城市再生水回灌的研究进展与运用

时利宇

（胜利油田新邦公司，山东 东营 257000）

1 概述

近年来，随着我国城市化的加速和经济的迅猛发展，水资源短缺已成为制约我国经济社会发展的重要因素。为了使有限的水资源能够持续地得到利用，开发利用城市再生水势在必行。再生水的回用方式有许多种：工业回用、农业灌溉、城市杂用、地下回灌等。再生水回灌作为再生水回用的最有潜力的一种方式，可以补充或节约地下水资源，有效防止地面下沉和海水入侵。再生水回灌的方式有：表灌、土壤含水层处理(SAT)、包气带注入和井灌等。

早在20世纪70年代，国外就已经开始再生水回灌的研究，建成许多实际的回灌工程，回灌水占再生水比例越来越大。美国2006年可统计的再生水回用量为378313772千加仑，其中回灌48532551千加仑，占总回用量的13%；而佛罗里达州2000年回灌水量占再生回用水的16%，加利福尼亚州则占12%。

而我国再生水回灌的研究相对滞后，能够实际工程应用的很少，远远不能满足再生水安全回灌的要求。

2 再生水回灌的水质要求及风险评价

2.1 再生水回灌的水质要求

再生水回灌可以增加地下水的容量，但也存在着再生水中残余的污染物在回用中累积带来的水质安全问题，因此，对再生水回灌水质的要求较高。地下回灌的再生水水质依据回灌地区的地下水水文、土壤等地质情况、回灌的方式和回用目的有所差异。

许多国家对回灌地下的再生水水质提出了指导性的原则，德国一般要求回灌水水质不低于当地地下水水质，以色列规定用于回灌的再生水优于饮用水标准。美国对再生水的地下回灌有着非常严格的限制，美国环保署2004年颁布的《再生水利用导则》中对于潜在的饮用水应用的回灌水水质至少要求能达到饮用水水质，各州要求的标准不低于国家标准。

我国于2005年由国家质量监督总局和国家标准化委员会发布了《城市污水再生利用地下水回灌水质标准》(GB/T 19772-2005)，水利部于2007年颁布了《再生水水质标准》(SL368-2006)，分别再生水回灌的水质进行了规定。

相对而言，国外已经针对不同用途的回灌水，进行过很多长期的观察和深入的研究，形成了比较严谨的标准体系，而我国虽然也早在70年代进行过回灌水的研究，但大多数研究目标都集中于用来补充地下水水位上，以防止地面下沉和海水侵蚀，对水质要求尤其是对潜在的饮用水应用的要求较低。虽然在GB/T 19772-2005中规定了只是针对非饮用水，但在中国北方不少缺水地区，地下水已经成为主要的工农业以及生活用水的水源，GB/T 19772-2005并没有针对潜在的间接饮用水应用进行相应的规定，对再生水中的痕量有毒有害有机物没有标准限定，标准的制定相应滞后。

表1 回灌水水质标准(单位：mg/L)

2.2 再生水回灌的风险评价

尽管再生水运用已经成熟，已经广泛运用于城市杂用、工业回用、农业回灌以及生活用水水源的间接补给，但公众对再生水的使用，尤其是在生活用水的回用上始终有所怀疑。为保证再生水的回灌得到安全保障，研究者采用健康风险评价对再生水的回用进行了论证研究，目前大多数国内研究使用的是美国的四步法进行风险评价，评价的对象多数以优先污染和各种病原微生物为主。

云桂春等对用于地下回灌的北京高碑店污水处理厂再生水进行了Ames试验检验，对比国内其他水源水的实验结果发现，深度处理后再生水的Ames试验结果要优于许多饮用水水源；对深度处理后的出水中的C2Cl4，C4H8O2，C2HCl3，C6H10O 等 4 种优先污染物进行了致癌风险评价，结果表明城市污水经深度处理后出水中的单一优先污染物对人体健康影响很小。张建龙等则利用Logistic混沌系统方法来产生可靠、简单、高效的随机数，提出了基于改进蒙特卡罗算法的再生水回用健康风险评价方法，并以西安市某污水处理厂再生水中的风险指标为研究对象进行实例模拟计算。

3 再生水回灌过程中的污染物研究

在再生水回灌过程中，再生水相对于含水层而言是外源水，在水化学成分上存在明显的差异。再生水中残余的污染物在入渗过程中，很可能会打破天然水与土壤-含水层介质间的平衡，从而导致水质发生改变，因此再生水回灌过程中污染物的变化情况一直是研究的重点和热点。

3.1 颗粒物、三氮、无机盐的去除

比土壤孔隙大的颗粒物在泥水界面上被滤掉，细小的颗粒物包括细菌则沉降在介质孔径内部。而病毒主要是被吸附和厌氧细菌的协同作用去除。累积的细小颗粒物在土壤颗粒表面形成更加密实的过滤层，通过泥水界面的悬浮物将被土壤吸附和渗滤。当水流流经土粒通道时，胶体颗粒过小无法被截留，将随水流的流体力学行动、扩散、冲击和沉降。这些胶体颗粒被截留和吸附在静态的土壤基质表面，胶体颗粒被土壤吸附和捕集程度取决于悬浮物浓度，土壤特性和水力负荷。

在土壤中被截留和去除的溶解性无机组分，主要是通过物理、化学和微生物作用沉淀和固定溶解性组分，包括离子交换、沉淀、表面吸附、螯合、络合和粘土矿物的侵蚀等过程。回灌水中过多的盐分会与土壤中发生各种物理化学反应，导致土壤的化学性质改变：如地下水硬度升高，土壤碱化板结。因此，回灌水中溶解性的固体总含量是一个重要的控制指标。

三氮（NH4+-N、NO2--N、NO3--N）的转化和土壤含水量、氧化还原电位和pH值有密切关系。土质是影响土壤氮迁移的重要因素，在迁移转化环境条件相同的情况下，随着土壤颗粒中粘粒含量的增加，土层的净化容重增加，其中土层的反硝化反应速率的增加是硝酸根去除的决定性因素。温度也是三氮迁移转化的主要影响因素之一，氮污染物超标的再生水冬季相对于夏季来说更容易使地下水受到污染。氮污染物的去除不单单是吸附和生物作用，有可能还存在其他因素导致氮污染物浓度下降。

研究表明，回灌过程中大部分的NH4+-N被土壤胶体或被作为土壤微生物的氮源吸收，皮云正等观察到约有15%-43%的NH4+-N经过硝化作用转变为NO3--N，硝化作用在土壤表层进行。

3.2 再生水中有机污染物的去除

再生水中有较多的残余微量有机物，其中一些属于促癌物、辅致癌物、可疑致癌物或致突变物。

易降解的有机成分在回灌过程中主要是通过吸附和生物降解消减。生物降解主要发生在附有微生物的介质表面。生物降解的速率和产物很大程度上受有机质成分和电子受体如溶解氧和氮源的影响。易降解有机物的生物降解发生回灌土壤表层下一个较短的距离。

在各类再生水回灌研究中，溶解性有机物（DOM）一直是关注的焦点，DOM 由众多复杂的有机化合物组成，它包括各种内分泌干扰物和环境雌激素等，并且在再生水的加氯消毒过程中，DOM还会和氯反应生成三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)等氯化消毒副产物。由于DOM的组成非常复杂，很难在分子水平上对其进行分析。研究者们通常将DOM分级成几种具有显著特征的组分，按照DOM在不同树脂上的吸附特性可以将其分为5个部分:疏水性有机酸(HPO-A)、疏水性中性有机物(HPO-N)、过渡亲水性有机酸(TPI-A)、过渡亲水性中性有机物(TPI-N)和亲水性有机物(HPI)。再生水中（DOM）的主要成分是HPO-A和HPI，两者含量之和达70.8%。

薛爽等发现SAT对DOM最显著的去除作用发生在顶部0.5m的土层中。SAT对HPO-A，TPI-A和 HPI的去除率分别为61.06%，54.86%和74.95%。回灌过程中对整体 DOC，HPO-A，TPI-A 和 HPI中 THMFP的去除率分别为 34.01%，27.24%，26.24%和36.08%，但出水中的DOM组分具有更高的SUVA，生成三卤甲烷的能力更强。

魏亮亮认为好氧生物降解作对再生水DOM的去除作用较大。中性DOM组分(HPO-N和TPI-N)比酸性 DOM组分(HPO-A和TPI-A)更容易被好氧生物降解作用所去除，而酸性DOM组分比中性DOM组分更容易被SAT系统中非好氧生物降解+吸附作用所去除。非好氧生物降解+吸附作用对控制SAT出水THMFP作用明显。

3.3 细菌和病毒

再生水中的致病微生物是再生水回灌中所关心的问题。地下水系统是一个复杂的综合体，它是微生物菌群生长繁衍、不断演替的重要场所，而微生物菌群影响着地下水系统自身的演化，微生物的存在会改变地下水化学组成和含水层水力性质。同时回灌水带入的微生物可能在适宜的条件下迅速繁殖导致回灌系统的生物堵塞，造成回灌能力的降低。地表下致病微生物的存活因素包括温度、土壤组成、土壤中拮抗微生物区系、流量、微生物种类等。在低温下（低于4℃），一些微生物体可以存活几个月甚至几年。在5-30℃之间，每上升10℃，死亡率显著倍增。一般地下水环境的温度约在8℃左右，基本是各类微生物适合的生长区间。

土壤的性质是微生物存活的重要因素，粗砂石类型土壤层的渗透率较高，吸附病毒的能力很低。其他土壤的特性如pH、阳离子浓度、持水能力和有机物都能在一定程度上影响土壤中细菌和病毒的存活。微生物对这些环境因素的抵抗能力因类型而差异较大。干性的土壤会杀细菌和病毒。当有充足的有机质存在时，细菌生在碱性土壤中存活时间比在酸性土壤(pH3-5)中长。一般而言，提高阳离子浓度、pH值的减少和溶解性有机物的存在将促进病毒在土壤中的吸附。

回灌前正确的处理方式(包括消毒)、合理的回灌点位置、回灌系统的有效管理能最大程度的减少地下水中微生物的存在。一旦微生物到达地下水系统，水的氧化还原态将显著影响脱除率。

4 回灌水的经济评价

国内外在再生水人工回灌理论与工程实践方面取得了大量的研究成果，回灌的方式有多种，对于不同条件下的再生水人工回灌经济效益评价，国内外学者也进行了大量的探索。

万亮婷等将人工回灌经济效益分成7个方面：增加供水效益、扬程效益、减少新建水源工程效益、水质效益、增产效益、洪水控制效益和防治咸水入侵效益，提出了各种效益的计算方法。

王咏梅结合某水厂尾水回灌工程实例，采用反渗透设备为主体的处理系统，投资总额为50万元，回灌量3.5万m3，将产生10.5万元的节水效益和20万元的排污效益，投资回收期为1.64年。

Nasrollah Kalantari对伊朗西南省份Khuzestan省Baghmalek盆地构建的三个地下水回灌进行了统计分析，三个地下水回灌点的回灌水量为每年220万m3，投资收益比为1:1.32，在研究中发现，回灌项目的主要收益来源于农产品产量的提高，这在Virat Chatdarong的研究中也得到了体现。

结语

再生水回灌体现了减量化、无害化、资源化的原则和可持续发展的战略思想，是扩大污水回用最为有益的一种方式，具有广阔的应用前景。再生水回灌后在农业灌溉、间接饮用水补充和地表水补充的实际应用已经开展了多年，不过公众对再生水的间接饮用补充始终有所质疑，因此，对于再生水中的难降解化学物在回灌过程中的毒性以及降解路径的研究将会是今后的研究重点。

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