仇亞洲　汪弘揚　李雙旦　馬江靜　彭 運　李發(fā)永

(塔里木大學水利與建筑工程學院， 新疆 阿拉爾843300)

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再生水灌溉對土壤及淺層地下水中鹽分的影響

仇亞洲汪弘揚李雙旦馬江靜彭 運李發(fā)永*

(塔里木大學水利與建筑工程學院， 新疆 阿拉爾843300)

摘要為將阿拉爾市污水廠再生水進行合理的開發(fā)利用，本文研究了再生水灌溉生態(tài)林后土壤鹽分的變化規(guī)律，同時通過模擬試驗分析了灌溉后對淺層地下水含鹽量的影響。研究表明，再生水中離子類型主要為氯化物、硫化物、碳酸氫鹽類，陽離子類型為鈉鹽和鈣鹽型。總鹽和離子含量與市政綠化水相比均較高；20 L灌水量時土壤積鹽率最低，同時能夠顯著減少Cl-和Na+、SO42-的含量。與市政綠化用水相比再生水在整個灌水期內并未顯著的提高土壤中鹽分及各個離子的含量；灌溉3年后與市政綠化水相比除Na+含量較高外，其他離子含量均較低，再生水灌溉不會對地下水含鹽量及有機物(COD含量)造成太大的影響。

關鍵詞再生水； 鹽分； 地下水

南疆城市相對分散，污水排放量也呈現(xiàn)區(qū)域離散特性，修建污水處理廠的投資和運行成本較高，尤其在團場，新型的團場發(fā)展格局和規(guī)模逐漸接近疆外城市的建制鎮(zhèn)的發(fā)展形式。因此，生活污水量逐年增加，2010年阿拉爾市污水處理廠運行以來對阿拉爾市的污水有效處理在短期內提供了保障，但是運行成本較高，由于缺乏深度處理，出水水質仍然對塔里木河有一定影響。如果能夠將阿拉爾市污水處理廠的再生水收集起來進行回用，可以有效降低污水處理成本，減少環(huán)境污染，節(jié)約水資源。

阿拉爾市污水處理廠處理后的再生水去向主要有兩個：一是大部分直接排入塔里木河，二是一小部分供給市政道路綠化林帶的灌溉。但是由于阿拉爾市毗鄰塔里木河，地下水位較淺，又屬于上游灌區(qū)。因此，由于再生水中一些有毒有害物質的存在，再生水灌溉生態(tài)林帶后其能否對淺層地下水造成嚴重的影響，亟需進行研究和評價。另外污水中含有大量的鹽分，勢必會增加灌區(qū)內的土壤鹽分含量，可能會造成次生林鹽漬化。南疆為鹽漬化較為嚴重的地區(qū)[1]，對水資源進行合理利用的同時，控制土壤的鹽分含量也是當前研究的熱點[2-5]。

1材料與方法

1.1實驗儀器及試劑

實驗儀器主要有：COD測定儀(江蘇江分電分析儀器有限公司JF-101)、火焰光度計(上海精密科學儀器有限公司FP640)、電子天平(余姚市金諾天平儀器有限公司JF2004)、有機玻璃土柱(自制，規(guī)格：Φ0. 15 m×1. 0 m)、烘箱(北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司101-1ES)、其他常規(guī)化驗儀器等。

試劑主要有：重鉻酸鉀(天津基準化學試劑有限公司，分析純)、濃硫酸(四川西隴化工有限公司，95. 0%～98. 0%)、鹽酸(北京北化精細化學品有限責任公司，36. 0%～38. 0%)、硫酸銀(天津市贏達稀貴化學試劑廠，分析純)等。

1.2實驗材料

再生水利用聚乙烯塑料長把勺或聚乙烯塑料桶取自阿拉爾市污水處理廠二沉池出水口，采集的水樣混合均勻后，放入儲水池備用。

1.3實驗方案及方法

1.3.1實驗方案

1.3.1.1以阿拉爾市塔里木大學東門生態(tài)林帶為研究對象，選擇3組長勢均勻的林木進行灌溉試驗，灌溉時將樹體周圍設置0. 5×0. 5 m的正方形土埂，分別灌溉再生水水量為10 L、20 L、40 L，試驗樣方外設置隔離帶。用采集來的再生水每隔15天灌溉一次，同時設市政綠化水灌溉作為對照，每隔8天取一次土樣，每次灌水前在樣方內取土，縱向取土深度分別為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm。土樣轉移至實驗室自然風干備用。

1.3.1.2對地下水的研究采用土柱淋濾模擬實驗[6,7]，實驗設置土柱(見圖1)，土柱中所用實驗土為試驗區(qū)內裸地土，土樣采集時垂直取土范圍分別為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，取回后曬干、研磨、篩選，混合裝進土柱，使各土層容重與實際再生水灌區(qū)土壤容重接近。土柱上下均要裝碎石，防止?jié)补嗨霛B過程中對土壤的沖刷，下端出水口出放置絲網防止土壤堵塞出水口，影響采集水樣。

1.3.2實驗方法

總鹽采用重量法，鉀、鈉采用火焰光度計法、COD化學需氧量采用重鉻酸鉀法、碳酸根離子和碳酸氫根離子采用雙指示劑滴定法、氯離子采用硝酸銀滴定法、硫酸根采用EDTA容量法、鈣鎂離子采用EDTA滴定等方法測定。

圖1　土柱淋濾模擬實驗裝置

2結果分析

2.1再生水水質狀況分析

圖2　阿拉爾污水廠的進水、一級處理和出水的COD和SS含量

指標總鹽mg/LK+mg/LNa+mg/LSO42-mg/LCO32-mg/LHCO3-mg/LCa2+mg/LMg2+mg/LCl-mg/L再生水982.544.4187.454.62.11433.19682152市政綠化水351.18.132.49.80.21141.218.611.238.1

由圖2可知，經過污水廠處理后COD和SS均有所下降，一級處理COD的去除率為20. 4%，二級處理COD的去除率僅為8. 2%，經過一級處理后的生活污水的COD值為156 mg/L，二級處理后COD值為140 mg/L，滿足《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2005)水作COD≤150 mg/L，旱作≤200 mg/L，經過一級處理SS的去除率為54. 9%，二級處理SS的去除率為70. 8%，經過一級處理后的生活污水的SS值為96 mg/L，二級處理后為28 mg/L，滿足《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2005)水作SS≤80 mg/L，旱作≤100 mg/L。但是，通過分析可知阿拉爾市污水處理廠的出水水質并不能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級標準，不能夠達標排放。同時再生水中的其他污染物質如重金屬等指標未進行測定可能也會造成相應的環(huán)境污染，由于本實驗只著重考慮了鹽分的影響，以上指標未作研究、分析。

由表1知，再生水中總鹽含量較高，比市政綠化水高出631. 4 mg/L，其中鹽分類型主要為碳酸氫鹽、氯化物和硫酸鹽，Na+、SO42-、Cl-、Ca2+、HCO3-含量均較高。但CO32-含量極低。由于再生水中較高的鹽分含量，雖然能夠滿足《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2005)≤1000 mg/L的要求，但由于已經十分接近超標范圍，長期用于生態(tài)林的灌溉后可能導致土壤鹽分含量增加，由于這些灌溉區(qū)內鹽分的本底值較高，勢必進一步加重其鹽漬化。

2.2再生水灌溉對土壤鹽分的影響

為考察再生水灌溉后對土壤鹽分離子含量的貢獻率，對灌溉后的土壤進行了初步分析，結果見圖3～圖10，由于測定過程中發(fā)現(xiàn)土壤中Mg2+和CO32-離子含量極低，因此未對其進行分析，圖中主要分析了總鹽(TDS)、K+、Na+、SO42-、Cl-、Ca2+、HCO3-的含量變化規(guī)律。

土壤總鹽含量的變化范圍在0. 2%～0. 6%之間，其含量在4個月的灌溉期內并未導致嚴重的鹽漬化現(xiàn)象。由圖3可知，整個灌水期內，各處理的土壤總鹽變化范圍不大。但再生水灌溉水量對TDS含量的影響較明顯，其中以20 L的污水灌溉處理土壤TDS含量最低，10 L的灌水處理土壤TDS含量最高。同時10 L的再生水灌水處理和10 L的市政綠化灌水處理(CK)相比，土壤鹽分均較高。因此，較高的灌水量具有一定洗鹽效果，能夠促使土壤中的鹽分下移，從而降低土壤鹽分。但同時由于再生水中TDS含量較高，過高的灌水量也會帶入更多的鹽分，促進土壤的鹽漬化，適當?shù)恼{整灌水量十分必要。長期來看，維持灌水量在20 L左右較為合理。

為了更好的描述土壤中鹽分的分布狀況，圖4對7月份鹽分在土壤剖面的分布進行了分析。整個土壤坡面的鹽分變化大致呈現(xiàn)階梯狀，在10～80 cm范圍內各處理大致呈現(xiàn)兩個峰值，即20 cm和60 cm處。10 L、20 L、40 L三個再生水灌溉處理鹽分含量分別為0. 62%、0. 33%、0. 51%和0. 43%、0. 33%、0. 67%。一部分受土壤毛細水影響向地表積鹽，另一方面受淋洗作用向深層運移積鹽。但總體而言，與土壤TDS的平均含量相似，20 L的灌水量各個剖面的鹽分含量均較低。40 L再生水灌水處理雖然較10 L對照處理在表層和80 cm處鹽分較低，但在20 cm和60 cm積鹽嚴重，特別是60 cm處尤為明顯。

圖3　再生水灌溉期內土壤平均鹽分含量變化　　　　　　圖4　7月不同深度土壤鹽分的含量變化

土壤中八大離子含量能夠反映其鹽分累積的離子類型，圖5～圖10對K+、Na+、SO42-、Cl-、Ca2+、HCO3-的含量進行了分析，由圖可知，Na+離子的含量最高在0. 1%～0. 6%之間，其他陽離子含量均較低。表明土壤鹽分主要為鈉型鹽。而HCO3-和Ca2+含量則相對較低。再生水灌溉后土壤HCO3-含量一致，維持在0. 2%～0. 35%之間，整個灌水期內呈輕微上升，但總體上對土壤HCO3-的貢獻率較小。SO42-離子則在灌溉期內呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，且各處理下降較為明顯，但仍以10 L灌水處理的SO42-含量最高，20 L和40 L的灌水處理SO42-含量差異不大。

Ca2+與HCO3-相似，整個灌水期內變化不大，維持在0. 008%～0. 016%之間，含量較低。但仍以20 L處理的Ca2+平均含量最低，10 L處理的最高；Na+離子的含量在整個灌水期內均較高，在0. 1%～0. 6%之間，而且呈現(xiàn)明顯的波浪狀曲線，即隨著灌水的進行，各處理Na+離子的平均含量先增加后降低，9月份達到最低后，10月份又逐漸增加。各處理Na+離子平均含量以10 L>40 L>20 L。表明20 L的再生水灌水量具有較好的脫鹽效果。10 L的再生水灌溉處理與10 L綠化水灌溉處理(CK)相比前期具有脫鹽作用，后期鹽分逐漸累積Na+離子含量較高。

土壤中K+離子的含量整體變化也不大，基本維持在0. 08%～0. 12%之間。土壤維持一定的K+濃度對植物生長具有非常重要的作用。實驗結果表明再生水灌溉后并未破壞土壤K+的平衡。雖然市政綠化水灌溉前期K+含量較高，但總體上與再生水差異不大。

各處理土壤中氯離子的含量在整個灌水期內變化也不大，但與Na+離子相似，在9月份達到最低值，9月后有輕微增加，但不如Na+離子顯著。其含量均低于0. 1%。但是處理間的差異明顯。10 L的再生水灌溉處理Cl-離子含量顯著大于20 L和40 L的處理。以10月份為例，10 L、40 L、20 L的Cl-平均含量分別為0. 07%、0. 04%、0. 03%。

因此，對八大離子類型的分析表明，再生水灌水量對各離子的累積有顯著的影響，20 L的灌水量能夠顯著減少Cl-和Na+、SO42-的含量。而與市政綠化用水相比再生水在整個灌水期內并未顯著的提高土壤中鹽分及各個離子的含量，所以將其利用于生態(tài)林的灌溉在本研究周期內是合適的。但是隨著灌水年份的增加是否會導致鹽分的累積還有待進一步評價。

圖7　再生水灌溉期內土壤鈣離子含量變化　　　　　圖8　再生水灌溉期內土壤鈉離子含量變化

圖9　再生水灌溉期內土壤鉀離子含量變化　　圖10　再生水灌溉期內土壤氯離子含量變化

2.3再生水灌溉對淺層地下水鹽分的影響模擬

表2　再生水淋濾的實驗結果統(tǒng)計

表3　再生水淋濾液中COD、鹽分離子與市政綠化水淋濾實驗對比

利用自制有機玻璃土柱對再生水灌溉后淺層地下水的影響進行了模擬實驗。分別利用再生水和市政綠化水進行了5次淋濾實驗，實驗統(tǒng)計分析結果見表2和表3。

土柱模擬所需再生水量的計算：由上述實驗知20 L的灌水量土壤積鹽最少，由于灌溉面積為0. 5 m×0. 5 m=0. 25 m2，因此，灌溉水量為80 L/m2。每年按灌水10次計算，則3年內再生水總灌水量約為2 400 L/m2。為了預測灌溉3年后再生水對淺層地下水的影響，需計算淋濾土柱所需的水量。土柱淋濾模擬試驗的土柱直徑15 cm，則土柱斷面面積為0. 017 7 m2，那么3年內需要再生水量為0. 017 7 m2×2 400 L/ m2=42. 48 L。先用再生水灌溉3年的水量，即42. 48 L，然后再用再生水進行淋濾取滲出液進行化驗分析，每次取淋濾液為600 mL。每8小時取一次樣，一共取樣5次。市政綠化灌水量同再生水量，作為對照。

由表2和表3可知，滲出液中各離子的含量與再生水原水相比大幅度減少。例如滲濾液中Na+離子和Cl-離子的含量均在第2次時最高分別為90. 20 mg/L和0. 26 mg/L。與再生水中兩種離子的含量對比可知Na+離子減少了51. 87%，氯離子減少了99. 83 %。表明，通過土壤的淋濾和截留作用能夠顯著減少再生水中的大部分鹽分離子。COD含量由原來的140 mg/L減少到了46 mg/L，減少了67. 14 %。

通過與市政綠化水淋濾進行對比分析表明，二者在Na+離子的含量上差異較大，達到了78. 74 mg/L，而在其他離子的含量上差異不明顯。因此，可以認為灌溉3年后帶入地下水的離子類型主要為Na+離子。雖然Na+離子含量較高，但對地下水影響并未超標。新疆南疆地區(qū)地下普遍礦化度較高，再生水灌溉后經過土壤的淋濾作用對地下水的貢獻會導致土壤鹽分顯著提高。初步分析表明，再生水灌溉并不會對地下水含鹽量及有機物(COD含量)造成太大的影響。但是由于實驗中僅僅考慮了鹽分和COD的影響，對再生水中的重金屬和氨氮、總磷等并未作深入研究，而上述這些指標也是衡量地下水水質的重要標準。因此，再生水能否作為生態(tài)林灌溉還需進一步開展細致的研究。

3結論

本文對再生水灌溉生態(tài)林后土壤鹽分及離子類型的變化情況進行了探討，同時利用自制有機玻璃土柱模擬了灌溉三年后對地下水鹽分的影響。通過試驗得出以下結論：

3.1阿拉爾市污水廠經過生化處理的再生水水質SS和COD均能夠滿足灌溉水質要求，但是COD含量較高，未滿足排放標準要求。其中所含的離子類型主要為氯化物、硫化物、碳酸氫鹽類，陽離子類型為鈉鹽和鈣鹽型。總鹽和離子含量與市政綠化水相比均較高。

3.2通過室外再生水灌水試驗表明，較大的灌水量具有洗鹽效果，能夠促使土壤中的鹽分下移，從而降低土壤鹽分；但同時由于再生水中TDS含量較高，較高的灌水量也會帶入更多的鹽分，促進土壤的鹽漬化，維持灌水量在20 L左右時土壤積鹽率最低。再生水灌水量對各離子的累積有顯著的影響，20 L的灌水量能夠顯著減少Cl-和Na+、SO42-的含量。而與市政綠化用水相比，再生水在整個灌水期內并未顯著的提高土壤中鹽分及各種離子的含量。所以將其利用于生態(tài)林的灌溉在本研究周期內是合適的。但是，隨著灌水年份的增加是否會導致鹽分的累積還有待進一步評價。

3.3利用自制有機玻璃土柱對再生水灌溉后淺層地下水的影響進行模擬表明，土壤的過濾和截留作用，吸附了大部分的鹽分離子，灌溉3年后與市政綠化水相比除Na+含量較高外，其他離子含量均較低。灌溉后對地下水鹽分的貢獻率不大，同時初步分析表明再生水灌溉并不會對地下水含鹽量及有機物(COD含量)造成較大的影響。但是由于實驗中僅僅考慮了鹽分和COD的影響，再生水能否應用于生態(tài)林灌溉，還需進一步開展氨氮、總磷等指標的研究。

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Study on Effects of Reclaimed WaterIrrigation on the Soil and Shallow Groundwater Salinity

Qiu YazhouWang HongyangLi ShuangdanMa JiangjingPeng YunLi Fayong*

(College of Water Conservancy and Architecture Engineering,Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

AbstractIn order to reasonable development and utilize the reclaimed water of sewage treatment plant in the City of Alar, the paper studied the variation of soil salinity ecological forest regeneration after irrigation, through simulation analysis of the impact on the shallow groundwater salinity after irrigation. Studies have shown that the main types of renewable chloride ions in water, sulfide, bicarbonates, sodium and calcium cations of type. Total salt and ion levels were higher compared with the municipal green water; 20L irrigation amount of salt accumulation in soil lowest rates, while significantly reducing the Cl- and Na+, SO42-contents. Compared with the municipal green water reclaimed water irrigation in the whole period did not significantly increase the content of soil salinity and various ions; except higher Na+ content, the other ion levels were low compared to three years after irrigation and municipal green water, recycled water for irrigation will not cause too much impact on the groundwater salinity and organic matter (COD content).

Key wordsreclaimed water; salt; underground water

中圖分類號：S273.5

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2016.02.013

文章編號：①1009-0568(2016)02-0072-08

作者簡介：仇亞洲(1991-)，男，2016級本科生，研究方向為污水資源化利用。E-mail：18399575273@163.com*為通訊作者E-mail：lisen8279@163.com

基金項目：新疆生產建設兵團第一師科技項目(2015GJJ01)

收稿日期：①2015-08-31