北京市再生水回灌必要性及关键问题研究

　　摘要 水资源短缺及水污染制约经济发展，影响了公众的健康。另一方面，北京市再生水资源十分丰富，如何合理安全利用再生水资源，是北京市重要的水资源战略举措。再生水通过人工回灌补给地下水增加供水资源、节省高质量的水资源、保护环境和具有经济方面的优越性。但是，将再生水补给地下水，这样的工程会遇到技术条件和卫生要求的双重挑战，所有的问题都必须在项目开展前仔细做好评估。笔者重点分析了北京市再生水回灌地下水的必要性及关键问题。

　　关键词 再生水 回灌 地下水 水质

　　1999—2009 年，北京市遭遇连续11 a干旱，平均降雨量457 mm，相当于多年平均（585 mm）的78%。年均形成水资源量约21.6 亿m3，为多年平均水资源量的56.8%。人均水资源不足200 m3 [1]。

　　由于水资源总量不足和近年连续干旱，地下水占北京市用水总量的比例越来越大，目前北京市地下水资源开采已占到全市供水总量的2 / 3 以上。自20 世纪90 年代起，北京市地下水以每年24 亿m3 至27.6 亿m3 持续开采，平原区大部分地区地下水连年处于超采状态；到2005 年，超采区面积已达到5 980 km2，其中严重超采区面积达到了2 186 km2，地下水平均埋深由1978 年的6.4 m增大到2008 年的22.9 m [1]。

　　另一方面，随着北京市水环境治理力度加大和市政污水处理基础设施建设的加快，污水处理率越来越高，再生水水量也越来越大。2009 年全市污水处理量达到10.8 亿m3。因此对于北京这样一个严重缺水的地区，再生水无疑是个新的水源。再生水大规模利用，最重要的一点就是如何有效、安全，既能最大限度地缓解北京市水资源紧缺形势又能确保规模利用不会对当前的地下水环境产生难以修复的影响。再生水通过人工回灌补给地下水，再通过土壤- 含水层（SAT）系统实现了对水质的进一步处理，不仅可以提高再生水利用安全性，同时也增加公众对再生水资源回用的信心。

　　1 再生水用于地下水回灌的国内外经验

　　随着全球性水资源短缺和水污染的加剧，美、法、德、澳、以色列等发达国家都在推行再生水回灌技术。美国加州200 多个污水回用厂，回用水中约有14%被回灌至地下含水层，而且将成为污水回用的主要方向。美国给水协会对155 座城市供水的研究结果表明，给水水源每30 m3水中就有1 m3是从上游城镇污水系统排出的。在法国，有（30～50）座污水处理厂采用土壤渗滤技术进行污水处理，储水或储存于含水层或被抽走。2008 年澳大利亚已有5 个州运行地下水回灌工程， 2 个州正在研究。1999 年在南澳大利亚的玻利瓦尔（Bolivar）采用含水层储存回采工艺进行再生水地下回灌， 2008 年艾丽斯斯普林斯（Alice Springs NT）应用土壤含水层处理技术回灌再生水。以色列再生水回灌地下占污水回用的30%左右。达恩地区（Dan Region）工程是以色列最大的回用项目，服务人口130 万，处理城市污水2.7 × 106 m3/d，负责特Tel-Aviv 地区和邻近地区城市污水收集、处理、地下水回灌和回用，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[2]。

　　值得一提的是， 1978 年11 月，美国洛杉矶卫生局对再生水补给饮用水蓄水层进行了健康评价，由南加尼福利亚州供水局和洛杉矶县公共工程部门共同负责。主要目的是评估处理的再生水补给地下水所造成的健康影响。研究的内容包括：研究再生水补给水源和地下水后的毒性和化学组分，分离和鉴别再生水中对人体健康有重大影响的有机组分、开展流行病学研究，比较和评价再生水利用人群的健康状况与其他人群健康状况的差异。最后的研究结果：饮用该区域地下水，没有发现人们有任何负面的影响[3]。

　　我国人工地下水回灌积累了丰富的经验，从20 世纪60 年代就开始人工补给地下水的应用，主要目的是为了控制地面沉降、开发利用地热资源和改造盐碱地。20 世纪80 年代为了缓解水资源不足，在北京、天津、河北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，并在许多地方得到实际应用研究。回灌主要利用雨、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同形式的回灌，取得了明显的效果，积累了丰富的经验。通过现有人工回灌运行资料可以看出：地层本身有较强的过滤净化能力，特别细菌、BOD、COD 效果更为明显。

　　根据国外经验，大规模的再生水工程应用实例和技术安全效果评估结果对再生水回灌作为饮用水提供了有力而可靠的保证。利用可靠的污水处理技术与土壤含水层处理相结合生产的回用水满足饮用水标准一般应是安全可靠的。国内经验为再生水大规模回灌地下水提供了技术支持。但我国在污水回用方面，尚未有广泛的研究和工程实践，因此在这方面我们一定要充分辩证地吸取国外经验，然后根据北京市实际情况，制定适合于北京市的再生水回灌技术与相关保障措施。

　　2 地下水回灌方式

　　地下水回灌形式多种多样，一般是利用旧河道、渠道、平原水库、砂石坑、池塘、大口径井和深井等,人为地将地表水自流或加压注入地下含水层(储水层)。

　　人工补给地下水一般可分为地面渗水补给和地下灌注渗水补给等类型。

　　（1）地面渗水补给包括洼地和砂石坑渗水补给、水库渗水补给、河道和渠道渗水补给等。地表具有良好的渗水层，如砂卵砾石和砂层，一般采用河道、渠道、砂石坑、池塘、洼地等，人为地引水，使水自然渗漏进入含水层。如大宁水库渗水补给、卢沟桥拦河闸拦蓄永定河水渗入补给、西黄村砂石坑渗水补给等，均属于地面渗水补给。

　　（2）地下灌注渗水补给是在包气带为弱透水层时，为了使补给水直接进入下部强透水层、采用管井、大口径井、竖井和坑道灌水注入地下补给地下水。管井回灌是常用的注水补给方法，常用来补给较深的潜水和承压水含水层。如首钢的大口井回灌、80 年代一些企事业单位利用深井进行回灌，都属于地下水灌注渗入补给。

　　3 北京市再生水回灌的条件

　　考虑再生水水量水质状况、合适的场所、含水层空间以及对开采的需求程度来讨论北京市再生水用于地下水回灌的条件。

　　再生水水源充足：城市污水不受气候影响、就地可取、稳定可靠，具有保证率高的优点。2009 年全市污水处理量达到10.8 亿m3，而再生水利用量6.5 亿m3。

　　污水处理技术提高，水质有保障：北京市城镇污水收集系统和再生水厂不断建设运行，北京市污水率不断提高，污水处理水质标准的日益严格，为再生水提供了水量充足、水质良好的水源。而作为再生水回用水质保障核心的尝试处理技术也在不断扩展和成熟应用，如：强化混凝沉淀技术、强制过滤技术、硝化与反硝化技术、微滤及超滤膜技术、高级氧化技术等。再生水的卫生学保障消毒处理如臭氧、紫外线、二氧化氯等杀菌消毒技术均已比较成熟，并已在国内外得到了广泛的应用，这些技术的发展和应用研究为再生水回灌的水质指标要求提供了极大的保障。

　　含水层空间：由于连续的枯水年，北京市大量的利用地下水资源，目前密云、怀柔、顺义、大兴、门头沟、通州、海淀、房山等地区地下水开采程度都较大，由于地下水长期过量开采，含水层逐渐疏干，形成了比较大的可调蓄空间。

　　再生水回灌饮用回用健康风险评价：清华大学核能技术设计研究院与北京排水集团公司合作进行了二级生化出水深度处理后地下回灌的研究，以活性炭吸附深度处理后出水为例，对饮用回用的以下几个方面进行了风险评价：致癌风险、Ames 试验、重金属污染物、病原体。最后的结论再生污水回灌于地下含水层，经过进一步净化，与天然地下水混合后再抽取出来作为饮用回用，其健康风险经初步实例估算，完全在可以接受的范围[4]。

　　4 再生水补给地下水关键问题

　　4.1 再生水回灌需要解决的问题

　　再生水作为一种重要的水资源，回灌过程中还需考虑地下水对人体健康的影响、经济可行性、自然条件、法律规定、水质条件以及再生水的可用性等因素。在这些条件中，健康问题是重要的限制条件。考虑长期暴露于低浓度污染物所产生的健康影响，同时对有毒物质造成的急性毒性问题都必须慎重考虑。

　　将污水转化为地下补给水要考虑以下水质问题：（1）营养元素： NO3、NH3、PO4；（2）痕量重金属：As、Cd 等；（3）消毒副产物及其前体物： DOC、Br-、HAA 等；（4）有健康危害的有机物：杀虫剂、除草剂、溶剂、优先污染物；（5）痕量有机物（致病有机倾倒物）：乙二胺四乙酸（EDTA），萘二羧酸（NDC）等；（6）药物：内分泌干扰物；（7）致病菌：病毒、粪便大肠杆菌与杆菌。因此，要想将污水转化为地下补给水还需面临一系列技术和卫生挑战。在选择预处理过程前需要考虑以下问题。

　　（1）污水处理要达到什么样的标准才可以回灌。

　　（2）这些处理过程在特定的处理区域效果如何。

　　（3）水质在渗透、渗流和地下水域之间的变化情况。

　　（4）是否需要采用SAT 处理系统，如果采用该系统，又如何评价SAT 的处理效果。另外， SAT 的处理是不是一种可持续性的方式，也就是土壤含水层系统对污染处理是否具有最大环境容量。

　　（5）对回灌水质的健康风险进行评价，是否满足居民使用的风险范围内。

　　（6）在实际操作中，存在什么益处、问题和成功之处。

　　这些问题如何影响着地下水补给法规，特别是在补给和开采方面。

　　4.2 制定保护措施需考虑的问题

　　为了将城市再生污水工程合理、有效地推广应用于北京地区，改善水资源短缺现状，作为一体化的水资源管理工具，人工地下回灌工程在设计、建造与运营过程中，需关注源水的特征，预处理工艺与回灌技术、公众健康风险以及再生水在地下过程中发生的物理、化学与微生物及污染及污染物的归宿，以及法律、制度、组织及经济方面的问题。

　　在实施再生水补给项目之前，应该正确评估源水中污染物的种类和数量（例如含有工业或居民污水，或特殊的污染物）。其他因素包括处理方法、出水水质与水量、补给区面积、土壤特征、水力停留时间、回水距离预处理的等级和地面扩展或直接注入水体前的质量、储存的时间、水体通过的距离长度（与减弱污染物毒性有关）、地下水的稀释度、地下水被抽出时的方式、力度和可靠性，最后是居民使用后产生的影响。

　　5 总结

　　从地质构造、回灌技术等方面看，北京市西部、北部地质地表土层入渗条件好，形成巨大容量的地下水库。制定实施再生水回灌管理制度，根据北京市地质情况的回灌技术和回灌方式，确定安全有效回灌地点，严格监测回灌再生水水质和取水水质，保障回灌安全。

　　再生水回灌利用，为再生水成为北京有效供给水资源提供了安全保障，同时体现水的高效利用—循环利用—可持续利用，水资源利用实现“三级跳跃”。对北京市水资源的保障，首都供水安全，具有重要意义。

　　参考文献

　　[1] 焦志忠. 循环水务的理论与实践[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008，28—45.

　　[2] “城市污水再生利用系列标准实施指南”编写组. 城市污水再生利用系列标准实施指南[M].北京：中国标准出版社，2008，112—115.

　　[3] 胡洪营，魏东斌，王丽莎，等. 污水再生利用指南[M]. 北京：化学工业出版社，2008，37—38.

　　[4] 云桂春，皮运正，胡俊雅. 浅谈再生污水地下回灌的健康危害风险[J]. 给水排水，2004，7—10.

　　作者简介：梁藉（1977—），男，博士，高级工程师。