城市污水地下回灌技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展
根據(jù)污水回用方式及水循環(huán)過(guò)程，污水回用可實(shí)施兩種戰(zhàn)略，即“管對(duì)管”式短循環(huán)戰(zhàn)略和地下回灌長(zhǎng)循環(huán)戰(zhàn)略。所謂短循環(huán)是以工業(yè)、農(nóng)業(yè)、中水回用等為主，污水處理后在本系統(tǒng)內(nèi)閉路循環(huán)復(fù)用或在該地區(qū)的局部范圍內(nèi)回用 。這種方式對(duì)水質(zhì)的要求相對(duì)較低，周期短，因此受到各領(lǐng)域的重視。所謂長(zhǎng)循環(huán)是指將城市污水處理廠二級(jí)處理出水經(jīng)深度處理達(dá)到一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后回灌于地下，水在流經(jīng)一定距離后同原水源一起作為新的水源開(kāi)發(fā)。這種戰(zhàn)略要求污水處理程度高，循環(huán)復(fù)用的周期長(zhǎng)，但可提供較高質(zhì)量的源水乃至飲用水。它既可減少污水量，又可減少原有水資源的開(kāi)發(fā)量，充分體現(xiàn)了“小量化、無(wú)害化、資源化”的可持續(xù)發(fā)展原則。
地下回灌是擴(kuò)大污水回用最有益的一種方式，直接回灌后補(bǔ)給飲用水源從成本—效益分析角度來(lái)看也是較為適宜的。同時(shí)地下回灌可以水力攔截海水入滲，減少或防止地下水位下降，控制或防止地面沉降及預(yù)防地震，大大加快被污染地下水的稀釋和凈化過(guò)程，擴(kuò)大地下水資源的儲(chǔ)存量，此外還可以調(diào)節(jié)水溫，保持取水構(gòu)筑物出水能力等。因此，地下回灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與管理將成為地下水管理的重要內(nèi)容。
地下回灌水源包括地表水、雨水、回用的城市污水等。隨著興建的污水廠越來(lái)越多，將城市污水處理廠二級(jí)出水深度處理后用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)，尤其是用于地下回灌的研究勢(shì)在必行。
1 地下回灌技術(shù)及應(yīng)用
1.1 技術(shù)分類(lèi)
地下回灌包括天然回灌和人工回灌，其根本區(qū)別在于人工回灌建立回灌設(shè)施加快了滲濾速度。人工回灌按回灌對(duì)象分地表水回灌、雨水回灌和城市污水二級(jí)處理出水回灌等；按回灌形式分為：①直接地表回灌，包括漫灌、塘灌、溝灌等，是應(yīng)用最廣泛的回用方式，②直接地下回灌，即注射井回灌，適于地下水位較深或地價(jià)昂貴的地方，③間接回灌，如通過(guò)河床利用水壓實(shí)現(xiàn)污水的滲濾回灌，多用于被嚴(yán)重污染的河流。
地下回灌既是一種污水間接回用方法，又是一種土地處理污水方法。前者是“污水回用于地下回灌”，即僅將地下含水層作為貯水池，同時(shí)利用地下流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)回用水的異地取用。在土壤滲濾前，污水經(jīng)深度處理，水質(zhì)須同飲用水。從地面上滲濾下來(lái)與地下水混合后的清水可以不受限制地使用，也可作為飲用水。后者是“污水經(jīng)地下回灌后回用”，也就是更多地將地下回灌過(guò)程作為一種污水處理手段，在一個(gè)相對(duì)封閉的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)污水的回灌與抽取回用。污水部分凈化后進(jìn)行土壤滲濾，滲入地下的污水通過(guò)取水井抽出，并根據(jù)其水質(zhì)加以利用。
1.2 應(yīng)用實(shí)踐
城市污水回用已在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)加州有200多個(gè)污水回用廠，它們?yōu)?50多個(gè)用戶提供回用水(非飲用水)，每年回用水量約3.3×108 m3，回用水中約14%被回灌到地下，1995年美國(guó)加州總循環(huán)水的27%用于地下回灌。目前，全美每年回用城市污水量達(dá)9.37×108 m3，其中回灌地下水0.47×108 m3(占3.9%)。在德國(guó)，Langen市為解決地下水位下降問(wèn)題，采用就近污水處理廠的二級(jí)出水經(jīng)曝氣、沉淀、砂濾池過(guò)濾、臭氧氧化、活性炭吸附等措施深度處理后，通過(guò)土壤滲濾補(bǔ)充地下水，該設(shè)施于1979年投入運(yùn)行。
我國(guó)城市污水地下回灌技術(shù)研究剛剛起步，在“六五”至“八五”期間，雖然也針對(duì)不同目的開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，建立了土地處理系統(tǒng)，但也僅限于處理目的，尚未提到回用的高度。目前采用地下回灌技術(shù)的主要對(duì)象為河水和空調(diào)系統(tǒng)冷卻水等，其目的是防止地面沉降或空調(diào)冷卻水降溫。
2 地下回灌深度處理技術(shù)
2.1 水質(zhì)要求
為防止地下水污染，提供清潔水鏈，地下回灌水質(zhì)必須滿足一定的要求，主要控制參數(shù)為微生物學(xué)質(zhì)量、總無(wú)機(jī)物量、重金屬、難降解有機(jī)物等。地下回灌水質(zhì)要求因回灌地區(qū)水文地質(zhì)條件、回灌方式、回用用途不同而有所不同。發(fā)達(dá)和發(fā)展中國(guó)家由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件、公眾健康水平及社會(huì)政治因素的限制及差異，所制訂的回用水標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。
美國(guó)制訂的地下回灌標(biāo)準(zhǔn)較為嚴(yán)格和科學(xué)，得到廣泛認(rèn)可。加州在1976年公布了污水回灌地下水的第一個(gè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)草案，建議回灌污水在經(jīng)過(guò)二級(jí)處理后必須再經(jīng)過(guò)濾、消毒和活性炭吸附等深度處理，在回用前必須在地下停留6個(gè)月以上。水的注入點(diǎn)離地下水位至少3 m，抽水點(diǎn)離注入點(diǎn)水平距離至少150 m，抽取水中的回灌水不能超過(guò)50%。要求抽水點(diǎn)TOC<1 mg/L，回灌點(diǎn)CODMn<5.0 mg/L、TOC<3.0 mg/L、硝酸鹽(以計(jì))<45mg/L、總氮<10 mg/L、大腸桿菌<2.2 個(gè)/100 mL。另外美國(guó)21水廠(Water Factory 21)制訂的回灌水標(biāo)準(zhǔn)中要求氨氮<1 mg/L。
我國(guó)目前尚沒(méi)有具體的地下回灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 深度處理技術(shù)
城市污水地下回灌深度處理方法一般為傳統(tǒng)的污水處理方法，廢水處理的程度則取決于回灌的水量與水質(zhì)、地下水盆地和天然地下水稀釋的可能性、土壤類(lèi)型、地下水深度、回灌方式、使用前在含水層中的停留時(shí)間等。
確定深度處理技術(shù)需考慮廢水成分、選定技術(shù)對(duì)特定廢水參數(shù)的處理水平、選定地區(qū)的土壤滲濾處理效果等因素。土壤滲濾也叫土壤含水層處理，是地下回灌流程中一個(gè)重要組成部分，具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，其費(fèi)用僅為廠內(nèi)設(shè)備處理達(dá)到相同水平所需費(fèi)用的40%。土壤滲濾凈化機(jī)理包括慢速過(guò)濾、化學(xué)沉降、吸附、離子交換、生物降解、硝化與反硝化以及消毒等。土壤滲濾是地下回灌技術(shù)的主要特征，也是確定深度處理技術(shù)最重要的影響因素。
污水回用的目的不同，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和污水深度處理的工藝也不同。但要特別注意實(shí)現(xiàn)回灌前處理、土壤含水層處理、取水后再處理三者間的合理優(yōu)化。
3 存在的問(wèn)題及發(fā)展前景
3.1 限制因素
地下回灌無(wú)疑是一種具有廣闊前景的回用技術(shù)，但在其大規(guī)模推廣使用之前，必須從技術(shù)、工程、環(huán)境、社會(huì)、法律、經(jīng)濟(jì)等多方面出發(fā)進(jìn)行全面的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性分析，尤其是注重限制因素的綜合評(píng)價(jià)。這些因素主要包括系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)問(wèn)題、公共健康與地下水污染問(wèn)題、法律與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題等。
3.2 發(fā)展前景
我國(guó)目前面臨嚴(yán)重的水資源危機(jī)。水資源匱乏和水質(zhì)惡化使我國(guó)廣大地區(qū)出現(xiàn)了生活和工農(nóng)業(yè)用水困難，同時(shí)地下水的缺乏也導(dǎo)致地面沉降等一系列問(wèn)題。地下回灌這一新的污水回用戰(zhàn)略不僅可以作為城市污水二級(jí)處理出水回用的重要途徑，而且對(duì)整個(gè)地下水體系的管理也將是必不可少的內(nèi)容。
參考文獻(xiàn)
1 Takashi Asano.Proposed California regulation for groundwater recharge with reclaimed municipal wastewater. Water Science and Technology,1993;27(7)
2 Drewes J E, Jekel M. Simulation of groundwater recharge with advanced treated municipal wastewater. Water Science and Technology,1996;33(11)
3 Kanarek A et al.Municipal wastewater reuse via soil aquifer treatment for non-portable purposes. Water Science and Technology,1993;27(7)
作者通訊處：100084 北京清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院
地下回灌是擴(kuò)大污水回用最有益的一種方式，直接回灌后補(bǔ)給飲用水源從成本—效益分析角度來(lái)看也是較為適宜的。同時(shí)地下回灌可以水力攔截海水入滲，減少或防止地下水位下降，控制或防止地面沉降及預(yù)防地震，大大加快被污染地下水的稀釋和凈化過(guò)程，擴(kuò)大地下水資源的儲(chǔ)存量，此外還可以調(diào)節(jié)水溫，保持取水構(gòu)筑物出水能力等。因此，地下回灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與管理將成為地下水管理的重要內(nèi)容。
地下回灌水源包括地表水、雨水、回用的城市污水等。隨著興建的污水廠越來(lái)越多，將城市污水處理廠二級(jí)出水深度處理后用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)，尤其是用于地下回灌的研究勢(shì)在必行。
1 地下回灌技術(shù)及應(yīng)用
1.1 技術(shù)分類(lèi)
地下回灌包括天然回灌和人工回灌，其根本區(qū)別在于人工回灌建立回灌設(shè)施加快了滲濾速度。人工回灌按回灌對(duì)象分地表水回灌、雨水回灌和城市污水二級(jí)處理出水回灌等；按回灌形式分為：①直接地表回灌，包括漫灌、塘灌、溝灌等，是應(yīng)用最廣泛的回用方式，②直接地下回灌，即注射井回灌，適于地下水位較深或地價(jià)昂貴的地方，③間接回灌，如通過(guò)河床利用水壓實(shí)現(xiàn)污水的滲濾回灌，多用于被嚴(yán)重污染的河流。
地下回灌既是一種污水間接回用方法，又是一種土地處理污水方法。前者是“污水回用于地下回灌”，即僅將地下含水層作為貯水池，同時(shí)利用地下流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)回用水的異地取用。在土壤滲濾前，污水經(jīng)深度處理，水質(zhì)須同飲用水。從地面上滲濾下來(lái)與地下水混合后的清水可以不受限制地使用，也可作為飲用水。后者是“污水經(jīng)地下回灌后回用”，也就是更多地將地下回灌過(guò)程作為一種污水處理手段，在一個(gè)相對(duì)封閉的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)污水的回灌與抽取回用。污水部分凈化后進(jìn)行土壤滲濾，滲入地下的污水通過(guò)取水井抽出，并根據(jù)其水質(zhì)加以利用。
1.2 應(yīng)用實(shí)踐
城市污水回用已在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)加州有200多個(gè)污水回用廠，它們?yōu)?50多個(gè)用戶提供回用水(非飲用水)，每年回用水量約3.3×108 m3，回用水中約14%被回灌到地下，1995年美國(guó)加州總循環(huán)水的27%用于地下回灌。目前，全美每年回用城市污水量達(dá)9.37×108 m3，其中回灌地下水0.47×108 m3(占3.9%)。在德國(guó)，Langen市為解決地下水位下降問(wèn)題，采用就近污水處理廠的二級(jí)出水經(jīng)曝氣、沉淀、砂濾池過(guò)濾、臭氧氧化、活性炭吸附等措施深度處理后，通過(guò)土壤滲濾補(bǔ)充地下水，該設(shè)施于1979年投入運(yùn)行。
我國(guó)城市污水地下回灌技術(shù)研究剛剛起步，在“六五”至“八五”期間，雖然也針對(duì)不同目的開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，建立了土地處理系統(tǒng)，但也僅限于處理目的，尚未提到回用的高度。目前采用地下回灌技術(shù)的主要對(duì)象為河水和空調(diào)系統(tǒng)冷卻水等，其目的是防止地面沉降或空調(diào)冷卻水降溫。
2 地下回灌深度處理技術(shù)
2.1 水質(zhì)要求
為防止地下水污染，提供清潔水鏈，地下回灌水質(zhì)必須滿足一定的要求，主要控制參數(shù)為微生物學(xué)質(zhì)量、總無(wú)機(jī)物量、重金屬、難降解有機(jī)物等。地下回灌水質(zhì)要求因回灌地區(qū)水文地質(zhì)條件、回灌方式、回用用途不同而有所不同。發(fā)達(dá)和發(fā)展中國(guó)家由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件、公眾健康水平及社會(huì)政治因素的限制及差異，所制訂的回用水標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。
美國(guó)制訂的地下回灌標(biāo)準(zhǔn)較為嚴(yán)格和科學(xué)，得到廣泛認(rèn)可。加州在1976年公布了污水回灌地下水的第一個(gè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)草案，建議回灌污水在經(jīng)過(guò)二級(jí)處理后必須再經(jīng)過(guò)濾、消毒和活性炭吸附等深度處理，在回用前必須在地下停留6個(gè)月以上。水的注入點(diǎn)離地下水位至少3 m，抽水點(diǎn)離注入點(diǎn)水平距離至少150 m，抽取水中的回灌水不能超過(guò)50%。要求抽水點(diǎn)TOC<1 mg/L，回灌點(diǎn)CODMn<5.0 mg/L、TOC<3.0 mg/L、硝酸鹽(以計(jì))<45mg/L、總氮<10 mg/L、大腸桿菌<2.2 個(gè)/100 mL。另外美國(guó)21水廠(Water Factory 21)制訂的回灌水標(biāo)準(zhǔn)中要求氨氮<1 mg/L。
我國(guó)目前尚沒(méi)有具體的地下回灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 深度處理技術(shù)
城市污水地下回灌深度處理方法一般為傳統(tǒng)的污水處理方法，廢水處理的程度則取決于回灌的水量與水質(zhì)、地下水盆地和天然地下水稀釋的可能性、土壤類(lèi)型、地下水深度、回灌方式、使用前在含水層中的停留時(shí)間等。
確定深度處理技術(shù)需考慮廢水成分、選定技術(shù)對(duì)特定廢水參數(shù)的處理水平、選定地區(qū)的土壤滲濾處理效果等因素。土壤滲濾也叫土壤含水層處理，是地下回灌流程中一個(gè)重要組成部分，具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，其費(fèi)用僅為廠內(nèi)設(shè)備處理達(dá)到相同水平所需費(fèi)用的40%。土壤滲濾凈化機(jī)理包括慢速過(guò)濾、化學(xué)沉降、吸附、離子交換、生物降解、硝化與反硝化以及消毒等。土壤滲濾是地下回灌技術(shù)的主要特征，也是確定深度處理技術(shù)最重要的影響因素。
污水回用的目的不同，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和污水深度處理的工藝也不同。但要特別注意實(shí)現(xiàn)回灌前處理、土壤含水層處理、取水后再處理三者間的合理優(yōu)化。
3 存在的問(wèn)題及發(fā)展前景
3.1 限制因素
地下回灌無(wú)疑是一種具有廣闊前景的回用技術(shù)，但在其大規(guī)模推廣使用之前，必須從技術(shù)、工程、環(huán)境、社會(huì)、法律、經(jīng)濟(jì)等多方面出發(fā)進(jìn)行全面的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性分析，尤其是注重限制因素的綜合評(píng)價(jià)。這些因素主要包括系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)問(wèn)題、公共健康與地下水污染問(wèn)題、法律與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題等。
3.2 發(fā)展前景
我國(guó)目前面臨嚴(yán)重的水資源危機(jī)。水資源匱乏和水質(zhì)惡化使我國(guó)廣大地區(qū)出現(xiàn)了生活和工農(nóng)業(yè)用水困難，同時(shí)地下水的缺乏也導(dǎo)致地面沉降等一系列問(wèn)題。地下回灌這一新的污水回用戰(zhàn)略不僅可以作為城市污水二級(jí)處理出水回用的重要途徑，而且對(duì)整個(gè)地下水體系的管理也將是必不可少的內(nèi)容。
參考文獻(xiàn)
1 Takashi Asano.Proposed California regulation for groundwater recharge with reclaimed municipal wastewater. Water Science and Technology,1993;27(7)
2 Drewes J E, Jekel M. Simulation of groundwater recharge with advanced treated municipal wastewater. Water Science and Technology,1996;33(11)
3 Kanarek A et al.Municipal wastewater reuse via soil aquifer treatment for non-portable purposes. Water Science and Technology,1993;27(7)
作者通訊處：100084 北京清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院
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