蹇興超，云桂春
（清華大學(xué) 核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院601室，北京 100084）

　　摘　要：人工地下水回灌是城市污水再生回用的一個(gè)重要發(fā)展方向。本文參考發(fā)達(dá)國(guó)家人工地下水回灌的工程經(jīng)驗(yàn)和水質(zhì)要求，提出了適合我國(guó)國(guó)情的利用城市污水處理廠二級(jí)出水，以地表滲濾方式進(jìn)行人工地下水回灌的水質(zhì)要求。

1 人工地下水回灌是城市污水再生回用的一個(gè)重要發(fā)展方向

　　水資源短缺促使污水回用成為必然。污水回用可分為“管對(duì)管(pipe to pipe)”式短循環(huán)和人工地下水回灌(artificial groundwater recharge)長(zhǎng)循環(huán)兩種。短循環(huán)是以工農(nóng)業(yè)回用和中水回用為主，污水處理后在本系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)，或在局部范圍內(nèi)回用，如冷卻水的回用等。這種污水回用方式對(duì)水質(zhì)要求相對(duì)較低，周期短，能收到立竿見(jiàn)影的效果，所以，推廣后受到普遍歡迎。長(zhǎng)循環(huán)是將經(jīng)過(guò)二級(jí)處理的污水再經(jīng)深度處理(advanced treatment)后采用地表漫流、滲濾或者直接注入的方式回灌到地下含水層，然后同地下水一起作為新水源而被開(kāi)發(fā)利用(參見(jiàn)圖1)。這種污水回用方式的循環(huán)周期較長(zhǎng)，但可以提供高質(zhì)量的回用水乃至飲用水，是城市污水回用的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工地下水回灌緩解了污水回用的心理障礙，提供了一種季節(jié)性或長(zhǎng)期的地下儲(chǔ)存可能性，以解決供水和需求之間的矛盾。還能減少或防止地下水位下降，控制或防止地面沉降及預(yù)防地震，加快被污染地下水的稀釋和凈化過(guò)程。地下水回灌減少了建造地表存儲(chǔ)設(shè)施的必要性和地表水庫(kù)的其它問(wèn)題如蒸發(fā)損失、藻類(lèi)的生長(zhǎng)影響水質(zhì)以及二次污染等。采用地下存儲(chǔ)的費(fèi)用至少比常規(guī)的地表水庫(kù)便宜50%(在許多情況下，可節(jié)省90%以上的費(fèi)用)。

　　1972年開(kāi)始運(yùn)行的美國(guó)加州21世紀(jì)水廠將污水處理廠出水經(jīng)深度處理后回灌入含水層以阻止海水入侵。目前，該工程來(lái)自地表水和21世紀(jì)水廠的再生水的總回灌水量超過(guò)1.7×10⁵ m³/d。在對(duì)該廠長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月的監(jiān)測(cè)中，100種優(yōu)先控制的重點(diǎn)污染物中，只有25種經(jīng)常被檢出，且其濃度遠(yuǎn)低于美國(guó)飲用水標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的濃度限值。1991年加州200多個(gè)污水再生廠共生產(chǎn)了約3.3×10⁸m³再生水，其中約14%被回灌到地下水，到1995年，該比例已經(jīng)增加到27%，并成為污水回用的主要方向。從1956年起，人工地下水回灌就成為以色列國(guó)家供水系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。目前，其回灌水量超過(guò)8×10⁷m³/a。對(duì)重新抽取出來(lái)的再生水同世界衛(wèi)生組織(WHO)和以色列飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)比較，在以有毒物質(zhì)為主的17項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)中，除酚含量略有超標(biāo)外，再生水的所有指標(biāo)均不超過(guò)飲用水的濃度限制值。
　　我國(guó)山東省即墨市的田橫島將生活污水處理后回灌入地下，經(jīng)土壤含水層處理后作為飲用水源，其各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均符合我國(guó)飲用水標(biāo)準(zhǔn)，解決了島上水資源嚴(yán)重不足的問(wèn)題，大大促進(jìn)了該島的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在華北與西北地區(qū)，由于缺乏地表水，地下水成為這些地區(qū)的主要水源。用水量的增加又使得超采地下水成為缺水地區(qū)目前解決水資源短缺問(wèn)題的一個(gè)主要手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京市1961到1993年間累計(jì)超采地下水40多億立方米，形成了1000多平方公里的下降漏斗，漏斗區(qū)平均水位下降4米多，中心水位下降20～30米，嚴(yán)重地區(qū)達(dá)40米。超采地下水破壞了地下水的補(bǔ)排平衡，導(dǎo)致地下水下降，出現(xiàn)地面沉降。據(jù)1998年水利公報(bào)報(bào)導(dǎo)，北京市中心漏斗區(qū)地面沉降達(dá)0.6米。城市污水深度處理后回灌地下水，不僅能緩解水資源短缺，還能增加地下水的存儲(chǔ)量，扭轉(zhuǎn)地下水位逐年下降的局面，防止地面沉降，具有非常明顯的社會(huì)效益。

2 人工地下水回灌的水質(zhì)要求

2.1 人工地下水回灌水質(zhì)要求的一般原則
　　來(lái)自污水處理廠的經(jīng)深度處理后合格的再生水向地下水回灌時(shí)，對(duì)水質(zhì)的要求隨當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件、回灌方式、重新抽取出來(lái)的地下水的用途不同而不同，一般應(yīng)滿足：(1)回灌水的水質(zhì)應(yīng)比被補(bǔ)給的含水層的水質(zhì)好；(2)不應(yīng)含腐蝕性氣體、離子及微生物，懸浮物的含量應(yīng)低于20 mg/L；(3)水溫最佳為20~25℃；(4)pH最好在6.5~7.5。在眾多的水質(zhì)因素中，回灌水引入含水層的有毒有機(jī)物及其遷移轉(zhuǎn)化途徑和各種不同來(lái)源的有機(jī)物低劑量、長(zhǎng)時(shí)間聯(lián)合作用于人體，其對(duì)人體的遠(yuǎn)期危害，尤其是致癌效應(yīng)，是人們十分關(guān)注的問(wèn)題。
　　對(duì)于污水中存在的種類(lèi)廣泛的有機(jī)物，由于缺乏一種可靠的探測(cè)某種有機(jī)物是否存在并確定其濃度的技術(shù)手段，目前唯一可行的方法是采用某些代用參數(shù)，如TOC和AOX(可吸附有機(jī)鹵化物)。只用集體參數(shù)來(lái)度量有機(jī)污染物的總濃度是不夠的，例如TOC和COD描述的是有機(jī)物的屬性，代表眾多的有機(jī)物，其生態(tài)意義在很大范圍內(nèi)擺動(dòng)，只有BOD₅直接與生態(tài)相關(guān)。因此，檢測(cè)某些毒性化合物(如有機(jī)鹵化物)的類(lèi)型與濃度尤為重要，只有將表征有機(jī)物總量的集體參數(shù)與某些表征威脅性有機(jī)物的專(zhuān)項(xiàng)分析結(jié)合使用才能全面地反映水質(zhì)狀況。雖然TOC和AOX值低于一定濃度并不能保證水中有毒有害物質(zhì)的濃度一定很低，但是幾乎每一種降低TOC和AOX的處理過(guò)程都能降低具有潛在毒性有機(jī)物的濃度。根據(jù)21世紀(jì)水廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，TOC可以作為痕量有機(jī)物的一個(gè)代用監(jiān)測(cè)指標(biāo)。
　　盡管用再生水中的有機(jī)物做的一些試驗(yàn)表明，它們對(duì)動(dòng)物并沒(méi)有毒害作用，但是因?yàn)槿藗儗?duì)合成有機(jī)物的了解要遠(yuǎn)少于對(duì)傳統(tǒng)供水中有機(jī)物的了解，所以，其濃度應(yīng)盡量降低，但是對(duì)每一種有機(jī)物建立其健康標(biāo)準(zhǔn)，并分別檢驗(yàn)其在再生水中的濃度否低于最高限值是不可行的，因此一般要求TOC應(yīng)盡可能低。當(dāng)TOC值低于一定值時(shí)，可以不需要專(zhuān)門(mén)的毒性檢測(cè)。而當(dāng)TOC值較高時(shí)，為了公眾的健康，需要較頻繁的監(jiān)測(cè)其毒性。然而到底TOC值該定為多少，卻無(wú)法給出一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)定。其中一個(gè)重要原因是污水處理廠出水的有機(jī)物濃度受飲用水的有機(jī)物濃度影響很大。Drewes對(duì)美國(guó)亞利桑納州Mesa市飲用水和該市污水處理廠出水的研究發(fā)現(xiàn)，飲用水中的DOC和污水處理廠出水的DOC具有非常明顯的相關(guān)性。Mesa市的污水處理廠三級(jí)出水中的難降解有機(jī)物約有50%是來(lái)自于飲用水。在飲用水的使用和污水處理廠的處理中，又產(chǎn)生了大約1mg/L的難降解有機(jī)物。由于污水處理廠三級(jí)出水中來(lái)自飲用水的DOC一般很難被生物降解，將深度處理后的三級(jí)出水進(jìn)行地下水回灌時(shí)，將會(huì)增加含水層的DOC。Drewes的試驗(yàn)還指出，污水處理廠出水經(jīng)土壤含水層處理后，水中的難降解有機(jī)物主要是沒(méi)有毒性的腐殖質(zhì)，因此雖然回灌會(huì)增加含水層的有機(jī)物濃度，但是這些新增加的有機(jī)物是非毒性的。
2.2 發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)回灌水的水質(zhì)要求
　　目前一些州政府發(fā)布了一些污水回用的標(biāo)準(zhǔn)但是美國(guó)至今尚無(wú)一個(gè)統(tǒng)一的地下水回灌的標(biāo)準(zhǔn)。1992年，美國(guó)國(guó)家環(huán)保局提出了污水非飲用回用的建議性指南，包括了對(duì)地下水回灌的水質(zhì)和處理工藝要求。對(duì)于以地表滲濾的方式進(jìn)行的地下水回灌，要求污水必須經(jīng)二級(jí)處理和消毒，可根據(jù)需要選擇是否要進(jìn)行深度處理。回灌水經(jīng)過(guò)包氣帶滲濾后，必須滿足飲用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，并且不能檢出病原菌。地下水位以上的包氣帶至少應(yīng)有2m厚。取水井距離回灌點(diǎn)至少應(yīng)有600m的距離。抽取回用前，回灌水應(yīng)在地下至少停留1年。
　　美國(guó)加州在1978年就提出了地下水回灌的標(biāo)準(zhǔn)草案，它包括了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、處理工藝要求、操作要求、處理可靠性要求等。制訂該標(biāo)準(zhǔn)草案的主要目的在于控制有機(jī)物進(jìn)入作為飲用水源的地下含水層，并認(rèn)為回灌地下水的水質(zhì)不必達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)認(rèn)識(shí)到回灌水在地下停留對(duì)水質(zhì)的改善。該標(biāo)準(zhǔn)建議的處理要求是將污水處理廠的二級(jí)出水經(jīng)過(guò)濾、去除有機(jī)物、消毒和活性炭床吸附(接觸時(shí)間不應(yīng)少于30min)處理，在重新抽取出來(lái)以前，必須在地下停留6個(gè)月以上，這是為了保證進(jìn)一步殺滅和去除腸道病菌。地下水位以上的包氣帶至少應(yīng)有3 m厚。抽水點(diǎn)離回灌點(diǎn)的水平距離至少為150m。當(dāng)抽取的水中回灌水超過(guò)20%時(shí)，要求在抽水點(diǎn)TOC<1 mg/L，而在回灌點(diǎn)，要求TOC<3.0mg/L，COD<5mg/L，NO₃^-<45mg/L，TN<10mg/L。在回灌之前，水中的大腸桿菌數(shù)最好降低到2.2個(gè)/100mL以下。要求每天檢測(cè)COD和TOC，每季檢測(cè)的項(xiàng)目包括：苯和四氯化碳等。該草案不斷修訂，最新的版本是1993年的，其要求是更加針對(duì)每項(xiàng)地下水回灌工程的具體情況，但是都要求保證從接收回灌水的含水層抽取的水符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)，而且對(duì)采用注入井回灌的回灌水的TOC要求比經(jīng)地表滲濾回灌入含水層的嚴(yán)格，因?yàn)橐呀?jīng)證明后者能使有機(jī)物在地下非飽和區(qū)和飽和區(qū)發(fā)生進(jìn)一步的降解。要求回用水的總氮濃度低于10mg/L。除非能證明在滲濾過(guò)程中，有足夠的氮被去除從而可以使水中總氮濃度小于10mg/L，否則必須先行除氮。同時(shí)，抽取出的水中，最多可以有1mg/L的TOC來(lái)自于回灌水。即當(dāng)回灌水的TOC是5mg/L時(shí)，抽取的水中可有20%來(lái)自回灌水。如果回灌水的TOC是2mg/L，則抽取的水中可有50%是回灌水。
　　為了保證在地表滲濾系統(tǒng)中去除病原菌和痕量的有機(jī)物，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了滲濾速度和地下水厚度。標(biāo)準(zhǔn)傾向于通過(guò)非飽和帶以發(fā)展好氧生物處理過(guò)程來(lái)降解有機(jī)物和除去病原菌。其中非飽和帶的厚度根據(jù)不同地方的特點(diǎn)而變化，最小要求為3m到50m。研究發(fā)現(xiàn)，如果土壤要想發(fā)揮這些作用，那么初始的滲濾速度應(yīng)小于0.8cm/min。如果該值小于0.5cm/min，將會(huì)帶來(lái)額外的凈化效果從而可以減少再生水在土壤含水層中的流動(dòng)距離。
　　加州21世紀(jì)水廠制訂的回灌水標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)無(wú)機(jī)離子的要求見(jiàn)表1。

表1 美國(guó)加州21世紀(jì)水廠對(duì)回灌水中無(wú)機(jī)離子的要求(單位mg/L)

氨氮

Cl

F

Na

SO₄

As

Ba

Cd

Cr

Cu

Fe

Pb

Mn

Hg

Se

Ag

1

120

0.8

110

125

0.05

1

0.01

0.05

1

0.3

0.05

0.05

0.005

0.01

0.05

　　美國(guó)加州的標(biāo)準(zhǔn)被權(quán)威人士認(rèn)為對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家是必須而且合適的。美國(guó)其他州的標(biāo)準(zhǔn)有些比加州的更嚴(yán)格，有些不如加州的嚴(yán)格。佛羅里達(dá)州的規(guī)定是當(dāng)回灌采用地表滲濾時(shí)，水質(zhì)要求較低，因?yàn)榛毓嗨诮?jīng)過(guò)土壤含水層時(shí)可發(fā)生進(jìn)一步的凈化。但是從不同的研究者得到的有關(guān)土壤含水層處理去除有機(jī)物的效率很不同，這可能主要是因?yàn)轱嬘盟膩?lái)源不同(是地下水還是地表水)、污水中的成分差異(生活污水和工業(yè)污水的比例)和污水處理方法的差異引起的。不同的污水處理技術(shù)會(huì)影響污水處理廠的出水水質(zhì)，并進(jìn)而會(huì)影響后續(xù)土壤含水層處理的效果。當(dāng)采用井灌時(shí)，水質(zhì)要求較高，至少應(yīng)達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，而且應(yīng)采用活性炭吸附以除去有機(jī)物，其平均TOC和TOX濃度應(yīng)分別低于5mg/L和0.2mg/L，而且至少要進(jìn)行2年的試運(yùn)行。亞利桑納州規(guī)定任何地下水回灌工程必須同時(shí)得到該州環(huán)境質(zhì)量部和水資源部的允許，而且應(yīng)證明回灌不會(huì)導(dǎo)致地下水水質(zhì)的波動(dòng)。如果含水層的水質(zhì)已經(jīng)在波動(dòng)，應(yīng)能證明回灌不會(huì)使水質(zhì)進(jìn)一步惡化。由于該州所有的含水層都被用作飲用水源，因此所有的回灌水都必須處理到符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
　　德國(guó)目前還沒(méi)有人工地下水回灌的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，一般要求回灌水應(yīng)優(yōu)于當(dāng)?shù)氐牡叵滤|(zhì)。在柏林地區(qū)，要求污水處理廠三級(jí)處理出水再經(jīng)深度處理和土壤含水層處理后，最終同地下水混合的水的DOC應(yīng)小于3mg/L，AOX應(yīng)小于30mg/L。
2.3 建議的我國(guó)人工地下水回灌的水質(zhì)要求
　　綜上所述，可以看到回灌水的水質(zhì)，原則上講只要優(yōu)于或相當(dāng)于回灌點(diǎn)的地下水水質(zhì)即可。參考上述國(guó)外人工地下水回灌的標(biāo)準(zhǔn)和工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，提出并建議的我國(guó)地下水回灌的水質(zhì)要求是：
　　城市污水處理廠二級(jí)出水，當(dāng)采用地表滲濾的方式進(jìn)行人工地下水回灌時(shí)，經(jīng)深度處理和土壤含水層處理后，水質(zhì)至少應(yīng)達(dá)到表2中提出的要求。有關(guān)說(shuō)明如下：
　　1. 地下含水層常作為飲用水源，回灌的再生水經(jīng)土壤含水層處理后，水質(zhì)應(yīng)滿足飲用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。所以回灌水應(yīng)滿足目前的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
　　2. 回灌水中有機(jī)物的濃度應(yīng)盡可能低，但是由于污水處理廠出水中的有機(jī)物有相當(dāng)一部分是來(lái)自于飲用水中的沒(méi)有毒性的天然有機(jī)物，不同城市的飲用水來(lái)源不同，其有機(jī)物濃度TOC值差別也較大，很難確定回灌水的TOC應(yīng)低于何值。我國(guó)目前的飲用水標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)TOC沒(méi)有明確的限制值。美國(guó)加州要求回灌水的TOC小于3mg/L，佛羅里達(dá)州則要求TOC小于5mg/L，德國(guó)柏林要求DOC小于3mg/L。由于經(jīng)包氣帶滲濾和土壤含水層處理后，水中的有機(jī)物基本都是溶解性的，所以本研究提出經(jīng)土壤含水層處理后，DOC應(yīng)小于3mg/L。
　　3. AOX的濃度要求主要依據(jù)德國(guó)柏林的水質(zhì)要求提出。
　　4. 無(wú)機(jī)離子濃度的要求主要根據(jù)美國(guó)加州和21世紀(jì)水廠的標(biāo)準(zhǔn)提出。
　　5. 該推薦的水質(zhì)要求和我國(guó)現(xiàn)行的飲用水標(biāo)準(zhǔn)基本相當(dāng)，經(jīng)過(guò)選擇適當(dāng)?shù)纳疃忍幚砉に囀强梢赃_(dá)到的。回灌水如能滿足該要求，預(yù)計(jì)其將不會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。

表2 建議的人工地下水回灌的水質(zhì)要求(單位mg/L)

DOC

AOX

氨氮

NO₃^-

Cl

F

Na

SO₄

As

Ba

Cd

Cr

Cu

Fe

Pb

Mn

Hg

Se

Ag

3

0.03

1

45

120

0.8

110

125

0.05

1

0.01

0.05

1

0.3

0.05

0.05

0.005

0.01

0.05

3 小結(jié)

　　本文參考發(fā)達(dá)國(guó)家30年來(lái)人工地下水回灌的工程經(jīng)驗(yàn)和水質(zhì)要求，提出了適合我國(guó)國(guó)情的利用城市污水處理廠二級(jí)出水，以地表滲濾方式進(jìn)行人工地下水回灌的水質(zhì)要求，這個(gè)要求和發(fā)達(dá)國(guó)家的水質(zhì)要求基本相當(dāng)，經(jīng)過(guò)努力是能夠達(dá)到的。回灌水如能滿足該要求，預(yù)計(jì)回灌水將不會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。

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