污水回用于农业问题研究

方先金 邵辉煌
北京市市政工程科学技术研究所

1．引言

　　水资源短缺是21世纪人类面临的最为严峻的资源问题之一，全世界对水的需求每21年翻一翻。目前全世界只有1/4人口饮用到合乎标准的清洁水，1/3人口得不到安全用水。同时，随着世界人口不断增加，粮食需求量越来越大。严重的缺水形势已对粮食安全供应带来威胁。
　　我国是一个水资源贫乏的国家，人均蓄水量仅为世界平均水平的1/4。同时水资源在时间和空间上的分布很不平衡，南方多北方少；在北方干旱半干旱地区全年降水量主要集中在7、8、9三个月，使水资源短缺状况更加严重。目前我国每年用水总量约6000亿m³，其中农业用水占75.3％，工业用水占20.2％，城镇生活用水占4.5％。全国每年缺水近400亿m³，其中，农业缺水300亿m³，因旱致灾，年均减少粮食200多亿kg；城市和工业缺水60亿m³，影响工业产值2300多亿元。2001年6月上旬旱情最为严重时，全国受旱面积达到4.2亿亩，由于持续干旱，水源不足，造成城乡人民生活用水紧张，有2198万城镇人口和3300万农村人口及1450万头大牲畜发生饮水困难，许多水库、河流出现从来没有过的断流和干枯。今后随着人口的增长、生活水平的提高、城市化的加快，水资源供需矛盾将更加突出，据预测，我国用水高峰将在2030年前后出现，2030年我国人口将达到16亿人，粮食总产量需达到7亿吨，年用水总量为7000—8000亿m³，全国每年缺水将在700亿m³左右。
　　污水通过再生后可成为新的水资源。污水收集起来再生处理后，可转变成再生水，返回到水质要求较低的用户，这种再生水完全可以满足农业对于水质的要求，替换出等量的清洁水，相应地可增加城市和工业的供水能力。我国目前污水排放总量约为每年620亿m³，若将这些污水进行收集再生作为农业用水，可基本解决我国农业缺水问题，从而保障我国粮食供用的安全性。

2．污水回用于农业的科学研究

　　再生水广泛应用于农业灌溉已有几个世纪的历史，在未来若干年内，污水回用最多的部门仍将是农业。为了研究可靠的生产灌溉水的再生水处理系统，以确保公众健康安全和农作物产量，美国加利福尼亚州于20世纪70和80年代进行了两项里程碑式的研究：Pomona病毒研究和Monterey污水回用于农业的研究（MWRSA）。
　　Pomona病毒研究是由洛杉矶卫生部组织进行的，目的是确定将污水回用所带来的水生疾病潜在威胁最小化所需处理的程度。研究结果显示，二级出水经直接过滤或活性炭吸附，后续适当的消毒，可以提供安全的出水，满足向开放性娱乐储水池排放的要求。Pomona病毒研究和Monterey污水回用于农业的研究（MWRSA）的结果均表明，废水经三级处理和延时氯消毒，出水基本上没有致病菌。由此得出一个重要结论：即使是生吃的农作物也能成功地利用再生水进行浇灌而对人体健康没有不利影响。
　　1985年，世界卫生组织、联合国环境规划署、联合国开发计划署、国际废物处置查询中心在瑞士的Engelberg城联合召开了一个污水处理与流行病专家会议，专门讨论污水回用于农业的健康风险问题。会议得出结论：经过很好处理的再生水回用于农业对人体健康带来的风险很小，以色列在Beer-Sheva附近的一个农场进行的滴灌实验表明：相对而言，在喷灌条件下土壤表面的细菌量最多，在地表面敷管滴灌次之，在地表面之下敷管滴灌的条件下土壤表面的细菌量最少。在地表面下敷管滴灌时，30cm土层深处细菌量最多。在喷灌田里，果实上的细菌量最多；在地表下滴灌田里，果实上的细菌量有限。地表面滴灌条件下监测到果实上的细菌量相对较少，这归结于受阳光直接辐射使细菌迅速死亡。这些实验说明，地表之下滴灌是发展污水回用于农业的一种很效的技术。但是，滴灌的推广使用需要解决管道堵塞问题。
　　关于与健康有关的化学成分对于回用水水质的影响的评估，通常要考虑到防止污染物在土壤中积累和土壤的同化、稀释能力。不允许污染物在土壤中积累，能够确保土壤不会受到污染，通过防止土壤污染保护人类健康，可任意使用再生水灌溉农作物且生长出的作物不会含有有毒污染物。在这种情况下，经再生水输入的污染物必须与通过地表径流、渗透、大气损失和作物吸收而输出的污染物平衡；在这种情况下，允许输入的污染物很少，再生水的污染物允许值要求必须十分严格。

3．污水回用于农业的标准

　　美国加利福尼亚州1978年颁布《加利福尼亚州污水回收准则》，20世纪90年代进行了修改。加洲制定回用水标准的基本原则是：随着人暴露于回用水机会的增加，废水的处理要求和回用水的微生物指标要更加严格。如果利用再生水地表灌溉食用作物，准则对微生物指标的要求更高；如果是非限制性娱乐贮水（如游泳），或者利用再生水喷灌食用农产品，准则规定必须采用深度回用水处理技术。
　　1987年，世界卫生组织在日内瓦召开了再生水回用于农业与养殖业有关健康影响问题的科学家小组会议，会议的报告公布于1989年。在这次会议上，专家组认为美国加州废水回用准则过于严格，是不合理的。会议确认了1985年Engelberg会议的建议，制定了污水回用于农业与城市绿化的微生物建议标准。这个标准基于以下考虑：在发展中国家，健康风险主要与肠虫疾病有关，将再生水回用于农业应大幅度地去除肠虫；在温和气候条件下，只要土地费用合理，废水稳定塘是一个较好的选择，总停留时间8-10天，可以达到去除肠虫的目的。
　　我国己于1992年制定了《农田灌溉水质标准》（GB5084-92），对重金属、含盐量和有机污染物的水质指标进行了规定。我国的水质标准要求对有机污染物规定较细，这是与我国目前废水处理水平相关。

4．污水回用于农业的几个问题

4.1 充分考虑到土壤稀释、同化污染物的能力
　　如果充分考虑到土壤稀释、同化污染物的能力，利用废水的农学效益，控制污染物在土壤中的积累量底于有害于人体健康的程度，将会大大降低污水处理成本。在这种情况下，再生水水质推荐值是土壤中污染物含量不会对人类产生有害作用的最大允许浓度，它可通过计算污染物经谷物、蔬菜、根/茎和水果等的生长吸收和食物链转移而推导出来。在作物灌溉中，再生水中的污染物对人的危害有多种传输途径。通过定义污染物的暴露途径、传输速率和数量，从而确定再生水的最大允许污染物浓度。为了使法规全面，必须鉴定废水中任何一种可能有毒有害的成分，并跟踪其整个暴露途径。制定利用再生水灌溉农作物时与人类健康有关的化学物质标准应考虑土壤稀释、同化污染物的能力。这种方法的优点在于能够制定一个通用标准，不管污染物的来源，只要再生中污染物的浓度不超过最大允许值，它的使用不会受到限制。
4.2 重视再生水中微量元素的浓度
　　再生水中微量元素的浓度不到几个mg/l，通常在100µg/l以下。这些微量元素对植物与动物都十分重要，但如果浓度过高，会影响人类健康。在众多的微量元素中，最令人关注的是含量较高的镉、铜、钼、镍、和锌。相对而言，人们对镍、锌的关注比对镉、铜、钼的关注要多，这是因为在比对动物（包括人类）有害浓度低的情况下，镍与锌对植物的不良影响即可观察出来。然而，镉、铜、钼在对植物无影响的浓度情况下，可能对动物构成危害。铜对单胃动物无毒性，但对反刍动物是有毒的；当钼含量增加时，这两类动物对铜的耐受性会提高；在缺铜的情况下，钼呈现出毒性。镉之所以引起人们的特别关注是因为它能积累在食物中；但当含量低时，对反刍动物无不良影响；大多数奶类与牛肉不受镉污染的影响，因为镉积累在动物的肝肾之中，不会积累在脂肪或肌肉组织。
4.3 重视工业污水的预处理
　　事实上，污水回用以及水污染控制的指导原则是减少污染源。研究表明：如果工业污水经过必要的预处理之后再进入废水收集系统，则污水处理厂的废水中含有的污染物将相当少，经二级和三级处理后，出水可用于农作物灌溉而不受任何限制。如果工业废水水源被不加控制地排入废水系统，其未经处理或部分处理污水（甚至在再生水中）可能含有相当数量的化学污染物质，从而存在潜在的食物链污染问题。因此，应当重视工业废水的预处理，在出水回用的污水处理厂必须控制废水进入处理系统的污染物浓度，使进入废水的污染物不超过所确定的上限，从而确保回用安全性。

5．小结

　　污水回用于农业对于缺水地区农业可持续发展和粮食安全保证十分重要，生活污水在经过合适的污水处理技术处理后，可完全满足农业用水要求。但为了保证污水回用于农业的安全性，应当重视工业污水的预处理和控制再生水中的微量元素浓度，再生水必须满足相应的回用标准。在制定标准时，应充分考虑到土壤稀释、同化污染物的能力，降低污水处理成本。