水回收过程中处理后的民用污水用于地下水补充的可行性

Ing. Martin Jekel博士/教授
城区水中心及水质量控制系
德国柏林技术大学
Strasse des 17. Juni 135
D-10623 柏林/德国

1. 简介

　　在干燥或半干燥地区，诸如大面积城市聚集区或密集型农村地区非常需要水，回收利用民用、城市或工业污水是一种可行的方法。在一些国家的绿地灌溉、各种农作物的生产及工业用途等方面的实践证明对水进行回收再利用是解决水量减少的一种可行、可靠和经济的方法。必须仔细调查这些较传统的污水回收方法的长期效果和可持续性，如了解农村土壤中盐份的增加。 美国西南各州和以色列有一些范围小、目的性强的补充地下水的例子，这些项目已实施了二十五至四十年，人们收集了大量的数据和经验。利用处理过的城市污水补充地下水被视为是一种有计划的"间接再利用饮用水"的可行办法，尽管经过回收的地下水不会经过蒸馏变为民用水，但是这种地下水却可用于其它一些对水质量要求高的情况，如用于无限制的农村灌溉。现在只在纳米比亚温河克的一个现代高级污水处理厂可以完成“直接及有计划回收饮用水”。此工厂流程包括8个步骤，自1969年以来和另外一种技术同时使用。这是个特例，可能不会被视为一种其它国家也可以采用的范例。
　　同时也需注意到由于处理过或未经处理的污水排放到地面水中及保存时间短的下游水的抽取等原因，进行“无计划、无目的直接污水回收法”可能会在全球得到采用。然而人们却不明污水的来源。分析这些系统，我们可以得出一些对计划性回收利用间接饮用水有价值的结论。“间接饮用水的回收利用”指表面储存经过处理的污水（湖中或水库中的水）或通过补充储存地下水。这两种方式都是本文集中调查和讨论的主题。

2．支持将污水再利用补充地下水的论据

2.1　污水是一种资源
　　在干燥地区或无规律降雨和河流的地区，城市污水是一种可靠的水资源。这要求具备一个可靠的供水的系统、污水收集系统和一个适当高效的污水处理厂（如去除生物碳和氮）。必须具备上述这些基本设施，而且必须具备其它防范措施（见后文）。此水量几乎要与饮用水的要求相适应。由于灌溉、冷却等原因引起的损失可能导致水量有所不同。然而通过综合下水道系统中的表面流量可以得以平衡。另一个优势是因为城市中对水要求较高的地区附近随处可得污水。事实上，由于运输费用高，对季节的要求较苛刻，城市地区的污水回收后再利用到农业上的方法可能并不经济实惠。
1.1 地下水的利用和超采
　　 干燥地区的一个共同问题是尽管抽取量非常高，却没有充足的天然地下水进行补充。几个国家的地下水位已经下降了十米至好几百多米。实际上地下水是在被"开采"。这些不可逆转的变化是显而易见的，或者说未来将会发生不可逆转的变化。盐水可能会流入沿海蓄水层，更深层的含盐蓄水层可能会堆积起来，使得这种重要的资源不可以得到重新使用。在某些地区如加州的欧兰哲县甚至在欧洲地区，急需改变这些后果。
1.2　地下水污染
　　 由于农业、工业和一般的城市活动，上部的蓄水层面临受到相当大的污染的危害。五十多年前就已经发生了蓄水层受到污染的情况。我们必须认识到大部分"初期的地下水"面临的质量问题比较严峻，它们可能已经不适合无限制地饮用，或者必须经过特殊、高级的处理方可饮用。此种有计划地运用适当质量的水资源来补充地表水的方法可以有效改善这种局面，特别是在离城市较近些的地区。
1.3　现有经验和知识
　　 世界上某些地区采用多多少少经过处理的城市污水来补充地下水的历史已经有好几十年，尽管还没有达到上百年。许多大城市如柏林、凤凰城，有很多将未经处理的污水包括工业废物进行再利用的范例，现在大家认识到城市（和民用）污水至少需要生物净化过程。同时人们早已认识到通过物理-化学特别是生物的机制，地下（包括渗流区和渗透的蓄水层）具有惊人的净化效果。净化的前提和效率可能有所不同，但是最惊人的优势在于蓄水层保持水份时间较长，延伸的距离较长。水份保持时间从几个月到几年内，尽管还没有达到几十年。
　　 在设计良好的系统内的微生物和化学水质中可以看到净化效果是非常可靠的。储备和处理地下水的一个主要优势就是从前污水来源不明，这种"身份的丧失"有利于公众接受这种再利用的方法。
　　 依据无数无计划和有计划的回收利用水资源方面的经验，在储存和补充地下水的过程中得出的整体结论就是需基本包括自然净化效果。无此净化效果，则需要进行技术处理，此费用将会很高。 2. 反对将污水再利用成为补充的地下水的论据。
2.1 城市污水的质量问题
　　 对于收集后的城市污水，人们有许多疑虑，人们担心这些污水中含有家庭、工业、排泄和其它来源排放的各种污染物。尽管经过传统的机械和生物处理，这些污染物并没有完全被去除。
:主要污染物有：
　　● 病原菌
　　● 病毒
　　● 寄生虫
　　● 持久有机污染物（POPs）
　　● 溶解盐（TDS）
　　● 营养物（N, P）
　　 在计划和实施再利用/补充系统的过程中，必须认真对待这些问题。但是首先应该以一种综合的态度来看待这些不同的污染物。 必须尽可能地将来源明确的污染物与民用污水份开。比如：含盐污水的工业排放或高负荷不可降解的有机污染物（残留的生物污水处理）的排放。很难避免或分离那些来源（扩散性来源）不明确的污染物。因此，整体系统必须考虑所有的这些问题。
　　所有微生物污染物都来源于人体排泄物，在对将死的微生物中渗透性高和保留时间充分的渗透蓄水层进行地下水补充的过程中，这些人体排泄物可以得到非常有效地清除。在岩溶或岩石蓄水层中，这种自我净化功能并不可靠。在补充较好的情况下，无需在补充前对污水进行消毒，然而在使用其它回收方法时却要求进行有效的消毒。 家用水将提高溶解盐的含量（50至300mg/l TDS之间），这将会损害随后的饮用和非饮用水的使用。建议分析家庭中盐的来源，如通过水份软化剂的离子交换（入口点处理），及思考其它方法。
　　 营养物（氮和磷）通常浓度比较高，在进行水份补充之前，需要采取防范措施。特别是去除后生物氮需要达到回收后的地下水中（如今后用于饮用）的氨气和氮化物的标准。去除磷似乎目前还不是一个主要的问题。地下水可以去除磷，在饮用水中，不需要考虑磷的问题。
　　水资源补充再利用中，质量控制的核心任务与持久的有机污染物（POP）有关。POP可以长期储存在蓄水层中。也有一些天然有机物（NOM）来源于饮用水及生物处理后的产品（污水有机物EfOM）。然而，NOM 和EfOM的化学成分几乎或完全相似，它们不会直接对身体有害。但是在氯化过程中将生成卤化物（包括三卤甲烷）。
　　POP危害人体健康的担忧与污染饮用水大体相似，其中我们都可以发现许多达到最高限度的污染物（MCL）。我们需要知道更好的POP的指导值。这些背景知识会有些帮助。
2.2 需要高级处理和高费用
　　应该将含有分开后的工业排放物（那些人们担心的）以及去除生物氮后的城市二级污水视为一种可行的补充地下水的资源。不同地点的质量可能有所不同，补充前要求采用高级的处理方法。而且在设计和选择高级处理过程时，考虑回收后的地下水的限价是非常重要的。 当前全球全面补充工程的范例表明高级处理污水的方法有许多，从无第三级处理、过滤、消毒到用于有机物和盐控制的活性碳的氧化和膜处理等。无疑它们都可以去除所有的溶解化合物，但是费用却很高。一些技术解决方法忽略了土壤和蓄水层（土壤-蓄水层处理，SAT）的自我净化能力。这种忽视的态度是不对的，将带来高昂的代价。
　　在已受到控制的蓄水层系统、天然地下水稀释度较低或当地的地下水已经受到污染的情况下，后期处理补充水是一种有用的解决办法（联合处理）。 总之，这种附加然而必要的处理过程是多种因素造成的（见上文），费用必须与其它资源管理如进口新鲜水的费用相联系和协调。
2.3 回收后的地下水的质量
　　 补充的地下水质要求与蓄水层是用于饮用或非饮用有关。饮用或非饮用这两种用途在一些国家如美国和以色列都存在，因此需要认真准备。一旦选择蓄水层将用于非饮用水，就不可改变。如果想改为用于饮用水，要花费很长时间才能重新达到饮用水的质量要求。许多国家将地下水视为"唯一资源"，它们将水份散抽取、几乎未经任何处理就供应水。
　　鉴于地下水经人工回收可得到重新利用，"唯一资源是蓄水层"这一概念要求对水进行高级处理，如采用膜处理法，而非依赖天然达到净化效果。发展中国家可能承担不起这些费用。依据欧洲处理天然地下水的经验，如堤岸渗透法和将污染后地表水进行处理来达到人工补充的效果，因而我们建议采纳这种较实用的方法，考虑到现有的农村和城市地区的蓄水层质量不同及回收水的具体要求不同，策略可包括：
　　●勿将主要工业废水排入污水系统（盐和持久有机物）
　　●利用成本低见效快的过程去除持久有机污染物（如活性碳），预先处理二级污水。
　　●认真管理地下水，回收利用补充和稀释后的水，从而使之保持几个月的时间。
　　●依据成功的经验、合理的评估和风险预测，制定这些系统的标准。
2.4 补充地下水的具体实施原则
　　 无论水质如何，水文地质的状况对于成功地补充地下水具有决定性的作用。根据当地的地质状况，如缺乏渗透性，缺乏适醣的蓄水层的容积，蓄水层的使用权，土地的可用性，使用水的权利等等，补充地下水的方法可能未必可行。然而已经证明在许多情况下，人工补充是可行的方法，特别是对水进行长期的管理。
　　 关于技术解决办法，下面是补充水的几项原则：
　　●对于沙地或沙砾盆地的表面可进行表面清洁和粘附层的再生。这些系统类似古典的沙漏，需要一个较大的表面积。它们可以处理含有悬浮颗粒和可生物降解的物质等水质较低的情况。
　　●对于渗透性较差的表层土壤，可利用补充水的沟渠或竖井。设计这些系统时可考虑用于清洁，因此需要不大的空间和一般的水质。
　　● 直接注水井适合较深的蓄水层和承压蓄水层。这些井对盐份堆积和井再生非常敏感，因此要求水质必须相当好，必须是多年的水井或可以延长再生周期（无悬浮物，可生物降解的物质含量低）。
　　 总之，建议设计和建造完整的补充系统之前，必须监测地下水位和水质，建造模型并全面调查水文地质情况。

3. 结论

　　无论回收并储存后的地下水是用于饮用或非饮用，将处理过的城市和民用污水进行人工补充地下水是一种常用的回收水的方法。设计和实施时需要全面的调查污水质量、计算前期处理的成本-效果、采用适当的补充方法、了解土壤蓄水层系统的净化效果和流入抽取井的情况等等。特别是在城市地区，这种回收方法可以为民用、工业和农业用途提供更多的水。然而应该记住此种"水的回收"永远不会是一个封闭的、可以避免溶解盐或其它持久化合物增加的周期。

4. 参考书目

　　下面列出最近以水的回收利用为题的手册和重要的报告。
　　美国国家研究委员会（1998）：关于饮用水的再利用--利用回收水提高水供应的可行性。国家学院出版社，华盛顿。　　Asano, T著：污水的回收和再利用（1998）水质管理图书馆---第十册，Technomic，兰卡丝特/巴塞尔。
　　Rowe, D.R.: Abdel-Magid, L.M著：污水回收和再利用手册（1995），CRC-Lewis出版社，波卡来顿。
　　 Fox, Peter 等著：深入研究可持续性水回收的土壤蓄水层处理的方法（2001）。亚力桑那大学可持续性水供应自然中心。美国亚力桑那州。
　　奥兰多（1998）和圣安东尼（2000）AWWAWEF回收水的会议纪要。
　　2000年IWA世界水会议纪要（巴黎）。跟踪调查水的回收再利用情况。