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再生水灌溉

发布时间: 2019-01-31 来源: 水利所

王珍    李久生

中国水利水电科学研究院

2019.1.28

  再生水,是指污水或雨水经适当处理后,达到一定的水质标准,满足某种使用要求,可进行有益使用的水。从再生水的界定来看,其本身具备资源属性,在水资源极其匮乏的今天,我们理应充分发挥其价值,使其更好的为人类社会发展服务。但是,由于再生水源于城市雨污水系统,公众对使用再生水一直心存疑虑,也一定程度上限制了其广泛应用。本文将围绕公众最为关心的几个再生水灌溉方面的问题进行讨论,介绍相关知识及最新研究成果。

为什么要用再生水进行灌溉?

  灌溉农业是我国农业的支柱和粮食安全的保障。近年来我国的水资源量持续减少,但农业作为用水大户,占总用水量的比例一直维持在60%以上(中国水资源公报,2011~2017),现阶段对农业节水和高效用水的要求更加迫切。2012年FAO出版的38号水报告《Coping with water scarcity: An action framework for agriculture and food security》指出,在水资源日益紧缺的形势下,再生水可在农业灌溉中发挥更为重要的作用。再生水水源稳定、供给可靠,截至2016年,我国水务系统污水处理厂已达4700座,年污水处理总量485亿m3,是农业用水总量的12.8%(全国水利发展统计公报,2016),发展再生水灌溉将明显缓解我国水资源供需矛盾,对保障农业生产、实现灌溉农业的可持续发展具有重要的意义。

我国再生水灌溉水平如何?

  在世界范围内,城市污水回用已有数百年历史。但是,再生水的大量回用却是现代污水处理技术快速发展带来的结果。那么,在污水处理技术发展更早、处理水平更高的发达国家,再生水灌溉常见吗?带着这个问题,我们需要梳理一下再生水灌溉的发展历史及各国发展情况。据文献查证,再生水作为灌溉水源用于大面积农田灌溉始于20世纪初的美国加利福尼亚州,那时美国经济水平快速发展、人口剧增,导致本就缺水的加州地区水资源更为紧张。随着污水处理技术的发展,再生水水质得到了明显改善,加州政府于1918年制定了世界上第一个有关再生水灌溉的水质标准,用于规范再生水灌溉的健康发展。之后的数十年内,加州一直是美国再生水灌溉的引领者,本世纪初该地区农业和城市绿地灌溉再生水用量约占再生水回用总量的70%,为美国再生水灌溉技术发展水平居于世界前列发挥了重要作用。以色列是另一个再生水灌溉水平较高的代表国家。20世纪60年代,回用所有污水被以色列列为基本国策,截止1987年,以色列已实现100%生活污水和72%市政污水回用。现阶段,以色列近50%的再生水直接用于农田灌溉。与美国和以色列类似,在发达国家,污水处理技术好,处理程度高,再生水利用往往经过有关部门的科学指导,并在回用过程中重点考虑了公众健康和污水处理技术的匹配,因此再生水灌溉的接受程度和利用率普遍较高,如在欧洲南部相对缺水地区,超过45%的再生水被用于农业灌溉。

  与发达国家相比,我国再生水灌溉的快速发展较晚,大约始于本世纪初。但是,我国污水灌溉却也可以追溯至建国初期,至今也已有逾60年历史。1957年,建工部、农业部和卫生部共同将城市污水回用列入国家研究专项课题,并开始计划建设污水灌区。1957年至1972年,污水灌溉面积从17万亩增长到140万亩。当时,因灌溉面积较小,污水灌溉的环境效应并未得到重视。1972年,我国政府针对污水灌溉出台了“积极谨慎”的国家战略。之后,随着改革开发城市化进程的加速,污水灌溉用水量和灌溉面积呈现井喷式发展。数据显示,从1979年到1995年,我国污水灌溉面积从495万亩快速增加到5460万亩,16年间增长了10倍。在此期间,污水灌溉的负面效应在部分灌区逐渐显现,污水灌溉的安全性也开始引起人们注意,因此自1995年之后我国污水灌溉面积基本保持稳定,未出现明显变化。

  随着公众环保意识的提升,城市污水处理技术及程度在上世纪90年代末期快速提升。在2002年修订的《中华人民共和国水法》中,明确指出鼓励使用再生水,并要提高再生水利用率。在此背景下,城市污水处理率得到快速提升,使用原污水或初级处理污水进行灌溉逐渐被使用再生水替代。北京作为我国的首都,在再生水回用方面一直走在全国前列。据北京市统计年鉴数据,在1999年之前,城市污水处理能力和日处理量相对平稳。但是,从1999年到2014年,北京市污水处理能力从59万立方米/天增加到了425万立方米/天。2014年,污水处理率(污水处理量与污水排放量比值)达到86%,是1999年时的3.4倍。与此同时,再生水回用自2003年开始持续增加。从2003年到2014年期间,再生水回用率从38%增加到62%。据2014年统计数据显示,当年再生水回用量达到8.6亿立方米,其中44%用于灌溉京郊的约60万亩农田。

  据住建部发布的数据显示,自1991到2013年,我国城市污水处理率从15%增加到了89%,与之协同的是再生水回用量的快速增加。数据显示,2013年我国再生水回用量达到了35亿立方米。但是,我国再生水回用率平均水平仍呈现出较低水平,2006年到2013年再生水回用率仅从5%增加到了13%。再生水回用潜力仍然十分巨大。近期一项调查研究发现,我国再生水回用中灌溉、生态景观用水、市政杂用、工业和回灌地下水分别占到总用水量的29%、34%、12%、23%和2%。我国再生水回用中用于灌溉的比例与多数发达国家相比仍有差距。

再生水灌溉安全吗?

  因城市污水中含有部分化学物质和微生物,处理过的再生水中仍可能有所残留,进而对环境和人类健康造成风险,因此,再生水回用安全性一直是人们关注的热点。那么使用再生水进行灌溉安全吗?

  追本溯源,再生水灌溉是否安全首先在于所用再生水是否安全。按照处理工艺不同,再生水可以分类为一级再生水、二级再生水和三级再生水,分别对应于城市污水处理的一、二和三级处理。一级处理,主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质,属于二级处理的预处理,尚未达到排放或者回用标准;二级处理,主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(BOD和COD),去除率可达90%以上,处理后可达到排放标准;三级处理,进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。使用哪种水质、不同类别再生水的水质指标是关乎再生水灌溉安全的关键。

  为了规范使用再生水,许多国家都制定了相应标准规范以确保再生水使用的安全性。自1918年,美国加州政府颁布第一个再生水灌溉方面相关标准以来,再生水使用规范或标准随着经济社会发展水平和人们安全意识的提升不断改进。世界卫生组织在1989年颁布了再生水灌溉水质标准,将再生水中理化及生物指标(如电导率、钠吸附比、总可溶物(TDS)、生物需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、总大肠菌群数(TC)、粪大肠菌群数(FC)等)纳入再生水水质指标范畴,并在标准制定时考虑了处理措施、灌溉系统、灌溉作物,因其考虑因素全面,被世界各国广泛采纳。在此基础上,不少国家根据本国实际情况制定了与自身经济社会发展水平相匹配的标准。例如,在经济发展水平较高的美国,美国环保部就制定了更加严格的再生水灌溉水质标准。以粪大肠菌群FC为例,美国标准中规定再生水灌溉用于可生食类食物时,水中不允许含有粪大肠菌群FC(WHO标准中规定值为≤1000 CFU/100 ml)。而在部分发展中国家,受限于经济发展水平及再生水处理水平,往往会制定低于WHO标准的水质指标。我国在再生水灌溉大面积推广之初,于2007年颁布了第一部再生水灌溉水质标准《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》(GB 20922-2007),到2010年又颁布了《城市污水再生水利用 绿地灌溉水质》(GB/T 25499-2010)。总体来讲,我国再生水灌溉水质标准高于WHO标准,可以较好地保障未来我国再生水灌溉安全。但是,我国现行标准与美国环保部颁布标准仍有差距,例如我国再生水灌溉蔬菜作物中粪大肠菌群数含量上限为2000 CFU/100 ml,对于其他作物为4000 CFU/100 ml,远高于美国标准中的0和200 CFU/100 ml标准。未来,充分结合我国发展水平,完善现行的再生水灌溉水质标准仍是保证再生水安全灌溉的必要措施。

  尽管有相应的水质标准作为保障,我国民众对再生水灌溉的疑虑并未消除。2014年环保部公布的土壤环境普查结果显示,60%左右的污水灌区出现了不同程度的土壤污染,这进一步加剧了人们对再生水灌溉的担忧。但是,稍加分析我们即可发现,因为现阶段再生水灌区基本由原来的污灌区转型而来,大部分民众一直将“污水灌溉”和“再生水灌溉”混为一谈,把由长期污水灌溉引发的部分地区环境污染问题直接归咎于近年来的再生水灌溉上,这种误区在我国广泛存在。与此同时,再生水灌溉对土壤质量、作物生长、地下水及公众健康的影响一直以来都是国内外研究的热点。据不完全统计,超过80%的研究成果通过短期或长期试验发现再生水灌溉并未对生态环境和公众健康产生明显不利影响,而少量研究发现的再生水灌溉不利影响也大都与灌溉水质不符合使用标准有直接关系。相关方面研究在我国也已持续了近二十年,占绝对多数的积极研究结果有力证明了再生水灌溉的可行性。我们团队的最新研究结果也表明,现阶段京郊再生水灌区内近20年的再生水灌溉并未对土壤环境及作物品质产生不利影响,已有的部分区域土壤污染情况主要与灌区内数十年的污水灌溉历史相关。类似研究结果有助于减少公众对再生水灌溉的担忧,但是完全消除再生水灌溉方面的误区仍有待科技工作者及政府推广部门继续努力。

再生水如何灌溉才能更高效、更安全?

  再生水除具有水资源属性之外,其中蕴藏着丰富的氮、磷、钾和碳等营养元素。采用合理的水肥管理措施,可使其促进作物或绿地植物的生长;采用不合理的水肥管理措施,则可能加剧我国广泛存在的农业面源污染现状。为了能使再生水实现高效利用,我国研究者已针对不同作物、土壤条件进行了大量研究。我们团队的最新研究成果定量表征了再生水中养分的有效性,制定了再生水灌溉条件下的最佳水肥管理措施,为高效利用再生水提供了借鉴。

  除水肥管理措施以外,灌溉技术是决定再生水灌溉能否高效安全利用的另一重要因素。滴灌被认为是最适宜进行再生水灌溉的技术,与大水漫灌、畦灌、喷灌等其他灌溉方式相比,再生水滴灌的有利条件主要包括:1)水肥利用率高,降低了灌水定额,可减少再生水中有害物质在环境及作物系统中的累积;2)再生水随滴灌系统直接进入土壤,基本不会与作物和人体产生直接接触,降低了再生水灌溉暴露风险。尽管再生水滴灌条件下,系统堵塞情况较清水灌溉严重,但据我们团队最新研究表明,通过较低成本的加氯加酸处理+冲洗措施可有效保证再生水滴灌系统的长期运行安全。笔者认为,再生水滴灌技术是解决再生水灌溉潜在风险、降低民众担忧的一项重要举措。

结语

  我国的再生水灌溉发展迅速、潜力巨大。国家农业节水纲要(2012—2020年)明确提出要大力提倡合理利用雨洪资源、微咸水和再生水。当前,在我国大力建设资源节约型、环境友好型现代农业的形势下,再生水灌溉的发展必须在节约淡水资源的同时,满足增产增效、生态环保等综合效益的要求。为此,继续进行再生水灌溉理论与技术方面研究,为再生水灌溉标准的修订提供依据,制定科学合理的再生水灌溉安全高效运行管理模式,对于实现再生水灌溉的健康可持续发展具有重要的理论和现实意义。

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