再生水灌溉技术研究现状与展望_吴文勇

第24卷第5期农业工程学报V ol.24 No.5

302 2008年5月 Transactions of the CSAE May 2008

再生水灌溉技术研究现状与展望

吴文勇1,2，刘洪禄2※，郝仲勇2，许翠平2，师彦武2（1．中国地质大学（北京）水资源与环境学院， 北京 100038； 2．北京市水利科学研究所， 北京 100044）

摘 要：再生水灌溉利用是世界范围内缓解农业水资源短缺的重要途径，该文分析了国内外再生水利用研究现状与问题，提出了今后重点研究方向。再生水灌溉对土壤-植物系统影响的研究主要集中对农产品产量、品质的影响以及对土壤物理性质、盐分、重金属、养分形态与利用率、生态毒性的影响方面；再生水灌溉对地下水的影响研究主要集中在土壤-地下水系统盐分、重金属、氮磷形态与含量及迁移转化规律方面；再生水安全灌水技术、不同灌水技术下污染物迁移转化规律、灌区优化调度模式等成为研究热点之一。国外发达国家建立了比较完善的再生水安全灌溉的标准、规范体系。今后，应重点研究建立适合中国国情和区域特点的再生水适宜灌溉的作物分类目录、再生水安全灌溉区划方法、再生水安全灌水模式、再生水灌溉风险评价方法与标准及规范体系。

关键词：再生水；灌溉；研究现状

中图分类号：S273.5 文献识别码：A 文章编号：1002-6819(2008)-4-0302-05

吴文勇，刘洪禄，郝仲勇，等．再生水灌溉技术研究现状与展望[J]．农业工程学报，2008，24(5)：302－306．

Wu Wenyong, Liu Honglu, Hao Zhongyong, et al. Review and perspectives of research status on reclaimed wastewater irrigation technologies[J]. Transactions of the CSAE, 2008,24(5)：302－306.(in Chinese with English abstract)

0 引 言

再生水指城市污水经再生水工艺处理后具有一定功能的水[1]。世界范围内的水资源短缺推动了污水再生利用，预计到2030年，我国缺水量将达130亿m3，再生水可利用量将达到767亿m3[2]。美国、澳大利亚、以色列、日本、法国等已将再生水回用作为缓解水资源危机的重要举措，预计以色列、澳大利亚、突尼斯等再生水回用总量将分别达到水资源总需求量的25%、11%和10%[3,4]。农业灌溉是再生水利用的主要形式，澳大利亚的Werribee农场从1897年开始利用再生水灌溉[5]，美国再生水回用量中42%的水量用于农业灌溉[6]，中国再生水灌溉利用处于起步阶段，北京市规划到2010年建设再生水灌区4.0万hm2，利用再生水3.0亿m3[7]。近30年来，随着再生水灌溉面积的增加，其安全性及对环境的影响引起广泛关注[8-10]，国外相关研究主要集中在再生水灌溉对植物生长、土壤质量、地下水质量的影响以及安全灌水技术方面，中国对于再生水灌溉技术的研究起步较晚，本文重点阐述相关领域研究进展、存在的问题与今后的研究重点。

1 再生水灌溉对作物生长影响的研究

研究再生水灌溉对根冠生长、收获部位产量与品质

收稿日期：2007-07-19 修订日期：2008-05-05

基金项目：北京市“十一五”重大科技课题（D0706007040291）；国家“863”计划项目（2006AA100205）

作者简介：吴文勇（1977－），男，江苏射阳人，高级工程师，博士研究生，主要从事再生水灌溉、农业节水方向的研究，北京市海淀区车公庄西路21号中国地质大学（北京），100044。Email: wenyongwu@https://www.wendangku.net/doc/6015075886.html,

※通讯作者：刘洪禄（1963－），男，辽宁营口人，教授级高工，博士，主要从事再生水灌溉、农业节水方向的研究，北京市海淀区车公庄西路21号中国地质大学（北京），100044。Email: liuhonglu@https://www.wendangku.net/doc/6015075886.html, 的影响规律是开展再生水适宜灌溉的作物筛选的基础性工作。国内外再生水灌溉试验研究的对象包括一年生作物、果树、牧草、草坪等。再生水沟灌条件下西红柿果实体积和质量显著增加[11]，作者研究发现再生水灌溉对冬小麦、夏玉米、苜蓿产量没有显著影响，再生水灌溉平均增加蔬菜产量达到20%以上，再生水对蔬菜总糖、粗蛋白、维生素等营养成分没有显著影响。350、440和515 mm 3个再生水处理灌溉棉花的产量与等量淡水加相应肥料灌溉获得的产量相当[12]，产量增加得益于再生水中含有丰富的营养元素。由研究表明，再生水灌溉莴苣、胡萝卜、白菜、芹菜、菠菜、番茄等蔬菜与常规水肥灌溉获得了相似的产量和品质[13, 14]。

牧草、草坪再生水灌溉也较为普遍。试验表明，再生水灌溉苜蓿、芦苇草、雀麦草、阿尔泰野生黑麦、高麦草，可以促使土壤含氮量增加，提高了作物产量，但再生水中磷含量超过作物需求，苜蓿是利用再生水灌溉的最佳饲料类作物[15]，再生水灌溉导致向日葵叶片氮素含量增加，光合效率增加[16]，植株Ca2+、Mg2+、Cl-含量出现增加[17-20]。再生水灌溉C4草种可以获得更好的产量与品质[21]，草坪草再生水灌溉可以节肥32%～81%[8]。

再生水在果园得到成功利用，再生水中磷、钾、镁、铁等营养元素可以满足葡萄生长的需要，但是再生水灌溉条件下叶片磷、钾含量增加会对葡萄生长存在潜在危害[22]，再生水灌溉香蕉会导致土壤饱和导水率下降，而清水、再生水混合灌溉处理取得较高产量，上述两处理SAR和EC增加并没有导致产量下降[23]，再生水灌溉将促进养分吸收，尽管土壤盐分有所增加，但是并不影响作物生长[24,25]。此外，由于再生水灌溉时中污染物不易进入食物链，林木也成为再生水灌溉的主要研究对象之一[26-28]。

第5期吴文勇等：再生水灌溉技术研究现状与展望303

2 再生水灌溉对土壤质量影响的研究

再生水灌溉对土壤质量影响程度直接关系到土壤的生产能力和土壤生态平衡，通过研究建立再生水灌溉条件下防止土壤质量恶化的技术措施。目前，国内外研究重点包括再生水灌溉对土壤结构、孔隙率、导水率等物理性质、对重金属、持久性有机污染物、盐分、养分等化学性质与土壤微生物群落的影响等方面。

再生水表面活性剂含量较高时对土壤入渗性能与毛管张力有显著影响[29]。长期再生水灌溉对土壤孔隙率和镁含量造成影响，造成土壤密实度增加，对营养物的吸持能力下降[30]。作者调查发现，北京市主要污水处理厂二级处理出水中重金属含量比国内或发达国家灌溉水质标准低1～2个数量级。长期再生水灌溉条件下土壤Cd 的累积问题不容忽视[31]。100a污灌历史与50a污灌历史的土壤相比，土壤pH和有机碳（TOC）含量降低，作物对Zn和Pb的吸收量增加，其他重金属含量未发现明显增加[32]，作者研究得出，具有30a污灌历史的土壤重金属含量与对照相比无显著增加。对6～41a污水灌区的调查发现，TOC、硼、Zn含量随着灌溉年限的增加而增加，有几种作物中的Cd、Pb含量超标情况突出[33]，因此，农业生产中应当避免利用污水直接灌溉。

再生水灌溉一般不会导致土壤pH值上升[34]，但也有研究表明，再生水灌溉会导致土壤pH值有轻微上升[35-38]，主要原因是再生水中含有丰富的营养元素和盐分导致pH值增加。以色列政府1998年和1999年连续2a对全国200余个再生水灌溉的柑橘和鳄梨园的调查发现，与淡水相比，再生水灌使土壤钠吸附比值（SAR）、N、P、K和B含量增加，土壤电导率（EC）值和部分重金属的含量无明显变化。再生水灌溉草坪草（狼牙根）引起土壤EC值、钠、磷、钾含量均显著增加，而铁、锰、铜、锌、锌含量以及pH值无显著影响[38]。对美国干旱与半干旱地区5处再生水灌溉（灌溉时间4～33a）与5处地表水灌溉的高尔夫球场绿地的对比试验研究，土壤EC 值与钠吸附比（SAR）分别增加187%和481%，土壤钠、硼分别增加200%和40%，土壤pH值增加0.3个单位，土壤有机质无显著变化，研究区域为干旱少雨地区，土壤蒸发强烈，土壤盐分累积较为明显，可以认为在干旱少雨地区盐分累积是再生水灌溉的主要问题之一[37]。

再生水灌溉条件下土壤氮素的利用效率研究也不断受到重视。再生水灌溉条件下随着NO3--N浓度的增加、土壤含氧量的减少，更加有利于发生反硝化作用[10,24,39]. 反硝化作用增强2～50倍[10,40]。再生水灌溉会增加土壤中有效磷的含量，土壤中磷的含量主要与土壤的吸附量、作物提取量与污水带入量密切相关[10,41-43]，通过收获可以把磷带出土壤-植物系统[36, 44]。采用污水土地处理与污水回用相结合系统，污水中的氮素经过作物的吸收以及氮素的硝化、反硝化等各种迁移转化过程后，排水中的氮素可以满足环境要求的排放标准[45]。

利用化学分析和生物测试相结合方法研究再生水灌溉条件下土壤中芳烃受体效应物质的积累、判断土壤生态毒性变化规律是今后研究的主要方向之一[46]，再生水灌溉条件下土壤多环芳烃污染与无脊椎动物体内发生的基因损伤与修复具有相关性[47]，济南北郊污水直接灌溉区土壤动物的群落结构衰退，多样性和均匀度下降，垂直分布出现逆分布型[48]。再生水灌溉对土壤生态系统影响机理与量化方法的研究需要进一步加强。

3 再生水灌溉对地下水质量影响的研究

再生水灌溉利用应当防止其对地下水的污染，通过研究建立科学灌溉制度和灌区建设模式。灌区地下水的防污性能与包气带岩性、地下水力学特征、再生水灌溉制度、灌区工程布置等有关，当前研究主要关注再生水灌溉对地下水盐分、氮素、重金属含量等的影响。

再生水中钠含量较高，灌溉入渗补给地下水的过程中，Na+、Ca2+发生离子交换反应，导致地下水中盐分增加[19, 49, 50]。采用δ15N示踪方法研究得出污水灌溉导致地下水中硝氮含量增加[51]，由于黏土土壤通透性较差，再生水灌溉时反硝化速率显著增加，土壤氮素利用率下降，但这可以减少氮素渗漏对地下水的威胁[52]。土壤对磷具有较强的吸附能力，避免了P在深层包气带的迁移[53]。长期使用污水直接灌溉对浅层地下水水质造成了相当程度的污染[54-56]，污水直接灌溉首先在上层土壤产生淋溶，到7～8 m左右的深度，灌溉水的淋溶作用基本消失[57]，地下水埋深小于7 m的污水灌区容易造成地下水污染，在地下水埋深浅、包气带渗透性好的地区不宜进行再生水灌溉。作者研究表明，再生水灌溉对地下水水质的影响与包气带防污性能有关，北京平原区再生水灌溉包气带弱透水层厚度达到6～8 m以上可以有效防止氮、磷对地下水的污染。再生水灌溉时含有的农药对地下水污染的相关研究目前仅限于室内试验, 目前还没有长期的监测数据来支持模拟结论[58]。

4 再生水安全灌水技术研究

该领域重点研究不同再生水灌溉方式下主要污染物的迁移转化规律以及病原微生物的传播、消亡规律，通过优化选型与系统配套建立再生水安全灌溉系统，保障对农业生产者、消费者与公众的健康。

再生水灌溉是一个系统工程。以色列农业再生利用工程一般包括预处理工程、水源调蓄工程和节水灌溉工程等3部分，利用土地含水层处理技术处理与调蓄再生水，实现季节性调蓄，促进了再生水的高效利用。澳大利亚墨尔本Weribee农场通过土地渗滤、地表渗流、氧化塘等方法对污水进行渗滤处理，对生化需氧量、悬浮物、有机碳、N、P、Zn、Cu、Pb等去除率达到94%～99%，对Cr、Cd、Hg、Ni去除率达到75%～90%[4]，改善再生水水质将有力促进再生水的安全利用。

再生水滴灌技术可以减少灌溉水与人群接触的机会，实现再生水安全灌溉[59-61]，病毒可以在滴灌管周边10 cm范围内存活28 d，地下滴灌可以有效减少细菌在叶片的累积，应注意作物选择与灌溉方式选择[62]。沟灌条件下，西红柿果实表皮易于富集细菌，导致果实污染，

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果实不宜生食[11]。灌溉时，气体中的病菌含量是污水浓度的函数，一级出水用于灌溉果园、牧草、纤维、籽种类植株有60a的历史，没有对健康任何有害的影响[63]，病菌不会进入果实，除非果皮被破坏[64]，再生水喷灌区下游40 m处检出艾柯病毒[65]。再生水灌溉条件下土壤表面湿度影响土壤细菌总数，地面滴灌处理地面细菌总数远高于与地下滴灌处理相比[66]。研究人员利用β模型计算高尔夫球场利用再生水灌溉的风险，同时假设一个人每天通过接触高尔夫球暴露于1 mL的再生水中，最终计算出一天、一年和一生中感染脊髓灰质炎病毒的风险[67]。再生水灌溉条件下病菌在土壤与地下水中的存活与传播规律等方面有相关报道[9]。上述研究对于再生水灌区建设与灌溉管理具有重要意义。

过滤系统是保障再生水微灌系统正常运行的关键环节，二级处理出水滴灌是应当配置80目的过滤器，并且要求每两周冲洗一次管网系统[68]，80目和120目二级过滤可使再生水灌溉系统运行2a以上，再生水滴灌灌水器应当选择内镶式滴头，压力补偿式滴头易堵塞[69]。再生水滴灌系统应当配置砂石过滤器，以减少有机质，防止系统堵塞[70]。

为了推动再生水的安全灌溉，针对非加工类食品作物、加工类食品作物、非食用类作物等不同作物类别，美国、澳大利亚、新西兰、以色列、加拿大、FAO、WHO 等国家或国际组织建立制定了相关标准规范[4, 71-73]，对再生水水质、适宜作物类型、灌溉方式、灌区管理、警示标识、管网布置、灌区缓冲距离等均有详细的规定。

5 结论与建议

农业再生水利用将有效缓解区域水资源短缺形势，应当研究再生水作物安全灌溉技术体系，避免利用污水直接灌溉。国内外再生水灌溉技术领域开展了大量的研究。再生水灌溉对于作物影响的研究涉及一年生作物、果树、牧草、草坪等不同作物，研究的重点集中在再生水灌溉对作物产量与品质、养分的吸收与高效利用、植物生理的影响特征等方面。再生水灌溉对土壤质量影响的研究主要集中在土壤重金属、盐分、养分、持久性有机污染等含量变化特征与影响效应的研究，再生水灌溉对土壤氮素硝化与反硝化及其利用效率方面的研究文献报道较多。再生水灌溉对地下水质量影响的研究相关文献报道较少，应当经一步加强，目前，利用示踪法研究再生水灌溉对土壤盐分、氮、磷的迁移转化是新的研究方向，再生水灌溉条件下土壤与地下水系统中持久性有机物污染变化规律的研究较少。再生水灌水技术的研究主要集中在再生水地下滴灌与地表滴灌条件下盐分、水分、病原微生物的迁移变化规律方面，再生水微灌技术的研究成为研究的热点，对于再生水灌区建设模式与安全管理模式的研究鲜见报道，相关研究不够充分和系统。同时，国外发达国家建立了比较完善再生水安全灌溉的标准、规范体系，中国再生水灌溉技术规范标准体系尚未建立。

针对中国国情，在国内外现有研究基础之上，需要进一步研究再生水灌溉对中国主栽作物产量与品质的影响，筛选建立我国再生水推荐灌溉的作物分类目录；研究再生水灌溉条件下主要污染物在土壤-植物系统迁移转化规律及其对土壤生态系统的影响与诊断方法；研究再生水灌溉对区域地下水质量的影响规律，并建立再生水安全灌溉区划方法；加强再生水灌区的系统组成、优化设计与调度调蓄的研究，完成对再生水沟灌、畦灌、微灌等灌水技术的适应性筛选，建立再生水安全灌水技术模式；研究建立再生水灌溉对环境影响的风险评价指标与评价方法，同时应当研究制定适合中国国情的再生水安全灌溉标准与规范体系。

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Review and perspectives of research status on reclaimed wastewater

irrigation technologies

Wu Wenyong1,2, Liu Honglu2※, Hao Zhongyong2, Xu Cuiping2, Shi Yanwu2

(1. School of Water Resource and Environment, China University of Geosciences, Beijing 100038, China;

2. Beijing Hydraulic Research Institute, Beijing 100044, China)

Abstract: Reclaimed wastewater irrigation（RWI）is one of the most important measures to deal with water shortage in the world. The present research status and problems of RWI in the domestic and foreign countries are analyzed and the future major research goal is offered in this paper. The effect of RWI on the soil-plant continuum concentrates on the crop quality, crop quantity, soil properties, heavy metals, salt, nutrients composition and utilization coefficient, ecological toxicity, etc. The research of RWI on groundwater focuses on salts, heavy metals, phosphorus, nitrogen composition and pollutants transport, and so on. There are many reports about the optimum distribution of water resources in the irrigation districts, safe irrigation technologies, pollutants transform and migration under different irrigation systems. Many guidelines on RWI have been drawn out in developed countries. Based on the situation of China, further researches, such as the feasible crop classification, feasible irrigation area allocation, the safe irrigation system, environmental and healthy risk evaluation, should be done in the future. Guideline and criterions about RWI should be established.

Key words: reclaimed wastewater; irrigation; research status