國外再生水資源在農業灌溉中的應用及啟示

林 慧，劉 達，黃本勝，洪昌紅，邱 靜，邱頌曦，王 珍

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣州 510635)

1 概述

水資源短缺是影響全球經濟發展和人類生活品質的重大問題之一[1]，世界各國都面臨著水資源短缺和淡水需求量日益增加的壓力，尤其是人口增長率高、城市化和工業化程度高的干旱氣候地區，地表水資源的開發已經達到最大限度。由于現階段高效用水的迫切需要，許多國家和地區把再生水視作一種“二次水源”，以緩解水資源供需矛盾。我國作為農業大國，探索和研究再生水用于灌溉，對保障農業生產、實現灌溉農業的可持續性發展意義重大[1]。

目前，再生水農業灌溉已在美國、以色列、日本等國家得到廣泛實踐和推廣，比較而言，我國再生水灌溉技術研究及應用開始較晚[2]。再生水具有總量大、水質穩定、受季節和氣候變化影響小的優點，但處理后的再生水可能殘留一定量的重金屬及污染物[1]，故科學高效地利用再生水資源，保障再生水水質安全，值得深入的研究和思考[3]。

基于此，本文選取再生水灌溉實踐經驗較為豐富的美國、以色列和日本等國家，對這些國家的再生水利用政策及標準進行了比較分析，同時討論了再生水灌溉的潛在生態風險，并提出再生水在農業灌溉中安全高效利用的建議。

2 國外再生水利用標準與典型應用案例分析

2.1 國外再生水農業回用標準比較

國外各典型國家(組織)再生水農業回用的標準見表1所示[2]，從表1中可以看出，各國對農業用水的分類不盡相同。美國和歐盟在主要控制指標上規定較多，基本指標有5個：pH值、BOD、TSS/SS、余氯及微生物，除表格數據外，歐盟還在COD、DO、UV254、EC、氮磷指標、陰陽離子等方面有限值要求。美國和歐盟在pH值規定上標準大致相同，在6.0～9.5之間；在食用作物標準分類上，美國的要求相比歐盟更加嚴格，例如BOD指標，美國要求小于等于10 mg/L，歐盟則要求10～20 mg/L；美國要求糞大腸桿菌不得檢出，歐盟則要求總細菌數小于10 000 cfu/mL即可。另外，WHO主要對微生物指標規定了限值；澳大利亞標準分類更加細致全面，對pH值和微生物指標有相應的限值要求；在其他指標上，WHO和澳大利亞均沒有詳細的標準限定。

表1 國外農業用水回用標準比較(mg/L，pH除外)

2.2 國外再生水灌溉典型應用

本文以美國、以色列和日本為例，總結了這些國家再生水灌溉應用現狀及經驗，以期為我國農業領域再生水的高效利用提供借鑒。

1) 美國

美國人均水資源量接近12 000 m3，但某些地區仍然存在水資源短缺、地下水超采嚴重等問題[4]，故一些地區較早開展了再生水利用的實踐和探索。如佛羅里達州在2001年開始實施“水保護計劃”，并成立了污水回用工作組，以保障水資源供應。

2019年，美國聯邦政府開始實施國家水回用行動計劃，該計劃包含六大方向的污水收集、再生與回用[5]。目前，美國每天約有25.36億升的再生廢水用于農業灌溉，典型代表如亞利桑那州；加州的再生水利用率也較高，據統計，加州70%左右的再生水用于農業和城市綠地灌溉[6]。

對比我國，水資源短缺加上農業用水粗放一直是制約我國農業發展的一大因素，美國在再生水利用方面的經驗啟示我們可以通過系統謀劃，整體布局，全面推進污水再生利用，以破解水資源緊缺瓶頸[5]。

2) 以色列

以色列水資源極度匱乏且降水分布十分不均，超過一半的國土面積是沙漠，在這種惡劣的自然條件下，以色列通過修建完善的國家調水工程和輸水管網、建立嚴格的水管理法規、實行嚴密的水資源統一監管、設立專門的水事糾紛處理機構等一系列措施[7]，充分利用再生水資源，成功解決了缺水、地少和土壤鹽堿化等難題[1]，成為公認的“農業強國”。

目前，以色列擁有67家大型污水處理廠，針對污水處理、輸運、儲存的技術及設施已相當完備，污水再生利用水平達到90%。在灌溉技術及水質安全方面，以色列超過80%的灌溉面積采用高效滴灌技術，充分做到“節流”，形成了農業用水量穩定的水資源高效利用格局。

回看我國北方許多城市，年降水量、人均水資源量也很低，這些地區應學習融合以色列先進的農業節水技術和污水處理技術，積極開發利用再生水等非常規水資源[8]，力爭技術用水、開源節流。

3) 日本

日本水資源總體較為豐富，但由于地形、氣候、自然災害頻發等原因，日本關東沿海和北九州等地區存在缺水的問題[9]。初期日本的再生水回用以沖廁和景觀利用等為主；隨著城市化導致市區河流水量急劇減少，再生水成為日本城市河道的重要補給，東京是日本第一個使用再生水補充干流和恢復河流水環境的城市；后來，再生水的利用逐步拓展至工業生產和農業灌溉。以熊本市為例，污水處理廠將再生水排放到附近農業用水渠或農用運河，也有農民自行到污水處理廠取運再生水，用于種植蔬菜和水果等。

此外，日本在不同地點，根據不同情況，采用不同的再生水利用模式，我國應充分吸取日本等國家的經驗，分類施策、因地制宜，努力構建完備的再生水回用基礎設施體系和健全的管理體系。

3 再生水灌溉的生態風險

再生水回用于農業雖然可以緩解用水壓力，但有可能帶來一定的生態環境風險。本文從土壤孔隙率及結構、重金屬污染、新型污染物含量變化等方面分析了再生水灌溉的影響，并對應提出保障灌溉用水安全的對策。

3.1 土壤孔隙率及結構

李曉娜等[10]研究發現，當再生水鹽度較高時，采用再生水灌溉會增加土壤容重，降低土壤孔隙度；長期灌溉方式下土壤孔隙率和鎂含量均發生明顯變化[11]。

再生水中有機物比較豐富時，分解產生的腐殖質導致土壤形成團聚體結構[12]，長期再生水灌溉會導致土壤有機碳在耕層顯著增加[13]；當再生水的鹽度較高時，長時間采用再生水灌溉易造成土壤板結[10]。因此，再生水灌溉農田時需要合理控制灌溉的周期和次數。

3.2 土壤重金屬污染

目前大多研究表明再生水短期灌溉基本不會對土壤及農作物帶來安全隱患[14]，但當其他來源的重金屬負荷較高時，要注意定期開展土壤污染物檢測和風險評估工作，以降低重金屬累積風險[14]。

此外，對比滴灌法和犁溝灌溉法兩種不同灌溉方式，可以發現滴灌法不僅節省灌溉用水量，還有效減少了土壤中重金屬含量[15]。研究證明[16]再生水滴灌方式下土壤重金屬鎘含量符合標準限值。可見，選擇合適的灌溉方式具有重要意義。

3.3 新型污染物

近年來，新型環境污染物備受關注[17]。王燕[18]研究發現工業源再生水和生活源再生水灌溉土壤中5種鄰苯二甲酸酯(PAEs)的總平均濃度分別是地下水灌溉土壤的2.40倍和3.48倍；但也有研究數據表明，再生水灌溉并不會造成新型污染物的傳播風險[19]。目前來看，由于新型污染物具有來源廣泛、風險隱蔽、環境持久的特點，其遷移轉化規律認知還比較淺顯，再生水灌溉過程中需加強新型污染物種類及含量的監測，并制定相應的風險管控方案。

4 我國再生水灌溉發展的啟示和建議

在用水總量與強度雙控的背景下，近年來政府陸續出臺一系列法律法規推動再生水利用持續發展，再生水在城市中的應用領域不斷擴大[20]。對此，針對再生水農業灌溉的健康發展，本文提出以下3個方面的建議：

一是在再生水利用政策及標準方面，需要多部門協同配合、明確責任，制定完善的再生水運行管理機制。伴隨當前城市的快速發展及人們對食品健康的高度關注，現有規定中的水質參數約束存在滯后性，再生水的分類應更詳細、水質參數限制更嚴格。像新加坡NEWater直接處理再生水超過世衛組織飲用水標準水平[21]，雖然這對絕大多數只需要滿足一般灌溉和娛樂活動的國家及地區來說較難實現，但反映出新加坡在再生水水質上的高標準和高要求。

二是在再生水農業灌溉配套設施及工藝方面，應積極提升再生水灌溉設備的節水率。不斷優化現有再生水灌溉工藝，降低再生水灌溉可能的生態風險，提升灌溉產業技術水平，積極推進滿足再生水長時間儲存及遠距離輸送等需求的設施建設，聚力精準灌溉、智慧灌溉[22]。

三是在再生水灌溉生態環境風險防控方面，要結合再生水水質和土壤類型開展深入分析，對可能引起土壤性質變化的關鍵因子開展定期檢測和污染評價。考慮到水體中新型污染物在傳統處理工藝下無法有效去除，應積極開發穩定高效的水處理技術，并通過綜合手段對再生水灌溉區的土壤等進行長期的監測和風險預判。

5 總結與展望

目前，我國許多城市陸續開展了再生水農業灌溉相關的科學研究和工程實踐[23]，再生水應用潛力巨大。我國再生水灌溉產業的建設要因地制宜、系統規劃，逐步建立起具有中國特色的再生水灌溉標準體系[24]，保障再生水資源在農業灌溉中的可持續性應用。