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污水灌溉对潜水水质影响的研究进展收稿日期：修订日期：作者简介：马骥,（1990- ），男（回族），宁夏海原人，水利助理工程师，主要从事水利工程管理与运行工作。 马骥 （宁夏回族自治区海原县水务局，宁夏 海原 755200）摘 要：污水灌溉是解决当前水资源短缺的有效途径之一，综述了国内外污水灌溉的发展概况，分析了污水灌溉对潜水N化合物、重金属和硬度三个方面的影响。结果表明：（1）短期的不充分污水灌溉不会对潜水造成明显的污染；（2）二十年以上的长期污水灌溉下铵态氮的影响比较小，硝态氮和硬度的影响比较大；（3）十几年以上的长期污水灌溉下重金属对潜水的污染具有不确定性。关键词：污水灌溉；潜水；N化合物；重金属；硬度中图分类号：S273.5 文献标识码：A引言我国的年均水资源总量在世界排名第六，但人均水资源占有量却仅为世界平均水平的四分之一，在这其中农业用水又占有很大比重1。在工业用水和生活用水所占比重不断增加的情况下，农业用水日趋紧张2。近年来，受用水压力的影响，污水逐渐用于农业灌溉，污水灌溉是对城镇生活污水和工业污水进行适当的处理，从而满足一定的水质标准，可以应用于各种生产生活的水3。污水灌溉对农业具有以下几个方面的优点：第一，污水的水质水量相对稳定，受季节和环境的影响比较小，可以作为一个稳定的水源4；第二，污水中含有诸如N、P、K等对作物生长具有极高营养的成分。据相关统计5，污水灌溉下旱田一般可以增收50%-150%,水稻可以增收30%-50%；第三，污水灌溉可以降低污水处理厂的投资6。污水灌溉虽然缓解了农业用水压力，但也遗留了很多问题。特别是对于地下水埋深较浅地区，因污水处理技术比较低和监管不到位，导致地下水受到一定程度的污染2。地下水是我国淡水资源的重要组成部分，目前以地下水作为主要供水水源的城市在我国占到2/3，农业用水来源于地下水的部分大约有1/47，一旦地下水受到污染将很难修复。因此，研究污水灌溉对地下水水质的影响就具有重要的科学意义，开展系统地研究也具有一定的紧迫性和必要性。1 国内外污水再利用发展概况1.1 国外污水再利用发展概况污水处理再利用在一些发达国家已经发展了一个世纪。尤其是美国、日本、以色列、德国等，在二十世纪初就意识到了污水再利用对于工农业发展的重大战略意义，将工业污水、生活污水处理之后用于绿化用水、农业灌溉等7。国外污水利用发展概况见表1。8表1国外污水再利用发展概况Table 1 The development of sewage utilization at abroad国家时间事件污水用途美国81920年在亚利桑那州建立第一个分质供水系统。主要用于冲厕、洗车、浇灌绿地等。20世纪70年代规模化建设污水处理厂进行回用。绿化用水和地下水回灌。目前全美城市污水回用总量约为94亿m3/a,其中灌溉用水为58亿m3/a。60%用于农业灌溉，30%回用于工业，另外10%用于城市生活等其它方面。日本1951年开始回收污水、发展污水处理技术。造纸厂回用9。1991年已建成投产876个集中污水处理站,每年经二级污水处理厂排出的水约有110108 m3。工业回用、农业灌溉和市内非饮用水利用9。目前10建成了大约两千个污水处理厂，全部采用日本农村污水处理协会研制的JARUS小型污水处理系统。引入农田进行灌溉水稻和果园。德国1928年8在柏林周围建立了12个污水灌溉农庄，灌溉面积达1万hm2。农田灌溉。20世纪90年代11不断提高污水处理厂的排污标准，污水厂数量也由9935提升到10283个。城镇使用。目前10拥有城镇化污水处理厂6000多座，总设计规模超过1.51亿当量人口，处理量超过1.43亿当量人口，全国平均污水处理厂运行负荷率达到95%，污水处理厂接纳率达到94%。工业用水和农田灌溉。以色列20世纪40年代开始简单的处理污水。农田灌溉仅占3%。1985-2010年12规模化污水再利用，污水利用量由1.1亿m3发展到4.6亿m3。占到供水总量的20%，占农业供水量的36.1%。目前10全国共建造了两百多个污水回用工程，70%以上的城市污水和全部的的生活污水得到了回用。回用于农业用水的比例高达85%以上。1.2 国内污水再利用发展概况我国污水再利用大概经历了四个发展阶段7，13，见表2.表2 国内污水灌溉发展概况Table 2 The development of sewage utilization at home国家时间阶段污水用途1957年以前自发灌溉阶段，此时的污水还没有经过任何处理。农业灌溉。中1957-1972年初步发展阶段，把污灌列入国家科研计划。农业灌溉。国1972年到20世纪末期迅速发展阶段，污灌面积不断扩大。农业灌溉。步入21世纪飞速发展阶段，污水处理技术不断提高。农业灌溉、工业生产、城市生活。2 污水灌溉对潜水水质的影响污水灌溉对于土壤的污染经过一段时间可以依据自净能力被降解，但长时间的污水灌溉超过了土壤的自净能力，必然会对作物和潜水造成污染14。反映潜水水质状况的指标主要有矿化度、总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、氟化物、挥发酚等15。目前针对污水灌溉下潜水水质的研究大部分集中在N化合物、重金属、总硬度和细菌病毒四个方面，而国内对细菌病毒的研究还比较少16-17，所以本文主要针对前三个方面的研究进行综述。潜水的污染可以分为两大过程18-19：第一，物理过程，这类污染物在迁移的过程中不发生任何变化，潜水受污染程度的大小，仅仅与潜水的埋深有关；第二，化学-生物过程，这类污染物在迁移的过程中，与土壤作物之间不断的发生着化学生物变化，改变着自己的形式。他们对潜水的污染不仅与潜水的埋深有关，还与土壤性质和环境条件密切相关。2.1 再生水灌溉下N化合物对潜水水质的影响污水灌溉下土壤中氮的转化复杂多变。其中，氨化作用、硝化作用和反硝化作用最为关键20。它可以将相对稳定的NH4+离子转化成为NO3-离子，后者比较容易入渗，可以进一步被植物吸收、脱氮或者进入地下水中。当土壤中空气的含氧量大于5%时，土壤中的NO4+就将通过硝化细菌的影响而氧化成为NO3-离子。然而，当土壤环境处于厌氧条件下时，NO3-离子还有可能通过反硝化细菌的作用而逐步还原为NH3或者N2，这也既是所谓的反硝化过程20。在近些年的污水灌溉研究中，对于N化合物方面的研究主要集中在铵态氮和硝态氮两个方面。陆建红21等对农田氮素的渗漏规律进行了模拟分析，表明氮素的渗漏量和污水灌溉次数正相关，但是三次以下的污灌变化不是特别明显；李平22等通过田间污水灌溉试验，认为硝态氮的淋溶深度与潜水埋深和灌溉水量呈现良好的正相关；而灌溉前后，土壤中铵态氮的含量没有明显变化；刘凌23等在野外实验基地进行污水灌溉试验，认为污水灌溉时NH4+对下层土壤和地下水的影响比较小，NO3-的影响比较大。王齐24通过污水灌溉3中不同的土柱栽植绿地植物，发现灌溉前后的潜水水质中总N增大已达到显著水平（P0.05）。唐常源25等通过对石家庄市近郊的污灌区地下水采样分析，表明在污水灌溉区的硝态氮含量非常高，分布在35mg/l130mg/l范围内，小于40m的井水中硝酸根离子含量超标率为100%。具体的研究对比见表3.表3 污水灌溉下N化合物对潜水水质的影响研究Table 3 The effect of sewage irrigation to phreatic water on compound of N试验地点污灌年限污水来源种植结构包气带性质结论北运河流域武清区30年以上北京排污河小麦、稻米潮土N污染与三次以上污灌次数正相关21。农科院农田灌溉研究所4次污灌新乡市污水处理厂冬小麦扰动土硝态氮对潜水的影响和潜水埋深及灌溉量正相关，铵态氮无影响22。徐州市污灌试验基地模拟一个月奎河十里铺桥断面小麦、玉米亚砂土下层土壤及地下水中NH4+的影响比较小，NO3- 的影响比较大23。无半年深圳市罗芳污水处理厂台湾草、叶子花、龙眼等红壤土灌溉前后水之中N含量明显增加（P0.05）24。石家庄市郊与栾城县接壤地带20年以上石家庄市东明渠冬小麦、玉米第四纪沉积层污水灌溉下，小于40米井水受到硝态氮污染严重25。结合以上叙述得到几点认识：（1）短期的不充分污水灌溉不会对潜水造成明显的N污染；（2）根据查阅的资料显示二十年以上的长期污水灌溉下铵态氮对潜水的影响比较小，而硝态氮的影响比较大；（3）污水灌溉下N化合物对潜水的影响结果是普遍性的，它不随灌区的污水性质、种植结构和包气带性质的不同而改变。2.2污水灌溉下重金属对潜水水质的影响污水灌溉首先在土壤上层产生淋溶，随着渗透污水中的重金属逐渐增加，逐渐开始向下层淋溶，和土壤上层的淋溶相比下层的淋溶强度减弱。而土壤颗粒可以吸附过滤灌溉水源中的重金属，使得大部分的重金属离子在土壤中富集，降低它们向潜水的转移能力。所以目前对于潜水中重金属的污染研究，往往是与土壤结合在一起，而不单独研究。杨军26等通过对北京市凉凤灌区土壤重金属含量的调查，表明灌区土壤中Hg污染非常严重，Cu和Pb次之，As、Cr和Zn的污染比较小。马闯27等通过野外取样分析污灌条件下土壤坡面和潜水中的总金属含量分析，发现重金属向土壤下层转移的趋势比较小，主要在土壤表层富集，并未导致潜水重金属的污染。杨军28和李家业29等也得到相似结论。李小牛30等通过建立污灌区地下水风险评价模型,发现污灌区较高和高重金属污染风险区占总污灌面积的31%。周海红31等通过对陕西关中地区清灌区地下水中的重金属进行分析研究。结果表明：除Cd外，灌区的地下水已经受到非常严重的重金属污染，且表现出地域性特征。具体指标对比见表4。表4污水灌溉下重金属对潜水水质的影响研究Table 4 The effect of sewage irrigation to phreatic water on heavy metal污灌年限试验地点污水来源种植结构包气带性质结论二十多年北京凉水河和凤港河污灌区凉水河和凤港河小麦、玉米褐潮土和砂姜潮土污水灌溉是导致土壤重金属积累的重要原因26。二十多年和十几年北京凉水河灌区、北野厂灌区和井灌区通惠河和凉水河小麦、玉米褐潮土和砂姜潮土对土壤的污染比较大，对潜水的污染较小27。无室内土柱模拟试验北京高碑店污水厂排水口无普通褐土对潜水污染不大28。无山东某造纸厂污水灌区造纸厂污水无无潜水未受到明显污染29。三十多年太原市小店污灌区东干渠等无第四系冲积物污灌区重金属污染较高和高风险区占总污灌面积的31%30。三十年以上交口灌区渭河玉米、小麦、棉花娄土除Cd外，灌区的潜水已经受到不同程度的重金属污染31。通过重金属对潜水污染的研究，可以得到两点认识：（1）短期不充分污水灌溉下重金属不会对潜水产生影响，十几年以上的长期污水灌溉是否对潜水产生影响具有不确定性；（2）长期污水灌溉下重金属对潜水污染的这种不确定性可能与灌溉年限、污水性质、种植结构和包气带性质的不同有关，而这也有待于将来进一步的研究。2.3 污水灌溉对潜水硬度的影响水的硬度原来是指使得肥皂沉淀的程度，使肥皂产生沉淀的主要原因是水中的钙离子和镁离子。长期的污水灌溉引起地下水硬度的升高有以下几个方面的原因32-33。（1）离子交换作用离子交换作用下引起的地下水硬度升高表现在CaSO4、MgSO4的增加。它的发生途径有两种，一种是酸性废水中的H+与土壤中的CaCO3、MgCO3反应，使得Ca2+和Mg2+呈游离状态，随水渗入地下与Cl-和SO2-结合；另外一种是污水中的Na+、K+可以与土壤沉积物中的Ca2+和Mg2+交换，这也是潜水硬度升高的主要原因。（2）CO2分压升高污水中大都含有可供生物降解的有机物，主要是碳水化合物，而这也是产生CO2的源泉，产生的CO2就可使得土壤中的钙镁离子溶解，随着水下渗到地下水中。（3）NH+作用NH+是污水中比较常见的污染物离子。当NH+随着污水渗入土壤中以后，一般经过挥发、植物吸收等一系列化学、生物过程。在这其中有一个非常重要的环节，那就是NH+可以将土壤中的Ca转化为活跃的Ca2+，这是一个瞬间能够达到的反应，反应的结果就是污水中的一部分NH+被土壤吸附，土壤中的一部分Ca2+进入水溶液中，进而向地下水中迁移。吴旭东34通过对1979-1996年蚌埠市浅层地下水试验分析，表明地下水的硬度、溶解性固体量逐年增高，究其原因则是工业污水和城市污水的不合理排放。姜体胜35等通过对1985-2006年北京市地下水进行分析，认为总硬度有着逐年增高的趋势。经过对变化机理的进一步研究，得出污水入渗是引起地下水总硬度升高的主要原因之一。董少杰36等通过对2000-2006年大沽河水源地地下水总硬度的分析，认为地下水硬度升高与污水入渗有关。王欣宝37等针对石家庄市1959-2010年地下水硬度变化趋势的分析，认为该城区地下水硬度升高的主要原因有地质环境条件、污水入渗和过量开采地下水三个方面。宋晓焱38等以焦作市南部新河沿岸灌溉区为研究对象，分别用污水和大气降水进行了土柱淋滤模拟实验，结果表明总硬度明显上升。具体指标对比见表5.表5 污水灌溉潜水硬度的影响研究Table 3 The effect of sewage irrigation to phreatic water on hardness研究方法包气带性质研究结果纵向对比粉细砂蚌埠市1979-1996年潜水硬度由560-607mg/L34。纵向对比沙土、沙壤土、粉细砂北京郊区近1985-2006年潜水硬度上升8.6倍35。纵向对比砂砾石大沽河2000-2006年潜水硬度由351-447mg/L36。纵向对比粗砂及砂含砾石石家庄市城区1959-2010年潜水硬度由380-500mg/L37。土柱模拟潮壤土硬度总趋势由806.6-953.51mg/L38。通过分析污水灌溉对潜水硬度的影响，可以得到以下两点认识：（1）根据查阅的资料显示二十年以上污水灌溉对潜水硬度有着明显的增高作用，这不随包气带性质的不同而改变。（2）目前国内对于潜水硬度影响的研究主要分为两类，一类是直接研究污水灌溉对潜水硬度的影响；一类是先研究潜水硬度的变化，再与污水灌溉联系起来，二者殊途同归，但又以第二种研究为多。3 结论本文通过对国内外污水灌溉概况的介绍与N化合物、重金属和硬度三个方面对潜水水质影响的分析论述，得到以下结论：（1）短期不充分污水灌溉不会对潜水造成明显污染；（2）二十年长期污水灌溉下铵态氮的影响比较小，硝态氮和硬度的影响相对较大，这种影响结果是普遍性的，不随污水性质、种植结构和包气带性质的不同而改变；（3）十几年以上长期污水灌溉下重金属对潜水的污染具有不确定性。参考文献1王会肖,蔡燕,王海龙,等.再生水农业利用现状及其研究进展J.南水北调与水利科技,2009,7(4):98-100+108.2宰松梅,王朝辉,庞鸿宾. 污水灌溉的现状与展望J. 土壤,2006,06:805-813.3 师荣光,刘凤枝,赵玉杰,邵志慧,沈跃,蔡彦明,郑向群,周启星. 中国城市再生水安全回用农业的对策研究J. 中国农业科学,2008,08:2355-2361.4吴普特,冯浩,牛文全,等.中国节水农业战略思考与研发重点J.科技导报,2006,24(5):86-88.5刘增进,张建伟.污水灌溉再我国发展的必要性分析J.安徽农业科学,2008(20):8738-8739.6 翟羽佳,王会肖,王艳阳.再生水灌溉利用对作物土壤系统影响J.南水北调与水利科技,2011,9(4):120-124.7 石岩,齐学斌,高青.我国污水灌溉安全性研究发展与对策建议J.节水灌溉,2014,(3):37-44. 8 张慧文,马剑英,陈发虎,等. 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