（环境科学专业论文）污灌水中氰对小麦生理生化及土壤微生物群落的影响研究.pdf

) 删。燃魁 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 重堵 翮g 年与其戈b 各种水资源，特别是污水灌溉越来越受到人们的重视。城市污水经处理达标后 用于农田灌溉是污水资源化和污水净化的有效途径。一方面由于土壤的自然净 化能力，对污水残留毒物进一步净化、解毒，减轻了污水对环境的危害；另一 方面由于污水中的大量营养物质被植物吸收，又促进了农业生产；同时，污水 得以重复利用，缓解了我国水资源紧张的问题。但是由于我国的污灌技术还比 较落后，相应的政策法规不够健全，特别是在污灌过程中对水质的要求不严格， 因而常常会引发一系列问题，其中主要的就是对作物生长发育的不良影响。 作为有用水资源，合成氨企业废水由于其内含有大量营养成分而受到人们 的日益关注，但其废水中经常含有氰、酚等剧毒性的有害成分，特别是小型的 合成氨企业，其排放的废水中含有氰化物浓度甚至可达几个至十几个m g l ， 如果直接灌溉到农田中，势必对农作物的生长发育、生理指标、品质等产生影 响，也会对生态环境造成潜在的危害，将会影响到整个的农田生态环境。 小麦是我国北方干旱半干旱地区最主要的粮食作物，是污水灌溉的主要对 象之一，也是我们田间灌溉实验所使用的农作物。因此，本课题针对含氰废水 水中污染物的特点，选用小麦作为代表作物，采用盆栽的方法，研究含氰废水对 其生长以及生理生化指标的影响，同时还研究了氰对土壤微生物群落的影响， 得出了以下结论： 1 氰对小麦种子萌发和活力随浓度升高而呈现出由促进到抑制的变化规 律。低浓度氰( 1 0 0 m g l 。1 时，幼根的萌发受到极大抑制，淀粉酶活力也降到对照组的3 0 以下，使 幼苗失去长成完整植株的可能。 2 氰对小麦幼苗生长也呈现出低浓度刺激，高浓度抑制的规律。低浓度氰 ( 1 o m g l o ) 对幼芽与幼根的伸长及其干物质积累有一定的刺激作用；随着浓 度的增加毒害作用变得明显，与对照相比根长与芽长均受到不同程度抑制，干 物质积累逐渐减少。当氰浓度达到1 0 0 - - - - 2 0 0 m g l d 时，芽和根的生长几乎停止， 摘要 干物质的积累趋于无法计量。同时，对比一定浓度下氰对幼根与幼芽的影响发 现，氰对小麦幼苗根生长的抑制作用大于对芽的抑制作用，其中根伸长抑制率 对氰最为敏感，对于污染物影响研究是较为理想的生物标志物。 3 不同浓度氰胁迫对代表作物产量的生理指标的影响( 地上部干重、根干 重、地上部蛋白质含量、根系活力、叶绿素a 以及叶绿素a b ) 有相似的规律， 低浓度( 1 0 m g k 9 1 土) 下有不同程度的促进作用；随着土壤中氰浓度的增加， 均呈现出抑制的趋势。根系活力的降低与叶绿素含量的减少对小麦幼苗的吸收 能力和光合作用产生不利影响，使得其生物量减少，出现黄叶和倒伏现象，继 而影响到整个植株的发育。 4 不同浓度氰胁迫下，低浓度氰使得代表逆境抗性的氧化酶系统( s o d 、 c a t ) 活力上升，m d a 含量和p o d 活力下降；而高浓度氰则使s o d 和c a t 活力下降，m d a 含量和p o d 活力上升。这就说明在高浓度氰胁迫下，植物细 胞中抗氧化作用酶系统的受损打破了植物细胞内活性氧产生与清除间的正常平 衡状态，积累过量的活性氧，活性氧的积累引起膜脂过氧化程度加重，从而对 植物产生毒害。 5 对小麦各项生理指标与土壤氰浓度之间进行相关及回归分析，确定土壤 氰浓度与地上部干重相对百分率、根干重百分率、蛋白质含量、根系活力、叶 绿素a 、叶绿素a b 、m d a 含量、s o d 、c a t 、p o d 活力之间有相关性。通过 比较胁迫效应2 5 值的临界指标e c 2 5 值表明，c a t 活性更为敏感，建议c a t 活性抑制率为土壤氰的临界值，e c 2 5 为4 5 6 m g k g 1 。 6 测定氰对土壤细菌总量和呼吸强度的影响，发现土壤微生物对氰的耐受 能力远远高出小麦，中等浓度氰( 5 - - - 1 0 m g k g 。1 土) 对微生物产生较为严重的 抑制，而高浓度氰( 3 0 - - - 1 0 0 m g k g - 1 土) 对微生物数量和活力却产生了的强烈 刺激作用，耐氰菌成为微生物群落的优势菌种，微生物总量和呼吸强度迅速升 高。这一结论说明利用微生物修复氰污染土壤和处理含氰废水是可行的。 此外，本文尝试生物接触氧化法处理含氰废水，从被含氰废水污染的土壤 和排水沟底泥分离筛选出4 株可耐受氰、并具有高降解氰活性的菌株。在处理 系统中加入此特效菌后，序批式工艺曝气处理2 h 氰降解率可达9 9 ；连续式处 理在h r t 为2 h 的情况下氰降解率为7 7 4 ，延长h r t 为5 h 时，氰降解率可 达9 5 以上。 关键词：污灌氰小麦抗氧化酶系统降氰菌生态毒理效应 a b s t r a c t ab s t r a c t t h es h o r t a g eo fi r r i g a t i o nw a t e ro b s t r u c t st h es u s t e n t a b l ed e v e l o p m e n to f a g r i c u l t u r ei nt h ed r o u g h ta n dh a l f - d r o u g h ta r e a s h e n c e ，t h ed e v e l o p m e n to fa l l s o r t so fa l t e r n a t i v ew a t e rr e s o u r c e s ，e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no fs e w a g ei r r i g a t i o n b e c o m em u c hi m p o r t a n t i ti sa l le f f e c t i v em e t h o dt om a k eu s eo ft h em u n i c i p a l s e w a g ew h i c hh a sb e e nt r e a t e dt os o m ee x t e n tf o rt h ei r r i g a t i o no fa g r i c u l t u r a l l a n d f o ro n es i d e ，i tc a nd e p u r a t ea n dd e t o x i c a t et h er e m a i n so fp o i s o n sa n d d i m i n i s ht h ep o l l u t i o no fs e w a g ed u et oe d a p h i cc l a r i f y i n gc a p a c i t y f o ra n o t h e r ，i t a l s op r o m o t e sa g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na sar e s u l to fn u t r i t i o u ss u b s t a n c ec o n t a i n e di n t h es e w a g ea b s o r b e db yp l a n t s ，a n dt h i sm e t h o dc a na l s or e l i e v et h ep r o b l e mo fw a t e r r e s o u r c es c a r c i t yb yr e c y c l e b u ts e w a g ei r r i g a t i o ni no u rc o u n t r yl a g si nt e c h n o l o g y ， a n dc o r r e s p o n d i n gp o l i c i e sa n dc o d e sa r en o te n o u g hh e a l t h y ，e s p e c i a l l yr e q u i s i t i o n o fw a t e rq u a l i t yi sn o tr i g o r o u si ns e w a g ei r r i g a t i o n , w h i c hu s u a l l yb r i n ga b o u ta s e r i e so fp r o b l e m t h em a i np r o b l e ma m o n gt h e mi st h ea d v e r s ee f f e c to fs e w a g e i r r i g a t i o no nt h eg r o w t ha n dd e v e l o p m e n to fc r o p s a su s e f u lr e s o u r c e s ，t h ew a s t e w a t e rf r o ma m m o n i ap l a n tr e c e i v e dm o r ea n d m o r er e g a r d sf o rt h e r i c hn i t r i t i o nc o n t a i n e d ；h o w e v e r , t h e r eu s u a l l ye x i s tt o x i c m a t e r i a l sa sc y a n i d ea n dh y d r o x y b e n z e n e ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fc y a n i d ec a i l r e a c hm o r et h a n10m g l ，w h i c hm u s ta f f e c tt h eg r o w t h ，p h y s i o l o g i c a li n d i c e sa n d q u a l i t yo fc r o p sa n de n d a n g e rt h ef a r m l a n de c o l o g yp o t e n t i a l l yi fi r r i g a t ew i t h o u t a n y t r e a t m e n tp r o c e s s w h e a ti st h em a i ng r a i nc r o pi nt h ed r o u g h ta n dh a l f - d r o u g h ta r e a , a n dt h em a i n a c c e p t o ro fs e w a g ei r r i g a t i o n i nt h i ss t u d yw e u s ew h e a ta sr e s e a r c hm a t e r i a l sa n d ， t h r o u g hp o r e dm e t h o d ，s y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h ee f f e c to fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n c y a n i d eo nt h ee a r l yg r o w t ha n dp h y s i o l o g i c a lm e t a b o l i s mi n d i c e s ；a l s o ，t h ee f f e c to f c y a n i d eo ns o i lm i c r o b i a lc o m m u n i t y i ss t u d i e d ，a n dt h em a i nr e s u l t sa l ea sf o l l o w e d ： 1 w i t hc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s ，c y a n i d ep r o m o t e sw h e a ts e e dg e r m i n a t i o na n d s e e d l i n gg r o w t ha tf i r s t ，a n dt h e ni n h i b i t s l o wc o n c e n t r a t i o no fc y a n i d e ( u n d e r 5 0 m g l d ) c o u l dp r o m o t et h es e e dg e r m i n a t i o no fw h e a ta n di t ss e e d l i n gg r o w t h ， i i i _ - - i _ - - _ _ _ - _ - _ i _ l _ - _ _ _ _ - l - - _ - _ - - l _ _ - - - i - i _ _ l _ _ _ 一一一 w h i l eh i g hc o n c e n t r a t i o no fc y a n i d e ( a b o v e5 0m g l q ) r e d u c e dt h eg e r m i n a t i o nr a t e a n da a m y l a s ea c t i v i t ym a r k e d l y w h e nt h ec o n c e n t r a t i o nr e a c h e du pt o10 0m g 。l ， r o o tg e r m i n a t i o nw e r ei n h i b i t e dg r e a t l y ，a n d0 【一a m y l a s ea c t i v i t yd r o p e db e n e a t h3 0 o fc o n t r a s t ，w h i c hm e a n tl o wp o s i b i l i t yt og r o wu pi n t oi n t e g r a t e di n d i v i d u a l s 2 a st ow h e a ts e e d l i n gg r o w t h , l o wc o n c e n t r a t i o no fc y a n i d e ( u n d e r5 0m g 。l 。1 ) c o u l ds t i m u l a t er o o ta n ds p r o u te l o n g a t i o na n dd r ym a t t e rw e i g h t a sc o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d ，t o x i ce f f e c tb e c a m eo b v i o u s ；t h el e n g t ho fr o o ta n ds p r o u t ，a n dd r ym a t t e r w e i g h tw e r er e d u c e da td i f f e r e n te x t e n t s w h e nc o n c e n t r a t i o no fc y a n i d er e a c h e d 1 0 0 2 0 0m g l - 1 ，r o o ta n ds p r o u tg r o w t ha l m o s tc e a s e d ，a n dd r ym a t t e rw e i g h tt e n d t ob eu n m e a s u r a b l e m o r e o v e r ，t h ei n h i b i t i o nr a t e so fr o o te l o n g a t i o nw e r es t r o n g e r t h a nt h o s eo fs e e dg e r m i n a t i o nr a t e t h ei n h i b i t i o nr a t eo fw h e a tr o o te l o n g a t i o nc o u l d b eu s e da sab i o m a r k e rt oa s s e s st h ee c o l o g i c a lr i s ko fc h e m i cp o l l u t i o n 3 t h es a m et e n d e n c y 嬲p r o m o t i o na tl o wc o n c e n t r a t i o na n di n h i b i t i o na th i 曲 c o n c e n t r a t i o n , o c c u r r e da m o n g t h ep h y s i o l o g i c a li n d i c e so fy i e l d ( s h o o tb i o m a s s 、 r o o tb i o m a s s 、s h o o tp r o t e i nc o n t e n t , r o o ts y s t e ma c t i v i t y ，c o n t e n to fc h l o r o p h y la a n d c h l o r o p h y la b ) t h er e d u c t i o no f r o o ts y s t e ma c t i v i t ya n dc h l o r o p h y lw o u l dw e a k e n n u t r i t i o na b s o r p t i o na n dp h o t o s y n t h e s i s ，d e c r e a s eb i o l o g ym a s s ，r e s u l ti ne t i o l a t i o n a n dl o d g e ，a n dt h e na f f e c tw h e a t sg r o w t ha n dd e v e l o p m e n t 4 t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nc y a n i d eo nt h eg r o w t h a n da c t i v a t e do x y g e n s c a v e n g i n gs y s t e mo fw h e a t t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tl o w c o n c e n t r a t i o nc y a n i d e ( 1 0m g k g d ) w a si na d v e r s e t h e s e r e s u l t si n d i c a t e dt h a t ，u n d e rt h es t r e s so f h i g hc o n c e n t r a t i o nc y a n i d el e v e l ，t h ed e c l i n e o fa n t i o x i d a t i v ee n z y m ea c t i v i t i e sb r o k et h en o r m a lb a l a n c eb e t w e e np r o d u c ti o na n d e l i m i n a t i o no fa c t i v eo x y g e n ，r e s u l t i n gi nt h ea c c u m u l a t i o no fe x c e s s i v ea c t i v e o x y g e nw h i c ha g g r a v a t e dl i p i dp e r o x i d a t i o na n dt h e r e b yc a u s e dt o x i c e f f e c t so n w h e a t 5 i np o te x p e r i m e n t s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fc y a n i d ei ns o i ls h o w e ds i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o nt ot h ep h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a li n d e x e so fw h e a t ( s h o o t sb i o m a s s ， r o o t sb i o m a s s ，r o o t sa c t i v i t y ，s h o o t sp r o t e i nc o n t e n t ，c h l o r o p h y l la ，c h l o r o p h y l la b ， i v lllllll【lllllllillilillllii【itt-t-t-。_一 a b s t r a c t m d a c o n t e n t ，s o d ，c a t ，p o d ) t h r o u g has e r i e so f c o r r e l a t i o na n a l y s i sa n dr e g r e s s a n a l y s i s i tw a sd e f i n e db yt h ep o te x p e r i m e n tt h a t2 5 i n h i b i t i o nr a t eo fc a t a c t i v i t yc o u l db er e g a r d e da sc r i t i c a lv a l u e ，a n dt h ec r i t i c a lc o n t e n to fs o i lc y a n i d e w a se s t i m a t e dt ob e4 5 6m g k 9 1 6 t h ed e t e r m i n a t i o nr e s u l to fe f f e c to fc y a n i d eo ns o i lb a c t e r i ap o p u l a t i o na n d r e s p i r a t i o ns h o w e dt h a t ，t h er e s i s t a n c ec a p a b i l i t yo fs o i lm i c r o o r g a n i s m se x c e e d e d t h a to fw h e a tm a r k e d l y ；t h o u g hc y a n i d eo fm i d d l ec o n c e n t r a t i o nw o r e da si n h i b i t o r , c y a n i d eo fh i g hc o n c e n t r a t i o ns t i m u l a t e e ds o i lb a c t e r i ap o p u l a t i o na n dr e s p i r a t i o n i n t e n s e l y i nt h i sc a s e ，c y a n i d e - r e s i s t a n tm i c r o o r g a n i s m sb e c a m ed o m i n a n ts p e c i e s ， a n db a c t e r i ap o p u l a t i o na n dr e s p i r a t i o ni n c r e a s e dr a p i d l y t h i sd e m o n s t r a t e e dt h a t b i o - t r e a t m e n to fc y a n i d ec o n t a m i n a t e ds o i la n dw a t e rw i 1m i c r o o r g a n i s m sw a s f e a s i b l e i na d d i t i o n ，t r e a t m e n tp r o c e s so fc y a d i d ec o n t a m i n a t e dw a s t e w a t e rb yb i o l o g i c a l t o u c h i n go x i d i z a t i o nw a sd e v e l o p e d f o u rs t r a i n so fc y a n i d e - d e g r a d i n gb a c t e r i aw e r e s c r e e n e da n dp u r i f i e df r o mt h es o i lc o n t a m i n a t e db yw a s t e w a t e rf r o ma m m o n i ap l a n t a f t e ru t i l i z i n gt h e c y a n i d e - d e g r a d i n gb a c t e r i aw h i c hh a db e e nd o m e s t i c a t e d ，t h e r e m o v a le f f i c i e n c i e so fc y a n i d er e a c h e du pt o9 9 i ns e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) s y s t e m ；w i t l lt h eh y d r a u l i cr e s i d e n c et i m e ( h r t ) o f2h o u r s t h er e m o v a le f l i c i e n c i e s o fc y a n i d ew a s7 7 4 ；w i t ht h eh y d r a u l i cr e s i d e n c et i m e ( h r a 3 p r o l o n g e dt o5h o u r s ， t h es y s t e ms h o w e dc y a n i d er e m o v a le f f i c i e n c i e so fh i g h e rt h a n9 5 k e yw o r d s ：s e w a g ei r r i g a t i o n ；w h e a t ；a n t i o x i d a t i v ee n z y m e s ；c y a d i d e - - d e g r a d i n g m i c r o o r g a n i s m s ；e c o l o g i c a le f f e c t v a b s t r a e t 目录 目录 摘要g ooooo i a b s t r a c t a o0 - i i i 第一章绪论1 第一节污水灌溉的现状1 第二节污水灌溉的意义及出现的问题2 第三节合成氨生产过程中废水排放情况4 第四节氰化物的化学及毒理学特性6 1 4 1 氰化物的分类及来源6 1 4 2 氰化物的毒性机理8 第五节氰化物的排放标准1 0 第六节课题立项的意义和研究内容l l 第二章实验材料及实验方法1 4 第一节仪器及试剂1 4 2 1 1氰对小麦种子萌发及幼苗生长的生态毒理试验1 4 2 1 2 氰对小麦生长的生态毒理试验1 5 2 1 3 氰对土壤微生物数量和呼吸作用的影响研究1 7 2 1 4 利用生物接触氧化法处理含氰废水1 8 第二节实验方法1 8 2 2 1 氰对小麦种子萌发及幼苗生长的生态毒理试验1 9 2 2 2 氰对小麦生长的生态毒理试验1 9 2 2 3 氰对十壤微生物数量和呼吸作用的影响1 9 2 2 4 利用生物接触氧化法处理含氰废水2 0 第三节分析方法2 1 目录 2 3 1氰对小麦种子萌发及幼苗生长的生态毒理试验2 l 2 3 2 氰对小麦生长的生态毒理试验2 l 2 3 3氰对土壤微生物数量和呼吸作用的影响2 2 2 3 4 利用生物接触氧化法处理含氰废水2 2 第三章实验结果与讨论2 4 第一节氰对小麦种子萌发及幼苗生长的生态毒理试验2 4 3 1 1氰对小麦种子萌发的影响2 4 3 1 2 氰对小麦种子幼根和芽生长的影响2 5 3 1 3氰对小麦种子幼根和芽干物质积累的影响2 6 3 1 4 氰对萌发种子中q 一淀粉酶活力的影响2 7 3 1 5 氰对小麦种子发芽影响的回归分析和临界值研究2 8 3 1 6氰对小麦种子萌发及幼苗生长的生态毒理试验的小结及探讨2 9 第二节氰对小麦生长的生态毒理试验3 0 3 2 1 土壤中的氰对小麦生长的影响3 0 3 2 2土壤中的氰对小麦根系活力的影响3 2 3 2 3土壤中的氰对小麦叶绿素含量的影响3 4 3 2 4土壤中的氰对小麦膜脂过氧化水平的影响3 5 3 2 5土壤中的氰对小麦叶片细胞抗氧化酶的影响3 6 3 2 6土壤中氰的浓度与小麦生理指标的相关分析4 0 3 2 7 染毒后氰在小麦及土壤中残留的动态4 1 3 2 8氰对小麦生长的生态毒理试验的小结与探讨4 2 第三节氰对土壤微生物数量和呼吸作用的影响4 4 3 3 1 氰对土壤中细菌总数的影响4 4 3 3 2氰对土壤微生物呼吸作用的影响4 5 3 3 3氰对土壤微生物数量和呼吸作用的影响实验的小结与探讨4 8 第四节利用生物接触氧化法处理含氰废水4 9 3 4 1 菌种的驯化及生物膜的形成0 q oo 0 4 9 3 4 2 除氰菌的分离4 9 v i l 目录 3 4 3 接触氧化法对含氰废水的处理效果5 0 3 4 4 接触氧化法处理含氰氨氦废水对氨氮的去除效果5 2 3 4 5 生物接触氧化法处理含氰废水的结论与探讨5 3 第四章结论与展望q oooooooo ooooio 5 4 第一节结论5 4 第二节展望5 5 参考文献5 7 致谢6 2 个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果6 3 v l i l 目录 第一节污水灌溉的现状 众所周知，我国是一个水资源贫乏的国家。我国年降水量约为6 万亿m 3 ， 相当于全球陆地年降水总量( 1 1 9 万亿m 3 ) 的5 ；年径流量约为2 7 万亿m 3 ，相 当于全球陆地年径流总量的5 5 。与世界各国相比，我国水资源并不丰富，名 列世界第8 8 位，而人口却占世界总人口的2 2 ，是一个水资源相当贫乏的国家。 同时我国又是农业大国，农业灌溉是用水大户，占总用水量的8 0 以上，每公 顷水量为2 7 0 0 0 m 3 ，只有世界平均水平的1 2 。我国水资源时空分布很不平衡， 使得水资源利用的保证率很低，这已成为严重制约我国国民经济可持续发展的 瓶颈。随着我国国民经济迅速发展，全社会的用水需求越来越大，而且随着人 口的增长，粮食需求的压力也在增大，需要更多的水来发展农业。 一方面，工业的发展离不开水，而农业的发展更需要水，工业、农业争水 越来越成为社会发展的制约因素，特别是在我国北方干旱和半干旱地区，工、 农业争水的现象越来越严重；另一方面工业排放大量的污水，既污染环境，又 浪费大量水源。在现有的水资源条件下，利用污水灌溉来实现污水的资源化， 不失为过渡时期的一种既经济又有效的水环境保护措施。 自古以来，我国就有利用废水灌溉的习惯。我国污水灌溉的发展大体可划 分为3 个阶段：1 9 5 7 年以前为自发灌溉时期，自2 0 世纪4 0 年代起，在北京附近开 始利用工业与生活废污水进行农田灌溉；1 9 5 7 1 9 7 2 年为初步发展时期，开始 兴建污水灌溉工程，污水灌溉得到了初步发展：1 9 7 2 年至今为迅速发展时期， 尽管1 9 7 2 年在石家庄召开了全国污水灌溉会议，制定了“积极慎重”的发展方 针，并制定了污水灌溉暂行水质标准，但由于自2 0 世纪8 0 年代中后期，随着我 国北方地区水资源短缺的加剧和我国南方地区乡镇企业的迅猛发展，使得我国 污水灌溉面积得到迅速扩大。据统计，我国1 9 9 9 年污水排放量达4 0 1 l o m 3 ，污 水灌溉面积从1 9 6 3 年的4 2 x1 0h m 2 发展到1 9 9 8 年的3 6 1 8 l o h m 2 ，占全国灌 溉总面积的7 3 ，特别是2 0 世纪7 0 年代末至9 0 年代中期，污水灌溉面积由3 3 3 3 l o h m 2 猛增至u 3 3 3 3 3 xl o h m 2 。从地域分布上，我国污水灌溉的农田主要集中 在北方水资源严重短缺的海、辽、黄、淮四大流域，约占全国污水灌溉面积的 第一章绪论 8 5 。大型污水灌溉主要分布在我国北方大中城市的近郊区，这些地区属于水 肥并重的污水灌溉区。此外，秦岭、淮河以南和青藏高原以东为我国污水灌溉 中的重肥污水灌溉区。 目前，污水灌溉技术在世界各地也有广泛应用。日本早在6 0 年代就开始回 用污水，7 0 年代已初见规模。随着中水回用技术的不断更新和发展，再生成本 不断下降、水质不断提高，逐渐成为缓解水资源短缺的重要措施之一。9 0 年代 初日本在全国范围内进行了废水再生回用的调查研究与工艺设计，对污水回用 在日本的可行性进行深入的研究和工程示范，在严重缺水的地区广泛推广污水 回用技术，使日本近年来的取水量逐年减少，节水已初见成效。 美国也是采用污水再利用最早的国家之一，7 0 年代初开始大规模污水处理 厂建设，随后即开始回用污水。自1 9 8 0 年起，一些地方已经将废水回用于风景 灌溉，同时用于回灌地下水含水层。目前，有3 5 7 个城市回用污水，再生回用 点5 3 6 个。全美城市污水回用总量约为9 4 亿m 3 年，其中包括：污灌用水、 景观用水、工艺用水、工业冷却水、锅炉补水以及回灌地下水和娱乐养鱼等多 种用途；其中灌溉用水为5 8 亿m 3 年，占总回用量的6 0 ；工业用水占总用 水量的3 0 ，城市生活等其它方面的回用水量不足l o 。 除日本和美国外，俄罗斯、西欧各国、以色列、印度、南非和纳米比亚的 污水回用事业也很普遍。莫斯科市东南区有3 6 家工厂用污水总量达2 万m 3 年。以色列回用的再生城市污水，每年在2 0 , - - , 3 5 亿m 3 之间。南非和纳米比 亚等国甚至建起了饮用再生水制造工厂。在南非的某些城市，建立了大规模的 废水再生工厂，约翰内斯堡每天有9 4 万m 3 饮用水来自再生水工厂；并且供水 事务部推荐，回用水应当稀释，并与新鲜水以体积不小于1 ：4 的比例充分混合， 这个混合比应该始终适当地保持恒定，以防止水质变化。纳米比亚于1 9 6 8 年建 起了世界上第一个再生饮用水工厂，日产水6 2 0 0 m 3 ，水质达到世界卫生组织和 美国环保局公布的标准。 近些年来，我国的污水灌溉也在不断发展，灌溉面积不断扩大，现在污水 已经成为城镇近郊灌溉用水的重要水源。 第二节污水灌溉的意义及出现的问题 农业灌溉水资源短缺的现状已经成为困扰干旱半干旱地区农业可持续性发 2 第一章绪论 展的一个严重的瓶颈问题，开发各种水资源，特别是污水用于灌溉越来越受到 人们的重视。利用城市污水灌溉农田已有久远历史，目前，我国污水灌溉面积已 达3 1 6 8x1 0 m 2 ，并呈逐年扩大的趋势。污水灌溉主要有纯污灌溉和清污混 灌( 或清污轮灌) 两种方式。纯污灌溉是利用工业废水或城市生活污水作为农业 长期的灌溉水源。这种灌溉方式适当采用可以提高农作物产量，减轻城市污水 对水体的污染；但长期或过量不合理灌溉，会造成土壤和地下水污染，农作物 毒物富集，危害人们身体健康，甚至使整个生态系统遭到严重破坏。清污混灌是 利用工业废水或城市污水作为农业灌溉的补充水源。这种方式既利用了废污水 中的氮、磷、钾等营养物质，又可以使有害物质不致在农作物中富集，在解决 城市废污水排放与农业用水不足的问题上取得了双赢，因此在实际中得到了广 泛应用。 国内外许多研究资料表明，城市污水灌溉不仅提供了灌溉所需的水资源，缓 解了干旱缺水地区农业用水的供需矛盾，为农业生产提供了大量的营养物质( n 、 p 、k 和其他微量元素) ，而且还可以增加土壤有机质含量。废污水中一般含有大 量的有机物，以蛋白质、碳水化合物、脂肪、尿素、氨氮、磷、钾等为多，另 外还含有钙、镁、锰、铜、锌、钼等多种微量元素，可作为肥料具增产作用， 并可降低农业生产成本。根据一些城市多年利用城市处理污水灌溉农田的经验， 在正常运行条件下，由污水灌溉提供的水分和肥分能够促进农业的增产，污水 灌溉旱田一般情况下可增产5 0 15 0 ，水稻可增产3 0 - - - - 5 0 ，水生蔬菜可增产 5 0 - - , 3 0 0 。用城市污水处理厂出水灌溉农田的另一个优点是节省大量化肥，因 为出水中仍含有总氮3 0 - 4 0m g l ，总磷5 7m g l ，这相当于在农田上施加 t n1 5 0 - - - 2 0 0k g h m 2 和t p2 5 - - 3 5k g h m 2 。除此之外，再生水灌溉对改良土 壤，降低农业生产投入，减轻河道污染，缓解工农业争水矛盾均有积极作用。 合理地使用污水灌溉，可获得比清水灌溉更大的经济收益。 同时应当注意到的是，由于污灌所用的水来源于城市污水、工业污水或混 合污水，其中含有大量的有机污染物、无机污染物以及重金属、有毒非金属等。 长期使用水质不符合标准的污水灌溉，特别是使用未经处理的污水灌溉将对灌 区土壤产生严重污染，并会引起环境恶化和食品安全卫生的一系列问题，包括 土壤酶活性降低和土壤、作物中重金属积累，作物生长发育受阻甚至死亡的现 象，农产品品质变坏、籽实中粗蛋白与氨基酸含量降低及产生一定的遗传毒理 学效应等不良后果比棚。 第一章绪论 利用污水进行农业灌溉，化肥工业废水一直是研究的重点和热点，特别是 氮肥生产企业，由于其废水内含有大量可被植物利用的氨氮，且少含对动物和 人有害的重金属而受到人们的关注和广泛利用。但由于生产工艺的原因，排放 废水中的成分含有剧毒的氰化物等污染物，特别是一些小型合成氨企业，在排 放的废水中氰化物浓度可达几个至十几个m g l 一，如果直接将其排放到环境中或 直接灌溉到农田中，势必会对生态环境造成潜在的危害，也会影响到整个的农 田生态环境。 第三节合成氨生产过程中废水排放情况 我国是世界人口大国，也是农业大国，我国以占世界7 的可耕地养育着占 世界2 2 的人口，粮