黃曉珊郭曉磊

（1廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院廣東廣州510620 2廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院廣東廣州510620)

1 前言

隨著我國城市化進(jìn)程的加速，水資源短缺已經(jīng)成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。開發(fā)利用城市再生水可以使有限的水資源得到持續(xù)利用。再生水的回用方式包括了農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)回用、地下回灌以及城市咋用等幾種形式，其中的最后一種方式可有效對地下水資源進(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)而可在一定程度防止發(fā)生地面下沉以及海水入侵的不良事件，為再生水回用最有潛力者。而回灌又可分為表灌、土壤含水層處理（SAT）包氣帶注入以及井灌等多中方式[1]。

上世紀(jì)70年代，在國外已經(jīng)開展有再生水回灌的多項(xiàng)研究并逐漸建立起了相應(yīng)的工程，且此部分水資源占據(jù)有再生水比例也在逐漸增大。據(jù)相關(guān)資料顯示，在美國2006年的回灌水占據(jù)了總再生水會用兩的13%左右。而我國在此方面的研究卻相對滯后，且可應(yīng)用與實(shí)際的工程則更少，目前還嚴(yán)重不能滿足再生水安全回灌的要求。

2 再生水回灌的水質(zhì)要求及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

2.1 再生水回灌的水質(zhì)要求

再生水被回灌之后，可顯著增加地下水的容量，但同時(shí)也存在一個(gè)問題，那就是再生水中所含有的污染物殘余在積累中可產(chǎn)生一定的水質(zhì)安全問題，基于此，還必須提高對再生回灌水的水質(zhì)要求，根據(jù)所回灌地區(qū)所具備的具體地下土壤與水文條件以及回灌方式與目的不不同，其地下回灌的再生水質(zhì)要求也應(yīng)該有所差異。

大多數(shù)國家對回灌地下的再生水均提出了某些具體的水質(zhì)要求，比如德國即是要求其回灌水質(zhì)應(yīng)當(dāng)不低于當(dāng)?shù)氐牡叵滤|(zhì)，以色列規(guī)定用于回灌的再生水優(yōu)于飲用水標(biāo)準(zhǔn)。美國對再生水的地下回灌有著非常嚴(yán)格的限制，美國環(huán)保署2004年頒布的《再生水利用導(dǎo)則》中對于潛在的飲用水應(yīng)用的回灌水水質(zhì)至少要求能達(dá)到飲用水水質(zhì)，另外，TOC≤3 mg/l，TOX≤0.2 mg/l，濁度≤2NTU，在檢測頻率上要求每個(gè)季度要檢測一次所有飲用水的指標(biāo)，要求表灌條件下用水點(diǎn)至少距離回灌點(diǎn)150m距離，井灌則要求600m距離，地下停留時(shí)間為6至9個(gè)月，同時(shí)要求在地下水的監(jiān)測中不能夠檢測到病原體。各州要求的標(biāo)準(zhǔn)不低于國家標(biāo)準(zhǔn)[2]。

我國國家質(zhì)量監(jiān)督總局與國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會與2005年頒布了《城市污水再生利用地下水回灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 19772-2005)，而2年過后，國家水利部又接著頒布了《再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(SL368-2006)，以上標(biāo)準(zhǔn)均對再生水回灌的水質(zhì)要求提出了具體標(biāo)準(zhǔn)，表1是國內(nèi)與回灌水水質(zhì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)比較。

雖然我國在70年代已經(jīng)開始對回灌水進(jìn)行究，但對水質(zhì)要求尤其是對潛在的飲用水應(yīng)用的要求較低，主要研究方向是針對補(bǔ)充地下水水位，以防止地面下沉和海水侵蝕。由于我國北方多地區(qū)均有缺水的情況，因此絕大多數(shù)的工農(nóng)業(yè)及生活用水均需要由地下水來提供，《城市污水再生利用地下水回灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 19772-2005)并未對潛在的間接的飲用水做出對應(yīng)的規(guī)定，同時(shí)也沒有準(zhǔn)確限定再生水的有毒有害物質(zhì)的痕量，該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容還相對滯后。比較來看，在過外，已經(jīng)可針對回灌水的不同用途并在長時(shí)間的深入研究后逐漸形成了非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)體系。

2.2 再生水回灌帶來的風(fēng)險(xiǎn)

雖然再生水在當(dāng)前已普遍應(yīng)用到了多個(gè)方面水資源的間接補(bǔ)給，但在具體的應(yīng)用過程中，仍有部分民眾對再生水尤其是跟生活息息相關(guān)的再生水應(yīng)用方面始終存有質(zhì)疑態(tài)度。根據(jù)K.G.Robinson在美國東南部的調(diào)查，近8成的受調(diào)查者不喜歡地下水回灌[3]。有學(xué)者通過應(yīng)用健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的方法對再生水回用開展論證研究，而在國內(nèi)，當(dāng)前的大部分研究所采用的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法均為仿效美國四步法，其所納入評價(jià)的目標(biāo)因素多優(yōu)先傾向于污染與某些病原微生物方面。

云桂春等人采用Ames試驗(yàn)檢驗(yàn)方法對北京某地區(qū)一污水處理廠進(jìn)行了相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，再生水的Ames試驗(yàn)結(jié)果要優(yōu)于許多飲用水水源；對出水中的C2Cl4，C6H10O，C2HCl3，C4H8O2等4種優(yōu)先污染物進(jìn)行了致癌風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，通過深度處理后的城市污水中所含有的單一優(yōu)先污染物并不能對人體的健康造成過大影響。王偉采用β-泊松模型和指數(shù)模型對再生水的各類病原微生物進(jìn)行分類風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，能很好地代表感染的風(fēng)險(xiǎn)概率。張建龍等參考了西安某污水處理廠的再生水風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并將這些指標(biāo)列入研究對象開展了實(shí)例模擬計(jì)算，該項(xiàng)研究中，他們采用了Logistic混沌系統(tǒng)的方法來生成可靠、簡單與高效的隨機(jī)數(shù)，最終提出了一種基于改進(jìn)蒙特卡羅算法的再生水回用的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法。

3 回灌再生水相關(guān)污染物的研究

回灌再生水相關(guān)污染物的具體變化情況向來都是本領(lǐng)域研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)，回灌的再生水對含水層而言具有外源水性質(zhì)，因此兩者在化學(xué)成分方面自然存有不同程度的差異，當(dāng)再生水所含有的污染物質(zhì)與含水層的天然水混合后，勢必會造成這些天水水與土壤-含水層介質(zhì)間發(fā)生失衡，最終改變整體水質(zhì)水平。

3.1 顆粒物、三氮與無機(jī)鹽的去除

在水與泥的交界面，超過土壤孔隙直徑的顆粒物會被濾掉，而相對更小的顆粒物包括細(xì)菌則沉降在這些介子的孔徑內(nèi)，在吸附力與厭氧細(xì)菌的協(xié)同作用下，可將病毒去除。細(xì)小顆粒積累到一定程度后又可被泥水界面上方的懸浮物吸附并滲和到土壤當(dāng)中。當(dāng)水流在土粒通道中經(jīng)過時(shí)，在水流流體動(dòng)力的影響下，膠體顆粒也會發(fā)生擴(kuò)散、沖擊及沉降等運(yùn)動(dòng)并被土壤基質(zhì)截留與吸附，而該吸附的程度最終還取決于懸浮物的濃度、土壤特性以及水力的負(fù)荷情況。

當(dāng)所有的溶解性無機(jī)組分被土壤截留后，其沉淀與固定的過程則主要是通過某些物理化學(xué)與微生物作用下完成的，具體過程包括了粒子交換、表面吸附、螯合、絡(luò)合以及粘土礦物侵蝕等方式。在回灌水中所含有的過多鹽分將與土壤發(fā)生多種物理化學(xué)反應(yīng)，并最終改變土壤的性質(zhì)，這些變化比如有地下水的硬度變高或是土壤被咸化而變的板結(jié)。基于以上分析，那么我們可認(rèn)為回灌水中的溶解性固體總量是一個(gè)比較關(guān)鍵性的控制指標(biāo)。

三氮包括NH4+-N、NO2—N與NO3—N三種，其轉(zhuǎn)化過程則與pH值、土壤含水量以及氧化還原點(diǎn)位存有很密切的關(guān)系。氮在土壤中的遷移過程在很多程度上會受到土質(zhì)的影響，在一定的遷移轉(zhuǎn)化環(huán)境條件下，伴隨著粘粒在土壤顆粒中的含量逐漸增加，土層的凈化容量也會增加，同時(shí)，硝酸根去除相關(guān)決定性因素可增加土層中的反硝化反應(yīng)速率。在各種介質(zhì)層所出現(xiàn)的地下包帶氣中，粘粒含量相對更多的粉質(zhì)粘土在去除氮污染的過程中發(fā)揮著主要作用，其去除效率顯著高于細(xì)砂或礫石砂。除此之外，可對三氮遷移轉(zhuǎn)化起中藥影響作用的因素還包括溫度，較夏季而言，冬季時(shí)候的氮污染超標(biāo)再生水更會對地下水造成污染。最后需要說明的是，氮污染的去除可能不僅僅包括吸附與生物作用兩種情況，同時(shí)還可能存在別的因素。

有研究證實(shí)，在回灌進(jìn)程中，大多數(shù)的NH4+-N被土壤膠體以及被作為土壤微生物的氮源所吸收，其中有學(xué)者還觀察到，大概有15~43%的NH4+-N在土壤表層經(jīng)硝化后可轉(zhuǎn)化為NO3—N。

3.2 再生水中有機(jī)污染物的去除

再生水中殘留有相當(dāng)份量的有機(jī)物質(zhì)，而切中的個(gè)別物質(zhì)則具有一定的可致癌性、可致突變性以及輔助催化癌變性與突變性的物質(zhì)。

易降解有機(jī)成分其消減過程主要是在回灌的過程中通過吸附與生物降解而發(fā)生的。在此過程中，其有機(jī)成分的濃度以及氧氮溶解量均會在很大程度上影響到其生物講解速率，而降解過程則主要發(fā)生于附有微生物的介質(zhì)表面。趙慶良等發(fā)現(xiàn)在進(jìn)水TOC濃度為9-11 mg.L-1時(shí)，TOC濃度隨土壤柱深度的變化符合指數(shù)方程:C=10e-0.6934h(R2=0.8697)。

在眾多的再生水回灌研究當(dāng)中，人們向來非常關(guān)注這些具溶解性的有機(jī)物，這些可溶解性有機(jī)物則包括各類可對內(nèi)分泌造成感染的物質(zhì)以及環(huán)境雌激素等數(shù)量眾多的有機(jī)化合物，當(dāng)加氯對再生水進(jìn)行消毒處理時(shí)，還會發(fā)生氯化反應(yīng)而生成鹵乙酸和三鹵甲烷等氯化消毒的副產(chǎn)物。可溶解的有機(jī)物其組分是相當(dāng)復(fù)雜的，因此很難從分子水平的角度對其進(jìn)行分析。有研究者參考溶解性有機(jī)物針對不同樹脂的吸附特性將其分成了五個(gè)部分：過渡性有機(jī)酸（TPI-A）、過渡親水性中性有機(jī)物(TPI-N)、親水性有機(jī)物(HPI)、疏水性有機(jī)酸(HPO-A)和疏水性中性有機(jī)物(HPO-N)。再生水中的可溶性有機(jī)物的主要成分包括HPO-A與HPI，該兩種物質(zhì)的總量可達(dá)70.8%。

薛爽等人在頂部半米身的土層當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，SAT可顯著去除易降解有機(jī)成分。其中，對HPO-A,TPI-A和HPI三種成分去除程度可分別達(dá)到61.1%、54.9%與75.0%?；毓噙^程中對整體DOC,HPO-A,TPI-A和HPI中THMFP的去除率分別為34.01%，27.24%，26.24%和36.08%，但出水中的DOM組分具有更高的SUVA，具更強(qiáng)生成三鹵甲烷的能力。

魏亮亮經(jīng)一定研究后提出觀點(diǎn)，認(rèn)為好氧生物的降解功能在去除再生水中可降解性有機(jī)物具有較強(qiáng)作用。其中的中性可降解有機(jī)成分(HPO-N和TPI-N)要比酸性可降解有機(jī)成分(HPO-A和TPI-A)更容易被好氧生物降解去除，而酸性的可降解有機(jī)成分較中性的可降解有機(jī)成分而言，則更容易被SAT系統(tǒng)中的非好氧生物所降解或吸附去除，且非好氧生物的降解與吸附作用更能顯著控制SAT出水THMFP的作用。

楊建在對再生水回灌系統(tǒng)進(jìn)行DOM三維熒光光譜分析后，指出再生水進(jìn)入含水層后，48.71%的DOM被氧化去除；沿含水層繼續(xù)運(yùn)移，逐漸轉(zhuǎn)化為還原環(huán)境，厭氧微生物為了維持其新陳代謝活性，將大分子DOM厭氧轉(zhuǎn)化為小分子DOM。

H.Harold Yoo等觀察了再生水中 EDTA、NTA、APECs、DOC在含水層中的處理效果，結(jié)果表明EDTA、NTA、APECs、DOC在38m深處的去除率分別為80%，90%，98%和85%，有60%以上DOC在3m的范圍內(nèi)被去除，DOC的消除是脫氮條件下吸附和生物轉(zhuǎn)化共同的結(jié)果。EDTA在3-38m的滲濾過程中進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化。

3.3 細(xì)菌和病毒

再生水中所具有的致病微生物是再生水回灌中一個(gè)頗受關(guān)注的問題。作為一個(gè)復(fù)雜的綜合體，地下水系統(tǒng)是微生物菌群生長繁衍與持續(xù)演化的關(guān)鍵場所，而微生物菌群可對地下的自身水系統(tǒng)演化歷程造成影響，在這些微生物作用下，地下水的化學(xué)組分與含水層的水力性質(zhì)均會表現(xiàn)出相應(yīng)改變。另外，回灌水所攜帶的微生物還可在一定的條件下得以快速繁殖，甚至可導(dǎo)致灌溉形同堵塞的情況，進(jìn)而顯著降低回灌能力。

地表下致病微生物其存活的因素包括了溫度、土壤組分、土壤中拮抗微生物類別與種類等。比如一溫度為例，當(dāng)溫度不高于4度時(shí)，某些種類的微生物甚至可存活數(shù)月或數(shù)年，而在5~30度間，隨著溫度的升高，基本上每升高10度，其死亡率就可增加一倍或數(shù)倍。而通常情況下地下水的環(huán)境溫度保持在8度左右，相對還是比較適合微生物的生存區(qū)間。

土壤的性質(zhì)是微生物存活的重要因素，粗砂石類型土壤層的滲透率較高，吸附病毒的能力很低。其他土壤的特性，如pH、陽離子濃度、持水能力和有機(jī)物都能在一定程度上影響土壤中細(xì)菌和病毒的存活。微生物對這些環(huán)境因素的抵抗能力因類型而差異較大。干性的土壤會殺細(xì)菌和病毒。當(dāng)有充足的有機(jī)質(zhì)存在時(shí)，細(xì)菌在堿性土壤中存活時(shí)間比在酸性土壤(pH3-5)中長。一般而言，提高陽離子濃度、pH值的減少和溶解性有機(jī)物的存在將促進(jìn)病毒在土壤中的吸附。

回灌前正確的處理方式(包括消毒)、合理的回灌點(diǎn)位置、回灌系統(tǒng)的有效管理能最大程度的減少地下水中微生物的存在。一旦微生物到達(dá)地下水系統(tǒng)，水的氧化還原態(tài)將顯著影響脫除率。

表2 地下水中病毒遷移的主要影響因素

4 回灌水的經(jīng)濟(jì)評價(jià)

國內(nèi)外學(xué)者在再生水人工回灌理論與工程實(shí)踐方面進(jìn)行了大量的探索，取得了大量的研究成果。針對多種回灌方式，不同條件下的再生水人工回灌經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了評價(jià)。

萬亮婷等將人工回灌經(jīng)濟(jì)效益分成7個(gè)方面：增加供水效益、揚(yáng)程效益、水質(zhì)效益、增產(chǎn)效益、減少新建水源工程效益、洪水控制效益和防治咸水入侵效益，提出了各種效益的計(jì)算方法。

倪紅珍提出了利用物元理論，根據(jù)具體地質(zhì)、水文、水資源、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度,對可能的回灌方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性和最優(yōu)性的分析評價(jià)與論證的方法。

Virat Chatdarong對加利福尼亞南部的San Joaquin峽谷地區(qū)地下水回灌系統(tǒng)的整個(gè)費(fèi)用進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明建造費(fèi)用包括溝渠的挖掘和泥土的搬運(yùn)費(fèi)用，日常費(fèi)用隨土壤的類型、勞工費(fèi)用、斜坡區(qū)域的面積變化。

Nasrollah Kalantari對伊朗西南省份Khuzestan省Baghmalek盆地構(gòu)建的三個(gè)地下水回灌進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，三個(gè)回灌點(diǎn)的回灌水量為220萬m3每年，投資收益比為1:1.32。研究表明，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的提高是該回灌項(xiàng)目的主要收益，這項(xiàng)研究結(jié)果也體現(xiàn)在Virat Chatdarong的研究中。

5 結(jié)語

再生水回灌體現(xiàn)了減量化、無害化、資源化的原則及可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想，是一種相對非常有益的無水回用方式，具非常寬廣之應(yīng)用前景。在現(xiàn)實(shí)中將再生水回灌應(yīng)用與農(nóng)業(yè)灌溉、補(bǔ)充飲用水與地表水等已經(jīng)比較普遍。基于多數(shù)公眾目前始終對再生水用于間接補(bǔ)充飲用仍懷質(zhì)疑態(tài)度的情況下，我們在以后的研究中擬將研究的重點(diǎn)放在再生水中的難降解化學(xué)物在回灌過程中的毒性以及降解路徑方面。

[1]U.S.Environmental Protection Agency.Guidelines for water reuse[M].Washington DC,EPA/625/R04/108,2004.

[2]National Database of water reuse facilities summary report.2006.published by the WateReuse foundation Alexandria,VA

[3]Robinson K.G.etl.Assessment of public perception regarding wastewater reuse[J].Water Scienceand Technology.2005.5（1）：59