人工地下水 回灌的水质要求

蹇兴超，云桂春
（清华大学 核能技术设计研究院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个重要发展方向。本文参考发达国家人工地下水回灌的工程经验和水质要求，提出了适合我国国情的利用城市污水处理厂二级出水，以地表渗滤方式进行人工地下水回灌的水质要求。

1 人工地下水回灌是城市污水再生回用的一个重要发展方向

　　水资源短缺促使污水回用成为必然。污水回用可分为“管对管(pipe to pipe)”式短循环和人工地下水回灌(artificial groundwater recharge)长循环两种。短循环是以工农业回用和中水回用为主，污水处理后在本系统内部实现闭路循环，或在局部范围内回用，如冷却水的回用等。这种污水回用方式对水质要求相对较低，周期短，能收到立竿见影的效果，所以，推广后受到普遍欢迎。长循环是将经过二级处理的污水再经深度处理(advanced treatment)后采用地表漫流、渗滤或者直接注入的方式回灌到地下含水层，然后同地下水一起作为新水源而被开发利用(参见图1)。这种污水回用方式的循环周期较长，但可以提供高质量的回用水乃至饮用水，是城市污水回用的一个重要发展方向。人工地下水回灌缓解了污水回用的心理障碍，提供了一种季节性或长期的地下储存可能性，以解决供水和需求之间的矛盾。还能减少或防止地下水位下降，控制或防止地面沉降及预防地震，加快被污染地下水的稀释和净化过程。地下水回灌减少了建造地表存储设施的必要性和地表水库的其它问题如蒸发损失、藻类的生长影响水质以及二次污染等。采用地下存储的费用至少比常规的地表水库便宜50%(在许多情况下，可节省90%以上的费用)。

　　1972年开始运行的美国加州21世纪水厂将污水处理厂出水经深度处理后回灌入含水层以阻止海水入侵。目前，该工程来自地表水和21世纪水厂的再生水的总回灌水量超过1.7×10⁵ m³/d。在对该厂长达18个月的监测中，100种优先控制的重点污染物中，只有25种经常被检出，且其浓度远低于美国饮用水标准所规定的浓度限值。1991年加州200多个污水再生厂共生产了约3.3×10⁸m³再生水，其中约14%被回灌到地下水，到1995年，该比例已经增加到27%，并成为污水回用的主要方向。从1956年起，人工地下水回灌就成为以色列国家供水系统的一个重要组成部分。目前，其回灌水量超过8×10⁷m³/a。对重新抽取出来的再生水同世界卫生组织(WHO)和以色列饮用水质标准进行过比较，在以有毒物质为主的17项水质指标中，除酚含量略有超标外，再生水的所有指标均不超过饮用水的浓度限制值。
　　我国山东省即墨市的田横岛将生活污水处理后回灌入地下，经土壤含水层处理后作为饮用水源，其各项水质指标均符合我国饮用水标准，解决了岛上水资源严重不足的问题，大大促进了该岛的经济发展。在华北与西北地区，由于缺乏地表水，地下水成为这些地区的主要水源。用水量的增加又使得超采地下水成为缺水地区目前解决水资源短缺问题的一个主要手段。据统计，北京市1961到1993年间累计超采地下水40多亿立方米，形成了1000多平方公里的下降漏斗，漏斗区平均水位下降4米多，中心水位下降20～30米，严重地区达40米。超采地下水破坏了地下水的补排平衡，导致地下水下降，出现地面沉降。据1998年水利公报报导，北京市中心漏斗区地面沉降达0.6米。城市污水深度处理后回灌地下水，不仅能缓解水资源短缺，还能增加地下水的存储量，扭转地下水位逐年下降的局面，防止地面沉降，具有非常明显的社会效益。

2 人工地下水回灌的水质要求

2.1 人工地下水回灌水质要求的一般原则
　　来自污水处理厂的经深度处理后合格的再生水向地下水回灌时，对水质的要求随当地水文地质条件、回灌方式、重新抽取出来的地下水的用途不同而不同，一般应满足：(1)回灌水的水质应比被补给的含水层的水质好；(2)不应含腐蚀性气体、离子及微生物，悬浮物的含量应低于20 mg/L；(3)水温最佳为20~25℃；(4)pH最好在6.5~7.5。在众多的水质因素中，回灌水引入含水层的有毒有机物及其迁移转化途径和各种不同来源的有机物低剂量、长时间联合作用于人体，其对人体的远期危害，尤其是致癌效应，是人们十分关注的问题。
　　对于污水中存在的种类广泛的有机物，由于缺乏一种可靠的探测某种有机物是否存在并确定其浓度的技术手段，目前唯一可行的方法是采用某些代用参数，如TOC和AOX(可吸附有机卤化物)。只用集体参数来度量有机污染物的总浓度是不够的，例如TOC和COD描述的是有机物的属性，代表众多的有机物，其生态意义在很大范围内摆动，只有BOD₅直接与生态相关。因此，检测某些毒性化合物(如有机卤化物)的类型与浓度尤为重要，只有将表征有机物总量的集体参数与某些表征威胁性有机物的专项分析结合使用才能全面地反映水质状况。虽然TOC和AOX值低于一定浓度并不能保证水中有毒有害物质的浓度一定很低，但是几乎每一种降低TOC和AOX的处理过程都能降低具有潜在毒性有机物的浓度。根据21世纪水厂的运行经验，TOC可以作为痕量有机物的一个代用监测指标。
　　尽管用再生水中的有机物做的一些试验表明，它们对动物并没有毒害作用，但是因为人们对合成有机物的了解要远少于对传统供水中有机物的了解，所以，其浓度应尽量降低，但是对每一种有机物建立其健康标准，并分别检验其在再生水中的浓度否低于最高限值是不可行的，因此一般要求TOC应尽可能低。当TOC值低于一定值时，可以不需要专门的毒性检测。而当TOC值较高时，为了公众的健康，需要较频繁的监测其毒性。然而到底TOC值该定为多少，却无法给出一个统一的规定。其中一个重要原因是污水处理厂出水的有机物浓度受饮用水的有机物浓度影响很大。Drewes对美国亚利桑纳州Mesa市饮用水和该市污水处理厂出水的研究发现，饮用水中的DOC和污水处理厂出水的DOC具有非常明显的相关性。Mesa市的污水处理厂三级出水中的难降解有机物约有50%是来自于饮用水。在饮用水的使用和污水处理厂的处理中，又产生了大约1mg/L的难降解有机物。由于污水处理厂三级出水中来自饮用水的DOC一般很难被生物降解，将深度处理后的三级出水进行地下水回灌时，将会增加含水层的DOC。Drewes的试验还指出，污水处理厂出水经土壤含水层处理后，水中的难降解有机物主要是没有毒性的腐殖质，因此虽然回灌会增加含水层的有机物浓度，但是这些新增加的有机物是非毒性的。
2.2 发达国家对回灌水的水质要求
　　目前一些州政府发布了一些污水回用的标准但是美国至今尚无一个统一的地下水回灌的标准。1992年，美国国家环保局提出了污水非饮用回用的建议性指南，包括了对地下水回灌的水质和处理工艺要求。对于以地表渗滤的方式进行的地下水回灌，要求污水必须经二级处理和消毒，可根据需要选择是否要进行深度处理。回灌水经过包气带渗滤后，必须满足饮用水的水质标准，并且不能检出病原菌。地下水位以上的包气带至少应有2m厚。取水井距离回灌点至少应有600m的距离。抽取回用前，回灌水应在地下至少停留1年。
　　美国加州在1978年就提出了地下水回灌的标准草案，它包括了水质标准、处理工艺要求、操作要求、处理可靠性要求等。制订该标准草案的主要目的在于控制有机物进入作为饮用水源的地下含水层，并认为回灌地下水的水质不必达到饮用水水质标准，应认识到回灌水在地下停留对水质的改善。该标准建议的处理要求是将污水处理厂的二级出水经过滤、去除有机物、消毒和活性炭床吸附(接触时间不应少于30min)处理，在重新抽取出来以前，必须在地下停留6个月以上，这是为了保证进一步杀灭和去除肠道病菌。地下水位以上的包气带至少应有3 m厚。抽水点离回灌点的水平距离至少为150m。当抽取的水中回灌水超过20%时，要求在抽水点TOC<1 mg/L，而在回灌点，要求TOC<3.0mg/L，COD<5mg/L，NO₃^-<45mg/L，TN<10mg/L。在回灌之前，水中的大肠杆菌数最好降低到2.2个/100mL以下。要求每天检测COD和TOC，每季检测的项目包括：苯和四氯化碳等。该草案不断修订，最新的版本是1993年的，其要求是更加针对每项地下水回灌工程的具体情况，但是都要求保证从接收回灌水的含水层抽取的水符合饮用水标准，而且对采用注入井回灌的回灌水的TOC要求比经地表渗滤回灌入含水层的严格，因为已经证明后者能使有机物在地下非饱和区和饱和区发生进一步的降解。要求回用水的总氮浓度低于10mg/L。除非能证明在渗滤过程中，有足够的氮被去除从而可以使水中总氮浓度小于10mg/L，否则必须先行除氮。同时，抽取出的水中，最多可以有1mg/L的TOC来自于回灌水。即当回灌水的TOC是5mg/L时，抽取的水中可有20%来自回灌水。如果回灌水的TOC是2mg/L，则抽取的水中可有50%是回灌水。
　　为了保证在地表渗滤系统中去除病原菌和痕量的有机物，标准规定了渗滤速度和地下水厚度。标准倾向于通过非饱和带以发展好氧生物处理过程来降解有机物和除去病原菌。其中非饱和带的厚度根据不同地方的特点而变化，最小要求为3m到50m。研究发现，如果土壤要想发挥这些作用，那么初始的渗滤速度应小于0.8cm/min。如果该值小于0.5cm/min，将会带来额外的净化效果从而可以减少再生水在土壤含水层中的流动距离。
　　加州21世纪水厂制订的回灌水标准中对无机离子的要求见表1。

表1 美国加州21世纪水厂对回灌水中无机离子的要求(单位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

　　美国加州的标准被权威人士认为对发达国家是必须而且合适的。美国其他州的标准有些比加州的更严格，有些不如加州的严格。佛罗里达州的规定是当回灌采用地表渗滤时，水质要求较低，因为回灌水在经过土壤含水层时可发生进一步的净化。但是从不同的研究者得到的有关土壤含水层处理去除有机物的效率很不同，这可能主要是因为饮用水的来源不同(是地下水还是地表水)、污水中的成分差异(生活污水和工业污水的比例)和污水处理方法的差异引起的。不同的污水处理技术会影响污水处理厂的出水水质，并进而会影响后续土壤含水层处理的效果。当采用井灌时，水质要求较高，至少应达到饮用水标准，而且应采用活性炭吸附以除去有机物，其平均TOC和TOX浓度应分别低于5mg/L和0.2mg/L，而且至少要进行2年的试运行。亚利桑纳州规定任何地下水回灌工程必须同时得到该州环境质量部和水资源部的允许，而且应证明回灌不会导致地下水水质的波动。如果含水层的水质已经在波动，应能证明回灌不会使水质进一步恶化。由于该州所有的含水层都被用作饮用水源，因此所有的回灌水都必须处理到符合饮用水标准。
　　德国目前还没有人工地下水回灌的水质标准，一般要求回灌水应优于当地的地下水水质。在柏林地区，要求污水处理厂三级处理出水再经深度处理和土壤含水层处理后，最终同地下水混合的水的DOC应小于3mg/L，AOX应小于30mg/L。
2.3 建议的我国人工地下水回灌的水质要求
　　综上所述，可以看到回灌水的水质，原则上讲只要优于或相当于回灌点的地下水水质即可。参考上述国外人工地下水回灌的标准和工程运行经验，结合我国国情，提出并建议的我国地下水回灌的水质要求是：
　　城市污水处理厂二级出水，当采用地表渗滤的方式进行人工地下水回灌时，经深度处理和土壤含水层处理后，水质至少应达到表2中提出的要求。有关说明如下：
　　1. 地下含水层常作为饮用水源，回灌的再生水经土壤含水层处理后，水质应满足饮用水的水质标准。所以回灌水应满足目前的饮用水标准。
　　2. 回灌水中有机物的浓度应尽可能低，但是由于污水处理厂出水中的有机物有相当一部分是来自于饮用水中的没有毒性的天然有机物，不同城市的饮用水来源不同，其有机物浓度TOC值差别也较大，很难确定回灌水的TOC应低于何值。我国目前的饮用水标准中对TOC没有明确的限制值。美国加州要求回灌水的TOC小于3mg/L，佛罗里达州则要求TOC小于5mg/L，德国柏林要求DOC小于3mg/L。由于经包气带渗滤和土壤含水层处理后，水中的有机物基本都是溶解性的，所以本研究提出经土壤含水层处理后，DOC应小于3mg/L。
　　3. AOX的浓度要求主要依据德国柏林的水质要求提出。
　　4. 无机离子浓度的要求主要根据美国加州和21世纪水厂的标准提出。
　　5. 该推荐的水质要求和我国现行的饮用水标准基本相当，经过选择适当的深度处理工艺是可以达到的。回灌水如能满足该要求，预计其将不会对人体健康产生威胁。

表2 建议的人工地下水回灌的水质要求(单位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 小结

　　本文参考发达国家30年来人工地下水回灌的工程经验和水质要求，提出了适合我国国情的利用城市污水处理厂二级出水，以地表渗滤方式进行人工地下水回灌的水质要求，这个要求和发达国家的水质要求基本相当，经过努力是能够达到的。回灌水如能满足该要求，预计回灌水将不会对人体健康产生威胁。

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