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1、甘肃农业大学 博士学位论文 中水灌溉对城市绿地生态系统的影响及安全性评价 姓名：王齐 申请学位级别：博士 专业：草业科学 指导教师：孙吉雄 20100601 甘翥农业大学博士学位论文 摘要 中水绿地灌溉可以拓展中水的应用范围，是城市污水资源化的重要手段之一。通过 采用室内水培、土柱模拟、大田定位调查等方法，研究了深圳市中水灌溉对绿地植物一 土壤一微生物生态系统及地下水质的影响；同时采用美国国家科学院( N A S ) 提出的四 步评价法对中水水质中有害化学物质和致病微生物数量进行了健康风险评价，为深圳市 中水绿地灌溉提供理论依据，得出如下结论： 中水运用于绿地灌溉是可行的，不会对绿地生态系统和
2、人体健康造成危害。合理中 水灌溉能促进植物生长、土壤营养成分增加、土壤微生物繁衍，不会对地下水质造成污 染；中水水质中有害化学物质、致病微生物数量对人体潜在危险在风险阈值之内，具有 安全性，可以进行广泛的推广应用。 ( 1 ) 中水绿地灌溉对植物的生长产生了正负两方面的影响。短期中水灌溉可促进绿 地植物的生长；长期单一中水灌溉可能会使植物根系生长减缓，根系活力下降，生长受 到限制；中水和清水灌溉对抗性生理指标的影响呈波动性交化，差异没达到显著水平。 叶元素分析也表明，营养成分增加明显；毒害离子和重金属含量也有增加的趋势，但其 总量相对很小，不会对植物造成污染。 ( 2 ) 中水绿地灌溉使绿地土
3、壤p H 值降低，有机质含量增加，孔隙度增大、容重及田 间持水量减小；分布在各土层上的营养成分、毒害离子含量和重金属累积量也不同，且 有显著差异；受植物根系吸收利用的影响，在2 0 - 4 0 c m 土层上分布较多。水质中盐离子 在土壤中得以积累，在短期或交替灌溉下，不会对植物的生长产生危害；但长期单一中 水灌溉下，可能会造成土壤盐渍化而对植物生长造成胁迫危害。 ( 3 ) 中水绿地灌溉能促进土壤微生物的繁衍。土壤细菌、真菌和放线菌数量有明显 的季节变化规律，但与清水灌溉相比，数量有增大趋势，但与不同的植物种类有关；其 中细菌占优势，数量在0 - 2 0 c m 土层上分布最多，其它土层相对
4、较少且差异不显著。 ( 4 ) 中水绿地灌溉对地下水质会产生一定的影响，不会造成地下水的污染。中水灌 溉土柱后，渗透液水质各指标值明显增大，且与清水对照之间差异显著，但水质指标均 在地下水质量标准G B T1 4 8 4 - 9 3 规定的类水范围之内。 ( 5 ) 通过引用相对电导率拟合L o g i s t i c 方程，求半致死浓度( 值) ，确定植物所能耐 受上限阈值的方法，经试验验证与结果相符，可以应用于植物逆境胁迫的研究中；同时 求得5 水质指标的上限阈值分别是：氯化物 对污水再生的情况不了解 再生水成本可能很高 1 4 甘肃表韭矢学博：- 学位论文 心理上难以接受( 张俊杰等，2
5、 0 0 3 ) 。 从调查结果可以看出，影响居民使用再生水的障碍主要集中于再生水的健康风险和 水质两个方面，调查还发现受教育的程度越高，对再生水的安全性关注程度越高。因此， 再生水的健康风险评价是迫切需要解决的问题( C r o o ke ta l ，2 0 0 0 ) 。利用风险评价方法 制定水质标准和环境法规正日益得到人们的重视和不断发展( S h u v Me ta l ，1 9 9 7 ) 。 1 9 9 1 年美国一以色列联合召开的污水回用会议上讨论了采用定量风险评价方法制定 再生水水质标准的概念，在美国环保署回用水指南( G u i d e l i n e sf o rW a t
6、 e rR e u s e ) 和 1 9 9 3 1 9 9 9 年F l 嘶d a 州回用水标准制定过程中，专家普遍认为风险评价方法是一种很有 前途的制定水质标准的方法，只是还没有达到足够精确的水平。目前对于病原体指标还 没有基于风险评价方法制定的消毒、再生水水质标准。 污水再生利用过程中如果化学污染物得到很好的控制，则人体健康的风险主要来自 病原微生物。国外对于污水回用的人体健康风险的研究主要集中在细菌( J o a nP ta l ， 2 0 0 1 ) 、病毒等病原微生物上( C h a r l e se ta l ，1 9 9 6 ) ，肠道病毒( H o te ta l ，2 0
7、 0 3 ) 、沙门氏 菌( S a l m o n e l l a ) 、隐抱子虫( C r y p t o s p o r i d i u m ) ( D o m e n e ce ta l ，1 9 9 9 ) 、贾第虫( G i a r d i a ) 、 军团菌( L e g i o n e l l a ) 、埃希氏菌( E s c h e r i c h i aC o l i f o 朋) ( N o r v a le ta l ，2 0 0 2 ) 等病原体对 人体健康的影响是研究的重点( S u w ae ta l ，2 0 0 3 ) 。 目前国内外对水环境病原体健康风险评价
8、方法主要有两种：一种是流行病学方法， 即通过核实诊断病原体感染病例，调查可能的传染源、传播途径及其影响因素，为疫情 的预防控制提供科学依据( E i s e n b e r ge ta l ，1 9 9 6 ) ；另一种是美国国家科学院( N A S ) 提出 的危害鉴别、剂量反应分析、暴露评价和风险分析的四步法。危害鉴别旨在鉴定对人体 健康造成危害的病原体；剂量反应分析旨在确定可能对人体造成危害的病原体剂量，判 明病原体进入人体的途径、水中病原体的浓度及其分布、每次暴露的剂量等；暴露评价 则是根据流行病学资料和人体感染病例，建立数学模型来描述病原体剂量和人体发病率 之间的剂量反应关系；风险分
9、析是把前三步的结果综合处理，以定量估价危害发生的可 能性。这种四步法实际上是源于针对化学物质的健康风险评价的方法，特定化学物质对 人体健康产生危害的“阈值“ 是定量评价的基础。然而对于病原体而言，其对人体的感 染性往往并不存在阈值，因此这种评价方法存在较大的不确定性。 我国风险评价开始于2 0 世纪9 0 年代，主要以介绍和应用国外的研究成果为主。1 9 9 0 年，我国开始在核工业系统开展环境健康风险评价研究；1 9 9 7 年，国家科委列入国家攻 关计划研究燃煤大气污染对人体健康的危害；在水环境健康风险评价领域，曾光明等 铲旁农丝大笋葶士笋碰糟丈 ( 1 9 9 7 ) 以河北保定市环境质
10、量监测数据为例，开展了水环境健康风险评价研究。仇付 国等( 2 0 0 3 y 以西安某再生水厂出水为研究对象，利用微生物健康风险评价的方法对再 生水用于绿化、农田灌溉、景观娱乐用途时肠道病毒的感染风险进行了评价。清华大学 核能技术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，以活性炭吸附处理后出水为例，对饮用回用的健康风险进行了估算，结果表明再 生污水回灌于地下含水层经进一步净化后于天然地下水混合后再抽取出来作为饮用回 用时，其健康风险在完全可以接受的范围内( 云桂春等，2 0 0 4 ) 。目前国家有关部门十分 重视这方面的工作，污水回用风险的具体方法和体系正在
11、研究、发展和完善之中。 1 5 城市中水回用水质标准 针对再生水灌溉绿地，国外很多国家和组织都颁布了相关标准，比较典型的有美国 环保署、世界卫生组织、加拿大、法国、以色列等。美国的回用水标准各州不一，并且 针对不同的回用对象所制定的标准也不一样，但标准都很严格。加州执行的是2 2 号条 例( T i t l e 2 2 ) ，克罗拉多州执行的是8 4 号规范( R e g u l a t i o n # 8 4 ) ，这些文件都详细地规 定了不同回用对象的水质标准。而且，美国环保局会同有关方面于1 9 9 2 年提出水回用 建议指导书，对那些尚无法则可遵循的地方提供了重要的指导信息。日本和以色
12、列先后 制定了回用水水质标准( 张克强等，2 0 0 5 ) 。这些水质标准按照由来可以分为三类：W H O 、 C a l i f o r n i a 以及其他。与W H O 相关的标准主要参照的是W H O ( 1 9 8 9 ) 年颁布的“污水 用于农业和水产业健康准则“ 。美国各州的标准虽然不尽相同，但大多还是依据加州2 2 条( 1 9 7 8 ) 和E P A l 9 9 2 指导准则( u sE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o nA g e n c y , 1 9 9 2 ) 而来。中 水的应用在欧洲并不普遍，主要集中在地中海沿岸
13、国家，如法国、塞浦路斯、希腊、意 大利、马耳他、西班牙和葡萄牙，北欧国家由于水资源丰富，使用较少。中水在欧洲主 要作灌溉之用。据报道，在欧洲，高尔夫球场灌溉是增长最快的城市污水回用方式 ( L a z a r o v a , 1 9 9 9 ) 。 我国的再生水利用理论研究和实践经历了“六五“ 期间的起步阶段( 1 9 8 0 “ - 1 9 8 5 ) ， 建设部设立再生水利用课题“北京市环保研究所中水试点工程“ 、“北京国际贸易中心中 水工程力得以实施；“七五“ 期间开展了“水污染防治及城市污水资源化技术“ 课题， 颁布了“北京市中水设施建设管理试行办法( 1 9 8 7 ) 一和“生活杂
14、用水质标准( a 2 5 1 - 8 9 ) ”，该标准规定了厕所便器冲洗、城市绿化、洗车、扫除等生活杂用水质要求； “八五“ 期间实施“污水净化与资源化技术“ ，建设部颁发“城市中水设施管理办法 1 6 甘肃农业大学博：- 学位论文 ( 1 9 9 5 ) “ 和“景观娱乐用水水质标准( G B1 2 9 4 1 - 9 1 ) ”；“九五“ 期间的“污水处理与 水工业关键技术研究”等研究示范工程；2 0 0 8 年中水利用工程再次被写入“十五“ 规划 纲要，中水利用将进一步得到推广和日益重视。 近年来，我国城市绿地发展很快，绿地面积的增加势必会使城市生活、工业与环境 用水之间的矛盾日益加剧
15、。解决水资源不足的问题，中水回用于绿地灌溉无疑是解决这 一问题的出路之一。所以要对中水绿地灌溉进行科学的论证，包括中水绿地灌溉对植物 生长影响；中水绿地灌溉对土壤影响；中水绿地灌溉对渗漏水和地下水影响：中水绿地 灌溉对有害微生物影响等，建立都市中水灌溉的技术指导体系，促进城市污水向资源化 方向发展。 1 6 研究意义 ( 1 ) 深圳市中水回用的潜力巨大 一方面，深圳市作为风景园林城市，拥有相当数量的公园内湖等景观水体和众多的 绿化带、苗圃、草坪和公园，再生水可以满足景观水体和绿化用水的水质要求，而且水 量充足，供水稳定；另一方面，中水是国际上公认的“城市第二水源“ 。有关资料显莉 如每日使用
16、1 万m 3 的回用水，一年下来相当于建设l 座4 0 0 万m 3 的水库。深圳目前每 年污水排放量约1 3 亿m 3 ，如果按节水型城市的最低标准，污水回用率达到2 0 ，一年 就可利用2 6 亿m 3 ，相当于6 座深圳水库。 、 ( 2 ) 中水回用是实现污水资源化的有效途径 污水经再生利用和资源化，既可以大大缓解城市水资源短缺的矛盾，又能减轻排污 对水环境造成的污染，还可以带来非常可观的社会效益、环境效益和经济效益。因此， 中水回用已经成为各国解决水问题的必选策略。 污水处理是实现污水再生利用的基础，也是实现污水资源化的前提。资料统计显示， 如城市供水的8 0 转化为污水，经收集处理后，其中7 0 的再生水可以再次循环使用_ 这意味着通过污水回用，在现有供水量不变的情况下，能使城市的可用水量至少增加5 6 以上。这无疑是一笔巨大的资源。按目前深圳年供水1 6 亿m 3 的规模估计，理论上蒋 拥有8 亿m 3 的潜在供水能力，大体相当于目前深圳总库容量的1 6 倍。 ( 3 ) 中水回用变污水处理厂为再生水厂可促进污水厂的良
