再生(污)水灌溉生态风险与可持续利用

陈卫平,吕斯丹,张炜铃,伊丽丽,焦文涛

(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

再生(污)水灌溉生态风险与可持续利用

陈卫平*,吕斯丹,张炜铃,伊丽丽,焦文涛

(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

作为一个农业大国，水资源贫乏及地域分布不均匀造成了我国严重的农业用水危机。为缓解我国农业用水危机，污水灌溉及再生水灌溉已成为解决农业灌溉水源不足的一项重要措施。在总结污水灌溉及再生水灌溉生态风险的基础上，针对国内研究现状，分析了我国再生水灌溉利用的可行性。研究发现，再生水灌溉的污染风险远小于污水灌溉，且再生水灌溉还具有回用成本低、减少农作物生产成本等经济效益，以及减少污染物向水环境中排放、改善土壤质量等环境效益。与污水灌溉相比再生水在农业灌溉上具有较大的应用前景，应加大其推广与应用的力度。最后，根据国内外的研究现状，提出了一些再生水灌溉可持续管理措施及其安全利用的相关建议。

污水回用；农业灌溉；污染风险；环境效益；可持续管理

我国是一个水资源贫乏且地域分布很不均匀的国家，人均水资源量仅为世界人均水平的1/4[1]，占全国总面积36.5%的长江及其以南地区，拥有全国80.9%的水资源总量，而占全国总面积63.5%的长江以北地区，仅拥有全国19.1%的水资源总量[2]。快速的经济发展进一步加剧了我国水资源的供需矛盾，目前我国年缺水总量约为300亿至400亿m3[3]。于此同时，我国城镇污水排放量逐年增加，2010年我国污水排放总量为617.3亿t，比上年增加4.7%[4]。开发利用废污水资源，不仅是缓解水资源供需矛盾的重要措施，也是减轻环境污染的有效途径。

作为一个农业大国，我国农业年用水量能达到全年总用水量的60%以上[5]，较高的农业需水量使得我国污水回用主要集中于农业灌溉。在我国，早期由于污水处理技术及设施的限制，污水回灌大多是使用未处理或处理后未达标的污水，1998年污水灌溉农田面积达361.8万hm2[6]。随着再生水概念的提出、污水处理技术的发展，达到一定水质标准的再生水逐步用于农业灌溉替代污水灌溉。我国2008年再生水回用量是16.6亿m3，占污水处理总量的8%，其中28.9%用于农业灌溉[1]。同未经处理或简单处理的污水相比，再生水水质大幅提高，有效降低了其环境风险，此外再生水利用还具有节省肥料、促进作物生长等经济效益，因此再生水在农业利用方面具有较大的潜力。

本文通过对我国污水利用及国内外再生水利用经验进行总结分析，明确了我国污水、再生水灌溉面临的生态风险，探讨了再生水灌溉在我国可持续利用的可行性，提出了再生水灌溉可持续管理的措施及建议，以期推动我国再生水农业灌溉的发展，促进我国再生水的安全利用。

1 我国污水灌溉利用生态风险分析

1.1 污水灌溉对土壤物化性质的影响

污染物在土壤中的残留及积累是污水灌溉主要生态环境影响之一。由于灌溉污水中重金属含量较高，国内关于土壤重金属污染的研究和报道较多。据我国农业部进行的全国污灌区调查，在约140万hm2的污灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污灌区面积的64.8%，其中轻度污染面积占46.7%，中度污染面积占9.7%，严重污染面积占8.4%[14]。多数研究[12，15-16]均发现污灌区重金属在土壤中逐渐积累，其含量明显高于土壤的背景值，甚至超过国家标准[13]，我国37个主要污灌区中明显重金属污染的灌区有22个，其中多半是积累性重金属超标[17]；土壤中重金属主要积累在耕作层[18-19]，并且其污染程度与污染源距离之间呈负相关[20-21]。长期污灌下污水中较高的全盐量会使土壤发生次生盐碱化，总碱度和钠碱度急剧升高，进而导致土壤板结、土壤渗透性降低[22-23]。关于污灌下土壤中PAHs(polycyclic aromatic hydrocarbons)的变化研究较少，研究发现污灌区土壤中的PAHs含量有超标现象，但是污水并不是PAHs的主要污染源，并且污灌区的PAHs含量与其他普通农田中的含量差别不大[24-25]。

1.2 污水灌溉对土壤微生物的影响

土壤微生物是土壤质量评价的重要内容之一，学者主要从土壤微生物群落和土壤酶活性两个方面来研究了污灌对土壤微生物生态系统的影响。污灌可以改变土壤中微生物的种群数量和多样性[26]，并且能够选择性地刺激土壤微生物中细菌和真菌类群的生长[27]。污灌对土壤酶活性的影响受到污染物种类、土壤酶种类等因素的影响，曹靖等[28]以甘肃省金昌市污灌土壤为研究对象，发现Cu与Ni复合污染对土壤脲酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性均表现为激活作用，对过氧化氢酶和转化酶有轻微的抑制作用，对多酚氧化酶有较强的抑制作用。李慧等[27]以沈抚污灌区为例，发现含石油烃污水灌溉能够增加土壤中脱氢酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶的活性，且酶活性随着污染程度的增加而增加，土壤脲酶则呈现相反趋势。

1.3 污水灌溉对地下水的影响

1.4 污水灌溉对植被的影响

污水灌溉对植被的影响集中体现为作物产量和品质、污染物累积等方面，由于物种、灌溉水质、灌溉措施等因素的差异，污水回灌对作物的影响并不一致。污水中富含有N、P、K、Zn、S、B和有机质等营养物质，污水灌溉在一定程度上能促进作物生长[39]；但大多数研究表明长期连续污灌使土壤性能降低如土壤板结、通透性降低等，进而导致作物生长缓慢、长势变差、生产量下降，叶片发黄等[19，40-41]；此外，对于植被生长非必需的微量元素Cd、Cr和Pb等，能通过植被的根系或其他途径进入植被并富集，影响植被生长的同时，能通过食物链进入人体[12，42]。

2 再生水灌溉利用生态风险分析

再生水是指污水经适当处理后，达到一定的水质标准，满足某种使用需求的水。由于经济、技术等原因，再生水中仍然含有较高的全盐量、多种毒性痕量物质(重金属、有机污染物等)、丰富的氮元素及致病微生物等，这些物质随着灌溉进入土壤-植被系统中，有可能对土壤、植物生态系统产生危害，污染地下水，进而危害人体健康[43]。据此，国内外针对于再生水灌溉下盐分、痕量污染物(重金属、有机污染物等)、氮素、病原微生物等的潜在风险进行了相关研究，研究发现再生灌溉下土壤具有较大的盐化风险，尤其是长期灌溉，且土壤中盐分的累积会影响土壤性质及植物生长，地下水中的含盐量也有增加的趋势；灌区土壤、地下水受重金属污染的风险较小；新型有机污染物对土壤及地下水的影响有待进一步加强研究；氮的污染主要是导致土壤中营养元素失衡，以及地下水中硝态氮含量增加；目前的研究表明病原微生物对土壤、地下水污染的风险较小，但仍需进一步的研究。

2.1 土壤、地下水盐化风险

再生水的含盐量一般可高于同地区自来水的2倍，尤其是再生水中的钠等一些可溶性盐分离子，即使再进一步处理仍很难被有效去除[44]。再生水灌溉下土壤中盐分的累积受到土壤性质、灌溉水质、气候条件等因素的影响，因此不同的条件下土壤盐分累积的程度并不相同。有研究表明，再生水灌溉下土壤中盐分会出现累积，但并未达到盐化的程度[45-46]，然而也有研究表明在长期再生水灌溉下土壤会出现一定程度的盐渍化[47]，还有研究发现当土壤中累积的盐分较多时会影响作物的正常生长[48-49]。此外，有研究发现[50]再生水中较高的Na+，会引起灌溉土壤板结，进而导致土壤的入渗性能下降；也会导致土壤孔隙度减小，从而减小土壤滞留营养元素的能力，最终使土壤肥力下降[45]。对北京再生水灌区[51]进行实地调查，发现再生水灌溉可导致地下水中全盐量增加，其增加的程度依赖于灌溉水质及地理环境等因素，其中Cl-的增加较为明显。

2.2 痕量物质污染风险

随着工业污水处理能力的加强，以及工业、生活污水的分开处理，近些年再生水中重金属含量明显降低，通常与地表水没有明显差异，大多数研究[52-53]均发现中短期的再生水灌溉不足以引起土壤重金属的明显累积，土壤重金属污染风险较小；但长期再生水灌溉土壤重金属可能累积至危害水平[54]。此外，再生水灌溉下重金属主要集中在土壤20—40 cm土层[55]，总体上污染地下水的风险较小。再生水中POPs(persistent organic pollutants)的含量一般较低，如OCPs(organochlorine pesticides)含量在1—100 ng/L，PAHs含量在10—1000 ng/L[56]，相对于大气沉降等其他来源，对土壤污染的风险较小[57]；但是再生水中一些新型有机物污染物(阻燃剂、塑化剂、个人护理产品等)的含量较高，如多环麝香抗生素含量多在1—10 μg/L，因此这些新型污染物的再生水灌溉污染风险逐渐受到关注，有研究表明再生水灌溉下土壤中的新型污染物含量将会增加[58]。此外，研究还发现再生水灌区的地下水中能监测出一些新型污染物，但一般浓度较小[59]。

2.3 氮素污染风险

经过常规二级处理的再生水硝态氮含量较高，通常在10 mg/L以上，再生水中较高的氮含量能为植物提供生长所需的氮营养元素，但不当的再生水灌溉可能会导致土壤中氮过量，进而使植物的氮、磷、钾等营养失衡，使植物非果实部分疯狂生长，果实产量下降，果实质量下降等[48]；甚至会导致易迁移的硝态氮进入地下水，进而引起地下水污染[60]。研究发现，再生水灌溉下地下水中的总氮含量会增加[51，60]；而由于氨态氮容易在土壤中被吸附、转化，使得地下水中硝态氮一般增加的较多[61]。但是，地下水中氮的来源不仅仅局限于再生水，农业活动例如施肥也会导致地下水中氮含量增加[59]。

2.4 病原微生物污染风险

再生水中含有多种病原微生物(包括细菌、原生动物类、寄生虫和病毒等)，目前对于再生水灌溉病原微生物的污染研究较少，主要集中在大肠杆菌的研究，大多数研究发现大肠杆菌主要集中在土壤表层[60]，且存活时间不长[62]；地下水受到大肠杆菌污染的风险较小[62]；但是对于一些存活能力和迁移能力较强的病原微生物，例如贾地鞭毛虫、沙门菌等，其能在地下水中监测到，只是监测到的数量很小[63]。

3 再生水灌溉的可持续利用

3.1 可行性分析

(1)再生水利用已提升到国家战略规划的高度

为了加快建设全国城镇污水处理及再生利用设施，2012年4月国务院办公厅印发了《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，指出“十二五”期间再生水利用率需增加5%以上，再生水生产规模将从2010年的1210万m3/日增加到2015年的3885万m3/日。此外，2012年12月住房和城乡建设部颁发了《城镇污水再生利用技术指南(试行)》，提出城镇污水再生利用的总体目标是充分利用城镇污水资源，缓解区域水资源短缺，提升我国城镇水资源综合利用效率和水平。为配合我国城市开展污水再生利用工作，建设部和国家标准化管理委员会编制了《城市污水处理厂工程质量验收规范》、《城市污水再生利用-城市杂用水水质》等污水再生利用系列规范和标准。可见，我国再生水利用已提升到国家战略规划的高度，这一点能极大地推进高效、低耗能的污水处理再生技术发展，以及将再生水作为可利用水资源的一部分来考虑的水资源统筹规划。

(2)科学管理下再生水灌溉利用是安全的

(3)再生水灌溉具有巨大的经济效益

再生水回用的基建投资比远距离引水便宜，城市污水经处理后达到生活杂用水和工业冷却水水质的基建投资相当于从30余km外引水，若处理到可回用作较高要求的生产工艺用水，其投资也只相当于从40—60 km外引水[65]；而南水北调东线输水主干线长1150 km，中线输水总干渠长1246 km，可见对于需要远距离引水的地方采取再生水回用更经济。再生水处理的成本一般在0.3—2.5元/t之间，南水北调水的成本是6.0—8.0元/t，我国海水淡化的成本大至在4.0—6.0元/t左右，可见再生水回用比南水北调和海水淡化具有更大的经济效益。在农业灌溉方面，由于再生水含有大量的氮、磷、钾、钙等营养元素，当使用再生水灌溉农田时可以减少化肥的使用量，节约生产成本，以北京市为例，经估算每年使用再生水灌溉可以减少氮素的施用量7140—8610 t，磷的施用量1119—1590 t。再生水中含有较丰富的BOD(biochemical oxygen demand)，在一定条件下分解，可以释放为作物吸收利用的多种营养元素，在一定范围内可以促使作物增产[57，66]。以北京市2010年再生水的利用为例，通过计算再生处理厂基建花费、运行和维护花费、管网建设花费、对人体健康不利影响的花费等，以及再生水利用能减少污染物排放、节省肥料、改善土壤环境等的利益，发现能产生净利润7.12亿元，是再生水利用所需费用的1.7倍。

(4)再生水灌溉具有巨大的环境效益

再生水灌溉时可以利用土壤、作物对污水的净化过滤功能，减少污染物例如重金属、BOD等向水环境中的排放，以BOD为例，研究发现[67]大多数可降解性有机物能在土壤表层被降解，假设再生水灌溉下土壤对BOD的降解率为100%，对于北京二级处理水BOD为 16.0—25.8 mg/L[66]，每年可以减少BOD向环境中排放4800—7740 t；再生水灌溉能显著改善土壤质量，例如提高土壤全氮、速效氮、速效磷的含量，增加阳离子交换量[68]，以及增加土壤微生物数量[45,69]，提高土壤酶活性[47，70]，这些具有较高活性及数量的微生物通过自身的生命活动可使土壤中的一些有害物质转化为可为植物吸收利用的某些营养成分[70]。此外，再生水利用可以在一定程度上缓解水资源的供需矛盾，以我国2010年城镇污水处理设施的平均处理水量0.96亿m3/d[4]来估算，可知每年若将所有的再生水加以利用，可以缓解水资源压力350.4亿m3。

3.2 可持续管理

考虑到再生水灌溉具有巨大的经济效益和环境效益，再生水灌溉应该被积极推广。为实现再生水灌溉的可持续利用，应考虑如下几个方面：

(1)盐渍化是再生水灌溉利用的主要风险，但并不属于再生水特有。在一些干旱半干旱地区，其地表水含盐量可高于再生水。在蒸发蒸腾量大于降雨及灌溉量的情况下，土壤盐渍化均可能发生。因此，再生水灌溉应保证适宜的淋溶量，在灌溉管理上遵循最佳管理措施，节水灌溉并不适宜。此外，可通过调整种植措施及适当的土壤改良，避免盐渍化的影响。

(2)高含氮量是再生水灌溉的双刃剑。美国加州的一些利用案例表明，再生水灌溉可满足一季作物生长的需求，不需使用额外的肥料。因而，为避免营养失衡及潜在的地下水污染，需要根据再生水的含氮量进行相应的灌溉调整。

(3)再生水中痕量污染物如重金属、新型污染物受到广泛关注，现有的研究成果表明，再生水灌溉下这些污染物的生态风险较小。为确保再生水长期可持续利用，需要依据再生水中这些污染物的含量，估算再生水灌溉承载力，确定安全的再生水灌溉量阈值及年限。

(4)病原菌传播是再生水灌溉利用的潜在风险，可通过一些场地管理措施如设置缓冲区(远离水井、公共可接触区)、径流控制管理及作物收获管理，有效避免病原菌传播风险。

4 结论与建议

随着水资源供需矛盾的进一步加剧、污水处理技术的发展，国家将更加重视再生水的利用，再生水灌溉将会逐渐替代污水灌溉，为了进一步促进再生水灌溉安全利用，提出以下建议：

(1)在科学研究层面，目前污染物研究范围还比较有限，大多国内外的研究重点放在盐分、氮、重金属、多环芳烃等物质上，而较忽略了新型污染物、致病微生物等的影响研究；同时针对污染物在不同介质之间的迁移转化规律、影响因素等研究需要进一步完善，需要将多个学科联合起来展开共同研究。此外，还需要进一步加强长期定位研究，由于许多污染物形成风险需要经过长期再生水灌溉才能表现出来，在时间和空间上是动态的，仅仅通过野外实地调查和小规模室内模拟研究是不够的，为了尽可能获取再生水灌溉风险及综合效应相关信息，应对灌区的土壤、植被、地下水等进行定期监测。通过进一步加强再生水灌溉污染风险的理论研究，综合野外定期监测、室内土柱模拟、模型研究，建立再生水水质与生态风险的有机关联，以便在再生水灌溉前进行相应的风险评估，进而减小再生水灌溉的污染风险。

(2)在标准体系方面，虽然我国已颁布了《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》标准，以指导再生水灌溉利用，但该标准与灌溉利用的生态风险缺乏有机联系，同时随着科学研究的进展以及检测技术的发展，这些标准仍需要进一步的完善。

(3)在风险管理方面，目前还没有形成系统的科学的风险管理体系。为促进再生水灌溉的安全性和可持续性，需结合我国再生水发展的特点并参考借鉴国外再生水风险管理措施，建立耦合水质风险管理-终端用户风险管理-设施风险管理-安全监督管理的风险管理体系，以保障再生水灌溉的可持续利用。

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Ecological risks and sustainable utilization of reclaimed water and wastewater irrigation

CHEN Weiping*,LÜ Sidan,ZHANG Weiling,YI Lili,JIAO Wentao

StateKeyLaboratoryforUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

water reuse; agricultural irrigation; pollution risk; environmental benefit; sustainable management

国家自然科学基金资助项目(41271501)

2013-05-02;

2013-11-13

*通讯作者Corresponding author.E-mail:wpchen@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201305020887

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