再生水灌溉对土壤及浅层地下水中盐分的影响

仇亚洲　汪弘扬　李双旦　马江静　彭 运　李发永

(塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔843300)



再生水灌溉对土壤及浅层地下水中盐分的影响

仇亚洲汪弘扬李双旦马江静彭 运李发永*

(塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔843300)

摘要为将阿拉尔市污水厂再生水进行合理的开发利用，本文研究了再生水灌溉生态林后土壤盐分的变化规律，同时通过模拟试验分析了灌溉后对浅层地下水含盐量的影响。研究表明，再生水中离子类型主要为氯化物、硫化物、碳酸氢盐类，阳离子类型为钠盐和钙盐型。总盐和离子含量与市政绿化水相比均较高；20 L灌水量时土壤积盐率最低，同时能够显著减少Cl-和Na+、SO42-的含量。与市政绿化用水相比再生水在整个灌水期内并未显著的提高土壤中盐分及各个离子的含量；灌溉3年后与市政绿化水相比除Na+含量较高外，其他离子含量均较低，再生水灌溉不会对地下水含盐量及有机物(COD含量)造成太大的影响。

关键词再生水； 盐分； 地下水

南疆城市相对分散，污水排放量也呈现区域离散特性，修建污水处理厂的投资和运行成本较高，尤其在团场，新型的团场发展格局和规模逐渐接近疆外城市的建制镇的发展形式。因此，生活污水量逐年增加，2010年阿拉尔市污水处理厂运行以来对阿拉尔市的污水有效处理在短期内提供了保障，但是运行成本较高，由于缺乏深度处理，出水水质仍然对塔里木河有一定影响。如果能够将阿拉尔市污水处理厂的再生水收集起来进行回用，可以有效降低污水处理成本，减少环境污染，节约水资源。

阿拉尔市污水处理厂处理后的再生水去向主要有两个：一是大部分直接排入塔里木河，二是一小部分供给市政道路绿化林带的灌溉。但是由于阿拉尔市毗邻塔里木河，地下水位较浅，又属于上游灌区。因此，由于再生水中一些有毒有害物质的存在，再生水灌溉生态林带后其能否对浅层地下水造成严重的影响，亟需进行研究和评价。另外污水中含有大量的盐分，势必会增加灌区内的土壤盐分含量，可能会造成次生林盐渍化。南疆为盐渍化较为严重的地区[1]，对水资源进行合理利用的同时，控制土壤的盐分含量也是当前研究的热点[2-5]。

1材料与方法

1.1实验仪器及试剂

实验仪器主要有：COD测定仪(江苏江分电分析仪器有限公司JF-101)、火焰光度计(上海精密科学仪器有限公司FP640)、电子天平(余姚市金诺天平仪器有限公司JF2004)、有机玻璃土柱(自制，规格：Φ0. 15 m×1. 0 m)、烘箱(北京市永光明医疗仪器有限公司101-1ES)、其他常规化验仪器等。

试剂主要有：重铬酸钾(天津基准化学试剂有限公司，分析纯)、浓硫酸(四川西陇化工有限公司，95. 0%～98. 0%)、盐酸(北京北化精细化学品有限责任公司，36. 0%～38. 0%)、硫酸银(天津市赢达稀贵化学试剂厂，分析纯)等。

1.2实验材料

再生水利用聚乙烯塑料长把勺或聚乙烯塑料桶取自阿拉尔市污水处理厂二沉池出水口，采集的水样混合均匀后，放入储水池备用。

1.3实验方案及方法

1.3.1实验方案

1.3.1.1以阿拉尔市塔里木大学东门生态林带为研究对象，选择3组长势均匀的林木进行灌溉试验，灌溉时将树体周围设置0. 5×0. 5 m的正方形土埂，分别灌溉再生水水量为10 L、20 L、40 L，试验样方外设置隔离带。用采集来的再生水每隔15天灌溉一次，同时设市政绿化水灌溉作为对照，每隔8天取一次土样，每次灌水前在样方内取土，纵向取土深度分别为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm。土样转移至实验室自然风干备用。

1.3.1.2对地下水的研究采用土柱淋滤模拟实验[6,7]，实验设置土柱(见图1)，土柱中所用实验土为试验区内裸地土，土样采集时垂直取土范围分别为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，取回后晒干、研磨、筛选，混合装进土柱，使各土层容重与实际再生水灌区土壤容重接近。土柱上下均要装碎石，防止浇灌水入渗过程中对土壤的冲刷，下端出水口出放置丝网防止土壤堵塞出水口，影响采集水样。

1.3.2实验方法

总盐采用重量法，钾、钠采用火焰光度计法、COD化学需氧量采用重铬酸钾法、碳酸根离子和碳酸氢根离子采用双指示剂滴定法、氯离子采用硝酸银滴定法、硫酸根采用EDTA容量法、钙镁离子采用EDTA滴定等方法测定。

图1　土柱淋滤模拟实验装置

2结果分析

2.1再生水水质状况分析

图2　阿拉尔污水厂的进水、一级处理和出水的COD和SS含量

指标总盐mg/LK+mg/LNa+mg/LSO42-mg/LCO32-mg/LHCO3-mg/LCa2+mg/LMg2+mg/LCl-mg/L再生水982.544.4187.454.62.11433.19682152市政绿化水351.18.132.49.80.21141.218.611.238.1

由图2可知，经过污水厂处理后COD和SS均有所下降，一级处理COD的去除率为20. 4%，二级处理COD的去除率仅为8. 2%，经过一级处理后的生活污水的COD值为156 mg/L，二级处理后COD值为140 mg/L，满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)水作COD≤150 mg/L，旱作≤200 mg/L，经过一级处理SS的去除率为54. 9%，二级处理SS的去除率为70. 8%，经过一级处理后的生活污水的SS值为96 mg/L，二级处理后为28 mg/L，满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)水作SS≤80 mg/L，旱作≤100 mg/L。但是，通过分析可知阿拉尔市污水处理厂的出水水质并不能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标准，不能够达标排放。同时再生水中的其他污染物质如重金属等指标未进行测定可能也会造成相应的环境污染，由于本实验只着重考虑了盐分的影响，以上指标未作研究、分析。

由表1知，再生水中总盐含量较高，比市政绿化水高出631. 4 mg/L，其中盐分类型主要为碳酸氢盐、氯化物和硫酸盐，Na+、SO42-、Cl-、Ca2+、HCO3-含量均较高。但CO32-含量极低。由于再生水中较高的盐分含量，虽然能够满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)≤1000 mg/L的要求，但由于已经十分接近超标范围，长期用于生态林的灌溉后可能导致土壤盐分含量增加，由于这些灌溉区内盐分的本底值较高，势必进一步加重其盐渍化。

2.2再生水灌溉对土壤盐分的影响

为考察再生水灌溉后对土壤盐分离子含量的贡献率，对灌溉后的土壤进行了初步分析，结果见图3～图10，由于测定过程中发现土壤中Mg2+和CO32-离子含量极低，因此未对其进行分析，图中主要分析了总盐(TDS)、K+、Na+、SO42-、Cl-、Ca2+、HCO3-的含量变化规律。

土壤总盐含量的变化范围在0. 2%～0. 6%之间，其含量在4个月的灌溉期内并未导致严重的盐渍化现象。由图3可知，整个灌水期内，各处理的土壤总盐变化范围不大。但再生水灌溉水量对TDS含量的影响较明显，其中以20 L的污水灌溉处理土壤TDS含量最低，10 L的灌水处理土壤TDS含量最高。同时10 L的再生水灌水处理和10 L的市政绿化灌水处理(CK)相比，土壤盐分均较高。因此，较高的灌水量具有一定洗盐效果，能够促使土壤中的盐分下移，从而降低土壤盐分。但同时由于再生水中TDS含量较高，过高的灌水量也会带入更多的盐分，促进土壤的盐渍化，适当的调整灌水量十分必要。长期来看，维持灌水量在20 L左右较为合理。

为了更好的描述土壤中盐分的分布状况，图4对7月份盐分在土壤剖面的分布进行了分析。整个土壤坡面的盐分变化大致呈现阶梯状，在10～80 cm范围内各处理大致呈现两个峰值，即20 cm和60 cm处。10 L、20 L、40 L三个再生水灌溉处理盐分含量分别为0. 62%、0. 33%、0. 51%和0. 43%、0. 33%、0. 67%。一部分受土壤毛细水影响向地表积盐，另一方面受淋洗作用向深层运移积盐。但总体而言，与土壤TDS的平均含量相似，20 L的灌水量各个剖面的盐分含量均较低。40 L再生水灌水处理虽然较10 L对照处理在表层和80 cm处盐分较低，但在20 cm和60 cm积盐严重，特别是60 cm处尤为明显。

图3　再生水灌溉期内土壤平均盐分含量变化　　　　　　图4　7月不同深度土壤盐分的含量变化

土壤中八大离子含量能够反映其盐分累积的离子类型，图5～图10对K+、Na+、SO42-、Cl-、Ca2+、HCO3-的含量进行了分析，由图可知，Na+离子的含量最高在0. 1%～0. 6%之间，其他阳离子含量均较低。表明土壤盐分主要为钠型盐。而HCO3-和Ca2+含量则相对较低。再生水灌溉后土壤HCO3-含量一致，维持在0. 2%～0. 35%之间，整个灌水期内呈轻微上升，但总体上对土壤HCO3-的贡献率较小。SO42-离子则在灌溉期内呈现逐渐下降的趋势，且各处理下降较为明显，但仍以10 L灌水处理的SO42-含量最高，20 L和40 L的灌水处理SO42-含量差异不大。

Ca2+与HCO3-相似，整个灌水期内变化不大，维持在0. 008%～0. 016%之间，含量较低。但仍以20 L处理的Ca2+平均含量最低，10 L处理的最高；Na+离子的含量在整个灌水期内均较高，在0. 1%～0. 6%之间，而且呈现明显的波浪状曲线，即随着灌水的进行，各处理Na+离子的平均含量先增加后降低，9月份达到最低后，10月份又逐渐增加。各处理Na+离子平均含量以10 L>40 L>20 L。表明20 L的再生水灌水量具有较好的脱盐效果。10 L的再生水灌溉处理与10 L绿化水灌溉处理(CK)相比前期具有脱盐作用，后期盐分逐渐累积Na+离子含量较高。

土壤中K+离子的含量整体变化也不大，基本维持在0. 08%～0. 12%之间。土壤维持一定的K+浓度对植物生长具有非常重要的作用。实验结果表明再生水灌溉后并未破坏土壤K+的平衡。虽然市政绿化水灌溉前期K+含量较高，但总体上与再生水差异不大。

各处理土壤中氯离子的含量在整个灌水期内变化也不大，但与Na+离子相似，在9月份达到最低值，9月后有轻微增加，但不如Na+离子显著。其含量均低于0. 1%。但是处理间的差异明显。10 L的再生水灌溉处理Cl-离子含量显著大于20 L和40 L的处理。以10月份为例，10 L、40 L、20 L的Cl-平均含量分别为0. 07%、0. 04%、0. 03%。

因此，对八大离子类型的分析表明，再生水灌水量对各离子的累积有显著的影响，20 L的灌水量能够显著减少Cl-和Na+、SO42-的含量。而与市政绿化用水相比再生水在整个灌水期内并未显著的提高土壤中盐分及各个离子的含量，所以将其利用于生态林的灌溉在本研究周期内是合适的。但是随着灌水年份的增加是否会导致盐分的累积还有待进一步评价。

图7　再生水灌溉期内土壤钙离子含量变化　　　　　图8　再生水灌溉期内土壤钠离子含量变化

图9　再生水灌溉期内土壤钾离子含量变化　　图10　再生水灌溉期内土壤氯离子含量变化

2.3再生水灌溉对浅层地下水盐分的影响模拟

表2　再生水淋滤的实验结果统计

表3　再生水淋滤液中COD、盐分离子与市政绿化水淋滤实验对比

利用自制有机玻璃土柱对再生水灌溉后浅层地下水的影响进行了模拟实验。分别利用再生水和市政绿化水进行了5次淋滤实验，实验统计分析结果见表2和表3。

土柱模拟所需再生水量的计算：由上述实验知20 L的灌水量土壤积盐最少，由于灌溉面积为0. 5 m×0. 5 m=0. 25 m2，因此，灌溉水量为80 L/m2。每年按灌水10次计算，则3年内再生水总灌水量约为2 400 L/m2。为了预测灌溉3年后再生水对浅层地下水的影响，需计算淋滤土柱所需的水量。土柱淋滤模拟试验的土柱直径15 cm，则土柱断面面积为0. 017 7 m2，那么3年内需要再生水量为0. 017 7 m2×2 400 L/ m2=42. 48 L。先用再生水灌溉3年的水量，即42. 48 L，然后再用再生水进行淋滤取渗出液进行化验分析，每次取淋滤液为600 mL。每8小时取一次样，一共取样5次。市政绿化灌水量同再生水量，作为对照。

由表2和表3可知，渗出液中各离子的含量与再生水原水相比大幅度减少。例如渗滤液中Na+离子和Cl-离子的含量均在第2次时最高分别为90. 20 mg/L和0. 26 mg/L。与再生水中两种离子的含量对比可知Na+离子减少了51. 87%，氯离子减少了99. 83 %。表明，通过土壤的淋滤和截留作用能够显著减少再生水中的大部分盐分离子。COD含量由原来的140 mg/L减少到了46 mg/L，减少了67. 14 %。

通过与市政绿化水淋滤进行对比分析表明，二者在Na+离子的含量上差异较大，达到了78. 74 mg/L，而在其他离子的含量上差异不明显。因此，可以认为灌溉3年后带入地下水的离子类型主要为Na+离子。虽然Na+离子含量较高，但对地下水影响并未超标。新疆南疆地区地下普遍矿化度较高，再生水灌溉后经过土壤的淋滤作用对地下水的贡献会导致土壤盐分显著提高。初步分析表明，再生水灌溉并不会对地下水含盐量及有机物(COD含量)造成太大的影响。但是由于实验中仅仅考虑了盐分和COD的影响，对再生水中的重金属和氨氮、总磷等并未作深入研究，而上述这些指标也是衡量地下水水质的重要标准。因此，再生水能否作为生态林灌溉还需进一步开展细致的研究。

3结论

本文对再生水灌溉生态林后土壤盐分及离子类型的变化情况进行了探讨，同时利用自制有机玻璃土柱模拟了灌溉三年后对地下水盐分的影响。通过试验得出以下结论：

3.1阿拉尔市污水厂经过生化处理的再生水水质SS和COD均能够满足灌溉水质要求，但是COD含量较高，未满足排放标准要求。其中所含的离子类型主要为氯化物、硫化物、碳酸氢盐类，阳离子类型为钠盐和钙盐型。总盐和离子含量与市政绿化水相比均较高。

3.2通过室外再生水灌水试验表明，较大的灌水量具有洗盐效果，能够促使土壤中的盐分下移，从而降低土壤盐分；但同时由于再生水中TDS含量较高，较高的灌水量也会带入更多的盐分，促进土壤的盐渍化，维持灌水量在20 L左右时土壤积盐率最低。再生水灌水量对各离子的累积有显著的影响，20 L的灌水量能够显著减少Cl-和Na+、SO42-的含量。而与市政绿化用水相比，再生水在整个灌水期内并未显著的提高土壤中盐分及各种离子的含量。所以将其利用于生态林的灌溉在本研究周期内是合适的。但是，随着灌水年份的增加是否会导致盐分的累积还有待进一步评价。

3.3利用自制有机玻璃土柱对再生水灌溉后浅层地下水的影响进行模拟表明，土壤的过滤和截留作用，吸附了大部分的盐分离子，灌溉3年后与市政绿化水相比除Na+含量较高外，其他离子含量均较低。灌溉后对地下水盐分的贡献率不大，同时初步分析表明再生水灌溉并不会对地下水含盐量及有机物(COD含量)造成较大的影响。但是由于实验中仅仅考虑了盐分和COD的影响，再生水能否应用于生态林灌溉，还需进一步开展氨氮、总磷等指标的研究。

参考文献

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Study on Effects of Reclaimed WaterIrrigation on the Soil and Shallow Groundwater Salinity

Qiu YazhouWang HongyangLi ShuangdanMa JiangjingPeng YunLi Fayong*

(College of Water Conservancy and Architecture Engineering,Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

AbstractIn order to reasonable development and utilize the reclaimed water of sewage treatment plant in the City of Alar, the paper studied the variation of soil salinity ecological forest regeneration after irrigation, through simulation analysis of the impact on the shallow groundwater salinity after irrigation. Studies have shown that the main types of renewable chloride ions in water, sulfide, bicarbonates, sodium and calcium cations of type. Total salt and ion levels were higher compared with the municipal green water; 20L irrigation amount of salt accumulation in soil lowest rates, while significantly reducing the Cl- and Na+, SO42-contents. Compared with the municipal green water reclaimed water irrigation in the whole period did not significantly increase the content of soil salinity and various ions; except higher Na+ content, the other ion levels were low compared to three years after irrigation and municipal green water, recycled water for irrigation will not cause too much impact on the groundwater salinity and organic matter (COD content).

Key wordsreclaimed water; salt; underground water

中图分类号：S273.5

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2016.02.013

文章编号：①1009-0568(2016)02-0072-08

作者简介：仇亚洲(1991-)，男，2016级本科生，研究方向为污水资源化利用。E-mail：18399575273@163.com*为通讯作者E-mail：lisen8279@163.com

基金项目：新疆生产建设兵团第一师科技项目(2015GJJ01)

收稿日期：①2015-08-31