何江濤 沈照理

①副教授,②俄羅斯工程院外籍院士,教授,中國地質(zhì)大學(北京)水資源與環(huán)境學院,北京100083

＊國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2006AA100205)資助

再生水入滲回灌利用的發(fā)展趨勢＊

何江濤①沈照理②

①副教授,②俄羅斯工程院外籍院士,教授,中國地質(zhì)大學(北京)水資源與環(huán)境學院,北京100083

＊國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2006AA100205)資助

再生水 入滲回灌 地下水 發(fā)展趨勢

再生水回灌補給地下水是緩解地下水過量開采含水層枯竭問題的有效手段。作者介紹了中國再生水利用發(fā)展的現(xiàn)狀,并總結(jié)了目前國際上再生水入滲回灌研究的主要方向和進展,結(jié)合中國實際情況指出,再生水入滲回灌增補地下水研究,是地表水—土壤—地下水資源轉(zhuǎn)化研究領域中一個新的重要研究方向,具有多學科交叉滲透特點,加強這一領域的研究對于推動中國再生水安全利用和健康快速發(fā)展具有重要的實際意義。

再生水利用是緩解水資源短缺的必然途徑。早在20世紀70年代初美國就開始大規(guī)模地興建污水處理廠并開始將污水再生回用。俄羅斯、以色列、南非和納米比亞的污水再生回用也很普遍[1]。近年來隨著世界各國人口增加和水資源危機加劇,越來越多的國家和地區(qū)開始重視對再生水的利用[2-6]。2000年歐盟出臺了《水框架指令》(Water Framework Directive),2004年美國環(huán)境保護局(USEPA)出版了《再生水利用導則》(Guidelines for Water Reuse),2006年世界衛(wèi)生組織(WHO)出臺了《世界衛(wèi)生組織污水安全利用指南》(WHO Guidelines for the Safe Use of Wastewater),進一步促進了世界各國對再生水的利用。據(jù)Bixio等[7]統(tǒng)計,目前全世界大約有超過3300個再生水利用工程,主要分布在日本、美國、澳大利亞以及歐洲等國家和地區(qū),以農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)利用、城市雜用為主。

1 再生水入滲回灌方式

按照再生水的回用方式可劃分為：工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉、景觀環(huán)境用水、城市雜用、地下水補給、飲用水源增補等[1,6,8,9]。其中,地下水補給是再生水利用的重要途徑之一,也是緩解地下水過量開采含水層枯竭問題的有效手段。1983年Pyne提出了ASR的概念(aquifer storage and recovery),這一概念最早是指利用地下含水層儲存調(diào)整功能,回灌(井管或滲灌)儲存豐水期過剩的天然水(包括大氣降水、地表河湖水等),枯水期再抽出利用,實現(xiàn)地表水地下水的聯(lián)合調(diào)蓄[10]。后來,再生水也加入到回灌用水的行列。SAT系統(tǒng)(soil aquifer treatment)即是以再生水用作回灌水源的一種典型模式。Sheng[11]進一步拓展ASR的概念,將其定義為將處理或未處理的地表水、再生水通過入滲盆地(spreading basins)、滲濾廊道(infiltration galleries)、回灌井(recharge wells)等方式回灌至合適的含水層,然后再通過回灌井或者附近的生產(chǎn)井部分或全部的抽出利用,或者以增加河道基流方式排泄維持河流生態(tài)。USEPA的《再生水利用指南》指出,利用再生水進行地下水回灌主要目的包括防止海水入侵、為再生水利用提供進一步的深度處理、增補飲用和非飲用地下水水源以及控制地面沉降等?；毓喾绞桨ǖ乇砣霛B(surface spreading)、土壤含水層處理系統(tǒng)(SAT)、包氣帶注入回灌(vadose zone injection)以及直接井灌(direct injection)幾種方式[8]。實際上,這幾種方式本質(zhì)的差異根本在于采用井灌還是入滲回灌,中國的 GB/T19772—2005標準中就主要區(qū)分了地表回灌和井灌兩種方式。當然,地表回灌方式還可以進一步劃分為田間入滲、溝渠河網(wǎng)、以及坑塘入滲回灌等方式[9]。

井灌方式由于不受地形條件限制,不受弱透水層分布和地下水埋深等條件的限制,占地少,水量浪費少,不易受氣候變化等因素影響,有著較為廣泛的應用,特別是在防止海水入侵、地面沉降等方面[12-13]。但由于再生水由污水處理得到,通過井灌直接進入含水層存在較大的不確定風險,因此,井灌方式對再生水水質(zhì)要求比較高。此外,由于井灌方式井管和含水層易被阻塞,會在很大程度上影響回灌效率,應用上受到了一定限制。近年來,再生水地表入滲回灌方式因其對再生水水質(zhì)要求相對不是很高、可以充分利用土壤-含水層凈化能力進一步改善再生水水質(zhì)、可以實現(xiàn)多目標再生水利用等優(yōu)點,成為一種經(jīng)濟有效的方式受到世界各國廣泛關注。

實際上,早在20世紀70年代國外就開始了再生水地表入滲回灌利用研究,主要采用方式為土壤-含水層處理系統(tǒng)(SAT,soil aquifer treatment),其中比較著名的是以色列的Dan Region工程[14-16]。這種系統(tǒng)早期應用的主要目的是：利用土壤-含水層的自然凈化能力替代昂貴的污水深度處理技術(shù),進一步去除污水中懸浮物、微生物、COD、BOD、N、P、微量重金屬等污染組分,以獲得優(yōu)質(zhì)再生水用于除飲用外的其他目的。因此,早期研究多集中于SAT作為深度處理技術(shù)對水質(zhì)改善的效果上。如：Rice[17],Kopchynski[15],Idelovitch[16],Drewes[18],Fox[19,20]等的研究。隨著地下水開采加劇,含水層水資源枯竭問題凸顯,SAT系統(tǒng)的應用不再局限于替代深度處理,而進一步擴展到增補飲用和非飲用地下水水源等方面。同時,利用河道、溝渠、坑塘等進行連續(xù)入滲回灌也得到了應用和發(fā)展,如美國亞利桑那州Tucson的回灌工程[21]和Mesa的回灌工程、洛杉磯的Rio Hondo回灌工程[22]、以色列Dan Region工程[16]、比利時的 Torreele/St-Andre工程[23]、芬蘭 Tuusula的回灌工程[24]等。

2 中國再生水利用發(fā)展現(xiàn)狀

中國再生水利用起步雖晚,但隨著城市污水處理率的不斷提高,以及水資源短缺加劇,城市再生水利用發(fā)展非常迅速。“十五”期間,開展了城市污水再生利用政策、標準和技術(shù)研究與示范的系列研究,并于2002—2005年先后出臺了 GB/T 18919—2002《城市污水再生利用分類》,GB/T 18920—2002《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》,GB/T 18921—2002《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》,GB/T18923《城市污水再生利用補充水源水質(zhì)》,GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》,GB/T19772—2005《城市污水再生利用地下水回灌水質(zhì)》系列標準。同時,在北京、天津、西安、合肥、石家莊和青島等城市建立起一批再生水景觀環(huán)境示范工程,極大地推動了再生水利用。這一階段的再生水利用主要以農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)利用、景觀用水、城市雜用為主。

以北京為例,20世紀90年代末,以高碑店污水處理廠再生水回用項目建成為標志,開始了再生水利用第一階段。到2006年北京市再生水利用量已達3.6億m3,利用率為37%,其中：農(nóng)業(yè)灌溉用水1.99億m3,工業(yè)冷卻循環(huán)用水0.9億m3,景觀用水0.57億m3,第三產(chǎn)業(yè)用水0.15億m3[25]。2005年《北京市節(jié)約用水辦法》頒布實施,進一步明確“統(tǒng)一調(diào)配地表水、地下水和再生水”,首次將再生水正式納入水資源進行統(tǒng)一調(diào)配。開始進入再生水利用的第二階段[26]。據(jù)報道到2010年,北京中心城將建成13座中水廠,中水生產(chǎn)能力將達到140萬m3/d,年再生水利用量將達到6億m3。拓展再生水利用渠道,充分利用再生水資源是今后一段時間內(nèi)發(fā)展的主要方向[25]。為拓寬再生水利用渠道,加強再生水利用,2006年北京市組織實施了溫榆河水資源利用工程,該工程將溫榆河城市污水經(jīng)過膜生物反應器(MBR)處理后的再生水輸送至順義城北減河,用于城北減河和潮白河環(huán)境用水,同時增補地下水水源,2007年10月份建成通水后,每年有3800萬m3的再生水流入潮白河,目前已形成300萬m3、約1.5個昆明湖般大的水面景觀。該工程開啟了中國再生水地表入滲回灌增補地下含水層實踐。按照北京市有關部門的構(gòu)想,今后幾年內(nèi)將進一步拓展再生水利用計劃,將北運河城市污水深度處理后調(diào)到潮白河上游、將清河和小紅門污水處理廠再生水調(diào)往永定河。這一系列工程中,利用再生水入滲增補地下水都將成為其主要目的之一。然而,由于中國相關基礎研究和應用研究均比較滯后,遠不能滿足再生水安全利用目的。因此,再生水入滲回灌的相關研究顯得十分迫切。

3 再生水入滲回灌國際研究進展

目前國際上關于再生水入滲回灌的研究主要集中在以下幾個方面：

3.1 土壤含水層系統(tǒng)對再生水的凈化

已有的研究表明：地表入滲回灌對于再生水水質(zhì)改善有明顯效果,起作用的關鍵部位通常位于地表入滲到含水層之間幾米到幾十米的范圍,尤其是接近地表的堵塞層或淤積層。一旦再生水進入含水層,通過含水層凈化去除污染組分的貢獻相對較小。Quanrud等[21]研究了美國亞利桑那州Tucson的SAT系統(tǒng)對溶解性有機碳(DOC)的去除。研究表明：DOC的去除主要發(fā)生在滲濾池底部以下3 m的范圍內(nèi),去除的DOC組分主要為親水性強、易生物降解的溶解有機物。Rauch-Williams等[22]研究了SAT系統(tǒng)生物膜含量與可生物降解有機碳(BOC)之間的關系,研究表明：它們在所調(diào)查的3個SAT系統(tǒng)以及模擬實驗中均表現(xiàn)出良好的正相關關系,說明再生水中BOC的含量限制了土壤生物膜的生長,從而到達穩(wěn)定狀態(tài)。所調(diào)查的3個SAT系統(tǒng)對于BOC的去除均主要發(fā)生在30 cm土壤深度范圍內(nèi),這里也是土壤生物膜含量最高的層位,生物降解是溶解性有機質(zhì)(DOM)的主要去除機制。0～10 m的范圍則是BOC去除的關鍵部位,特別是對膠體形式有機碳的去除。Lin等[27]研究了以色列Dan Region工程SAT系統(tǒng)長期運行土壤滲濾介質(zhì)有機質(zhì)的變化規(guī)律,結(jié)果表明：經(jīng)過20年的運行滲濾池下部有機質(zhì)的積累主要出現(xiàn)在滲濾池底部以下0.9 m的范圍內(nèi);0～0.3 m的范圍內(nèi)有機質(zhì)積累速度初始很快,然后會緩慢下降;10～15年運行后,有機質(zhì)含量達到一個穩(wěn)定狀態(tài),長期運行過程中再生水輸入的有機質(zhì)大部分在土壤介質(zhì)中被降解去除,0～2.1 m范圍內(nèi)土壤有機質(zhì)積累量僅相當于再生水輸入24年總量的4%;SAT系統(tǒng)垂向入滲對于DOC的去除達到了70%～90%,而含水層中的水平徑流僅去除了10%左右。

3.2 再生水中溶解性有機物的組成與去除

由于再生水由污水處理所得,地表入滲回灌過程中,盡管土壤-含水層系統(tǒng)會對再生水中的污染物起到一定凈化作用,但仍有污染含水層的風險。再生水中的DOC由眾多復雜的有機化合物組成,它可能包括各種內(nèi)分泌干擾物、環(huán)境雌激素以及形成消毒副產(chǎn)物的前置有機物等[28]。Zhang等[29]采用樹脂吸附層析技術(shù)分離了再生水中的DOM,研究表明：有機酸是DOM的主要組成部分,占52%,其中疏水性酸和親水性酸均表現(xiàn)出很高的三鹵甲烷和鹵乙酸消毒副產(chǎn)物生成潛能。Mahjoub等[30]研究了再生水灌溉和回灌過程中土壤中的外源性有機物,發(fā)現(xiàn)再生水中含有雌激素受體、芳香烴受體、孕烷X受體等內(nèi)分泌干擾物,再生水灌溉和回灌過程中并不能將其有效去除。Westerhoff等[31]通過室內(nèi)柱實驗模擬研究了入滲回灌對DOC的去除,發(fā)現(xiàn)小分子、低芳香性的DOC容易降解去除。Quanrud等[21]指出,疏水性DOC通常由極性較低、分子量較大的腐植酸聚合物組成,這部分DOC表現(xiàn)出較強的芳香性以及較高的三鹵甲烷生成活性;過渡親水性DOC的極性中等,主要由分子量較低、含羧酸較多的有機物組成;親水性DOC主要由易遷移的極性更強、分子量更低的有機化合物組成。

3.3 再生水中病原微生物的去除及風險

除溶解性有機污染物外,再生水中的病原微生物是否會污染到地下含水層也是一些學者所關心的問題。由于地表入滲回灌方式再生水是以開放形式蓄積在河道、溝渠或坑塘中,即便在再生水處理過程中進行了消毒處理,也很容易導致病原微生物的再度滋生。因此,仍有可能污染地下含水層,甚至威脅到回收利用井。為防止這一問題出現(xiàn),很多國家都明確規(guī)定了回灌水在含水層中的停留時間。如中國 GB/T19772—2005《城市污水再生利用 地下水回灌水質(zhì)》中規(guī)定：回灌水在被抽取利用前,應在地下停留足夠的時間,以進一步殺滅病原微生物,保證衛(wèi)生安全。采用地表回灌的方式進行回灌,回灌水在被抽取利用前,應在地下停留6個月以上。采用井灌的方式進行回灌,回灌水在被抽取利用前,應在地下停留12個月以上[9]。美國加利福尼亞州早期再生水地下回灌水質(zhì)標準規(guī)定：采用地表入滲方式,回用前須在地下停留6個月以上,抽水點與注入點間的水平距離至少為150 m[32]。目前加州關于地下水回灌的規(guī)定已變?yōu)榛谥鸢复_定[8]。德克薩斯州衛(wèi)生署規(guī)定回灌地下水在含水層中的停留時間要達到2年以上[11]。Page等[23]研究評估了墨西哥、澳大利亞、南非、比利時4個再生水地下水回灌處理工程對病原微生物的去除效果,采用含水層停留時間和病原微生物日衰減率(log10/d)計算log10去除容量,用以進行病原微生物的風險評估。結(jié)果表明,回灌水中病原微生物數(shù)量以及回灌水在含水層中的停留時間是影響風險的主要因素。

3.4 再生水無機水化學組分的變化

在再生水入滲回灌過程中,無機水化學組分的變化也是很多學者目前所關注的問題。由于再生水相對于含水層的天然水而言是外源水,它們在水化學成分上存在明顯差異,再生水入滲過程中很可能會打破天然水與土壤-含水層介質(zhì)間的平衡,從而導致水質(zhì)發(fā)生明顯改變,并對滲濾介質(zhì)產(chǎn)生影響。Johnson等[33]通過批試驗和模擬柱實驗,研究了3種不同工藝處理的再生水回灌過程中土壤-水相互作用對水質(zhì)無機組分改變的影響。研究表明,回灌水與包氣帶介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的溶解/沉淀反應可以明顯降低介質(zhì)的滲透速率或者導致介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的崩潰。Kortelainen等[24]利用碳同位素研究了回灌過程中DOC和無機碳(DIC)的變化,研究揭示出DOC的去除包括降解、吸附和混合稀釋3種作用,DOC的氧化降解明顯提高了DIC的濃度,回灌水滲濾過程中,K+,Ca2+,Mg2+,Si,NO-3,SO4-2,電導率也有明顯升高。Vandenbohede等[34]研究了三級處理再生水滲濾回灌及抽出利用過程中無機水化學作用導致的水質(zhì)改變。結(jié)果表明,碳酸鈣的溶解和氧化還原反應導致再生水產(chǎn)生礦化作用,水化學類型發(fā)生明顯改變。Greskowiak等[35]研究了坑塘回灌過程中滲濾介質(zhì)飽和、非飽和狀態(tài)的改變對回灌水水化學變化的影響。結(jié)果表明,再生水入滲過程中,坑塘下部水力學條件初始階段為非飽和滲流,很快會形成飽和滲流,當坑塘底部底泥層/堵塞層形成以后,又變成非飽和流。對應于滲流狀態(tài)的變化,坑塘下部的氧化還原環(huán)境也會產(chǎn)生相應變化,從而影響到有機污染物的降解去除和無機組分的地球化學作用。Greskowiak等[35]還指出：有機物的氧化降解受微生物代謝和電子受體控制。電子受體包括O2,NO-3,鐵錳(氫)氧化物、SO4-2等,電子受體的消耗通常按序列進行,這通常會導致沿滲濾水流動方向形成不同的氧化還原帶。生物降解反應可能引發(fā)進一步的地球化學反應,從而可能對回灌水質(zhì)和含水層介質(zhì)產(chǎn)生相當大的影響,如改變介質(zhì)的孔隙度和水力傳導性、礦物反應和吸附能力等水文地質(zhì)屬性。此外,許多微量有機物歸宿也會受到氧化還原環(huán)境的影響。因此,研究再生水回灌過程中的氧化還原帶的形成和過程非常重要。

4 結(jié) 語

隨著城市污水處理率的提高,再生水回灌入滲增補地下水源將成為再生水利用的一個重要發(fā)展方向,它的研究不僅涉及水文地質(zhì)、水文地球化學等領域,還涉及環(huán)境水化學、微生物學等多個領域,具有明顯的多學科交叉滲透特點,是地表水-土壤-地下水資源轉(zhuǎn)化研究領域中一個新的重要研究方向。因此,開展這方面的研究,不僅對于揭示再生水入滲回灌利用過程中的基本科學規(guī)律,促進傳統(tǒng)水文地質(zhì)與環(huán)境科學交叉學科的發(fā)展具有重要的科學意義,同時,對于推動中國再生水的安全利用和健康快速發(fā)展也具有重要的實際意義。會.城市污水再生利用 地下水回灌水質(zhì)[S].GB/T19772-2005,2005.

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(2010年3月10日收到)

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(責任編輯：方守獅)

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