污水灌溉一般有哪两种灌溉制度

摘要

大约70%的世界用水，包括所有从河流引水和从地下抽水的水，用于农业灌溉，从而将处理过的城市废水再用于农业和景观灌溉等目的减少了需要从自然水源中提取的水量，并减少了废水向环境的排放。因此，在面临日益严重的水短缺的地中海国家和其他干旱和半干旱地区，经处理的城市废水是回收和再利用的宝贵水源。经处理的废水在农业中的再利用是地中海国家的一种常见做法，人们对经处理的污水对人类消费作物的长期影响非常感兴趣。本文综述了利用处理过的城市污水进行农业灌溉的基本原理，以及希腊和西班牙城市污水再利用的现状，并对其对土壤和植物的影响进行了研究。

1.经处理的城市污水在农业中的使用

1.1.经处理的废水回用于灌溉

供水和水质退化是全球关注的问题，随着水需求的增加、极端事件的意外影响和气候变化，这些问题将加剧；因此，在世界范围内，边际质量的水将成为农业供水的日益重要的组成部分，特别是在缺水国家（Qadir等人，2007年）。

边际质量水的主要类型之一是来自城市和城市周边地区的废水。几个世纪以来，这些废水一直被回收用于农业，作为柏林、伦敦、米兰和巴黎等城市的处理手段（AATSE，2004）。然而，近年来，废水在缺水地区变得越来越重要。在巴基斯坦，26%的全国蔬菜生产是用废水灌溉的（Ensink等人，2004年）。在河内，80%的蔬菜生产来自城市和城市周边地区（Lai，2000）。在加纳，涉及河流和溪流稀释废水的非正式灌溉面积估计为11500公顷，比该国报告的正式灌溉面积还要大（Keraita和Drechsel，2004年）。在墨西哥，约有26万公顷的土地被废水灌溉，其中大部分未经处理（墨西哥CAN，2004年）。在大多数情况下，农民用稀释的、未经处理的或部分处理的废水灌溉。未能妥善处理和管理废水会对健康产生不利影响。使用未经处理的废水的农民及其家庭面临寄生虫、病毒和细菌的健康风险。

将废水用于灌溉可能带来的健康风险和环境影响已得到充分记录（Angelakis等人，2003年）。健康和环境方面是特别敏感的问题和重要的先决条件，因为除非得到充分处理和安全使用，否则不得使用和/或接受废水来取代传统或可能的其他非传统灌溉水源（Salgot等人，2003年，Gerba和Rose，2003年）。农业用水再利用的首要目标是为种植者提供充足的优质水供应，并确保食品安全（Dobrowolski等人，2008年）。因此，在发达国家，公共机构通常通过考虑健康风险并要求废水处理来确定水质目标。在这些发达国家，有计划地重新利用废水的综合计划。这些方案由公共机构制定，其中包括改善农业废水管理的政策，这些政策可以在废水产生之前、使用期间、灌溉作物和准备销售和消费产品之后实施。加利福尼亚州率先努力促进水的回收和再利用。1918年颁布了第一个再利用条例（Asano和Levine，1996）。目前，在美国，城市水的再利用占取水量的1.5%，加利福尼亚州居民每年再利用6.56亿立方米的城市废水。在以色列等其他发达国家，废水再利用综合计划允许废水占农业用水资源的20%。在欧洲，91/271/CEE指令要求对城市污水进行处理，预处理程度是污水灌溉系统规划、设计和管理的一个重要因素。

根据这些类型的规则和指令，在农业中使用再生废水是一种日益增长的做法，可能有助于确保安全和可持续的粮食作物。

1.2市政污水水质

处理后的废水的水质在很大程度上取决于城市供水的质量、使用过程中添加的废物的性质以及废水的处理程度。废水处理厂定期测量和报告的废水质量数据主要用于水污染控制中感兴趣的总污染参数[例如，生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、悬浮固体（SS）]方面的处理过的废水处理或排放要求。相反，在农业和景观灌溉中重要的水特征是影响植物生长或土壤渗透性的特定化学元素和化合物。并非所有这些特性都由废水处理机构作为其常规水质监测计划的一部分进行测量或报告。

因此，当获得数据来评估处理过的废水灌溉系统时，通常有必要对废水进行采样和分析，以确定水是否适合农业和景观灌溉（Pettygrove和Asano，1985）。表1中列出了评估灌溉水质所需的实验室测定结果。表1中记录的信息来自Westcot和Ayers（1985）以及Ayers和Westcot（1989）撰写的报告，这些报告仍然是适用于处理过的城市废水灌溉的基本参考。后来，为了提出水质指南，采用了其他方法，强调成功使用某种质量的灌溉水所需的管理。表2给出了经常用于评估灌溉水质的方法（Asano等人，2006年）。表2中所示的“使用中的潜在限制”有些武断，因为水质变化是逐渐发生的，没有明确的转折点。在制定水质指南时，也有必要考虑到不可能涵盖所有当地情况。

在以下小节中，参考表2中给出的指南讨论了最常见的水质问题。

1.2.1.盐度

从历史上看，灌溉水的质量是由这些供水中存在的盐的数量和种类决定的。尽管作物耐受盐碱条件的能力差异很大（Maas和Grattan，1999），但总的来说，随着用于灌溉的经处理废水的盐度增加，出现某些土壤、水和种植问题的可能性也会增加。通过根区建立水和盐的净向下流量是解决盐度问题的唯一可行方法（Westcot和Ayers，1985）。在这种条件下，良好的排水是至关重要的，以允许水和盐在根区下方连续流动。如果没有足够的排水，一般不可能长期使用再生废水进行灌溉。如果排水盐度超过作物阈值水平，则可以将水与淡水混合。混合可以在灌溉之前或灌溉期间进行，使农民能够扩大可用水量（Rhoades，1999，Oster和Grattan，2002）。

1.2.2.特定离子毒性

当特定离子被植物吸收并在植物中积累的量导致损害或产量降低时，就会发生特定离子引起的毒性。处理过的废水中最受关注的离子是钠、氯和硼。硼的来源通常是家用洗涤剂或工业工厂的排放物。在家庭使用过程中，氯化物和钠也会增加，尤其是在使用软水器的情况下。对于敏感作物来说，如果不改变作物或供水，很难纠正毒性。严重（炎热）的气候条件通常会加剧这一问题（Westcot和Ayers，1985）。

1.2.3.土壤渗透性

除了对植物的影响外，灌溉水中的钠还可能影响土壤结构，降低水进入土壤的速率，并减少土壤通气。如果渗透率大大降低，就可能无法为作物或景观植物提供足够的水来实现良好的生长。渗透性问题通常发生在土壤表面几厘米处，主要与该区域或施用水中相对较高的钠或非常低的钙含量有关（Westcot和Ayers，1985）。在给定的SAR下，渗透速率随着盐度的增加而增加，或者随着盐度的降低而降低。因此，SAR和ECw应该结合使用来评估潜在的渗透率问题。有时，经过处理的废水的钠含量相对较高，由此产生的高SAR是规划废水再利用项目的主要问题。当仅用苏打水灌溉时，需要随着时间的推移进行化学或生物改良，以防止土壤结构退化。在含有大量沉淀或天然方解石（CaCO3）的钙质土壤上，通过添加成酸剂和植物根系的作用，增加二氧化碳水平，从而提供可溶性钙来抵消钠效应，从而增强了方解石在根区的溶解（Qadir等人，2005）。

1.2.4.营养素

经处理的城市废水中的营养物质为作物或景观生产提供了肥料价值，但在某些情况下超过了植物的需求，并导致与营养生长过度、成熟延迟或不均匀或质量下降有关的问题。大量存在的营养物质包括氮和磷，偶尔还有钾、锌、硼和硫（Westcot和Ayers，1985）。再生废水中的营养物质有助于作物生长，但需要定期监测，以避免营养物质供应不平衡。

1.2.5.微生物含量

废水通常含有多种污染物：盐类、金属、类金属、病原体、残留药物、有机化合物、内分泌干扰物化合物和个人护理产品的活性残留物（Qadir等人，2007年）。这些成分中的任何一种都可能危害人类健康和环境。1971年，世界卫生组织的一个专家委员会首次审查了农业废水使用的健康问题。制定了灌溉水微生物水质指南（世界卫生组织，1973年），但根据废水灌溉流行病学研究的结果，1989年放宽至每100毫升1000个粪大肠菌群。此外，肠道线虫的质量指南建议为每升少于1个肠道线虫卵（世界卫生组织，1989年）。关于农业废水安全使用的最新指南（世界卫生组织，2006年）已进行了重大修订。粪便大肠菌群指南已被关注可归因风险和残疾调整生命年（DALYs）所取代（表3）。

废水在使用或排放到环境中之前需要进行处理（Ongley，1996）。自20世纪60年代以来，在监管压力和水资源短缺的推动下，密集的研究工作为健康风险和处理系统设计概念提供了宝贵的见解（Asano和Levine，1996）。20世纪70年代和80年代，加利福尼亚州进行了两项研究，以开发可靠的废水处理系统，生产灌溉水，确保农作物生产，同时保护公众健康：波莫纳病毒研究（洛杉矶县卫生区，1977年）和蒙特雷农业废水回收研究（工程科学，1987年）。这些研究的一个主要结果是证明，即使是未经烹饪的粮食作物，也可以用回收的废水成功灌溉，而不会对环境或健康产生不利影响（Sheikh等人，1990年）。最近的研究证明了再生废水在农业灌溉中的安全性和适用性（York等人，2008年）。

1.2.6.其他问题

据报道，在使用经处理的城市废水时，洒水和滴灌系统存在堵塞问题。最常见的堵塞问题发生在滴灌系统中。在滴灌中，涡流发射器比迷宫发射器对堵塞更敏感，并且放置在土壤或底土上的同类发射器之间没有观察到显著差异；在过滤器中，砾石介质和圆盘过滤器比筛网过滤器保证了更好的性能（Capra和Scicolone，2007）。

废水再利用的另一个可能问题是处理后的废水中残留氯过多。如果在将废水喷洒在植物叶片上时存在高氯残留，则在使用洒水器时，余氯会导致植物受损。余氯低于1毫克/升不应影响植物叶片，但当余氯超过5毫克/升时，可能会对植物造成严重损害。

2.西班牙和希腊处理后的城市污水回用现状

2.1西班牙农业用水再利用

西班牙的自然水资源量估计约为10万hm3/年，其中74%对应地表水，26%对应地下水，而目前的需求量估计为35310 hm3/年（表4；农业、鱼类和食品部，2008年）。尽管有现行规定，但各地区之间水资源的不规则分配导致西班牙领土重要部分出现严重缺水情况。然而，只有Segura盆地存在结构性赤字，因为它是唯一一个潜在资源无法满足其用水需求的盆地（表4）。

西班牙目前的用水需求分布在不同的部门（城市、农业、工业、制冷等），其中农业需求最为重要（约24094 hm3/年）。在这种情况下，特别是对于西班牙的一些结构性缺水地区，如Segura流域，农业废水再利用具有非常重要的意义，因为它可以带来更有效的水资源管理。

在执行欧洲第91/271/CEE号指令的背景下制定的国家下水道和水处理计划（1995年）第11/95号皇家法令一直是西班牙发展与下水道/城市废水和水处理有关的不同基础设施的主要规划工具。1996年，环境部起草了《再生水利用条例》初稿。经过多年在各种委员会和论坛上的辩论，该草案已成为《1620/2007年纯化水再利用皇家法令》（2007年），根据该法令建立了处理后废水再利用的法律制度（Iglesias和Ortega，2008年）。

目前，西班牙农业每年可重复利用346hm3的水，但根据《国家水文计划第10/2001号皇家法令》（2001年），到2012年，废水再利用量可能达到1100hm3。西班牙的主要再生废水项目集中在地中海沿岸和岛屿上。巴伦西亚和穆尔西亚重复使用了西班牙全部处理废水的57%，群岛（加那利群岛和巴利阿里群岛）在国家层面重复使用了23%的总重复使用量。其他项目位于西班牙中部和北部，两个例子是马德里和维多利亚，分别为5 hm3/年和11.5 hm3/-年（Iglesias，2005）。

Segura盆地（Murcia）是西班牙唯一一个天然水资源无法满足其用水需求的盆地；因此，在穆尔西亚，处理后的城市污水在农业中的再利用尤为重要。2008年，80个污水处理厂处理了106hm3的废水。在该地区，经处理的废水灌溉面积为1600公顷。

2.2.希腊农业用水再利用

希腊可利用自然水资源量14340 hm3。希腊每40-45年就严重缺水一次，由于干旱，每5-7年就会出现周期性缺水。希腊年需水量估计为8243 hm3，其中83%用于作物灌溉。希腊约40%的土地面积正在进行灌溉。按年计算，种植总需水量为6833 hm3（表5；公共工程和环境部，2008年）。近65%的希腊人口与350多个集中式污水处理厂相连（Tsagarakis等人，2001年）。对污水处理厂区域水平衡数据的分析表明，83%以上的处理废水产生于水平衡不足的地区（Tchobanoglous和Angelakis，1996）。因此，这些地区的废水再利用将满足现有的用水需求。