污水灌溉与污水土地处理系统试验及模拟仿真研究

第24卷第2期农业工程学报Vol.24 No.2_42008年2月Transactions of the CSAEFeb. 2008污水灌溉与污水土地处理系统试验及模拟仿真研究程先军',许迪'，高占义'，孟国霞”，胡焱(1.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京10044; 2. 山西省水利水电科学研究院，太原030002)摘要:为解决大面积不加控制的污水灌溉和未经处理的污水自由排放造成的地表水体污染问题，提出了由作物生长季节污水灌溉、低温季节污水储水入渗和地下水管理3个子系统构成的污水灌溉与污水土地处理系统。对污水灌溉子系统污染物去除效果和污水储水入渗子系统冬季工作状况进行了试验研究,利用MODFLOW模型对地下水管理子系统运行效果进行了模拟，探讨了污水灌溉与污水土地处理系统的运行性能及其对地下水的影响。结果表明:在作物生长季节内，污水灌溉子系统可有效提高系统水力负荷、污染物去除效果良好、对地下水水质无显著影响;在无作物生长的冬季，污水储水入渗子系统可保持冰层下污水持续入渗，确保低温下污水土地处理系统的正常运行:通过采用适当的地下水管理调控措施，可避免高定额污水灌溉和储水入渗对地下水产生的潜在不利影响，达到地下水管理子系统控制范围内地下水水量平衡。关键词:污水灌溉;土地处理;排水;污染物;地下水中图分类号: S273.5文献标识码: A文章编号: 1002 6819(2008) -2-0046-06程先军，许迪，高占义，等.污水灌溉与污水土地处理系统试验及模拟仿真研究[J].农业工程学报，2008, 24(2): 46-51Cheng Xianjum, Xu Di, Gao Zhanyi, et al. Trial and simulation of a pilot system combining wastewater land treatment with cropirigation [I]. Transactions of the CSAE, 2008, 24(2); 46- 51.(in Chinese with English abstract)情况下，污水灌溉还有利于改善土壤质地9.10。近年来，0引言污水灌溉可能对土壤和地下水造成的污染问题以及污染污水灌溉实践已有很长历史”。通过污水灌溉系统开物在农产品中的积累问题越来越受到人们的重视。可能发利用污水资源，既可在-定程度上缓解灌溉用水紧张造成这种污染的主耍污染物包括两类。其一是重金属。的局面，又可借助土壤过滤吸附、微生物降解以及作物Yediler 等人、Witter. Smith 等人以及Rao等人都对此进吸收利用等物理、化学和生物过程，达到去污、节肥增行了研究11-4。一般认为，要避免这类污染可制定有关标效、减轻水环境污染的目的23)。准，限制用于灌溉的污水的品质。而作为污水主要成分在发达国家城市化进程加快的19世纪中后期，将污的另- -类污染物--氮、 磷等营养物和某些有机物则不水灌溉作为污水处理和处置的手段，是人们对其最早的同，它们是土壤- -植物系统中植物生长需的养分，也是认识和应用41。20世纪，随着细菌和其他微生物方面知将污水资源用于农业灌溉的重要原因之一。识的获得，发达国家相继制定了严格的水质标准，污水在污水处理(处置)方面，土地系统对氮、磷等营灌溉的发展受到了限制。1986 年，世界银行进行了污水养物的良好去除效果是这类系统的重要优点。而水力负灌溉的流行病学评估),建立了污水灌溉的实际风险的概荷小、低温季节不能运行是制约传统污水灌溉系统在污念，污水灌溉进入了新的发展阶段。Shuval 曾对污水灌水处理中应用的主要因素[I5, 16。为此，通过在传统污水溉的健康风险和相关的水质标准进行了总结问。目前，污灌溉系统中设置水平排水的方式对其性能进行改进，可水灌溉的发展趋势是把污水资源的灌溉利用和通过土地使系统的水力负荷提高2~3倍，并在保持较佳污染物去系统对污水进行处理(处置)相结合。除效果的同时，达到维持作物产量的目的17,18。同时，在污水资源灌溉利用方面，诸多研究成果均表明，改进系统的可运行的时间也较传统土地处理系统有较大污水灌溉有利于农作物产量的提高(7,8。主要原因是污水延长。然而，利用水平排水提高污水灌溉系统水力负荷中的营养物质为作物生长提供了充足的养分，且在很多的做法要求在土层剖面中存在弱透水层或具有较高的地下水位中国煤化工收稿日期: 2006-09-19 修订日期: 207-1124上游永定河流域，目基金项目:“十五"国家重大科技专项(863计划) (002A2Z4061)前城镇MYHCNMHCF灌溉，在非灌酒季作者简介:程先军(1964-),男，山东人，教授级高级工程师。研究方向节则直接排入永定河支流的洋河，对官厅水库水质状况为农业灌溉和农村供水中的水质问题。北京中国水利水电科学研究院。构成严重威胁。为此，若能解决污水土地处理系统在低10044. Email: cheng xj@iwhr com第2期程先军等:污水灌溉与污水土地处理系统试验及模拟仿真研究7温季节的运行问题，则利用污水灌溉与污水土地处理系污水集中在半填半挖式储水池(长27 m、宽12 m、深统对城镇生活污水进行处理和再利用将可成为当地经济1.5 m)内，对该池采用土工膜衬砌边坡防渗，池底与下可行的污水处理措施。本文结合当地具体条件，构建了部原状土壤相连，通过对污水储水入渗子系统的适当管由污水灌溉子系统、污水储水入渗子系统和地下水管理理，保持池内冰层下的污水持续入渗。为避免污水灌溉子系统组成的污水灌溉与污水土地处理系统，对污水灌子系统和污水储水入渗子系统运行过程中大定额污水灌溉子系统在灌溉期间的去污效果和污水储水入渗子系统溉和连续入渗可能对周边地区地下水造成的不利影响，在冬季的工作状况开展了试验研究，对地下水管理子系利用地下水管理子系统，借助竖井排水方式，对地下水统运行状况进行了模拟，对污水灌溉与污水土地处理系位 进行周期性调控，同时为作物生长提供适宜的环境。统的运行性能及其对地下水的影响进行了探讨。2.2 运行管理建立的污水灌溉与污水土地处理系统试区占地面积1试区概况1 hm'.其中污水灌溉子系统从2005年玉米生育期(5月试区位于山西省阳高县城附近，地处洋河支流白登8日~10月12日)内的6月3日开始运行，污灌周期河北岸冲积平原阶地，地势平坦，土质以沙壤土为主，15 d左右，共灌水9次，各次污灌的水量和原污水中的透水性较强，地下水埋深为6~10m.该区属大陆性半千主要污染物成分见表1.污水储水入渗子系统于2005年早季风气候，年均降水量350 mm,主要出现在夏季，作12月11日至2006年1月30日运行,每日早8:00定时物生长季节与降雨期同步。农作物为一年一熟，以玉米向池中补充污水，使水位复原，记录日补水量和冰层厚(5~10月)为主。当地冬季气候寒冷，近5年来的最低度等。气温为- 27.5C，且低温持续时间较长。表1污灌水量和原污水的主要污染物成分2系统构成与运行管理方式Table 1 Wastewater imigation amounts and main pollutantscontents of original wastewater2.1系统构成污灌日期灌水量 NO;-N NH4N N n构建(的污水灌溉与污水土地处理系统由污水灌溉子次数/年-月-日/mm /mg*Ll /mg*L' /mg*L' /mg*L'系统、污水储水入渗子系统和地下水管理子系统构成(图05-06-0373.30.044.845.2 3.81).在作物生长季节内，为了提高污水灌溉子系统的水05-06-18151.12.1.0力负荷，通过竖井排水对土壤水分状况进行调控，按照05-07-03156.0.126.430.4.6设定的污灌制度，采用地面漫灌方式利用污水进行灌溉，05-07-18153.86.628.0.705-08-04165.230.831.2达到污水土地处理的目的。在冬季土壤冻结期，将生活05-08-190.503.52.405-09-02155.10.440.043.8污水灌藏子系统污水储水入渗子系绕05-09-14153.77.1592.705-10-02152.70.0.761.02.6.|污水灌洒腾发灌溉回用抽水抽↓↑↑I2.3试验观测试区内设置了3个观测点，均埋设土壤含水率传感器、负压计和土壤水溶液提取器。土壤含水率传感器和负压计埋设深度为5、15、 30、 60和100 cm,土壤水溶液取样器埋设深度为120 cm,所有传感器均与自动数据wwwww出出采集系统连接。根据实时观测的土壤含水率与负压数据，确定各层入渗冬季入治土壤水分特征曲线。每次灌水后第3d,将采集的3个土壤水溶液混合后分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光H出排水井Wwwww度法、纳氏试剂比色法、酚二磺酸分光光度计法和钼酸十流入地下水管理子系统流出铵分” 中国煤化工牛卡氮NH4*-N、 硝态氮.NO3(试验前后，在3个取样点TYHCNMHGo0、100和145cm)的围1污水灌溉与污水土地处理系统土样，混合后利用碳酸氢钠提取- -钼锑抗比色法测定土Fig 1 Wastewater irigation and wastewater壤有效磷P.作物收获后，测定玉米产量。land treatment system48农业工程学报2008年3污水灌溉 子系统运行效果评价3.2总磷和土壤含磷量灌溉原污水的总磷浓度在2~4 mg/L 之间变化(图3.1总氮、 铵态氮和硝态氮如图2所示，灌溉原污水的总氮浓度在30~60 mg/L4)，而1.2 m处土壤水溶液中的总磷浓度却稳定在之间变化，而1.2 m处的土壤水溶液总氮浓度约为100.1 mg/L以下，满足水质排放标准，总磷去除率达到97%，mg/L,达到《地表水环境质量标准》[9中有关II类水域污水灌溉子系统具有理想的总磷去除效果。地表水质的相应限值，总氮去除率为77%，污水灌溉子十灌溉污水系统具有较好的总氮去除效果。.....排水图3a显示的结果表明，灌溉原污水的铵态氮浓度在25~60 mg/L之间变化，而1.2 m处土壤水溶液中的铵态氮浓度却非常低，达到规定的水质排放标准，铵态氮去除率为9%。由于铵态氮易被土壤吸附，并随后发生硝0246810化或被作物吸收，故污水灌溉子系统具有理想的铵态氮去除效果。从图3b可以看出，尽管灌溉原污水中的硝态图4灌溉污水和排水中总磷的浓度氮浓度较低，但受硝化作用影响，进入土壤的铵态氮易Fig. 4 Concentration of total phosphorus被硝化为硝态氮,故1.2 m处土壤水溶液中的硝态氮浓度in wastewater and drainage相对较高，在7~10 mg/L范围之间变化。硝态氮在通过土壤剖面的下渗过程中，仍有-部分会通过反硝化作用从图5显示的试验前后土壤剖面有效磷含量分布变以气态氦的形式从系统逸出。化状况可知，除作物根层范围的土壤含磷量略有增加外，根区下部土壤含磷量有所减少，试验前后土壤剖面的含70甘遭溉污水...排水，6磷:量无明显变化。，50出440p/mg.L-231◎-.-.0..0.0.0--0-一-试验前污灌次敷8---试验后围2灌溉原污 水和排水中的总氮浓度10Fig.2 Concentration of total nitrogen in wastewater and drainage12146016'so管40图5土壤剖面有 效磷的分布: 30Fig. 5 Distribution of available phosphorus in soil profle菱20一N一濡溉污水..0..排水3.3地下水水质2表2给出污水灌溉与污水土地处理系统运行前后地潘矗次数下水水质的变化情况。与污灌前(2005-04-30) 当地地下a. NHI-N水水质指标相比,污水灌溉子系统运行后期(2005-10-06)以及污水灌溉与污水土地处理试验系统运行结束后，观测的各项水质指标变化很小，表明污水灌溉与污水土地处理系统的运行对当地的地下水水质没有造成明显影一. -灕溉污水....排水响。3.4中国煤化工间较正常情况迟后潘溉次数12 d.YHCNMHG以看出，污灌试区内b.NOS,N的玉米籽粒产量和单位面积作物株数比对照区约减少困3灌溉污水和排水中的铵态氦和硝态氦浓度13%，单位面积籽粒产量略有减少。因此，虽然为提高污Fig.3 Concentration of ammonium nitrogenand nitrite nitrogen in wastewater and drainage水灌溉子系统的水力负荷，采用的污灌定额是正常灌溉第2期程先军等:污水灌溉与污水土地处理系统试验及模拟仿真研究49定额的4倍，但其对作物产量并未造成较大影响。.90表2试验系统运行前后地下水水质变化80Table 2 Changes of groundwater quality before and after自6operation of the trial system地下水水质指标8期30年月日ECH BODsNH'N TN NO,N2(/uS●cm'/mg●L/mg'L' /mg.L' /mng'L:'102005-0430 152732.80.119.809.602005-106 154193.90.1212-11 12-18 12-25 01-01 01-08 01-15 01-22200604-10 1709.0.3.0.139.899.62日期/月-日0.10围7储水池中逐日 补水量的变化过程Fig, 7 Cbanges of Volume of daily supplementarywater capacity in the infiltration pond表3污灌试区与对照区玉米产 量比较Table 3 Comparison of crop yields between the wastewateririgation plot and control plot5地下水管理 子系统运行模拟仿真项目污濮试区对照区在污水灌溉子系统和污水储水入渗子系统运行过程播种日期/年月-日2005-05-082005-04-262中，如何避免高定额污灌水量和储水入渗量对当地地下收获日期年-月日2005-10-12水位可能产生的不利影响是需加以考虑的问题。为此,干物质产量/t . hm220.63利用MODFLOW模型0)对地下水管理子系统的运行效籽粒产量. hm29.640.7210.940.22果进行模拟仿真。利用MODFLOW模型对当地大定额污单位面积株数/株. hm24650952487单株穗数/穗.株'1灌对地下水位变化影响的初步试验结果进行数值模拟验单穑粒数/粒●穗*642645证后，确定采用的土壤饱和水力传导度为4.17m/d、给水千粒重/g22.57322.17度为0.262.此外，模拟仿真中使用的气象资料来自县气象站，基于实测数据利用VG模型确定土壤水分特征曲线4污水储水入渗 子系统运行效果评价参数[2",地面高程参数来自卫星遥感提供的数据.2005 ~ 2006年冬季期间的日最低气温变化过程和污5.1模拟仿真方案地下水管理子系统控制面积154 hm'?(图 8中梯形面水储水入渗子系统储水池中的冰层厚度变化过程如图6积,内含污水灌溉子系统和污水储水入渗子系统控制面所示。试验初期，池中冰层厚度逐渐增加，达到30 cm积28 hm2 (图8中长方形面积)。在地下水管理子系统控后则趋于稳定，故当池中水深高于30 cm时，可保证池制范围内设置4处地下水位观测点(图8中编号1-4),其内冰层下的污水持续下渗。.中1和2号观测点位于污水灌溉子系统和污水储水入渗-2535子系统上游，3和4号观测点位于下游。模拟区域面积为3000 mX3000 m(图8中网格范围)，土层厚度10m,地层分为3层，网格100 mX 100 m.出-10日最低气温→冰层群度12-11 12-21 12-31. 01-10 01-208期/月-日图6日最低气温和储水池中 冰层厚度的变化Fig. 6 Changes of daily minimum temperatureand thickness of ice in the infltration pond中国煤化工由图7显示的逐日补水量数据表明，土壤入滲稳定MHCNMHG后的日均入渗量为55 m',折合水深170 mm,这表明在当地最寒冷的冬季，通过蓄水入渗方式仍可实现污水储图8模拟区城示意图水入渗子系统的正常运行。Fig.8 Sketch map of the simulation area50农业工程学报2008年将污水灌溉子系统和污水储水入渗子系统划分为14井开始工作后，水位随之持续下降。当玉米生长季节结个田块。从2005年5月1日起，污水灌溉子系统开始运束且污水储水入渗子系统投入运行后，在启动1口排水行，污灌周期14d,将来自阳高县城的日污水排放量井的条件下，所有观测点处的地下水位开始缓慢回升并2000 m'依次施加到每个田块,同时启动4口排水井(图8趋于相对稳定。图10表明，采用适当的竖井排水工程与中阴影部分)，以单井180 m'/d 的流量持续排水到10月运行管理措施，可实现地下水管理子系统控制面积范围12日作物收获期。此后，污水储水入渗子系统投入运行。内的地下水水量平衡，避免高定额污水灌溉和储水入渗期间，开启1口排水井以350 m'd的流量持续排水，直对当地地下水位产生的潜在不利影响。至2006年4月底。6结论5.2模拟结果分析图9和图10分别给出模拟的各观测点地下水位变化1)污水灌溉与污水土地处理系统试验及模拟仿真研过程以及污水灌溉与污水土地处理系统影响下区域地下究结果表明，在当地作物生长季节内，利用传统的污灌水水量平衡状况。从图9可知，在污水灌溉子系统运行系统与竖井排水相结合构成的污水灌溉子系统，可达到初期，受高定额污灌水量影响，位于污水灌溉子系统和有效提高系统水力负荷、取得良好污水处理效果、对地污水储水入渗子系统上游1号和2号观测点的地下水位下水水质不产生负面影响的目的明显上升，但随着4口排水井投入运行，地下水位呈逐2)在无作物生长的低温季节，污水储水入渗子系统渐回落趋势，而位于该系统下游3号和4号观测点的地可保持冰层下的污水持续入渗，确保低温条件下污水土下水位并未受高定额污灌水量的影响而拾高，且当排水地处理系统的正常运行;通过采取适当的地下水管理调控措施，可避免高定额污灌水量和储水入渗对当地地下天数/d水产生的潜在不利影响，达到地下水管理子系统控制范)” 901802703606.8围内的地下水水量平衡。7.本文得到的研究结果仅仅是初步的，对污水灌溉子728系统中的作物选择、污水灌溉对作物品质的影响、低温季节污水储水入渗子系统的去污效果等还有待开展进一827.6步的试验研究，对地下水管理子系统的实际运行效果尚需在实践中做进一步检验与完善。需要特别指出的是,a.1#b.2#本文的研究是针对研究区域的具体情况进行的。当污水天數/d来源和品质不同，特别是污水中含有重金属或其他不适0 90180 270 360合灌溉利用的污染物时，这种模式是否适用尚需试验研究.8.67.8长8[参考文献][1] Wolman A. 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Shanxi Institute of Water Resources and Hydropower Research, Taiyuan 030002, China)Abstract: To solve the problems of uncontrolled large scale wastewater irigation and direct discharge of wastewaterinto surface water bodies, a system of wastewater irigation and wastewater land treatment was contrusted, which wascomposed of wastewater imigation during crop growth stage, wastewater storage and infilration during the winter andgroundwater management. The experiments of pollutant removal and wastewater storage and infiltration in the winterwere conducted. A model based on MODFLOW was used to simulate the operation effect of groundwater managementand to analyze the effects of operation property of wastewater irigation and wastewater land teatment system on thegroundwater. The results show that the bydraulic load of wastewater irigation system is increased, pollutant removaleffect is better and the groundwater quality is not influenced by system during the crop growth stage. Wastewater storageand infltration during the winter could keep continuous infilration of wastewater below the ice to ensure the operationof the system at lower temperation. By measures of groundwater management, potential adverse impact of wastewaterirrigation and land treatment on the groundwater can be avoided to r中国煤化工for the sub-system ofgroundwater management.YHCNMHGKey words: wastewater irigation; land treatment; drainage, pollutan; groumawater