沉降等方面[12-13]。但由于再生水由污水处理得到,通过井灌直接进入含水层存在较大的不确定风险,因此,井灌方式对再生水水质要求比较高。此外,由于井灌方式井管和含水层易被阻塞,会在很大程度上影响回灌效率,应用上受到了一定限制。近年来,再生水地表入渗回灌方式因其对再生水水质要求相对不是很高、可以充分利用土壤-含水层净化能力进一步改善再生水水质、可以实现多目标再生水利用等优点,成为一种经济有效的方式受到世界各国广泛关注。

实际上,早在20世纪70年代国外就开始了再生水地表入渗回灌利用研究,主要采用方式为土壤-含水层处理系统(SAT,soil aquifer treatment),其中比较著名的是以色列的Dan Region工程[14-16]。这种系统早期应用的主要目的是：利用土壤-含水层的自然净化能力替代昂贵的污水深度处理技术,进一步去除污水中悬浮物、微生物、COD、BOD、N、P、微量重金属等污染组分,以获得优质再生水用于除饮用外的其他目的。因此,早期研究多集中于SAT作为深度处理技术对水质改善的效果上。如：Rice[17],Kopchynski[15],Idelovitch[16],Drewes[18],Fox[19,20]等的研究。随着地下水开采加剧,含水层水资源枯竭问题凸显,SAT系统的应用不再局限于替代深度处理,而进一步扩展到增补饮用和非饮用地下水水源等方面。同时,利用河道、沟渠、坑塘等进行连续入渗回灌也得到了应用和发展,如美国亚利桑那州Tucson的回灌工程[21]和Mesa的回灌工程、洛杉矶的Rio Hondo回灌工程[22]、以色列Dan Region工程[16]、比利时的 Torreele/St-Andre工程[23]、芬兰 Tuusula的回灌工程[24]等。

2 中国再生水利用发展现状

中国再生水利用起步虽晚,但随着城市污水处理率的不断提高,以及水资源短缺加剧,城市再生水利用发展非常迅速。“十五”期间,开展了城市污水再生利用政策、标准和技术研究与示范的系列研究,并于2002—2005年先后出台了 GB/T 18919—2002《城市污水再生利用分类》,GB/T 18920—2002《城市污水再生利用 城市杂用水水质》,GB/T 18921—2002《城市污水再生利用景观环境用水水质》,GB/T18923《城市污水再生利用补充水源水质》,GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工业用水水质》,GB/T19772—2005《城市污水再生利用地下水回灌水质》系列标准。同时,在北京、天津、西安、合肥、石家庄和青岛等城市建立起一批再生水景观环境示范工程,极大地推动了再生水利用。这一阶段的再生水利用主要以农业灌溉、工业利用、景观用水、城市杂用为主。

以北京为例,20世纪90年代末,以高碑店污水处理厂再生水回用项目建成为标志,开始了再生水利用第一阶段。到2006年北京市再生水利用量已达3.6亿m3,利用率为37%,其中：农业灌溉用水1.99亿m3,工业冷却循环用水0.9亿m3,景观用水0.57亿m3,第三产业用水0.15亿m3[25]。2005年《北京市节约用水办法》颁布实施,进一步明确“统一调配地表水、地下水和再生水”,首次将再生水正式纳入水资源进行统一调配。开始进入再生水利用的第二阶段[26]。据报道到2010年,北京中心城将建成13座中水厂,中水生产能力将达到140万m3/d,年再生水利用量将达到6亿m3。拓展再生水利用渠道,充分利用再生水资源是今后一段时间内发展的主要方向[25]。为拓宽再生水利用渠道,加强再生水利用,2006年北京市组织实施了温榆河水资源利用工程,该工程将温榆河城市污水经过膜生物反应器(MBR)处理后的再生水输送至顺义城北减河,用于城北减河和潮白河环境用水,同时增补地下水水源,2007年10月份建成通水后,每年有3800万m3的再生水流入潮白河,目前已形成300万m3、约1.5个昆明湖般大的水面景观。该工程开启了中国再生水地表入渗回灌增补地下含水层实践。按照北京市有关部门的构想,今后几年内将进一步拓展再生水利用计划,将北运河城市污水深度处理后调到潮白河上游、将清河和小红门污水处理厂再生水调往永定河。这一系列工程中,利用再生水入渗增补地下水都将成为其主要目的之一。然而,由于中国相关基础研究和应用研究均比较滞后,远不能满足再生水安全利用目的。因此,再生水入渗回灌的相关研究显得十分迫切。

3 再生水入渗回灌国际研究进展

目前国际上关于再生水入渗回灌的研究主要集中在以下几个方面：

3.1 土壤含水层系统对再生水的净化

已有的研究表明：地表入渗回灌对于再生水水质改善有明显效果,起作用的关键部位通常位于地表入渗到含水层之间几米到几十米的范围,尤其是接近地表的堵塞层或淤积层。一旦再生水进入含水层,通过含水层净化去除污染组分的贡献相对较小。Quanrud等[21]研究了美国亚利桑那州Tucson的SAT系统对溶解性有机碳(DOC)的去除。研究表明：DOC的去除主要发生在渗滤池底部以下3 m的范围内,去除的DOC组分主要为亲水性强、易生物降解的溶解有机物。Rauch-Williams等[22]研究了SAT系统生物膜含量与可生物降解有机碳(BOC)之间的关系,研究表明：它们在所调查的3个SAT系统以及模拟实验中均表现出良好的正相关关系,说明再生水中BOC的含量限制了土壤生物膜的生长,从而到达稳定状态。所调查的3个SAT系统对于BOC的去除均主要发生在30 cm土壤深度范围内,这里也是土壤生物膜含量最高的层位,生物降解是溶解性有机质(DOM)的主要去除机制。0～10 m的范围则是BOC去除的关键部位,特别是对胶体形式有机碳的去除。Lin等[27]研究了以色列Dan Region工程SAT系统长期运行土壤渗滤介质有机质的变化规律,结果表明：经过20年的运行渗滤池下部有机质的积累主要出现在渗滤池底部以下0.9 m的范围内;0～0.3 m的范围内有机质积累速度初始很快,然后会缓慢下降;10～15年运行后,有机质含量达到一个稳定状态,长期运行过程中再生水输入的有机质大部分在土壤介质中被降解去除,0～2.1 m范围内土壤有机质积累量仅相当于再生水输入24年总量的4%;SAT系统垂向入渗对于DOC的去除达到了70%～90%,而含水层中的水平径流仅去除了10%左右。

3.2 再生水中溶解性有机物的组成与去除

由于再生水由污水处理所得,地表入渗回灌过程中,尽管土壤-含水层系统会对再生水中的污染物起到一定净化作用,但仍有污染含水层的风险。再生水中的DOC由众多复杂的有机化合物组成,它可能包括各种内分泌干扰物、环境雌激素以及形成消毒副产物的前置有机物等[28]。Zhang等[29]采用树脂吸附层析技术分离了再生水中的DOM,研究表明：有机酸是DOM的主要组成部分,占52%,其中疏水性酸和亲水性酸均表现出很高的三卤甲烷和卤乙酸消毒副产物生成潜能。Mahjoub等[30]研究了再生水灌溉和回灌过程中土壤中的外源性有机物,发现再生水中含有雌激素受体、芳香烃受体、孕烷X受体等内分泌干扰物,再生水灌溉和回灌过程中并不能将其有效去除。Westerhoff等[31]通过室内柱实验模拟研究了入渗回灌对DOC的去除,发现小分子、低芳香性的DOC容易降解去除。Quanrud等[21]指出,疏水性DOC通常由极性较低、分子量较大的腐植酸聚合物组成,这部分DOC表现出较强的芳香性以及较高的三卤甲烷生成活性;过渡亲水性DOC的极性中等,主要由分子量较低、含羧酸较多的有机物组成;亲水性DOC主要由易迁移的极性更强、分子量更低的有机化合物组成。

3.3 再生水中病原微生物的去除及风险

除溶解性有机污染物外,再生水中的病原微生物是否会污染到地下含水层也是一些学者所关心的问题。由于地表入渗回灌方式再生水是以开放形式蓄积在河道、沟渠或坑塘中,即便在再生水处理过程中进行了消毒处理,也很容易导致病原微生物的再度滋生。因此,仍有可能污染地下含水层,甚至威胁到回收利用井。为防止这一问题出现,很多国家都明确规定了回灌水在含水层中的停留时间。如中国 GB/T19772—2005《城市污水再生利用 地下水回灌水质》中规定：回灌水在被抽取利用前,应在地下停留足够的时间,以进一步杀灭病原微生物,保证卫生安全。采用地表回灌的方式进行回灌,回灌水在被抽取利用前,应在地下停留6个月以上。采用井灌的方式进行回灌,回灌水在被抽取利用前,应在地下停留12个月以上[9]。美国加利福尼亚州早期再生水地下回灌水质标准规定：采用地表入渗方式,回用前须在地下停留6个月以上,抽水点与注入点间的水平距离至少为150 m[32]。目前加州关于地下水回灌的规定已变为基于逐案确定[8]。德克萨斯州卫生署规定回灌地下水在含水层中的停留时间要达到2年以上[11]。Page等[23]研究评估了墨西哥、澳大利亚、南非、比利时4个再生水地下水回灌处理工程对病原微生物的去除效果,采用含水层停留时间和病原微生物日衰减率(log10/d)计算log10去除容量,用以进行病原微生物的风险评估。结果表明,回灌水中病原微生物数量以及回灌水在含水层中的停留时间是影响风险的主要因素。

3.4 再生水无机水化学组分的变化

在再生水入渗回灌过程中,无机水化学组分的变化也是很多学者目前所关注的问题。由于再生水相对于含水层的天然水而言是外源水,它们在水化学成分上存在明显差异,再生水入渗过程中很可能会打破天然水与土壤-含水层介质间的平衡,从而导致水质发生明显改变,并对渗滤介质产生影响。Johnson等[33]通过批试验和模拟柱实验,研究了3种不同工艺处理的再生水回灌过程中土壤-水相互作用对水质无机组分改变的影响。研究表明,回灌水与包气带介质相互作用产生的溶解/沉淀反应可以明显降低介质的渗透速率或者导致介质物理结构的崩溃。Kortelainen等[24]利用碳同位素研究了回灌过程中DOC和无机碳(DIC)的变化,研究揭示出DOC的去除包括降解、吸附和混合稀释3种作用,DOC的氧化降解明显提高了DIC的浓度,回灌水渗滤过程中,K+,Ca2+,Mg2+,Si,NO-3,SO4-2,电导率也有明显升高。Vandenbohede等[34]研究了三级处理再生水渗滤回灌及抽出利用过程中无机水化学作用导致的水质改变。结果表明,碳酸钙的溶解和氧化还原反应导致再生水产生矿化作用,水化学类型发生明显改变。Greskowiak等[35]研究了坑塘回灌过程中渗滤介质饱和、非饱和状态的改变对回灌水水化学变化的影响。结果表明,再生水入渗过程中,坑塘下部水力学条件初始阶段为非饱和渗流,很快会形成饱和渗流,当坑塘底部底泥层/堵塞层形成以后,又变成非饱和流。对应于渗流状态的变化,坑塘下部的氧化还原环境也会产生相应变化,从而影响到有机污染物的降解去除和无机组分的地球化学作用。Greskowiak等[35]还指出：有机物的氧化降解受微生物代谢和电子受体控制。电子受体包括O2,NO-3,铁锰(氢)氧化物、SO4-2等,电子受体的消耗通常按序列进行,这通常会导致沿渗滤水流动方向形成不同的氧化还原带。生物降解反应可能引发进一步的地球化学反应,从而可能对回灌水质和含水层介质产生相当大的影响,如改变介质的孔隙度和水力传导性、矿物反应和吸附能力等水文地质属性。此外,许多微量有机物归宿也会受到氧化还原环境的影响。因此,研究再生水回灌过程中的氧化还原带的形成和过程非常重要。

4 结 语

随着城市污水处理率的提高,再生水回灌入渗增补地下水源将成为再生水利用的一个重要发展方向,它的研究不仅涉及水文地质、水文地球化学等领域,还涉及环境水化学、微生物学等多个领域,具有明显的多学科交叉渗透特点,是地表水-土壤-地下水资源转化研究领域中一个新的重要研究方向。因此,开展这方面的研究,不仅对于揭示再生水入渗回灌利用过程中的基本科学规律,促进传统水文地质与环境科学交叉学科的发展具有重要的科学意义,同时,对于推动中国再生水的安全利用和健康快速发展也具有重要的实际意义。会.城市污水再生利用 地下水回灌水质[S].GB/T19772-2005,2005.

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(2010年3月10日收到)

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(责任编辑：方守狮)

Trends of Reclaimed Water Infiltration Recharge HE Jiang-tao①,SHEN Zhao-li②

①Associate Professor,②Member of Russian Academy of Engineering,Professor,School of Water Resources and Environment,China University of Geosciences,Beijing 100083,China

Using reclaimed water perform groundwater recharge is a cost-effective method to alleviated groundwater resource depletion problems caused by excessive extraction.The reclaimed water reuse status quo in China was described and the current international research development trends and progress about reclaimed water infiltration recharge were summarized.Combining our country actual situation,the authors point out that the research on reclaimed water reuse through groundwater recharge is an important new research direction in the field of surface-soil-groundwater resources transformation,which has obvious characteristics of multi-interdisciplinary.Strengthen researches in this area have great practical significance for promoting safe reuse of reclaimed water in our country.

reclaimed water,infiltration recharge,groundwater,trend

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.06.008