再生水利用對土壤和地下水的影響研究綜述

王茜

摘要：由于處理工藝和運行成本的限制，再生水中仍殘留一定數量的污染物，長期使用必然會對受納區的土壤和地下水環境產生一定影響。通過文獻調研和數據統計，獲得了再生水受納區土壤和地下水中有機污染物、重金屬、營養物質、鹽度、pH值和微生物等的種類和濃度，并結合環境統計年報、土壤環境和地下水質量標準，分析和討論了再生水利用對受納區土壤和地下水環境的影響。結果表明，再生水多來自于生活污水，其受納區域介質中藥物及個人護理品污染和鹽度增加對土壤和地下水環境影響較大，再生水中其他污染物則影響不大。為了提高再生水利用安全性，應根據受納區的使用功能，制定出污染物監測方案、應急預案和管理措施。

關鍵詞：再生水；土壤；地下水；有機污染物；重金屬；營養物質；鹽度

中圖分類號：X508文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）04010410

Review about effects of reclaimed water usage on soil and groundwater

WANG Qian1，2，HUAN Huan3，WANG Hongrui1，ZHANG Botao1，2

（1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；2.Engineering Research Center of Groundwater Pollution Control and Remediation，Ministry of Education，Beijing 100875，China；3.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China）

Abstract：There are residual contaminants in the reclaimed water due to the limitations of wastewater treatment technology and operating costs.The quality of the soil and groundwater in the reclaimed water usage areas is bound to deteriorate in the long term.In this research，we collected the types and concentrations of contaminants in these areas through literature investigation and data statistics.We analyzed the effects of organic pollutants （polycyclic aromatic hydrocarbons，persistent organic pollutants，pharmaceuticals and personal care products （PPCPs） and endocrine disrupting chemicals），heavy metals，nutrients，salinity，pH，and microbes in reclaimed water on soil and groundwater environment.Since most reclaimed water is from domestic sewage，attention should be paid to the pollution of the PPCPs and salinity.We suggest adopting contaminant monitoring programs，emergency plans，and relevant management measures to ensure the safety of reclaimed water usage.

Key words：reclaimed water；soil；groundwater；organic contaminants；heavy metals；nutrients；salinity

我國人均水資源量僅有2 300 m3，不足世界平均水平的1/4，是水資源貧乏的國家之一[12]，再生水利用對緩解水資源短缺，實現水資源可持續發展有重要意義。再生水是指污水經過適當處理后，達到一定的水質指標，滿足某種使用要求，可以再次利用的水[3]。再生水的水質指標低于城市飲用水標準，但高于污染水允許排入地面水體的排放標準[4]。它的使用可減少清水的使用量，進而有效解決水資源短缺問題，減少水資源的浪費。再生水已在世界各國得到了廣泛利用，主要包括農林利用、城市雜用、景觀娛樂利用、工業回用以及河道和地下水補給等[5]。

隨著社會經濟及城市化進程快速發展，我國城市生活污水排放量日益增加，我國城鎮生活污水由2000年的2210億t增加到2015年的5352億t[2]。美國、日本、澳大利亞等國家某些地區也面臨水資源短缺，地下水超采等問題，再生水利用對緩解世界各國水資源短缺，實現水資源可持續發展有重要意義。2016年，全國年再生水利用量為5402億m3。其中，用于景觀環境用水3295億m3，占610%；工業用水1495億m3，占276%；城市非飲用水323億m3，占60%；農林牧業用水248億m3，占46%；地下水補充用水041億m3，占08%[6]。目前，全國共有21個省級行政區出臺了再生水利用的相關法規政策，例如：北京市出臺了《北京市節約用水辦法》、《關于進一步加強污水處理和再生水利用工作的意見》和《加快污水處理和再生水利用設施建設三年行動方案（2013—2015年）》等管理政策。同時，再生水利用相關技術標準不斷完善，2002年以來陸續頒布了一系列再生水利用標準，如《再生水水質標準》、《城市污水再生利用分類》、《城市污水再生利用農田灌溉用水水質》等。

同未經處理或簡單處理的污水相比，再生水水質大幅度提高，但是由于成本和工藝限制，再生水中仍然存在一定量的有機污染物、重金屬、營養物質、鹽離子和微生物，其水質特征還與再生水的來源、管網材質以及運輸條件等因素有關。再生水的長期使用，可能會對受納的土壤和地下水環境產生一定影響，造成相應的生態環境風險。根據前期文獻調研可知，雖然研究再生水對土壤或地下水影響的文章比較多，但是這些文章的關注點都只集中于單一介質（土壤或地下水）或者集中于再生水中某類污染物研究，缺乏再生水中所有主要污染物在土壤和地下水的檢出分析以及對土壤和地下水影響的研究，因此對再生水的利用及管理缺乏基礎數據資料和理論依據。

本文通過文獻調研和數據統計，獲得了再生水受納區有機污染物（包括多環芳烴、持久性有機污染物、藥物及個人護理品、內分泌干擾物）、重金屬、營養物質、鹽度、pH值和微生物等的種類和濃度，對再生水受納區土壤和地下水檢出濃度進行了分析，并結合環境統計年報、土壤環境和地下水質量標準，分析和討論了再生水對受納區土壤和地下水環境的影響。

[BT（2+1]1再生水中有機污染物對土壤和地下水的影響

通過對該部分的文獻調研，再生水中有機污染物主要通過農業灌溉和城市雜用等利用方式進入土壤和地下水，再生水利用時間為短期利用（1～3個月）與長期利用（4～9年）相結合，對再生水受納區有機污染物數據統計和分析[738]，分別得到了這些區域的土壤（圖1）和地下水（圖2）中有機污染物濃度的最大值和平均值。從圖1和2可以看出，多環芳烴（圖1中A1-A8，圖2 中a1-a6）、持久性有機污染物（圖1中B1-B4，圖2中b1-b4）、藥物及個人護理品（圖1中C1-C17，圖2中c1-c14）和內分泌干擾物（圖1中D1-D6，圖2中d1-d6）四類有機污染物在土壤和地下水中均有檢出，土壤濃度平均值范圍為075 ng/kg～332 μg/kg，最大值范圍為150 ng/kg～399 μg/kg；地下水濃度平均值范圍為003 ng/L～256 ng/L，最大值范圍為008 ng/L～563 ng/L。土壤中有機污染物的檢出濃度多數高于地下水中的濃度，且藥物及個人護理品和內分泌干擾物在土壤和地下水中檢出濃度和頻率較高。

1.1再生水中多環芳烴對受納區土壤和地下水的影響

多環芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是分子中含有兩個以上苯環的碳氫化合物，它主要來源于人類活動，尤其是化石燃料的不完全燃燒[8]。由圖1中A1-A8的PAHs濃度數據可以看出，低環PAHs（2-3環）在土壤中的平均濃度在075 ng/kg～4012 μg/kg范圍內。檢出濃度最大的多環芳烴是萘（399 μg/kg），這是因為該研究區萘在土壤中的含量隨季節的差異性變化很大，數據的采集時間是在濃度最高的8月份[7]。雖然多環芳烴在整個土層都有檢出，但是表層土壤中檢出濃度較高，這是由于PAHs是非極性化合物，有較強的疏水性，在遷移過程中更傾向于吸附在固體介質上[8]。對比地下水不同環數的PAHs濃度可以看出，總體上地下水中低環PAHs（2-3環，a1-a4）的濃度高于高環PAHs（4-5環，a5-a6），這是因為Kow（a1，195×103）

1.2再生水中持久性有機污染物對受納區土壤和地下水的影響

持久性有機污染物（Persistent Organic Pollutants，POPs）是指通過各種環境介質能夠長距離遷移并能在環境中長時間存留，進而對人類健康和環境產生嚴重危害的天然和人工合成的有機污染物[9]。圖1中B1-B4為土壤中檢出的四種主要POPs，檢出濃度都很低，平均值范圍為078 μg/kg～281 μg/kg，最大值范圍為113 μg/kg～600 μg/kg，且主要在表層土壤中檢出，這是因為POPs大多為疏水性物質，更容易被土壤中的腐殖質及有機質吸附。圖2中b1-b4為地下水中檢出的四種主要POPs，七氯的平均值和最大值比較高，分別為2809 ng/L和15745 ng/L，其余POPs濃度較低，平均值和最大值范圍分別為118 ng/L～623 ng/L和225 ng/L～1290 ng/L，這是因為該數據所在的點位七氯本底濃度較高，加上七氯的Kow（26×104）較小，所以七氯容易從土壤遷移到地下水中[10]。

1.3再生水中藥物及個人護理品對受納區土壤和地下水的影響

藥物及個人護理品（Pharmaceutical and Personal Care Products，PPCPs），是指為了個人健康和化妝原因以及提高家畜生長和健康而使用的各種化學產品，包括各種抗生素、激素、藥和香料等[11]。如圖1和2所示，PPCPs在再生水受納區土壤的濃度平均值在068 μg/kg～31850 μg/kg之間，最大值達332 μg/kg；在地下水中的濃度平均值在027 ng/L～256 ng/L之間，最大值達505 ng/L。由于生活污水排放量在逐年增加（圖3），因此再生水多數來源于生活污水，而且常規的污水處理工藝一般使用生物法，不能有效去除該類污染物，特別是具有殺菌作用的抗生素和消炎藥，所以再生水利用后土壤和地下水中抗生素和消炎藥的檢出頻率和濃度是最高的。由于PPCPs大多是親水性物質，在持續利用的條件下，親水性的化合物會隨著下滲水流從土壤遷移至地下水中。

1.4再生水中內分泌干擾物對受納區土壤和地下水的影響

內分泌干擾物（Endocrine Disrupting Chemicals，EDCs）是指環境中存在的能干擾人類或動物內分泌系統諸環節并導致異常效應的物質[1213]。圖1中D1-D6和圖2中d1-d6分別為再生水受納區土壤和地下水中檢出的主要EDCs。土壤中雌酮和壬基酚的平均濃度相對較高，分別為13590 μg/kg和5620 μg/kg，這和研究地區大量使用該類化合物密切相關。其他3種EDCs在土壤中的濃度相對較低，在270 μg/kg～1041 μg/kg之間。地下水中也檢出了較高濃度的壬基酚，平均濃度為16300 ng/L，這是由于淋濾和下滲作用，土壤中的壬基酚順著土壤剖面進入地下水[19]。

2再生水中重金屬對土壤和地下水的影響

通過對該部分的文獻調研，再生水相關研究利用方式主要為農業灌溉，利用時間也是短期利用與長期利用相結合，通過對不同再生水利用區土壤和地下水中重金屬濃度的統計分析，結果表明，Pb、Cd、Cr、Hg、As、Cu、Zn、Ni這八種重金屬在土壤和地下水中均有檢出[3964]。土壤中八種重金屬濃度平均值范圍為018 mg/kg～10790 mg/kg，最大值范圍為050 mg/kg～4035 mg/kg；地下水中平均值范圍為002 μg/L～3961 μg/L，最大值范圍為016 μg/L～140 μg/L。圖4中八種重金屬在土壤中的平均濃度均符合土壤環境質量標準（GB 15618-1995）[65]二級標準，而Cd、Cr、Hg、Cu、Zn、Ni的最大濃度符合三級標準，Zn的最大值濃度比較高，這是因為Zn在該地本底值較高所導致[39]。

地下水中八種重金屬均有檢出，濃度平均值范圍為002 μg/L～3961 μg/L（圖5）。這是因為再生水利用輸入土壤的重金屬離子可順著土壤剖面遷移至地下水，根據新修訂的地下水質量標準（GB/T 14848-2017）[66]，Hg、As、Ni檢出濃度的平均值均略超II類水標準，符合III類水標準，而As和Ni的最大檢出濃度均超過III類水標準，與當地本底值較高和人為活動有關[40，53]。

近年來，生活污水排放量逐漸增加（圖3），再生水多數來源于生活污水，而生活污水中重金屬的含量相對較小，再生水的利用對土壤和地下水重金屬濃度改變影響較小。

[BT（2+1]3再生水中其他物質或性質對土壤和地下水的影響

3.1再生水中營養物質對土壤和地下水的影響

營養物質與重金屬和有機污染物不同，當營養物質濃度低時為植物所需營養元素，但當超過植物所需，則會造成植物營養元素失衡，且多余的營養物質會殘留在土壤中，對土壤和地下水造成污染。

喬麗對北京大興區北野場灌區再生水灌溉進行了研究，發現再生水灌區土壤中的N、P營養物質比其他灌區含量高，N元素主要在表層20 cm處有明顯累積，P元素只在土壤表面稍有累積，土壤肥力相應升高[67]。還有研究者發現，再生水中低濃度的磷不會對土壤產生負面影響，但長時間施用含有磷的再生水會使磷累積在土壤表面，隨徑流進入地表水，促進富營養化[68]。Xu等人研究表明再生水灌溉可導致P含量提高，但短期內影響不顯著[69]。劉昆鵬對再生水灌溉區的研究表明，與背景值相比，再生水灌溉土壤中NH+4N含量變化不顯著，NO-3N含量和NO-2N含量增加[70]。

當土壤中的硝態氮濃度超過植物需求時，會滲入地下介質中[71]，而且細菌可將土壤中的NH+4N轉化為NO-3N，它們順著土壤剖面下滲會導致地下水NO-3N含量超標[72]。尹世洋等人的研究表明，北京地區再生水受納區地下水含水層硝酸鹽氮濃度的最小值為008 mg/L，最大值為117 mg/L，空間變異性較大，但總體污染較小[72]。由于P主要結合在土壤表面，遷移能力較弱，因此地下水中幾乎沒有P的累積。

3.2再生水鹽度對土壤和地下水的影響

再生水中一部分鹽離子可被植物或者土壤微生物吸收利用，多余的鹽分則會在土壤中累積，對土壤和地下水造成一定的影響。同時由于蒸發率、浸出率、土壤類型等因素的不同，鹽分累積對土壤和地下水的影響程度也不同。

Chen等人對北京7個園區不同的再生水灌溉歷史進行了現場研究，分析了20個土壤屬性，結果表明在再生水灌溉下觀察到鹽度的積累，再生水灌溉下兩個表層的平均電導率增加了約20%；平均鈉吸附比在0～10 cm層顯著上升40%，10～20 cm層增加70%，同時觀察到總硼含量稍有增加[73]。Qian等對美國西部10個高爾夫球場使用再生水和清水分別灌溉時，檢測出再生水灌溉下的土壤電導率比清水灌溉下高出187%，鈉吸附比也高出481%，4～5年使用再生水灌溉之后土壤Na含量增加89%到95%[74]。這是因為再生水與常規水相比，一般含有較高濃度的鹽離子，主要是Na+和Cl，而傳統的廢污水處理技術不能去除鹽分[75]。再生水鹽分對土壤的影響主要表現在對植物生長和對土壤結構的影響。有研究表明再生水利用后，植物根系中高濃度的鹽會導致土壤—水溶液的滲透勢能降低，延緩植物的吸水率，從而影響植物產量[76]。另外，生活污水含硼洗滌劑和清潔劑的使用會導致受納區土壤中硼濃度增加[73]。

再生水利用對地下水的影響大小與地下水滲流區結構有關。Shang等人在北京市大興區和通州再生水受納區觀察到了地下水的高電導率，說明地下水鹽度有相應累積，且由于滲流區結構的不同，通州地下水污染風險比大興區高[77]。William等人研究約旦再生水利用區發現，由于水分蒸發較大而導致土壤鹽分累積，加上入滲作用，地下水含水層也觀察到了鹽分累積[78]。吳文勇等人的研究也表明，再生水經包氣帶入滲后，鹽分含量增加[79]，這是因為過量Na+會與土壤中的Ca2+和Mg2+發生置換反應，繼續通過下滲、淋濾等作用進入地下水，導致地下水出現鹽化問題。

3.3再生水pH值對土壤和地下水影響

pH值是反應土壤和地下水酸堿性的指標，土壤pH值發生變化會影響植物營養元素的可用性。研究發現，再生水灌溉后的綠地土壤樣品pH值稍有降低，但是由于土壤的緩沖作用，再生水對土壤pH值影響較小[8081]。對城市綠化草坪再生水灌溉區的地下水pH值檢測發現，相比于自來水灌溉，再生水灌溉導致地下水的pH值略有降低，降低程度極小，可忽略不計[82]。因此，再生水對土壤和地下水的pH值影響不大。但是，再生水中的污染物協同作用對土壤和地下水pH值的影響不可忽視，例如NO3N氧化、有機物降解、金屬離子價態變化等。

3.4再生水中微生物對土壤和地下水影響

再生水中殘留的微生物，一方面可以為土壤提供一定的有益菌，另一方面，也可以向土壤和地下水引入潛在的病原微生物。Candela等人對再生水利用區土壤中大腸桿菌群和好氧細菌進行了檢測，發現短期內可在表層土壤中發現大腸桿菌，但長期檢測其已失去活性[83]。Aiello等人研究發現再生水受納區土壤表面大腸桿菌和糞便鏈球菌含量增加，有一些遷移性較強的病原微生物會從土壤遷移至地下水，對飲用水安全造成威脅[84]。Birks檢測出了某再生水廠中現場鉆孔的地下水中含有軍團菌[85]。在Levantesi等的研究中，再生水受納區地下水僅檢出幾種微生物，但數量很少[86]。因此，再生水利用對土壤和地下水病源微生物的影響較小，可以通過改變污水處理廠的處理工藝和技術，提高出水水質，來相應降低再生水利用中微生物對土壤和地下水的影響。

4結語

由于再生水主要來自于城市生活污水，藥物和個人護理品在土壤和地下水中檢出濃度和頻率較大，同時再生水會使土壤和地下水鹽度增加，這是再生水對土壤和地下水環境的主要影響因素。再生水中重金屬、營養物質、pH和微生物對受納土壤和地下水環境影響相對較小。

再生水對于緩解水資源短缺有重要作用，特別是我國北方嚴重缺水地區。再生水利用過程中需注意以下兩個方面：首先，應對再生水受納區進行長期監測，制定相應的保護政策和應急預案；其次，應根據受納區土壤和地下水的使用功能選擇再生水使用方式或者提高再生水水質，盡量減少不利影響。

目前，多數研究的關注點多集中于單一介質（土壤或地下水）或集中于某類污染物質研究，研究的周期也比較短，再生水對受納區域多種介質中的多種污染物長期復合分析研究，將對再生水的利用及管理提升具有重要意義。

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