時(shí)利宇

（勝利油田新邦公司，山東 東營 257000）

1 概述

近年來，隨著我國城市化的加速和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，水資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素。為了使有限的水資源能夠持續(xù)地得到利用，開發(fā)利用城市再生水勢在必行。再生水的回用方式有許多種：工業(yè)回用、農(nóng)業(yè)灌溉、城市雜用、地下回灌等。再生水回灌作為再生水回用的最有潛力的一種方式，可以補(bǔ)充或節(jié)約地下水資源，有效防止地面下沉和海水入侵。再生水回灌的方式有：表灌、土壤含水層處理(SAT)、包氣帶注入和井灌等。

早在20世紀(jì)70年代，國外就已經(jīng)開始再生水回灌的研究，建成許多實(shí)際的回灌工程，回灌水占再生水比例越來越大。美國2006年可統(tǒng)計(jì)的再生水回用量為378313772千加侖，其中回灌48532551千加侖，占總回用量的13%；而佛羅里達(dá)州2000年回灌水量占再生回用水的16%，加利福尼亞州則占12%。

而我國再生水回灌的研究相對滯后，能夠?qū)嶋H工程應(yīng)用的很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足再生水安全回灌的要求。

2 再生水回灌的水質(zhì)要求及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

2.1 再生水回灌的水質(zhì)要求

再生水回灌可以增加地下水的容量，但也存在著再生水中殘余的污染物在回用中累積帶來的水質(zhì)安全問題，因此，對再生水回灌水質(zhì)的要求較高。地下回灌的再生水水質(zhì)依據(jù)回灌地區(qū)的地下水水文、土壤等地質(zhì)情況、回灌的方式和回用目的有所差異。

許多國家對回灌地下的再生水水質(zhì)提出了指導(dǎo)性的原則，德國一般要求回灌水水質(zhì)不低于當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)，以色列規(guī)定用于回灌的再生水優(yōu)于飲用水標(biāo)準(zhǔn)。美國對再生水的地下回灌有著非常嚴(yán)格的限制，美國環(huán)保署2004年頒布的《再生水利用導(dǎo)則》中對于潛在的飲用水應(yīng)用的回灌水水質(zhì)至少要求能達(dá)到飲用水水質(zhì)，各州要求的標(biāo)準(zhǔn)不低于國家標(biāo)準(zhǔn)。

我國于2005年由國家質(zhì)量監(jiān)督總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會發(fā)布了《城市污水再生利用地下水回灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 19772-2005)，水利部于2007年頒布了《再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(SL368-2006)，分別再生水回灌的水質(zhì)進(jìn)行了規(guī)定。

相對而言，國外已經(jīng)針對不同用途的回灌水，進(jìn)行過很多長期的觀察和深入的研究，形成了比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)體系，而我國雖然也早在70年代進(jìn)行過回灌水的研究，但大多數(shù)研究目標(biāo)都集中于用來補(bǔ)充地下水水位上，以防止地面下沉和海水侵蝕，對水質(zhì)要求尤其是對潛在的飲用水應(yīng)用的要求較低。雖然在GB/T 19772-2005中規(guī)定了只是針對非飲用水，但在中國北方不少缺水地區(qū)，地下水已經(jīng)成為主要的工農(nóng)業(yè)以及生活用水的水源，GB/T 19772-2005并沒有針對潛在的間接飲用水應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定，對再生水中的痕量有毒有害有機(jī)物沒有標(biāo)準(zhǔn)限定，標(biāo)準(zhǔn)的制定相應(yīng)滯后。

表1 回灌水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(單位：mg/L)

2.2 再生水回灌的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

盡管再生水運(yùn)用已經(jīng)成熟，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于城市雜用、工業(yè)回用、農(nóng)業(yè)回灌以及生活用水水源的間接補(bǔ)給，但公眾對再生水的使用，尤其是在生活用水的回用上始終有所懷疑。為保證再生水的回灌得到安全保障，研究者采用健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)對再生水的回用進(jìn)行了論證研究，目前大多數(shù)國內(nèi)研究使用的是美國的四步法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，評價(jià)的對象多數(shù)以優(yōu)先污染和各種病原微生物為主。

云桂春等對用于地下回灌的北京高碑店污水處理廠再生水進(jìn)行了Ames試驗(yàn)檢驗(yàn)，對比國內(nèi)其他水源水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，深度處理后再生水的Ames試驗(yàn)結(jié)果要優(yōu)于許多飲用水水源；對深度處理后的出水中的C2Cl4，C4H8O2，C2HCl3，C6H10O 等 4 種優(yōu)先污染物進(jìn)行了致癌風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，結(jié)果表明城市污水經(jīng)深度處理后出水中的單一優(yōu)先污染物對人體健康影響很小。張建龍等則利用Logistic混沌系統(tǒng)方法來產(chǎn)生可靠、簡單、高效的隨機(jī)數(shù)，提出了基于改進(jìn)蒙特卡羅算法的再生水回用健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，并以西安市某污水處理廠再生水中的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為研究對象進(jìn)行實(shí)例模擬計(jì)算。

3 再生水回灌過程中的污染物研究

在再生水回灌過程中，再生水相對于含水層而言是外源水，在水化學(xué)成分上存在明顯的差異。再生水中殘余的污染物在入滲過程中，很可能會打破天然水與土壤-含水層介質(zhì)間的平衡，從而導(dǎo)致水質(zhì)發(fā)生改變，因此再生水回灌過程中污染物的變化情況一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

3.1 顆粒物、三氮、無機(jī)鹽的去除

比土壤孔隙大的顆粒物在泥水界面上被濾掉，細(xì)小的顆粒物包括細(xì)菌則沉降在介質(zhì)孔徑內(nèi)部。而病毒主要是被吸附和厭氧細(xì)菌的協(xié)同作用去除。累積的細(xì)小顆粒物在土壤顆粒表面形成更加密實(shí)的過濾層，通過泥水界面的懸浮物將被土壤吸附和滲濾。當(dāng)水流流經(jīng)土粒通道時(shí)，膠體顆粒過小無法被截留，將隨水流的流體力學(xué)行動、擴(kuò)散、沖擊和沉降。這些膠體顆粒被截留和吸附在靜態(tài)的土壤基質(zhì)表面，膠體顆粒被土壤吸附和捕集程度取決于懸浮物濃度，土壤特性和水力負(fù)荷。

在土壤中被截留和去除的溶解性無機(jī)組分，主要是通過物理、化學(xué)和微生物作用沉淀和固定溶解性組分，包括離子交換、沉淀、表面吸附、螯合、絡(luò)合和粘土礦物的侵蝕等過程?；毓嗨羞^多的鹽分會與土壤中發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致土壤的化學(xué)性質(zhì)改變：如地下水硬度升高，土壤堿化板結(jié)。因此，回灌水中溶解性的固體總含量是一個重要的控制指標(biāo)。

三氮（NH4+-N、NO2--N、NO3--N）的轉(zhuǎn)化和土壤含水量、氧化還原電位和pH值有密切關(guān)系。土質(zhì)是影響土壤氮遷移的重要因素，在遷移轉(zhuǎn)化環(huán)境條件相同的情況下，隨著土壤顆粒中粘粒含量的增加，土層的凈化容重增加，其中土層的反硝化反應(yīng)速率的增加是硝酸根去除的決定性因素。溫度也是三氮遷移轉(zhuǎn)化的主要影響因素之一，氮污染物超標(biāo)的再生水冬季相對于夏季來說更容易使地下水受到污染。氮污染物的去除不單單是吸附和生物作用，有可能還存在其他因素導(dǎo)致氮污染物濃度下降。

研究表明，回灌過程中大部分的NH4+-N被土壤膠體或被作為土壤微生物的氮源吸收，皮云正等觀察到約有15%-43%的NH4+-N經(jīng)過硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3--N，硝化作用在土壤表層進(jìn)行。

3.2 再生水中有機(jī)污染物的去除

再生水中有較多的殘余微量有機(jī)物，其中一些屬于促癌物、輔致癌物、可疑致癌物或致突變物。

易降解的有機(jī)成分在回灌過程中主要是通過吸附和生物降解消減。生物降解主要發(fā)生在附有微生物的介質(zhì)表面。生物降解的速率和產(chǎn)物很大程度上受有機(jī)質(zhì)成分和電子受體如溶解氧和氮源的影響。易降解有機(jī)物的生物降解發(fā)生回灌土壤表層下一個較短的距離。

在各類再生水回灌研究中，溶解性有機(jī)物（DOM）一直是關(guān)注的焦點(diǎn)，DOM 由眾多復(fù)雜的有機(jī)化合物組成，它包括各種內(nèi)分泌干擾物和環(huán)境雌激素等，并且在再生水的加氯消毒過程中，DOM還會和氯反應(yīng)生成三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸(HAAs)等氯化消毒副產(chǎn)物。由于DOM的組成非常復(fù)雜，很難在分子水平上對其進(jìn)行分析。研究者們通常將DOM分級成幾種具有顯著特征的組分，按照DOM在不同樹脂上的吸附特性可以將其分為5個部分:疏水性有機(jī)酸(HPO-A)、疏水性中性有機(jī)物(HPO-N)、過渡親水性有機(jī)酸(TPI-A)、過渡親水性中性有機(jī)物(TPI-N)和親水性有機(jī)物(HPI)。再生水中（DOM）的主要成分是HPO-A和HPI，兩者含量之和達(dá)70.8%。

薛爽等發(fā)現(xiàn)SAT對DOM最顯著的去除作用發(fā)生在頂部0.5m的土層中。SAT對HPO-A，TPI-A和 HPI的去除率分別為61.06%，54.86%和74.95%。回灌過程中對整體 DOC，HPO-A，TPI-A 和 HPI中 THMFP的去除率分別為 34.01%，27.24%，26.24%和36.08%，但出水中的DOM組分具有更高的SUVA，生成三鹵甲烷的能力更強(qiáng)。

魏亮亮認(rèn)為好氧生物降解作對再生水DOM的去除作用較大。中性DOM組分(HPO-N和TPI-N)比酸性 DOM組分(HPO-A和TPI-A)更容易被好氧生物降解作用所去除，而酸性DOM組分比中性DOM組分更容易被SAT系統(tǒng)中非好氧生物降解+吸附作用所去除。非好氧生物降解+吸附作用對控制SAT出水THMFP作用明顯。

3.3 細(xì)菌和病毒

再生水中的致病微生物是再生水回灌中所關(guān)心的問題。地下水系統(tǒng)是一個復(fù)雜的綜合體，它是微生物菌群生長繁衍、不斷演替的重要場所，而微生物菌群影響著地下水系統(tǒng)自身的演化，微生物的存在會改變地下水化學(xué)組成和含水層水力性質(zhì)。同時(shí)回灌水帶入的微生物可能在適宜的條件下迅速繁殖導(dǎo)致回灌系統(tǒng)的生物堵塞，造成回灌能力的降低。地表下致病微生物的存活因素包括溫度、土壤組成、土壤中拮抗微生物區(qū)系、流量、微生物種類等。在低溫下（低于4℃），一些微生物體可以存活幾個月甚至幾年。在5-30℃之間，每上升10℃，死亡率顯著倍增。一般地下水環(huán)境的溫度約在8℃左右，基本是各類微生物適合的生長區(qū)間。

土壤的性質(zhì)是微生物存活的重要因素，粗砂石類型土壤層的滲透率較高，吸附病毒的能力很低。其他土壤的特性如pH、陽離子濃度、持水能力和有機(jī)物都能在一定程度上影響土壤中細(xì)菌和病毒的存活。微生物對這些環(huán)境因素的抵抗能力因類型而差異較大。干性的土壤會殺細(xì)菌和病毒。當(dāng)有充足的有機(jī)質(zhì)存在時(shí)，細(xì)菌生在堿性土壤中存活時(shí)間比在酸性土壤(pH3-5)中長。一般而言，提高陽離子濃度、pH值的減少和溶解性有機(jī)物的存在將促進(jìn)病毒在土壤中的吸附。

回灌前正確的處理方式(包括消毒)、合理的回灌點(diǎn)位置、回灌系統(tǒng)的有效管理能最大程度的減少地下水中微生物的存在。一旦微生物到達(dá)地下水系統(tǒng)，水的氧化還原態(tài)將顯著影響脫除率。

4 回灌水的經(jīng)濟(jì)評價(jià)

國內(nèi)外在再生水人工回灌理論與工程實(shí)踐方面取得了大量的研究成果，回灌的方式有多種，對于不同條件下的再生水人工回灌經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的探索。

萬亮婷等將人工回灌經(jīng)濟(jì)效益分成7個方面：增加供水效益、揚(yáng)程效益、減少新建水源工程效益、水質(zhì)效益、增產(chǎn)效益、洪水控制效益和防治咸水入侵效益，提出了各種效益的計(jì)算方法。

王詠梅結(jié)合某水廠尾水回灌工程實(shí)例，采用反滲透設(shè)備為主體的處理系統(tǒng)，投資總額為50萬元，回灌量3.5萬m3，將產(chǎn)生10.5萬元的節(jié)水效益和20萬元的排污效益，投資回收期為1.64年。

Nasrollah Kalantari對伊朗西南省份Khuzestan省Baghmalek盆地構(gòu)建的三個地下水回灌進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，三個地下水回灌點(diǎn)的回灌水量為每年220萬m3，投資收益比為1:1.32，在研究中發(fā)現(xiàn)，回灌項(xiàng)目的主要收益來源于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的提高，這在Virat Chatdarong的研究中也得到了體現(xiàn)。

結(jié)語

再生水回灌體現(xiàn)了減量化、無害化、資源化的原則和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想，是擴(kuò)大污水回用最為有益的一種方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。再生水回灌后在農(nóng)業(yè)灌溉、間接飲用水補(bǔ)充和地表水補(bǔ)充的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)開展了多年，不過公眾對再生水的間接飲用補(bǔ)充始終有所質(zhì)疑，因此，對于再生水中的難降解化學(xué)物在回灌過程中的毒性以及降解路徑的研究將會是今后的研究重點(diǎn)。

[1]云桂春，皮運(yùn)正，胡俊.淺談再生污水地下回灌的健康危害風(fēng)險(xiǎn) [J].給水排水.2004.30（4）:7-10.

[2]張建龍，解建倉，汪妮.基于改進(jìn)蒙特卡羅方法的再生水回用健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(11):2353-2360.

[3]趙慶良，王麗娜，薛爽.再生水用于地下回灌過程中有機(jī)物的遷移和去除[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào).2007.18(7):1661-1664.

[4]薛爽，趙慶良，魏亮亮.土壤含水層處理對溶解性有機(jī)物及三鹵甲烷前體物的去除.科學(xué)通報(bào).2007.52（14）：1635-1642.

[5]楊建，成徐州，常江，甘一萍，趙璇.再生水地下回灌去除溶解性有機(jī)物的三維熒光光譜分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2010，50（9）:1421-1424.

[6]萬亮婷，劉愿英等.地下水人工回灌經(jīng)濟(jì)效益分析淺析[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào).2006.22(9):479-482.

[7]王詠梅，張愛，陳九志.桶裝水廠尾水回灌工程研究與分析[J].地下水.2010.32（6）:104-105.