蹇興超，云桂春
（清華大學 核能技術設計研究院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重要發展方向。本文參考發達國家人工地下水回灌的工程經驗和水質要求，提出了適合我國國情的利用城市污水處理廠二級出水，以地表滲濾方式進行人工地下水回灌的水質要求。

1 人工地下水回灌是城市污水再生回用的一個重要發展方向

　　水資源短缺促使污水回用成為必然。污水回用可分為“管對管(pipe to pipe)”式短循環和人工地下水回灌(artificial groundwater recharge)長循環兩種。短循環是以工農業回用和中水回用為主，污水處理后在本系統內部實現閉路循環，或在局部范圍內回用，如冷卻水的回用等。這種污水回用方式對水質要求相對較低，周期短，能收到立竿見影的效果，所以，推廣后受到普遍歡迎。長循環是將經過二級處理的污水再經深度處理(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發利用(參見圖1)。這種污水回用方式的循環周期較長，但可以提供高質量的回用水乃至飲用水，是城市污水回用的一個重要發展方向。人工地下水回灌緩解了污水回用的心理障礙，提供了一種季節性或長期的地下儲存可能性，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防地震，加快被污染地下水的稀釋和凈化過程。地下水回灌減少了建造地表存儲設施的必要性和地表水庫的其它問題如蒸發損失、藻類的生長影響水質以及二次污染等。采用地下存儲的費用至少比常規的地表水庫便宜50%(在許多情況下，可節省90%以上的費用)。

　　1972年開始運行的美國加州21世紀水廠將污水處理廠出水經深度處理后回灌入含水層以阻止海水入侵。目前，該工程來自地表水和21世紀水廠的再生水的總回灌水量超過1.7×10⁵ m³/d。在對該廠長達18個月的監測中，100種優先控制的重點污染物中，只有25種經常被檢出，且其濃度遠低于美國飲用水標準所規定的濃度限值。1991年加州200多個污水再生廠共生產了約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家供水系統的一個重要組成部分。目前，其回灌水量超過8×10⁷m³/a。對重新抽取出來的再生水同世界衛生組織(WHO)和以色列飲用水質標準進行過比較，在以有毒物質為主的17項水質指標中，除酚含量略有超標外，再生水的所有指標均不超過飲用水的濃度限制值。
　　我國山東省即墨市的田橫島將生活污水處理后回灌入地下，經土壤含水層處理后作為飲用水源，其各項水質指標均符合我國飲用水標準，解決了島上水資源嚴重不足的問題，大大促進了該島的經濟發展。在華北與西北地區，由于缺乏地表水，地下水成為這些地區的主要水源。用水量的增加又使得超采地下水成為缺水地區目前解決水資源短缺問題的一個主要手段。據統計，北京市1961到1993年間累計超采地下水40多億立方米，形成了1000多平方公里的下降漏斗，漏斗區平均水位下降4米多，中心水位下降20～30米，嚴重地區達40米。超采地下水破壞了地下水的補排平衡，導致地下水下降，出現地面沉降。據1998年水利公報報導，北京市中心漏斗區地面沉降達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量，扭轉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效益。

2 人工地下水回灌的水質要求

2.1 人工地下水回灌水質要求的一般原則
　　來自污水處理廠的經深度處理后合格的再生水向地下水回灌時，對水質的要求隨當地水文地質條件、回灌方式、重新抽取出來的地下水的用途不同而不同，一般應滿足：(1)回灌水的水質應比被補給的含水層的水質好；(2)不應含腐蝕性氣體、離子及微生物，懸浮物的含量應低于20 mg/L；(3)水溫最佳為20~25℃；(4)pH最好在6.5~7.5。在眾多的水質因素中，回灌水引入含水層的有毒有機物及其遷移轉化途徑和各種不同來源的有機物低劑量、長時間聯合作用于人體，其對人體的遠期危害，尤其是致癌效應，是人們十分關注的問題。
　　對于污水中存在的種類廣泛的有機物，由于缺乏一種可靠的探測某種有機物是否存在并確定其濃度的技術手段，目前唯一可行的方法是采用某些代用參數，如TOC和AOX(可吸附有機鹵化物)。只用集體參數來度量有機污染物的總濃度是不夠的，例如TOC和COD描述的是有機物的屬性，代表眾多的有機物，其生態意義在很大范圍內擺動，只有BOD₅直接與生態相關。因此，檢測某些毒性化合物(如有機鹵化物)的類型與濃度尤為重要，只有將表征有機物總量的集體參數與某些表征威脅性有機物的專項分析結合使用才能全面地反映水質狀況。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的濃度一定很低，但是幾乎每一種降低TOC和AOX的處理過程都能降低具有潛在毒性有機物的濃度。根據21世紀水廠的運行經驗，TOC可以作為痕量有機物的一個代用監測指標。
　　盡管用再生水中的有機物做的一些試驗表明，它們對動物并沒有毒害作用，但是因為人們對合成有機物的了解要遠少于對傳統供水中有機物的了解，所以，其濃度應盡量降低，但是對每一種有機物建立其健康標準，并分別檢驗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應盡可能低。當TOC值低于一定值時，可以不需要專門的毒性檢測。而當TOC值較高時，為了公眾的健康，需要較頻繁的監測其毒性。然而到底TOC值該定為多少，卻無法給出一個統一的規定。其中一個重要原因是污水處理廠出水的有機物濃度受飲用水的有機物濃度影響很大。Drewes對美國亞利桑納州Mesa市飲用水和該市污水處理廠出水的研究發現，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性。Mesa市的污水處理廠三級出水中的難降解有機物約有50%是來自于飲用水。在飲用水的使用和污水處理廠的處理中，又產生了大約1mg/L的難降解有機物。由于污水處理廠三級出水中來自飲用水的DOC一般很難被生物降解，將深度處理后的三級出水進行地下水回灌時，將會增加含水層的DOC。Drewes的試驗還指出，污水處理廠出水經土壤含水層處理后，水中的難降解有機物主要是沒有毒性的腐殖質，因此雖然回灌會增加含水層的有機物濃度，但是這些新增加的有機物是非毒性的。
2.2 發達國家對回灌水的水質要求
　　目前一些州政府發布了一些污水回用的標準但是美國至今尚無一個統一的地下水回灌的標準。1992年，美國國家環保局提出了污水非飲用回用的建議性指南，包括了對地下水回灌的水質和處理工藝要求。對于以地表滲濾的方式進行的地下水回灌，要求污水必須經二級處理和消毒，可根據需要選擇是否要進行深度處理。回灌水經過包氣帶滲濾后，必須滿足飲用水的水質標準，并且不能檢出病原菌。地下水位以上的包氣帶至少應有2m厚。取水井距離回灌點至少應有600m的距離。抽取回用前，回灌水應在地下至少停留1年。
　　美國加州在1978年就提出了地下水回灌的標準草案，它包括了水質標準、處理工藝要求、操作要求、處理可靠性要求等。制訂該標準草案的主要目的在于控制有機物進入作為飲用水源的地下含水層，并認為回灌地下水的水質不必達到飲用水水質標準，應認識到回灌水在地下停留對水質的改善。該標準建議的處理要求是將污水處理廠的二級出水經過濾、去除有機物、消毒和活性炭床吸附(接觸時間不應少于30min)處理，在重新抽取出來以前，必須在地下停留6個月以上，這是為了保證進一步殺滅和去除腸道病菌。地下水位以上的包氣帶至少應有3 m厚。抽水點離回灌點的水平距離至少為150m。當抽取的水中回灌水超過20%時，要求在抽水點TOC<1 mg/L，而在回灌點，要求TOC<3.0mg/L，COD<5mg/L，NO₃^-<45mg/L，TN<10mg/L。在回灌之前，水中的大腸桿菌數最好降低到2.2個/100mL以下。要求每天檢測COD和TOC，每季檢測的項目包括：苯和四氯化碳等。該草案不斷修訂，最新的版本是1993年的，其要求是更加針對每項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準，而且對采用注入井回灌的回灌水的TOC要求比經地表滲濾回灌入含水層的嚴格，因為已經證明后者能使有機物在地下非飽和區和飽和區發生進一步的降解。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，抽取出的水中，最多可以有1mg/L的TOC來自于回灌水。即當回灌水的TOC是5mg/L時，抽取的水中可有20%來自回灌水。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中去除病原菌和痕量的有機物，標準規定了滲濾速度和地下水厚度。標準傾向于通過非飽和帶以發展好氧生物處理過程來降解有機物和除去病原菌。其中非飽和帶的厚度根據不同地方的特點而變化，最小要求為3m到50m。研究發現，如果土壤要想發揮這些作用，那么初始的滲濾速度應小于0.8cm/min。如果該值小于0.5cm/min，將會帶來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距離。
　　加州21世紀水廠制訂的回灌水標準中對無機離子的要求見表1。

表1 美國加州21世紀水廠對回灌水中無機離子的要求(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

　　美國加州的標準被權威人士認為對發達國家是必須而且合適的。美國其他州的標準有些比加州的更嚴格，有些不如加州的嚴格。佛羅里達州的規定是當回灌采用地表滲濾時，水質要求較低，因為回灌水在經過土壤含水層時可發生進一步的凈化。但是從不同的研究者得到的有關土壤含水層處理去除有機物的效率很不同，這可能主要是因為飲用水的來源不同(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會影響污水處理廠的出水水質，并進而會影響后續土壤含水層處理的效果。當采用井灌時，水質要求較高，至少應達到飲用水標準，而且應采用活性炭吸附以除去有機物，其平均TOC和TOX濃度應分別低于5mg/L和0.2mg/L，而且至少要進行2年的試運行。亞利桑納州規定任何地下水回灌工程必須同時得到該州環境質量部和水資源部的允許，而且應證明回灌不會導致地下水水質的波動。如果含水層的水質已經在波動，應能證明回灌不會使水質進一步惡化。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準。
　　德國目前還沒有人工地下水回灌的水質標準，一般要求回灌水應優于當地的地下水水質。在柏林地區，要求污水處理廠三級處理出水再經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應小于3mg/L，AOX應小于30mg/L。
2.3 建議的我國人工地下水回灌的水質要求
　　綜上所述，可以看到回灌水的水質，原則上講只要優于或相當于回灌點的地下水水質即可。參考上述國外人工地下水回灌的標準和工程運行經驗，結合我國國情，提出并建議的我國地下水回灌的水質要求是：
　　城市污水處理廠二級出水，當采用地表滲濾的方式進行人工地下水回灌時，經深度處理和土壤含水層處理后，水質至少應達到表2中提出的要求。有關說明如下：
　　1. 地下含水層常作為飲用水源，回灌的再生水經土壤含水層處理后，水質應滿足飲用水的水質標準。所以回灌水應滿足目前的飲用水標準。
　　2. 回灌水中有機物的濃度應盡可能低，但是由于污水處理廠出水中的有機物有相當一部分是來自于飲用水中的沒有毒性的天然有機物，不同城市的飲用水來源不同，其有機物濃度TOC值差別也較大，很難確定回灌水的TOC應低于何值。我國目前的飲用水標準中對TOC沒有明確的限制值。美國加州要求回灌水的TOC小于3mg/L，佛羅里達州則要求TOC小于5mg/L，德國柏林要求DOC小于3mg/L。由于經包氣帶滲濾和土壤含水層處理后，水中的有機物基本都是溶解性的，所以本研究提出經土壤含水層處理后，DOC應小于3mg/L。
　　3. AOX的濃度要求主要依據德國柏林的水質要求提出。
　　4. 無機離子濃度的要求主要根據美國加州和21世紀水廠的標準提出。
　　5. 該推薦的水質要求和我國現行的飲用水標準基本相當，經過選擇適當的深度處理工藝是可以達到的。回灌水如能滿足該要求，預計其將不會對人體健康產生威脅。

表2 建議的人工地下水回灌的水質要求(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

　　本文參考發達國家30年來人工地下水回灌的工程經驗和水質要求，提出了適合我國國情的利用城市污水處理廠二級出水，以地表滲濾方式進行人工地下水回灌的水質要求，這個要求和發達國家的水質要求基本相當，經過努力是能夠達到的。回灌水如能滿足該要求，預計回灌水將不會對人體健康產生威脅。

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