再生水补充地下水水质指标及准则探讨

何星海，马世豪
（北京市环境保护科学研究院，北京 100037）

　　摘 要：再生水补充地下水是扩大污水回用最有益的一种方式，具有广阔发展前景。本文分析与总结了国外再生水补充地下水应用实例、水质标准和我国人工补给地下水应用与研究成果，并在此基础上，结合我国再生水的水质特点及水文地质状况，从保护地下水资源和人体健康的角度，探讨了我国利用再生水补充地下水应控制的水质标准及其技术准则。按地表回灌和井灌方式分别提出了水质基本控制项目COD、BOD、氨氮、粪大肠菌群数等21项，选择控制项目Hg、三氯甲烷等重金属和微污染有机物52项及其建议标准值。
　　关键词：再生水；补充地下水；水质标准；准则

　　随着全球性水资源短缺矛盾的日益尖锐，水资源问题已成为当今世界的热点问题。由于城市污水量大、集中且易于控制，因此，城市污水资源化被认为是解决水资源短缺最为经济合理、技术可行、行之有效的途径，同时也是促进21世纪可持续发展，保护优良生态环境的重要措施。再生水可用于景观用水、工业冷却水、灌溉、城市杂用和地下水回灌等。利用再生水回灌地下水可补充地下水水量之不足，防止地面下沉和海水倒灌，调蓄地下水量并有一定的水质净化作用，是污水资源化利用的重要方面。
　　 我国水资源的人均占有量很低，时空分布极不均衡。随着人口的增长和国民经济的发展，水资源供需矛盾日益突出，人口相对密集、经济相对发达的城市地区水资源短缺问题尤为严重。许多城市的水资源满足不了用水需求，尤其是以地下水作为供水水源的北方城市和个别沿海城市缺水量较大。为维持日常供水，多数城市被迫超采地下水，使地下水常年处于超采状态，造成地下水位逐年持续下降，地下水降落漏斗不断扩大，水质日趋恶化，并引发地质环境问题。因此在缺水地区迫切需要利用再生水有效、合理地回补地下水，增加水资源量。
　　国内外研究与实践经验表明：地下水是人类极为宝贵的水资源，与地表水体相比，地下水一旦被污染，存在着水质恢复费用昂贵，技术难度大，恢复周期漫长等突出特点，世界各国在地下水保护方面都奉行“以防为主，重在保护”的原则。再生水人工补给地下水作为人类自觉的、有意识的行为，必须以不污染地下水和不引起地下水区域性恶化，有利于地下水质量的改善为前提。
　　我国由于对有毒有害物质的管理还缺乏完善有效的法规与制度，工业废水的预处理程度较低，人们的卫生意识较差，造成我国城市污水水质成分相当复杂，从整体上说我国城镇污水处理水平与国外发达国家还有一定的差距，经城市污水处理厂二级处理后的出水水质较差，仍可能含有有机微污染物、粪大肠菌群、致病菌和病毒等有毒有害物质。我国由于缺少回灌水的水质标准、技术规范和实际经验，因此影响了再生水回灌地下水这一重要资源化工程的开展。研究和制定再生水回灌地下水的水质指标及回灌准则，防止地下水污染，保护人体健康，提供清洁水链，是当前发展再生水回灌地下水的关键问题之一。

1 国外再生水补给地下水及水质标准

1.1 国外再生水补给地下水应用概况
　　再生水补给地下水在国外已有较长的历史，以美国为例，早在二十世纪七十年代就开始使用再生水补给地下水，以防止海水入侵和地下水位的下降。加州橘子县为了防止海水入侵，1972年兴建了当时世界上最大的深度处理厂（21世纪水厂），设计能力为56 780 m³/d，于1976年投入运行。21世纪水厂的净化水通过23座多套管井，81个分散回灌点将再生水注入四个蓄水层，注水井位于距太平洋约5.6 km的地方。回注前，再生水与深层蓄水层井水以2︰1比例混合。
　　洛杉矶县于1973～1978年间，先后兴建了维梯尔－那罗斯再生水厂、圣乔斯再生水厂和帕摩那再生水厂三座再生水厂，并将这三个厂的再生水人工回灌至蓄水层，年回灌量达62×10⁶m³，约占蒙梯皮罗福尔湾总进水量的30%。
　　德克萨斯州的埃尔派沙（EL Paso），从1985年6月开始，将弗立德荷凡再生水厂的出水回灌至汉克鲍尔逊地下水蓄水层，供应埃尔派沙需水量的65%，同时地下水位的下降得到了控制。
　　随着全球性水资源短缺和水污染的加剧，美、法、德、以色列等发达国家都在推行再生水回灌技术。美国加州目前有200多个污水回用厂，为850多个用户提供再生水，每年约3.3亿m³回用量，回用水中约14%被回灌至地下水，而且将成为污水回用的主要方向。在法国，有30到50个污水处理厂采用土壤渗滤技术进行污水处理，出水或储存于含水层或抽走回用。法国地中海沿岸的Grau Du Roi市为减少或避免二级处理出水对附近旅游点海水的污染，出水经过几米深的自然土壤层的渗滤后回灌于地下的含水层中。在以色列再生水回灌地下占污水回用的30%左右。Dan Region工程是以色列最大的水回用项目，服务人口130万，日处理城市污水27×10⁵m³/ｄ，负责Tel-Aviv地区和临近地区城市污水的收集、处理、地下回灌和回用，回灌地下后，获得高质量的再生水，可不受限制地用于各种农作物灌溉等多种非饮用用途。
　　再生水回灌地下在国外已经得到广泛的应用，实践经验表明：将符合水质要求的再生水回灌地下含水层，可以有效地增加地下水资源的存储量，并可以较好地利用含水层的储水空间，起到年度和年际的调节作用。再生水回灌地下是扩大污水回用最有益的一种方式，具有广阔发展前景。
1.2 国外再生水补给地下水标准及准则
　　由于地下水补给水质要求因补给地区水文地质条件、补给方式、补给目的的不同而不同，因此很难制定统一的再生水补给地下水质标准。一般国家多是对再生水补给地下水水质要求制定统一的原则，有的国家如德国规定，再生水补给地下水的水质应不低于补给区地下水的水质，有的国家如以色列规定，回灌后水质应满足用水水质要求。在再生水补给地下水风险的控制与标准、准则的制定方面，美国以其严格与科学性得到了世界各国广泛的认可。表1和表2分别列举了美国环保局和美国加州有关再生水补给地下水的推荐标准。

表1 美国环保局再生水地下回灌水质标准

回灌类型

处理要求

再生水质

监测项目

对距离要求

地面入渗至非饮用蓄水层

取决于场地的特性与水的用途
至少一级处理

取决于场地的特性与水的用途

取决于处理工艺与水的用途

取决于场地的特性

地下灌注至非饮用蓄水层

取决于场地的特性与水的用途
至少二级处理

取决于场地的特性与水的用途

取决于处理工艺与水的用途

取决于场地的特性

地面入渗至饮用水蓄水层

取决于场地的特性
至少二级+消毒处理，可能还需要过滤和深度处理

取决于场地的特性
渗滤后符合饮用水水质标准

包括但不限于下列项目：
pH(（每日）
大肠菌群（每日）
余氯（连续）
饮用水标准项目（每季度）
其它（据成分定）

距抽水井600米，根据处理工艺和现场特定条件可以调整

地下灌注至饮用水蓄水层

包括：
二级处理
过滤
消毒
深度处理

包括但不限于下列项目：
pH=6.5-8.5
浊度≤2NTU
粪大肠菌群：不检出
余氯：1mg/L(最小值)
符合饮用水标准

包括但不限于下列项目：
pH(（每日）
浊度（连续）
大肠菌群（每日）
余氯（连续）
饮用水标准项目（每季度）
其它（据成分定）

距抽水井600米，根据现场特定条件可以调整

表2 美国加州再生水地下回灌水质标准

处理与回灌场地要求

项目分类

Ⅰ Ⅱ Ⅲ

处理要求

二级处理 要求 要求 要求 过滤 要求 要求 要求 消毒 要求 要求 要求 有机物去除 要求 要求

水质要求

抽水点：TN<10mg/l，TOC<1mg/l，并且要符合饮用水水质标准

再生水回灌量占抽水量的比例最大允许值（%）

50 20 50

回灌点地下水埋深（m）

渗透系数：<0.5cm/min

3

3 - <0.8cm/min 6 6 -

在地下停留时间（月）

6 6 12

回灌点离最近的饮用水供水井距离

150 150 600

　　　　　　　　注：项目分类中，Ⅰ、Ⅱ为地面入渗，Ⅲ为地下灌注。

2 国内人工补给地下水应用与研究现状

　　我国人工补给地下水是从20世纪60年代逐渐发展起来的，最初，为了控制地面沉降的需要，随之是为了储冷、开发利用地热资源和改造盐碱地，从20世纪70年代起主要以缓解水资源不足，调蓄地面迳流和增补地下水资源为目的。
　　上海市是我国开展地下水人工回灌技术最早的城市之一，尤其在管井回灌技术方面，获得了大量的实际资料和丰富经验。为了控制地面沉降，自1963年起在全市抽用地下水的中心地区进行管井回灌，至1971年通过人工回灌使地下水位平均上升了20.92m，到1974年上海地面沉降得到有效地控制。在实际回灌中，总结出了采取定期回扬的办法及时清除回灌井中的暂时性堵塞的经验。20世纪70年代起，许多工厂利用含水层中地下水流速缓慢和水温变化缓慢的特点，采取了地下水冬灌夏用和夏灌冬用措施，用回灌方法改变地下水的温度，提高了地下水的冷、热源效率。20世纪80年代起为了缓解水资源不足，北京、天津、河北、山西、河南、陕西等省市为增补地下水资源作了大量的人工补给地下水的试验研究，并在一些地方得到实际应用。如山东省桓台县的地下调蓄，挖渠2800公里，河、渠、沟相连渗水补给地下水平均每年的补给量约9000万m³。河北省获鹿县源泉灌区的地面渗水补给地下水，使地下水位平均回升7.5m。南宫县利用旧河道拦截雨、洪水补给地下水，保证了旱季的农灌需要，促进了农业生产。
　　我国利用雨、洪水、水库弃水和空调冷却水等，选择旧河道，平原水库、砂石坑和深井等进行不种形式的回灌，取得了明显的效果，积累了丰富的经验。通过对现有人工回灌运行资料分析可以看出：地层本身有较强的过滤净化能力，特别对细菌，BOD、COD效果更为显著，当回灌水源水质优于当地地下水时，回灌后在其影响范围内，地下水中相应的离子含量就降低，起到淡化和改善地下水质的作用。COD的变化与回灌水在地层中停留时间的长短呈函数关系。
　　尽管我国再生水回灌利用仍处于试验研究阶段，目前尚无利用再生水进行地下水回灌的应用实例。但是，我国对污灌对地下水的影响，污染物在地下水中的转移净化规律，地下水硬度和硝酸盐升高等问题的研究积累了丰富的资料，为开展再生水补充地下水的研究提供了依据。
　　为探讨可以回灌地下水的各类水源，北京市水文监测总站选择污染程度不同的龙潭泵站河水、凉水河水、京密引渠水，分别淋滤表层2m厚不同岩性的土层，进行模拟河、渠、沟、池连续渗漏的试验研究。研究结果表明：
　　(1) 各类不同的水体，通过不同岩性的地层后，其淋出液中各种污染物含量决定于加入液的水质和地层岩性。以NH₄-N和COD_Mn的降解率为最大，以砂质粘土和粘质砂土的净化能力为最强。
　　(2) COD_Mn的降解率除砂层为12.8～44.2%外，其它岩性的地层净化率均大于85.0%。NH₄-N的降解率砂层为83.9～87.3%，其它岩性的地层净化率均大于95.0%，最大可达99.9%。
　　(3) 各类不同岩性的地层对硬度和NO₃-N的净化率决定于加入液中硬度和NH₄-N的含量及地层中Ca²⁺、Mg²⁺和NO₃-N的含量。硬度除龙潭泵站河水通过粘质砂土和砂质粘土有所降低外，其它条件下均增高了。凉水河淋出液以粉土质砂土升高幅度为最大，升高率高达70.6%，砂层和粉土升高率较小，分别为5.3%和25.9%。NO₃-N的含量降低了5.1%～87.5%，而龙潭泵河水中NH₄-N的含量高达59.37 mg/L，严重的超过了地层的自然净化能力，其淋出液NO₃-N升高了20～110倍。
　　(4) 各类地层对高浓度的TDS具有一定的净化能力，而TDS含量低的加入液，溶解地层中的无机盐类，使其淋出液中TDS升高，一般升高6.3～20.3%，最高达24.9%。
　　(5) 淋出液中Cl^-和SO₄^2-含量变化不明显，总的趋势Cl^-降低，SO₄^2-升高。
　　由此可见，污水通过各类不同岩性的地层后，NH₄-N和COD_Mn基本上得到降解，NO₃-N和硬度升高，部分地层使其TDS和SO₄^2-升高。污染物含量较低的河水，通过各类地层后，对NH₄-N、COD_Mn净化能力较强，对NO₃-N、NO₂-N和Cl^-具有一定的净化作用，而对地层中的无机盐类有一定的溶解作用，使其淋出液中TDS升高，但升高幅度较小。

3 再生水补充地下水水质应控制的主要指标

　　再生水补充地下水，主要是通过地面入渗和地下灌注的方式，将再生水人工回灌地下含水层，使再生水参与地下水循环，再生水的水质及其补给技术将直接影响地下水和含水层的状态，其不良影响往往具有滞后性和长期性，因此，再生水补给地下水是一项极为严谨的工作，世界各国对其安全性都十分重视，再生水补给地下前必须满足一定的水质要求，即其水质不仅应满足回灌工艺对水质的要求，保证回灌过程稳定运行，同时还应保证回灌后，地下水水质类型不发生变化和不受到污染。根据这一原则，结合我国以城市污水为水源的再生水的水质特点和我国进行人工补给地下水的实践经验和研究成果，再生水补充地下水水质控制指标应包括以下几类：
　　(1) 引起回灌设施的物理淤塞、化学淤塞、气相淤塞、生物淤塞的物质，主要包括：
　　① 悬浮物，其含量过高会造成回灌区或回灌井透水层的堵塞，使回灌能力不断减小直至无法回灌。因此，一般对回灌水的悬浮物要求非常严格。地下灌注要求SS<10mg/L。
　　② 营养盐：主要指氮、磷等。可以总氮、氨氮、硝酸盐氮、总磷等作为控制指标。
　　③ 有机物：可以BOD、COD、TOC等作为控制指标
　　④ 微生物：可以细菌总数、大肠菌群数、粪大肠菌群数等作为控制指标。
　　①、③、④类物质可引起回灌发生生物化学堵塞，因此，应予以控制。
　　(2) 影响地下水水化学类型及离子的变化的指标，再生水的含盐量、硬度及正负离子性质控制不当将引起地下水水化学类型的变化，表现在：
　　① 在某回灌区出现重碳酸盐-钙、镁型水转化为中碳酸盐-氯化物-钙、镁型水，中碳酸盐-硫酸盐-钙、镁型水。
　　② 全盐量的变化：全盐量增加，可由0.5g/L增至0.7g/L。
　　③ 氯离子和硫酸根的变化：一般氯离子和硫酸根呈上升的趋势，要求硫酸根<250mg/L，氯离子<250mg/L。
　　④ 总硬度：上升，水质变差。
　　(3) 对人体健康具有潜在危害的有毒物质，根据我国再生水的水质特性，主要包括：重金属、持久性有机物、消毒副产物等。
　　(4) 卫生安全指标，主要控制病原微生物，粪大肠菌群数是较常用的控制指标，有条件的也可采用肠道致病菌、肠道病毒等作为控制指标。

4 再生水回灌地下水水质标准探讨

　　根据国内外资料和我国实际情况，建议再生水回灌地下水水质标准如表3、4所列。

表3 城市污水再生水地下水回灌基本控制项目及限值 单位 mg/L

序号

基本控制项目

地表回灌

井灌

表层粘性土厚度<1.0m

表层粘性土厚度≥1.0m

1

色度（稀释倍数） ≤

15

30

15

2

浊度 ≤

5

10

5

3

pH

6.5-8.5

6.5-8.5

6.5-8.5

4

总硬度（以CaCO₃计） ≤

450

450

450

5

溶解性总固体 ≤

1000

1000

1000

6

硫酸盐 ≤

250

250

250

7

氯化物 ≤

250

250

250

8

挥发酚类（以苯酚计） ≤

0.002

0.5

0.002

9

阴离子表面活性剂 ≤

0.3

0.3

0.3

10

高锰酸盐指数 ≤

6.0

15

6.0

11

化学需氧量（COD） ≤

20

40

20

12

五日生化需氧量（BOD₅ ） ≤

4

10

4

13

硝酸盐（以N计） ≤

15

15

15

14

亚硝酸盐（以N计） ≤

0.02

0.02

0.02

15

氨氮（以N计） ≤

0.2

1.0

0.2

16

动植物油 ≤

0.05

0.5

0.05

17

石油类 ≤

0.05

0.5

0.05

18

氰化物 ≤

0.05

0.05

0.05

19

硫化物≤

0.2

0.2

0.2

20

氟化物 ≤

1.0

1.0

1.0

21

粪大肠菌群数 （个/l）≤ 　 3

　1000

3

表4 城市污水再生水地下水回灌选择控制项目及限值单位 mg/L

序号

选择控制项目

标准值

序号

选择控制项目

标准值

1

总汞

0.001

27

三氯乙烯

0.07

2

烷基汞

不得检出

28

四氯乙稀

0.04

3

总镉

0.01

29

苯

0.01

4

六价铬

0.05

30

甲苯

0.7

5

总砷

0.05

31

二甲苯^a

0.5

6

总铅

0.05

32

乙苯

0.3

7

总镍

0.05

33

氯苯

0.3

8

总铍

0.002

34

1，4-二氯苯

0.3

9

总银

0.05

35

1，2-二氯苯

1.0

10

总铜

1.0

36

硝基氯苯^b

0.05

11

总锌

1.0

37

2,4-二硝基氯苯

0.5

12

总锰

0.1

38

2,4-二氯苯酚

0.093

13

总硒

0.01

39

2,4,6 –三氯苯酚

0.2

14

总铁

0.3

40

邻苯二甲酸二丁酯

0.003

15

总钡

1.0

41

邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯

0.008

16

苯并(a)芘

0.00001

42

丙烯腈

0.1

17

甲醛

0.9

43

滴滴涕

0.001

18

苯胺类

0.1

44

六六六

0.005

19

硝基苯

0.017

45

六氯苯

0.05

20

马拉硫磷

0.05

46

七氯

0.0004

21

乐果

0.08

47

林丹

0.002

22

对硫磷

0.003

48

总α放射性 （Bq/L）

0.1

23

甲基对硫磷

0.002

49

总β放射性（Bq/L）

1

24

五氯酚

0.009

50

三氯乙醛

0.01

25

三氯甲烷

0.06

51

丙烯醛

0.1

26

四氯化碳

0.002

52

硼

0.5

a 二甲苯：指对-二甲苯、间-二甲苯、邻-二甲苯。
b 硝基氯苯：指对-硝基氯苯、间-硝基氯苯、邻-硝基氯苯。

5 再生水补给地下水基本技术要求

　　为了保证再生水补给地下水工程的安全顺利实施，利用再生水补给地下水应遵照一定的技术准则进行。其基本要求包括以下几个方面：
5.1 一般要求
　　（1）利用再生水补充地下水必须根据地下水的理化性质、水文地质条件及地下水的用途严格控制再生水的水质，防止地下水污染和水质恶化。
　　（2）根据地下水补给的目的确定补给方式、补给量和补水水质，利用再生水补给地下水的目的主要是：
　　① 增加地下水资源量，保持地下水的采补平衡。
　　② 调节水资源量，增加水的重复利用率。
　　③ 控制地面沉降，防止地下水污染和海水入侵，改善地下水水质。
　　④ 冬灌夏用或夏灌冬用，利用能源。
　　(3)再生水补给地下水的适宜条件是：
　　① 具有稳定安全可靠的再生水资源。
　　② 地下水过量开采，出现地下水位下降漏斗，自然水资源总体短缺，不能满足补给地下水的要求。
　　③ 具有适合地下水人工补给水文地质条件，投资省，效益高。
　　④ 优先利用天然河道，人工排灌沟渠，古河道，洼地、坑塘等，经过整治用以补给地下水。
　　(4)应做好再生水补给地下水规划，有计划、合理地调配水资源量，充分利用和节约水资源。
5.2 对回灌技术的要求
　　(1)必须根据回灌区水文地质条件，是否有利于回灌和具有良好的入渗途径及贮水空间等，圈定回灌范围，确定回灌方式，回灌量和回灌水水质，制定最佳的回灌方案。
　　(2)人工回灌地下水是一项系统工程，必须掌握基本的回灌技术，以取得最佳的回灌效益。在回灌过程中应做到：
　　① 掌握回灌量和回扬量及地下水动态变化，及时掌握有无堵塞现象。
　　② 掌握好回扬次数和时间，每次回扬达到水清砂净。
　　③ 严格检查回灌水源水质是否符合标准。
　　④ 定期观测地下水水位、水温和采样分析水质，及时掌握动态变化，发现问题及时采取相应的处置措施。
　　(3) 清除回灌区污染源
　　监测资料证明污水河、渠、沟连续渗漏和降水淋滤生活垃圾等固体废物断续下渗，均会对地下水造成严重的污染，在回灌地区必须清除以上污染源。
5.3 监测与管理要求
　　(1) 再生水回灌工程应沿地下水流和垂直于地下水流向布设控制全区的监测网。监测点可分为控制性监测点和一般性监测点。监测点密度可根据工作比例尺和环境水文地质条件而定。控制性监测点数量不应少于监测点总数的40%。
　　(2) 再生水回灌地下水基本监测项目为水位、水温和水质。
　　(3) 监测时间和频率的确定。在回灌前普遍观测一次地下水位，回灌开始后由近至远，至接近回灌前水位时止，应每天观测1～2次水位，随着回灌时间的延长，经分析对比，可缩减测次，一般3天观测一次，一直至停灌半个月后，改为5天观测一次，观测一个水文年。
　　(4) 水质采样监测，在回灌前对控制性监测点普遍采样进行一次水质全分析，回灌开始后5天、15天、1个月分别对回灌水和地下水采样进行分析，直至停灌3个月后，改为每季度采样分析一次。采样分析数量不得少于监测点总数的30%。
　　(5) 水温观测与采样监测同步进行，停灌3个月后，经分析对比，可缩减测次数及测温点数。
　　(6) 记录及结果整理要求。在整个回灌过程中，密切注意地下水动态变化，系统观测和记录回灌水量、地下水水位、水温和水质状况，经综合整理与分析，按时间序列编制报表和变化过程曲线等有关表和图，从而找出规律性，提高回灌效率，同时为再生水回灌地下水积累经验数据。
5.4 对再生水处理工艺的要求
　　(1) 再生水处理是指将城镇污水处理厂二级出水作为水源水，再根据回用水的不同水质要求进行的进一步处理。
　　(2) 再生水处理工艺通常采用的有：化学混凝沉淀（气浮）、过滤、吸附、化学氧化、生物脱氮除磷、膜处理、脱盐、消毒等。
　　(3) 必须根据二级污水处理厂的出水水质和技术经济条件选择再生水处理工艺，要求技术合理，经济可行。
　　(4) 采用地表回灌方式补给地下水作为非饮用水水源时，应经过混凝沉淀、过滤和消毒处理。根据水质标准要求有选择地增加生物脱氮除磷、膜处理、脱盐等处理。
　　(5) 采用井灌方式补给地下水作为非饮用水水源时，除应经过混凝沉淀、过滤和消毒处理外，还应根据水质标准要求有选择地增加化学氧化、生物脱氮除磷、膜处理、脱盐等处理。
　　(6) 混凝沉淀包括化学沉淀和气浮法。混凝沉淀主要是去除再生水的悬浮物、重金属盐类和总磷等污染物，应选择符合饮用水标准的化学净水药剂和材料，处理过程产生的污泥应妥善处理或利用，不得造成二次污染。
　　(7) 生物脱氮除磷是利用生物法去除水中的氮磷等营养物质，宜采用曝气生物滤池、膜生物反应器等工艺。
　　(8) 脱盐是去除再生水的硬度和溶解盐类，宜采用化学软化除盐法、电渗析法、纳滤、反渗透法或离子交换法等。

参考文献

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　　[9] 丁昆仑. 人工回灌地下水的有效途径和方法探讨. 中国农村水利水电, 1996年第1, 2期.