（环境科学专业论文）城市回用水农田灌溉对环境与健康影响的研究.pdf

摘要 健康风险评价结果显示，三种摄入途径的重金属致癌与非致癌风险均低于国际 辐射防护委员会( i c r p ) 推荐的最大可接受终身风险水平( 3 5 x 1 0 3 ) ，井水与 回用水农田灌溉对成人造成的非致癌风险分别为2 3 0 x 1 0 、2 6 2 x 1 0 ；对儿童 造成的非致癌风险分别为9 7 0 x 1 0 、1 0 9 x 1 0 6 ；可见成人与儿童的非致癌风险 均低于英国皇家协会推荐的最大风险水平。井水与回用水农田灌溉对成人的致 癌风险分别为4 0 4 x 1 0 4 、4 7 8 x 1 0 4 ；儿童的致癌风险分别为1 7 3 x 1 0 一、2 0 5 x 1 0 一， 成人与儿童的致癌风险均低于i c r p 推荐的最大可接受水平，但高于英国皇家 协会推荐水平。总的来说，城市回用水灌溉农田对人体造成的健康风险在可接 受水平。 关键词：。城市回用水；土壤；农作物；重金属；健康风险评价 i i a b s t r a c t a b s tr a c t 1 1 1r e c e n ty e a r s t h ew a t e rs h o r t a g ep r o b l e mi sm o r es e r i o u si nc h i n a b e c a u s e o ft h ea g r i c u l t u r a li r r i g a t i o nw a t e rb e i n gd i v e r t e db yi n d u s t r i a la n du r b a nd o m e s t i c w a t e r , t h es h o r t a g eo fa g r i c u l t u r a lw a t e rb e c a m em o r es e r i o u s l y , s ol o o k i n gf o rt h e a l t e r n a t i v ea g r i c u l t u r a li r r i g a t i o nw a t e rr e s o u r c ei si m p e r a t i v e ”r e c l a i m e dw a t e r ” m e a n sw a t e rd e r i v e di na n yp a r tf r o mw a s t e w a t e rw i t had o m e s t i cw a s t e w a t e r c o m p o n e n tt h a th a sb e e na d e q u a t e l ya n dr e l i a b l yt r e a t e d ，s ot h a ti t c a r lb eu s e df o r b e n e f i c i a lp u r p o s e s r e c l a i m e dw a t e ri sn o tc o n s i d e r e dw a s t e w a t e r d u et ot h e l i m i t a t i o no fc u r r e n tw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , r e c l a i m e d w a t e rs t i l lc o n t a i n sav a r i e t yo fh a z a r d o u ss u b s t a n c e s ，w h i c hh a s as t r o n g c a r c i n o g e n i ca n dm u t a g e n i ce f f e c t so nh u m a na n dc r e a t u r e s r e c l a i m e dw a t e rc a n b e f o r m e da e r o s o li na d d i t i o nt ot h ee x i s t e n c eo fl i q u i d ，h u m a nb o d ym a i n l ye x p o s e dt o t h eh a z a r d o u ss u b s t a n c e st h r o u g hl u n gi n h a l a t i o n ，s k i na b s o r p t i o n ，d r i n k i n gw a t e r , a n dt h u si t sp o t e n t i a lh e a l t hr i s k so fw i d e s p r e a dc o n c e r n i nt h i ss t u d y ，w ef o c u so n t h es e c u r i t yp r o b l e mo fa g r i c u l t u r a li r r i g a t i o no f r e c l a i m e dw a t e r ，c o n d u c tar e s e a r c h o nt h ea c c u m u l a t i o no fh e a v ym e t a li ns o i la n dc r o p s ，a s s e s st h eh u m a nr i s ko f r e c l a i m e dw a t e ra g r i c u l t u r a la p p l i c a t i o n t h es p e c i f i cc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa s f o l l o w s ： 1 s e l e c t e dl e a f yv e g e t a b l e s ，r o o tv e g e t a b l e s ，f r u i tv e g e t a b l e sa n dg r a i nc r o p s f o rt h eo b j e c t ，u s i n gt h en a t i o n a ls t a n d a r dm e t h o df o rd e t e r m i n a t i o no fh e a v ym e t a l c o n t e n ti ns o i la n dc r o p s t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a th e a v ym e t a l sa r eb e l o wt h es o i l e n v i r o n m e n t a ls t a n d a r d sa n df o o dc o n t a m i n a n t ss t a n d a r d si nt h ew a t e ri r r i g a t i o no f t h es o i l ，a sw e l la ss u b j e c t so ft h es i xc r o p s 2 s i n g l ef a c t o ri n d e xa n dn e m e r o wc o m p o s i t ei n d e xw e r eu s e dt oe v a l u a t et h e h e a v ym e t a lp o l l u t i o no fs o i la n dc r o p s ，t h er e s u l to f t h ea s s e s s m e n ts h o wt h a tt h e s i n g l ef a c t o ri n d e xa n dt h ei n t e g r a t e dp o l l u t i o ni n d e xo fs o i lh e a v y m e t a lp o l l u t i o n a r el e s st h a n1 ，i n d i c a t i n gt h a tt h es o i li r r i g a t e db yd i f f e r e n ts o u r c e so fw a t e ri sn o t p o l l u t e db yh e a v ym e t a l s ，i sas e c u r i t yl e v e l t h eh e a v y m e t a lp o l l u t i o ni n d e xa n d t h ei n t e g r a t e dp o l l u t i o ni n d e xo ft h ev a r i o u st y p e so fc r o p sa r el e s st h a n1 ，i n d i c a t e s t h a tt h ed i f f e r e n ts o u r c e so fw a t e rf o ri r r i g a t i o no fc r o p si sn o tp o l l u t e db yh e a v y i i l a b s t r a c t m c t a l s 3 a c c o r d i n gt ot h eu s e p a r i s ka s s e s s m e n tg u i d a n c ea n dt o o l ss u c ha s “g u i d e f o r c a r c i n o g e nr i s ka s s e s s m e n t a n d “c h e m i c a lm i x t u r e sr i s ka s s e s s m e n t ”， e v a l u a t eh e a v ym e t a l sb yt h es o i li n g e s t i o n ，d e r m a la b s o r b e db ys o i lc o n t a c t ，a sw e l l a sc r o pi n g e s t i o np a t h w a yo nh e a l t hr i s k sp o s e db yr e c l a i m e dw a t e ri r r i g a t i o nf o r a d u l t sa n dc h i l d r e n t h eh e a l t hr i s ka s s e s s m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h et h r e ei n t a k e m e a n sh e a v ym e t a lc a r c i n o g e n sa n dn o n - c a r c i n o g e n i cr i s k sw e r el o w e rt h a n r e c o m m e n d e db yt h ei n t e r n a t i o n a lc o m m i s s i o no nr a d i o l o g i c a lp r o t e c t i o n ( i c r p ) m a x i m u ma c c e p t a b l el i f e t i m er i s kl e v e l ( 3 5 10 。) ，w e l lw a t e ra n dr e c l a i m e dw a t e r i r r i g a t i o no na d u l tn o n - c a r c i n o g e n i cr i s kw e r e2 3 0 x 1 0 7 , 2 6 2 1 0 叫；n o n - c a r c i n o g e n i c r i s k so fc h i l d r e nw e r e9 7 0 x10 - 7 , 1 0 9 10 由：n o n - c a r c i n o g e n i cr i s k so fa d u l t sa n d c h i l d r e nw e r el o w e rt h a nt h em a x i m u mr i s kl e v e lr e c o m m e n d e db yt h eb r i t i s hr o y a l s o c i e t y w e l lw a t e ra n dr e c l a i m e dw a t e ri r r i g a t i o nc a r c i n o g e n sr i s ko fa d u l tw e r e 4 0 4 x 1 0 4 , 4 7 8 x 1 0 4 ；c h i l d r e n sc a r c i n o g e n sr i s kw e r e1 7 3 x 1 0 - 3 ，2 0 5 x 1 0 - 3 ，a d u l t s a n dc h i l d r e nc a r c i n o g e n i cr i s k sw e r el o w e rt h a nt h em a x i m u ma c c e p t a b l el e v e l r e c o m m e n d e db yi c r p , b u th i g h e rt h a nt h er e c o m m e n d e dl e v e l so ft h eb r i t i s hr o y a l s o c i e t y t h i ss t u d yi n d i c a t et h a tt h eh u m a n h e a l t hr i s k sp o s e db yt h er e c l a i m e dw a t e r i r r i g a t i o na ta na c c e p t a b l el e v e l k e yw o r d s ：r e c l a i m e dw a t e r ；s o i l ；c r o p s ；h e a v ym e t a l ；h u m a nr i s k a s s e s s m e n t i v 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景 1 1 1 我国水资源现状 中国是世界上1 3 个贫水国家之一，人均淡水资源占有量仅为2 2 5 1 m 3 ，为 世界平均水平的1 4 ，美国的1 5 。我国淡水资源南方多北方少、东部多西部少， 分布非常不均匀，且雨量由东南向西北递减。除了水源性缺水问题，随着经济 的飞速发展造成的水污染问题的加重使得我国水质性缺水问题也日益突出。目 前我国水环境污染情况已相当严峻【l 】，我国2 0 4 条河流4 0 9 个地表水监测断面 中，2 3 7 为v 类，1 6 4 为劣v 类水质。国内几大水系中长江水系水质总 体良好，i 类水质占8 8 6 ；黄河、辽河水系2 0 以上的监测断面为劣v 类，属中度污染；松花江水系与淮河水系总体为轻度污染，类、v 类和劣v 类水质的监测断面均占一半以上；海河水系为重度污染，4 0 3 的监测断面为劣 v 类水质。全国2 6 个重点湖泊( 水库) 中，满足i i 类水质占3 8 ；g l 类占1 9 2 ； 类占1 5 4 ；v 类占2 3 1 ；劣v 类占3 8 5 。其中太湖环湖河流总体为 轻度污染。滇池与巢湖环湖河流均为为重度污染，监测断面中5 0 为劣v 类水 质。 目前我国饮用水源地以及地下水水质形势也并不乐观。2 0 1 0 年，全国重点 城市年取水总量为2 2 0 3 亿吨，其中不达标水量占2 3 5 。全国1 8 2 个城市地下 水水质监测中，4 0 4 的监测点的水质被评定为较差级，1 6 8 被评定为极差级。 由于经济增长、人口增长、生活水平提高等原因，我国污水排放总量呈逐 年增长的趋势，如图1 1 。根据全国环境统计公报显示，我国废水排放量从2 0 0 0 年的4 1 5 2 亿吨增长到2 0 1 0 年的6 1 7 3 亿吨；其中生活污水排放量从2 2 0 9 亿 吨增长至3 7 9 8 亿吨瞄j 。 第一章绪论 排 放 且 里 亿 吨 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 0 年份 图1 1 我国废水排放量年际增长情况 一合计 _ 1 工业废水 炒生活废水 从我国水资源现状来看我国正面临着水源性缺水和水质性缺水的双重压 力，所以在提倡节约用水的同时开发新的水资源是非常有必要的。如图1 2 所 示，随着社会的发展以及环境治理投资的增加我国城市污水处理率明显上升。 截至2 0 1 0 年我国城市污水处理率达到8 2 3 ，其中城市生活污水处理率为 7 2 9 。目前我国许多大中型城市都相继建立了具有一定规模的污水处理工程。 这其中作为我国第一个大型城市市政污水处理厂，纪庄子污水处理厂无疑开创 了我国城市市政污水规模化集中处理的先河。2 0 0 5 年运行二期工程扩建后该厂 总处理规模达到了5 4 万m 3 d 。北京市最大的高碑店污水处理厂目前处理能力 为1 0 0 万m 3 d ，它承担着北京市近一半污水的处理任务。工艺改造并扩建后的 上海市白龙港污水处理厂处理规模将达2 0 0 万m 3 d ，将是目前国内规模最大的 污水处理厂。 8 0 7 0 处 6 0 理 5 0 至4 0 零 3 0 2 0 1 0 。 - ，一 z 2 0 0 12 0 0 22 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 62 0 0 7 2 0 0 82 0 0 92 0 1 0 年份 图1 2 我国2 0 0 1 2 0 1 0 年城市生活污水处理率 2 _ _ 城市生括污水处理率 0 o 0 0 o 0 o 0 的 如 的 如 第一章绪论 1 1 2 城市回用水的定义与主要回用途径 城市回用水或称再生水( r e c l a i m e dw a t e ro rr e c y c l e dw a t e r ) 主要是指城市污 水经处理后达到一定的水质标准，可在一定范围内重复使用的非饮用水，是水 资源有效利用的一种形式。污水经过混凝、沉淀、消毒等处理单元后出水为二 级出水，二级出水经过进一步的处理后出水为三级处理出水。根据处理后水质 和回用用途的水质要求，城市回用水可用于市政绿化、道路喷洒、工业冷却、 景观用水、农田灌溉、地下水回灌和补充地表水等方面。污水的再生利用不仅 可以保护水资源，为作物提供营养，还可以预防沿海污染，增大河水流量，将 处理的废水资源化，实现水资源管理的可持续发展。 在日常的生产与生活中，6 0 以上的水用在了工业、农业、环卫绿化等方 面。城市回用水具有不受气候条件影响，水源稳定，不与邻近地区争水，保证 率高等优点，如果以符合相应水质要求标准的回用水替代这部分用水，不仅可 以节约大量的优质水源用于更需要的地方，还可以实现污水的资源化。根据城 市污水再生利用分类标准与2 0 0 7 年颁布的再生水水质标准行业标准，城 市回用可作为地下水回灌用水、工业用水、农业用水、城市杂用与景观环境用 水使用。 ( 1 ) 农业用途：城市回用水可以作为农田灌溉用水、造林育苗用水以及农 牧场用水。我国是个人口大国、农业大国，农业用水作为用水大户短缺的情况 更是严重，据报道目前全国有近一半的农田得不到充分的灌溉。回用水农业应 用不仅有利于水土保持，并且可以与其他污水再生利用使用项目进行有效的整 合，所以回用水应用于农业有很大的发展潜力。回用水中含有的氮磷等植物营 养素能起到促进农作物生长的作用【3 。5 】，不过回用水中未能被有效移除的有害物 质也可能对农田环境以及动植物甚至人类产生不良影响，所以城市回用水应用 于农田时的安全性问题是至关重要的。 ( 2 ) 工业用途：工业用水约占城市用水的8 0 ，城市回用水主要可以用作 冷却用水、洗涤用水、锅炉用水以及工艺与产品用水。面对目前淡水资源缺乏， 水价上涨等方面压力，以回用水代替自来水用作对水质要求不高的工业用水有 非常好的前景。 ( 3 ) 城市杂用：将回用水用于城市绿化、消防、冲厕、洗车、道路清扫、 建筑施工等方面无疑可以节约大量的优质淡水资源。 第一章绪论 ( 4 ) 环境和娱乐用途：城市回用水的环境用途主要包括改善和修复现有湿 地，建立可作为野生动物栖息地和庇护所的湿地和补给河流等。回用水的娱乐 利用途径包括瀑布、湖泊、河道等景观用水，高尔夫球场的水障碍区和水上娱 乐设施( 如水体与人体发生偶然接触的垂钓、划船及水体与人体发生全面接触的 游泳、涉水等娱乐项目) 。这些用途对水质的要求相对较高，尤其是用于与人体 发生接触的用途时。 ( 5 ) 地下水回灌用水：将城市回用水引入地下含水层可以防止含盐水侵入 沿海的地下蓄水层中，增加地下蓄水层，控制和防止地面沉降。有研究显示污 水处理厂出水农田灌溉系统中引入含水量补给管理，可以降低污水厂二级出水 农田灌溉的健康风险【6 】。同时地下水回灌也为后续的回收和回用贮备再生水源， 为将来的再利用提供深度处理。 1 1 3 污水再生利用面临的问题 1 1 3 1 城市回用水安全性问题 在污水再生利用的过程中，污水中的病原微生物、重金属以及有机化合物 等有害物质可能通过呼吸、皮肤接触、食用等途径进入人体，并对人体健康造 成影响。城市回用水是以城市污水二级处理出水为水源，经过前两级处理后， 污水中9 0 以上的s s 和b o d 可以被去除。但是由于污水处理工艺技术的限制， 回用水中仍含有一定种类的污染物，且污染物种类根据污水来源以及处理工艺 的不同而不同。虽然目前活性炭吸附、离子交换、脱氮除磷、膜分离技术等新 型的、高效的深度水处理技术可以较好的去除污水中很大一部分有害物质，但 由于工艺本身的造价以及运行维护成本过高等原因很多污水处理厂以及再生水 厂还在沿用传统的工艺。加之各地产业结构的不同，所以并不是所有的污水厂 二级处理出水都能满足回用途径的水质标准的，尤其是回用于那些对水质要求 较高的用途。例如有些工业城市的城市污水中工业污水所占比例较大，导致城 市二级处理出水中仍然含有一定的量的重金属污染物、具有三致效应的有机污 染物以及病原微生物，如果盲目将这些二级出水应用于人类生活的各方面可能 将对环境以及人类健康带来风险。再者，重金属以及难降解的有机污染物对环 境的污染是一个累积的过程，需要很长时间的累积才能显现出来的，而这些污 染往往是不可挽回的。因此，污水再生利用时关键是要确保环境与人群的安全。 4 第一章绪论 1 1 3 2 污水再生利用配套设施工程建设问题 目前城市回用水回用设备与配套设施建设速度较慢、与国外相比设备科技 含量发展还比较滞后。城市回用水再利用没有形成有效的体系，管网布设不健 全，污水处理厂出水口与回用终端链接不畅，例如：城市回用水应用于农业灌 溉时缺乏灌溉农田需要的输水管道或者应用于城市杂用水时管网无法布设至小 区，使得污水处理厂出水无法有效应用。再者，回用水在回用时主输水渠道内 应安装能够防渗的储存净化塘等设施防止污染地下水，当远距离输送时配备高 压扬水泵站等设施也是很有必要的。跟将处理后污水直接排入河流相比这些配 套设施的建设无疑要花费更多的资金，所以成本投入也成为制约城市回用水再 利用配套工程建设的因素。这无疑需要政府和有关部门在政策、资金等方面对 再生水配套工程的提供支持。 1 1 3 3 污水再生利用的公众认知问题 人们对城市回用水的不了解以及误解也是阻碍污水再生利用顺利进行的因 素。有调查研究表明人们对回用水还存在很大的疑虑，人们主要担心回用水的 安全性，其次是认为回用水可能有异味或导致感观上不舒服，大多居民对污水 再生的情况并不十分了解；再者，居民认为回用水成本可能很高，还有一些居 民认为心理上还是难以接受污水再生利用【7 】。有很多农民认为再生水灌溉会影 响农产品的品质，间接影响产品信誉并最终影响收入。所以有必要加强节约用 水与污水再生利用的宣传与教育力度，使公众充分认识到水资源的宝贵及其短 缺的现状，了解城市回用水利用的必要性。在不断改进污水处理技术的基础上， 加大污水再生利用过程中的安全监测和安全评价工作力度，保证供水安全，排 除人们的心理障碍，消除人们对城市回用水应用的疑虑。 1 1 3 5 其他问题 除了安全性、配套性和认可度等问题外，城市回用水利用还面临着管理人 员素质差，基层监测设备落后以及相关法律法规以及水质标准不健全等问题。 目前环保、农业等相关部门人员素质参差不齐，特别是基层的相关部门监测设 备落后且准确度不够，没有较为先进和准确的监测仪器和设备，而且缺乏相关 技术人员导致设备近乎闲置。我们的基层尤其是边远地区的农业部门和环保部 门的农业环保管理人员、技术人员配备不足，监测能力和素质偏低的现状使得 第一章绪论 工作繁多的水质监测工作做不到位。中高级专业技术人员匮乏，现有的专业管 理和技术人员也缺少必要的专业素质。目前我国再生水相关的法律法规还不健 全，虽然水污染、清洁生产促进法、循环经济促进法、水法等法律 法规中都有涉及污水再生利用的内容，但其规定的内容较简单抽象，可操作性 差。目前还没有一套健全的再生水回用标准，现行的再生水水质标准也面临着 控制项目较为单一等问题。 第二节国内外城市回用水农业应用与研究现状 鉴于城市回用水水源稳定、保证率高等优点，回用水应用于农业用途能够 形成规模效益并带来经济效益；国外已有许多国家具有城市回用水进行农业灌 溉的实践，其中以色列、约旦、南非及美国等国家都是较成功的范例。 1 2 1 国外城市回用水农业应用与研究现状 在国外，城市污水再生利用技术从2 0 世纪2 0 年代开始实践，6 0 年代起许 多国家对城市污水再生利用技术进行了更为广泛和深入的研究，进一步促进了 污水的资源化。经过不断的研究与发展，污水再生利用己在世界范围内被广泛 应用于实践，其中以色列、约旦、南非及美国等国家都是较成功的范例。目前， 美国9 0 的州开展了污水农业利用工作，6 0 的回用水用于农业灌溉；2 0 0 3 年 约旦年消耗水量为8 1 亿m 3 ，其中6 3 用于农业，约旦年污水处理出水量为7 5 5 3 万m 3 ，大约有6 0 的出水应用于农业和地下水回灌；以色列地处干旱、半干 旱地区，人均年水资源占有量仅为4 7 6 m 3 ，可以说水资源极度贫乏。为保证经 济发展回用水已成为以色列重要的水资源之一，在以色列1 0 0 的生活污水和 7 2 的城市污水得到了回用，到2 0 1 0 年以色列3 6 的农田灌溉用水来自再生水 回用。此外，在俄罗斯、澳大利亚、意大利等水资源短缺国家污水的再生利用 也很普遍。 由于水资源的短缺与水质的不断恶化，以色列、约旦、希腊等国家较早意 识到将处理后的污水应用于农田灌溉的潜力以及必要性。相应的有关回用水的 研究也开始的较早，这些研究主要涉及污水处理技术、回用水中病原微生物、 回用水对环境的影响、农作物的产量品质等方面【8 ，9 】。g a a l n a k s h a b a n d i 等f l o 】 6 第一章绪论 在1 9 9 3 年应用稳定塘氯消毒处理的回用水进行茄子生长的田间试验，对茄子 的营养物质与重金属含量以及微生物学性质、产量等进行评价；o a 1l a h h a m 【l l j 等于1 9 9 9 和2 0 0 0 年在约旦进行了关于回用水与清水不同混合比例下对西红柿 品质影响的研究；s h e i k h 1 2 等在美国加州附近进行了为期5 年的三级水灌溉试 验，他们以经过消毒的三级处理水为对象，通过检测作物中病原菌和寄生虫， 从而评价三级水是否适合灌溉生食蔬菜。在相关研究中，回用水的不同灌溉方 式对环境影响的研究无疑为回用水的安全利用提供了更加可靠的理论依据。 g i d e o no r o n 【1 3 】于1 9 9 5 年用污水处理厂二级处理出水以地表滴管、地下滴管与 喷灌等不同灌溉方式灌溉棉花、小麦、向日葵、玉米和各种胡椒，发现地下滴 管是安全性最高的，但相应的地下水滴管对水质要求也较高。 1 2 2 国内城市回用水农业应用与研究现状 与国外相比，我国的污水再生利用无论技术和推广方面起步都较晚。从上 世纪5 0 年代开始实行污水灌溉农田，很大程度上缓解了水资源短缺的问题。但 是随着我国污水排放量以及其中有毒有害物质种类的增加，污水灌溉对农田环 境、作物品质和人体健康所产生的不良影响也逐渐凸显出来【1 4 。16 | 。我国的污水 再生利用技术应用开始于上世纪8 0 年代，但是由于工业废水在城市污水中比重 高达4 0 , - - 5 0 ，再生处理技术难度大，处理成本高等原因严重制约了回用水的 多元化应用。近几年随着污水处理工艺的不断发展，污水处理水质得到进一步 改善，处理成本也随着技术的发展不断降低，全国不少城市相继开展了再生水 利用工程。山西省阳泉市污水处理厂将经过处理的三级处理出水应用于景观喷 泉与观赏鱼类的饲养，并在三级处理的基础上通过超滤加反渗透双膜过滤的工 艺生产出没有任何离子的纯水。北京市于2 0 0 6 年启动大兴区南红门灌区农业利 用再生水工程，该工程将实现日输水量3 0 万m 3 ，全年引水达1 亿m 3 ，南红门 灌区2 0 万亩农田将灌溉再生水，每年可减少地下水开采6 0 0 0 万m 3 。2 0 0 7 年天 津市开展了天津市再生水灌溉农田安全利用示范工程，依托蓟县污水处理厂， 在蓟县洇溜镇和东赵各庄乡9 个村的5 0 0 0 亩农田作为项目示范区，完成了输水 工程、蓄水工程，提灌工程等工程建设。示范区种植小麦、玉米两茬作物，两 年来粮食新增效益9 3 3 7 万元，节约地下淡水资源2 4 0 万立方米，节约用电3 6 万元。即便如此，与国外相比我国的污水处理率与回用率都有一段差距。2 0 0 9 7 第一章绪论 年，全国城市污水处理率达到7 3 ，但是城市污水回用率仅为8 6 。这与国外 7 0 8 0 的回用率相比，差距依然悬殊。所以我国污水再生利用还有很大的发 展空间。 在我国，污水灌溉由来已久，所以相关的研究也较多涉及的方面也较全面。 由于回用水的农业应用在我国起步较晚并且没有广泛推广，所以相较于污水灌 溉相关研究还不是很多。巫常林等【l 7 】于2 0 0 0 年至2 0 0 4 年进行了为期四年的回 用水灌溉田间试验，对重金属在土壤作物系统中的转化与分布规律进行了研 究。2 0 0 5 2 0 0 6 年黄占斌等【1 8 】采用污水处理厂二沉池出水为对象进行了大豆和 玉米的种植盆栽试验，研究再生水灌溉、与清水混灌和交替灌溉3 种不同灌溉 方式和不同灌溉时期对植物生长、作物产量及品质的影响。 总的来说目前国内外对城市回用水灌溉农田的长期影响的研究比较少，原 因可能是因为相比污灌，回用水应用于农田灌溉的时间相对较短，尤其是国内 回用水农田灌溉起步较晚，应用范围不是很广。实验室的模拟实验由于实验条 件的限制，只能进行短期灌溉的影响研究。重金属在土壤中有积累作用，所以 对城市回用水中期以及长期灌溉的影响研究势在必行。 第三节城市回用水灌溉对农田环境以及人体健康的影响 尽管城市回用水用于农田灌溉前景广阔并且能大大缓解目前水资源短缺的 情况，但是有研究表明由于受目前处理工艺的限制，回用水中仍含有在一定量 的病原微生物以及不同种类不同浓度的有毒有害物质1 9 删。在这种情况下，这 些有害物质可能对土壤和农作物造成不利影响，或者有毒有害物质在食物链中 积累，对人体健康产生不利影响【2 1 - 2 3 。 1 3 1 对土壤环境的影响 污水被认为对土壤化学性质具有直接的影响。它会影响土壤对植物的营养 元素供给，土壤p h ，土壤缓冲z h 匕l - , 力以及土壤c e c 。由于受目前污水处理设备 与工艺的限制，回用水中还含有很多有机和无机的污染物。这些有毒有害物质 很有可能通过灌溉用水进入土壤，对土壤性质产生影响。当回用水中含盐量以 及纳吸纳率( s a p ) 较高时，可能阻碍土壤排水从而使土壤含盐量增高。侯贤 第一章绪论 贵等【2 4 】选择北京市大兴区北野厂灌区内3 个典型区域作为研究对象研究发现： 回用水灌溉量占总灌水量的比例越高的区域，农田和农沟断面处的土壤浸提液 的e c 值越大，p h 值则越小。农田和农沟断面处土壤浸提液的e c 值均随着深 度的增加逐渐下降直至保持某一定值，而p h 值正好与此相反。j i a nx u 掣2 5 j 对 美国加利福尼亚州三个分别应用再生水灌溉3 年、8 年和2 0 年的灌区进行研究 发现灌溉2 0 年的灌区土壤p h 降低，e c 值增大，灌溉8 年和2 0 年的灌区表层 土壤中有机物、总氮、总磷含量增加，于对照区相比三个灌区土壤中重金属含 量都有所增加。 城市回用水长期灌溉可能导致有害重金属离子的累积等问题【2 6 | 。由于回用 水农田灌溉应用时间较短，所以目前很多研究工作的试验周期都是一两年或者 几年，也有些研究工作以灌溉十年甚至数十年的灌区为研究对象，但是往往由 于污水处理技术以及产业结构的改变对试验结果也会造成影响。这些短期研究 表明重金属在土壤中的累积不明显，回用水短期灌溉不会对土壤环境造成污染 2 6 】，尤其是当回用水中重金属浓度与地下水没有显著差异时通过回用水灌溉途 径带入的重金属与地下水灌溉途径相当，回用水灌溉途径带入的重金属低于大 气沉降和有机肥施用等输入途径【2 7 1 。虽然这些研究都说明当前回用水灌溉导致 土壤重金属污染的风险较小，并不会导致农作物重金属超标，但长期使用回用 水或回用水水质较差时可能会引起土壤与农作物中重金属的积累，并经食物链 富集最终影响人类的健康。s m i t h 等【2 8 】以两个采用回用水灌溉的时间分别为4 年和1 7 年的地区为对象，研究结果表明，在5 0 年到1 0 0 年之间，土壤中重金 属水平即有可能达到现今的环境阈值，且重金属的长期积累对植物的不利影响 不能被忽略。邓金锋掣2 9 】对长期灌溉的情况下镉元素在土壤中积累规律进行模 拟和预测表明，随农作物收获离开土壤的重金属相对于灌溉水带入的量来说非 常小，但是如果按当前实测数据污水处理厂二级出水镉含量计算，土壤中镉含 量将在灌溉4 0 年后超过国家标准。 目前对回用水以及回用水灌溉土壤，农作物的遗传毒性作用的研究非常有 限，禹果【3 0 】等对北京大兴污灌区土壤进行研究发现该区域土壤中存在遗传毒性 物质的积累。高红霞等 3 1 , 3 2 对3 种污灌土壤以及地下水灌溉的土壤的研究发现 四种土壤中均含有大量的d n a 损伤物质且污灌土壤所含有机物的毒性要强于 地下水灌溉的土壤。 9 第一章绪论 1 3 2 对农作物的影响 目前国内外很多报道都显示回用水灌溉对植物的生长有一定的促进作用 3 - 5 ，这主要是因为城市污水尤其是生活污水中氮磷含量较高，目前的脱氮除磷 技术并不能把污水中的氮磷全部去除的原因。f r a n t z i s 等 3 3 】研究了回用水灌溉谷 物对作物的生产成本，土壤利用率进行研究，结果表明与河水灌溉并施氮磷肥 的处理相比回用水灌溉并表面施氮肥的处理与单纯灌溉回用水的处理可以将生 产成本降低8 8 和1 1 9 ，这说明回用水灌溉可以在一定程度上提高作物的产 量。回用水中的重金属以及其他污染物通过灌溉也可能对农作物中重金属含量 生长及品质方面造成影响。e e i z i 3 4 】研究了回用水灌溉的小麦和苜蓿中重金属的 累积情况，结果表明回用水灌溉作物未显示出严重的重金属累积效应。徐应明 掣”】通过对二级出水和自来水灌溉情况下的蔬菜生长及品质进行的对比研究发 现，二级出水灌溉可显著提高小白菜产量：对小白菜维生素c 、粗蛋白、可溶 性糖的含量无显著影响；小白菜茎、叶和根中几种重金属含量虽均低于国家卫 生标准规定，但小白菜地上部中砷、铬含量表现出一定程度的累积现象。李波 等【3 6 】研究表明污水厂二级处理出水短期灌溉会降低番茄部分品质外，但不会造 成番茄果实以及土壤中重金属的累积。o a i l a h h a m 等【l l 】用不同比例的清水 回用水混合( 1 ：o ，l ：1 ，1 ：3 ，0 ：1 ) 灌溉两个不同品种的番茄幼苗发现用处理过 的污水灌溉后果实p h 不受影响，果实直径和重量有所增加。在清水与回用水 比例为0 ：1 时两个品种的番茄果实表面的微生物污染物有所增加。但是微生物 污染物的含量在可忽略的范围内，并且没有在果肉中发现。当经处理的污水的 应用比重增加时污染物呈指数方式增加。由于处理后的污水中的总大肠菌以及 总细菌数较高，因此随着经处理污水的比重的增加污染会加重，所以该研究建 议回用水可以作为灌溉烹熟后食用的番茄的替代水源。 1 3 3 对人体健康的影响 城市回用水农田灌溉最重要的是人体健康的风险问题【1 2 ，2 1 1 。城市回用水中 的污染物可以通过食物链，在生物体内传递并累积，并最终危害人类健康。虽 然国内外的一些研究表明，再生水短期农田灌溉虽不会使作物中可食用部分的 重金属含量超标，但都表现出了一定的累积效剧3 7 枷】。因此，虽然作物没有重 金属含量超标现象，但仍存在潜在的健康风险。s h e i k h 掣1 2 1 在污水源水、二级 1 0 第一章绪论 出水、消毒处理的三级出水都检出了大肠菌群及贾第鞭毛虫属，其中二级出水 中大肠菌群数量高达5 9 6 万m p n l 。由此可见，未经消毒处理的回用水中含有 较高浓度的致病微生物。同时，国外也对回用水中有机污染物的健康风险进行 了分析，结果表明，所选择的三种有机物( 三氯甲烷，1 ，l ，2 三氯乙烷，芘) 理论上其健康风险在可接受范围内【2 盈。王春花等【4 0 】按照美国国家科学院( n a s ) 提出的健康风险评价“四步法”模式对三种不同回用途径下城市回用水中多环 芳烃的健康风险进行评价，结果显示城市回用水在城市绿化、农田灌溉和景观 娱乐接触过程中多环芳烃所增加的致癌和非致癌风险均很低，回用水中多环芳 烃的健康风险处于可接受水平。 目前关于回用水致突变研究结论并不一致。g r u e n e r n 等研究发现回用水对 仓鼠肺细胞具有诱变作用，同时能导致人胚肺成纤维细胞发生恶性转化【4 1 1 。 p o r r i n is 等发现在人类正常接触剂量下，未成年大鼠暴露于回用水中普遍存在 的雌激素效应物质双酚a 时，其脑部发育可能受损，引起行为改变【4 2 j 。王春花 等【4 3 】通过几种不同遗传学终点的试验研究城市回用水的遗传毒性，a m e s 试验 显示回用水有机提取物对实验菌株具有诱变作用，但体外微核试验未显示出回 用具有遗传毒性。李国星等m 】对某城市回用水的遗传毒性研究表明再生水具有 一定的致突变作用。但f r e r i c h sr r 通过流行病学调查研究认为使用回用水不会 对人类健康产生不利影响【4 5 】。回用水中含有的致癌致突变污染物可能通过灌溉 进入土壤，通过土壤进入作物最终通过食物链进入人体最终对健康造成影响。 第四节课题来源、研究目的与技术路线 1 4 1 课题来源 本论文研究内容以天津市科委资助天津市科技支撑重点项目“天津市回用 水灌溉农田对健康与环境影响的研究 为基础。 1 4 2 研究目的与意义 城市回用水具有不受气候影响，不与邻近地区争水，稳定可靠，保证率高 的特点。农业应用需水量大，能够形成规模效益，实现废水资源化。所以用城 第一章绪论 市回用水灌溉农田是非常可行的。 国外研究表明，城市污水经处理后仍含有不同种类不同浓度的有毒有害物 质，由于处理后的污水对生态环境以及人类会造成直接影响，因而其潜在的各 种环境风险受到广泛关注。城市回用水在使用过程中不仅可以以液态存在又可 以形成气溶胶，通过呼吸和皮肤暴露等途径对人体健康产生影响【4 6 , 4 7 j 。我国污 水再生利用起步较晚，污水处理工艺较国外落后，污水中的有害物质不能被完 全去除。今后，随着再生水的农田灌溉实践的不断推广，深入研究再生水灌溉 的环境影响，防止再生水灌溉引起新的面源污染，并对再生水农田灌溉给人类健 康带来的风险进行评价成为亟待解决的问题。 综上所述，立足于我国目前迫切需要解决的水资源短缺、再生水农田灌溉 的安全性问题，根据当前国际科学发展的动态和我国面临的实际情况，有必要 对再生水进行主要毒作用成分分析、生物毒性，再生水灌溉后土壤理化性质的 改变，污染物在农作物体内的累积及食用此农作物对人体健康的影响等方面进 行系统研究。在此基础上开展对再生水农业应用安全性评价研究，为污水资源 的再利用、我国再生水的农业应用健康风险评估提供基础科学依据。 1 4 3 研究内容 本课题主要在掌握了城市回用水主要理化性质以及主要污染物成分的基础 上对回用水灌溉后土壤以及农作物可食用部分内有害物质的含量进行检测，为 城市回用水农田灌溉的健康风险评估提供依据。本课题以天津市再生水厂的出 水为灌溉水源，以当地井水为对照进行试验。通过定期采集水样，分离提取， 检测再生水理化指标初步掌握再生水水质情况的基础上： ( 1 ) 以当地井水为对照，用再生水厂出水对农作物进行浇灌试验。本试验 分别选取了几种典型农作物进行试验，分别为瓜果类作物( 黄瓜与西红柿) 、叶 菜类作物( 圆白菜) 、根类作物( 萝卜) 和粮食作物( 玉米与小麦) ； ( 2 ) 测定不同水源灌溉的农作物中重金属含量，评价农作物重金属污染情 况； ( 3 ) 对灌溉前后的土壤进行重金属含量对比研究，并对土壤重金属污染情 况进行评价 ( 4 ) 对城市回用水农田灌溉对人体产生的健康风险进行初步评价。 1 2 第一章绪论 1 4 4 技术路线 ( 1 ) 土壤与作物重金属含量测定 采用原子吸收分光光谱法测定土壤以及作物中铅、铬、镉、铜、锌的含量， 采用原子荧光分光光度计测定砷与汞含量