污水灌溉與污水土地處理系統試驗及模擬仿真研究

第24卷第2期農業(yè)工程學(xué)報Vol.24 No.2_42008年2月Transactions of the CSAEFeb. 2008污水灌溉與污水土地處理系統試驗及模擬仿真研究程先軍',許迪'，高占義'，孟國霞”，胡焱(1.中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京10044; 2. 山西省水利水電科學(xué)研究院，太原030002)摘要:為解決大面積不加控制的污水灌溉和未經(jīng)處理的污水自由排放造成的地表水體污染問(wèn)題，提出了由作物生長(cháng)季節污水灌溉、低溫季節污水儲水入滲和地下水管理3個(gè)子系統構成的污水灌溉與污水土地處理系統。對污水灌溉子系統污染物去除效果和污水儲水入滲子系統冬季工作狀況進(jìn)行了試驗研究,利用MODFLOW模型對地下水管理子系統運行效果進(jìn)行了模擬，探討了污水灌溉與污水土地處理系統的運行性能及其對地下水的影響。結果表明:在作物生長(cháng)季節內，污水灌溉子系統可有效提高系統水力負荷、污染物去除效果良好、對地下水水質(zhì)無(wú)顯著(zhù)影響;在無(wú)作物生長(cháng)的冬季，污水儲水入滲子系統可保持冰層下污水持續入滲，確保低溫下污水土地處理系統的正常運行:通過(guò)采用適當的地下水管理調控措施，可避免高定額污水灌溉和儲水入滲對地下水產(chǎn)生的潛在不利影響，達到地下水管理子系統控制范圍內地下水水量平衡。關(guān)鍵詞:污水灌溉;土地處理;排水;污染物;地下水中圖分類(lèi)號: S273.5文獻標識碼: A文章編號: 1002 6819(2008) -2-0046-06程先軍，許迪，高占義，等.污水灌溉與污水土地處理系統試驗及模擬仿真研究[J].農業(yè)工程學(xué)報，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)情況下，污水灌溉還有利于改善土壤質(zhì)地9.10。近年來(lái)，0引言污水灌溉可能對土壤和地下水造成的污染問(wèn)題以及污染污水灌溉實(shí)踐已有很長(cháng)歷史”。通過(guò)污水灌溉系統開(kāi)物在農產(chǎn)品中的積累問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視?？赡馨l(fā)利用污水資源，既可在-定程度上緩解灌溉用水緊張造成這種污染的主耍污染物包括兩類(lèi)。其一是重金屬。的局面，又可借助土壤過(guò)濾吸附、微生物降解以及作物Yediler 等人、Witter. Smith 等人以及Rao等人都對此進(jìn)吸收利用等物理、化學(xué)和生物過(guò)程，達到去污、節肥增行了研究11-4。一般認為，要避免這類(lèi)污染可制定有關(guān)標效、減輕水環(huán)境污染的目的23)。準，限制用于灌溉的污水的品質(zhì)。而作為污水主要成分在發(fā)達國家城市化進(jìn)程加快的19世紀中后期，將污的另- -類(lèi)污染物--氮、 磷等營(yíng)養物和某些有機物則不水灌溉作為污水處理和處置的手段，是人們對其最早的同，它們是土壤- -植物系統中植物生長(cháng)需的養分，也是認識和應用41。20世紀，隨著(zhù)細菌和其他微生物方面知將污水資源用于農業(yè)灌溉的重要原因之一。識的獲得，發(fā)達國家相繼制定了嚴格的水質(zhì)標準，污水在污水處理(處置)方面，土地系統對氮、磷等營(yíng)灌溉的發(fā)展受到了限制。1986 年，世界銀行進(jìn)行了污水養物的良好去除效果是這類(lèi)系統的重要優(yōu)點(diǎn)。而水力負灌溉的流行病學(xué)評估),建立了污水灌溉的實(shí)際風(fēng)險的概荷小、低溫季節不能運行是制約傳統污水灌溉系統在污念，污水灌溉進(jìn)入了新的發(fā)展階段。Shuval 曾對污水灌水處理中應用的主要因素[I5, 16。為此，通過(guò)在傳統污水溉的健康風(fēng)險和相關(guān)的水質(zhì)標準進(jìn)行了總結問(wèn)。目前，污灌溉系統中設置水平排水的方式對其性能進(jìn)行改進(jìn)，可水灌溉的發(fā)展趨勢是把污水資源的灌溉利用和通過(guò)土地使系統的水力負荷提高2~3倍，并在保持較佳污染物去系統對污水進(jìn)行處理(處置)相結合。除效果的同時(shí)，達到維持作物產(chǎn)量的目的17,18。同時(shí)，在污水資源灌溉利用方面，諸多研究成果均表明，改進(jìn)系統的可運行的時(shí)間也較傳統土地處理系統有較大污水灌溉有利于農作物產(chǎn)量的提高(7,8。主要原因是污水延長(cháng)。然而，利用水平排水提高污水灌溉系統水力負荷中的營(yíng)養物質(zhì)為作物生長(cháng)提供了充足的養分，且在很多的做法要求在土層剖面中存在弱透水層或具有較高的地下水位中國煤化工收稿日期: 2006-09-19 修訂日期: 207-1124上游永定河流域，目基金項目:“十五"國家重大科技專(zhuān)項(863計劃) (002A2Z4061)前城鎮MYHCNMHCF灌溉，在非灌酒季作者簡(jiǎn)介:程先軍(1964-),男，山東人，教授級高級工程師。研究方向節則直接排入永定河支流的洋河，對官廳水庫水質(zhì)狀況為農業(yè)灌溉和農村供水中的水質(zhì)問(wèn)題。北京中國水利水電科學(xué)研究院。構成嚴重威脅。為此，若能解決污水土地處理系統在低10044. Email: cheng xj@iwhr com第2期程先軍等:污水灌溉與污水土地處理系統試驗及模擬仿真研究7溫季節的運行問(wèn)題，則利用污水灌溉與污水土地處理系污水集中在半填半挖式儲水池(長(cháng)27 m、寬12 m、深統對城鎮生活污水進(jìn)行處理和再利用將可成為當地經(jīng)濟1.5 m)內，對該池采用土工膜襯砌邊坡防滲，池底與下可行的污水處理措施。本文結合當地具體條件，構建了部原狀土壤相連，通過(guò)對污水儲水入滲子系統的適當管由污水灌溉子系統、污水儲水入滲子系統和地下水管理理，保持池內冰層下的污水持續入滲。為避免污水灌溉子系統組成的污水灌溉與污水土地處理系統，對污水灌子系統和污水儲水入滲子系統運行過(guò)程中大定額污水灌溉子系統在灌溉期間的去污效果和污水儲水入滲子系統溉和連續入滲可能對周邊地區地下水造成的不利影響，在冬季的工作狀況開(kāi)展了試驗研究，對地下水管理子系利用地下水管理子系統，借助豎井排水方式，對地下水統運行狀況進(jìn)行了模擬，對污水灌溉與污水土地處理系位 進(jìn)行周期性調控，同時(shí)為作物生長(cháng)提供適宜的環(huán)境。統的運行性能及其對地下水的影響進(jìn)行了探討。2.2 運行管理建立的污水灌溉與污水土地處理系統試區占地面積1試區概況1 hm'.其中污水灌溉子系統從2005年玉米生育期(5月試區位于山西省陽(yáng)高縣城附近，地處洋河支流白登8日~10月12日)內的6月3日開(kāi)始運行，污灌周期河北岸沖積平原階地，地勢平坦，土質(zhì)以沙壤土為主，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較強，地下水埋深為6~10m.該區屬大陸性半千主要污染物成分見(jiàn)表1.污水儲水入滲子系統于2005年早季風(fēng)氣候，年均降水量350 mm,主要出現在夏季，作12月11日至2006年1月30日運行,每日早8:00定時(shí)物生長(cháng)季節與降雨期同步。農作物為一年一熟，以玉米向池中補充污水，使水位復原，記錄日補水量和冰層厚(5~10月)為主。當地冬季氣候寒冷，近5年來(lái)的最低度等。氣溫為- 27.5C，且低溫持續時(shí)間較長(cháng)。表1污灌水量和原污水的主要污染物成分2系統構成與運行管理方式Table 1 Wastewater imigation amounts and main pollutantscontents of original wastewater2.1系統構成污灌日期灌水量 NO;-N NH4N N n構建(的污水灌溉與污水土地處理系統由污水灌溉子次數/年-月-日/mm /mg*Ll /mg*L' /mg*L' /mg*L'系統、污水儲水入滲子系統和地下水管理子系統構成(圖05-06-0373.30.044.845.2 3.81).在作物生長(cháng)季節內，為了提高污水灌溉子系統的水05-06-18151.12.1.0力負荷，通過(guò)豎井排水對土壤水分狀況進(jìn)行調控，按照05-07-03156.0.126.430.4.6設定的污灌制度，采用地面漫灌方式利用污水進(jìn)行灌溉，05-07-18153.86.628.0.705-08-04165.230.831.2達到污水土地處理的目的。在冬季土壤凍結期，將生活05-08-190.503.52.405-09-02155.10.440.043.8污水灌藏子系統污水儲水入滲子系繞05-09-14153.77.1592.705-10-02152.70.0.761.02.6.|污水灌灑騰發(fā)灌溉回用抽水抽↓↑↑I2.3試驗觀(guān)測試區內設置了3個(gè)觀(guān)測點(diǎn)，均埋設土壤含水率傳感器、負壓計和土壤水溶液提取器。土壤含水率傳感器和負壓計埋設深度為5、15、 30、 60和100 cm,土壤水溶液取樣器埋設深度為120 cm,所有傳感器均與自動(dòng)數據wwwww出出采集系統連接。根據實(shí)時(shí)觀(guān)測的土壤含水率與負壓數據，確定各層入滲冬季入治土壤水分特征曲線(xiàn)。每次灌水后第3d,將采集的3個(gè)土壤水溶液混合后分別采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光H出排水井Wwwww度法、納氏試劑比色法、酚二磺酸分光光度計法和鉬酸十流入地下水管理子系統流出銨分” 中國煤化工?？ǖ狽H4*-N、 硝態(tài)氮.NO3(試驗前后，在3個(gè)取樣點(diǎn)TYHCNMHGo0、100和145cm)的圍1污水灌溉與污水土地處理系統土樣，混合后利用碳酸氫鈉提取- -鉬銻抗比色法測定土Fig 1 Wastewater irigation and wastewater壤有效磷P.作物收獲后，測定玉米產(chǎn)量。land treatment system48農業(yè)工程學(xué)報2008年3污水灌溉 子系統運行效果評價(jià)3.2總磷和土壤含磷量灌溉原污水的總磷濃度在2~4 mg/L 之間變化(圖3.1總氮、 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮如圖2所示，灌溉原污水的總氮濃度在30~60 mg/L4)，而1.2 m處土壤水溶液中的總磷濃度卻穩定在之間變化，而1.2 m處的土壤水溶液總氮濃度約為100.1 mg/L以下，滿(mǎn)足水質(zhì)排放標準，總磷去除率達到97%，mg/L,達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[9中有關(guān)II類(lèi)水域污水灌溉子系統具有理想的總磷去除效果。地表水質(zhì)的相應限值，總氮去除率為77%，污水灌溉子十灌溉污水系統具有較好的總氮去除效果。.....排水圖3a顯示的結果表明，灌溉原污水的銨態(tài)氮濃度在25~60 mg/L之間變化，而1.2 m處土壤水溶液中的銨態(tài)氮濃度卻非常低，達到規定的水質(zhì)排放標準，銨態(tài)氮去除率為9%。由于銨態(tài)氮易被土壤吸附，并隨后發(fā)生硝0246810化或被作物吸收，故污水灌溉子系統具有理想的銨態(tài)氮去除效果。從圖3b可以看出，盡管灌溉原污水中的硝態(tài)圖4灌溉污水和排水中總磷的濃度氮濃度較低，但受硝化作用影響，進(jìn)入土壤的銨態(tài)氮易Fig. 4 Concentration of total phosphorus被硝化為硝態(tài)氮,故1.2 m處土壤水溶液中的硝態(tài)氮濃度in wastewater and drainage相對較高，在7~10 mg/L范圍之間變化。硝態(tài)氮在通過(guò)土壤剖面的下滲過(guò)程中，仍有-部分會(huì )通過(guò)反硝化作用從圖5顯示的試驗前后土壤剖面有效磷含量分布變以氣態(tài)氦的形式從系統逸出?；癄顩r可知，除作物根層范圍的土壤含磷量略有增加外，根區下部土壤含磷量有所減少，試驗前后土壤剖面的含70甘遭溉污水...排水，6磷:量無(wú)明顯變化。，50出440p/mg.L-231◎-.-.0..0.0.0--0-一-試驗前污灌次敷8---試驗后圍2灌溉原污 水和排水中的總氮濃度10Fig.2 Concentration of total nitrogen in wastewater and drainage12146016'so管40圖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地下水水質(zhì)2表2給出污水灌溉與污水土地處理系統運行前后地潘矗次數下水水質(zhì)的變化情況。與污灌前(2005-04-30) 當地地下a. NHI-N水水質(zhì)指標相比,污水灌溉子系統運行后期(2005-10-06)以及污水灌溉與污水土地處理試驗系統運行結束后，觀(guān)測的各項水質(zhì)指標變化很小，表明污水灌溉與污水土地處理系統的運行對當地的地下水水質(zhì)沒(méi)有造成明顯影一. -灕溉污水....排水響。3.4中國煤化工間較正常情況遲后潘溉次數12 d.YHCNMHG以看出，污灌試區內b.NOS,N的玉米籽粒產(chǎn)量和單位面積作物株數比對照區約減少困3灌溉污水和排水中的銨態(tài)氦和硝態(tài)氦濃度13%，單位面積籽粒產(chǎn)量略有減少。因此，雖然為提高污Fig.3 Concentration of ammonium nitrogenand nitrite nitrogen in wastewater and drainage水灌溉子系統的水力負荷，采用的污灌定額是正常灌溉第2期程先軍等:污水灌溉與污水土地處理系統試驗及模擬仿真研究49定額的4倍，但其對作物產(chǎn)量并未造成較大影響。.90表2試驗系統運行前后地下水水質(zhì)變化80Table 2 Changes of groundwater quality before and after自6operation of the trial system地下水水質(zhì)指標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圍7儲水池中逐日 補水量的變化過(guò)程Fig, 7 Cbanges of Volume of daily supplementarywater capacity in the infiltration pond表3污灌試區與對照區玉米產(chǎn) 量比較Table 3 Comparison of crop yields between the wastewateririgation plot and control plot5地下水管理 子系統運行模擬仿真項目污濮試區對照區在污水灌溉子系統和污水儲水入滲子系統運行過(guò)程播種日期/年月-日2005-05-082005-04-262中，如何避免高定額污灌水量和儲水入滲量對當地地下收獲日期年-月日2005-10-12水位可能產(chǎn)生的不利影響是需加以考慮的問(wèn)題。為此,干物質(zhì)產(chǎn)量/t . hm220.63利用MODFLOW模型0)對地下水管理子系統的運行效籽粒產(chǎn)量. hm29.640.7210.940.22果進(jìn)行模擬仿真。利用MODFLOW模型對當地大定額污單位面積株數/株. hm24650952487單株穗數/穗.株'1灌對地下水位變化影響的初步試驗結果進(jìn)行數值模擬驗單穡粒數/?！袼?642645證后，確定采用的土壤飽和水力傳導度為4.17m/d、給水千粒重/g22.57322.17度為0.262.此外，模擬仿真中使用的氣象資料來(lái)自縣氣象站，基于實(shí)測數據利用VG模型確定土壤水分特征曲線(xiàn)4污水儲水入滲 子系統運行效果評價(jià)參數[2",地面高程參數來(lái)自衛星遙感提供的數據.2005 ~ 2006年冬季期間的日最低氣溫變化過(guò)程和污5.1模擬仿真方案地下水管理子系統控制面積154 hm'?(圖 8中梯形面水儲水入滲子系統儲水池中的冰層厚度變化過(guò)程如圖6積,內含污水灌溉子系統和污水儲水入滲子系統控制面所示。試驗初期，池中冰層厚度逐漸增加，達到30 cm積28 hm2 (圖8中長(cháng)方形面積)。在地下水管理子系統控后則趨于穩定，故當池中水深高于30 cm時(shí)，可保證池制范圍內設置4處地下水位觀(guān)測點(diǎn)(圖8中編號1-4),其內冰層下的污水持續下滲。.中1和2號觀(guān)測點(diǎn)位于污水灌溉子系統和污水儲水入滲-2535子系統上游，3和4號觀(guān)測點(diǎn)位于下游。模擬區域面積為3000 mX3000 m(圖8中網(wǎng)格范圍)，土層厚度10m,地層分為3層，網(wǎng)格100 mX 100 m.出-10日最低氣溫→冰層群度12-11 12-21 12-31. 01-10 01-208期/月-日圖6日最低氣溫和儲水池中 冰層厚度的變化Fig. 6 Changes of daily minimum temperatureand thickness of ice in the infltration pond中國煤化工由圖7顯示的逐日補水量數據表明，土壤入滲穩定MHCNMHG后的日均入滲量為55 m',折合水深170 mm,這表明在當地最寒冷的冬季，通過(guò)蓄水入滲方式仍可實(shí)現污水儲圖8模擬區城示意圖水入滲子系統的正常運行。Fig.8 Sketch map of the simulation area50農業(yè)工程學(xué)報2008年將污水灌溉子系統和污水儲水入滲子系統劃分為14井開(kāi)始工作后，水位隨之持續下降。當玉米生長(cháng)季節結個(gè)田塊。從2005年5月1日起，污水灌溉子系統開(kāi)始運束且污水儲水入滲子系統投入運行后，在啟動(dòng)1口排水行，污灌周期14d,將來(lái)自陽(yáng)高縣城的日污水排放量井的條件下，所有觀(guān)測點(diǎn)處的地下水位開(kāi)始緩慢回升并2000 m'依次施加到每個(gè)田塊,同時(shí)啟動(dòng)4口排水井(圖8趨于相對穩定。圖10表明，采用適當的豎井排水工程與中陰影部分)，以單井180 m'/d 的流量持續排水到10月運行管理措施，可實(shí)現地下水管理子系統控制面積范圍12日作物收獲期。此后，污水儲水入滲子系統投入運行。內的地下水水量平衡，避免高定額污水灌溉和儲水入滲期間，開(kāi)啟1口排水井以350 m'd的流量持續排水，直對當地地下水位產(chǎn)生的潛在不利影響。至2006年4月底。6結論5.2模擬結果分析圖9和圖10分別給出模擬的各觀(guān)測點(diǎn)地下水位變化1)污水灌溉與污水土地處理系統試驗及模擬仿真研過(guò)程以及污水灌溉與污水土地處理系統影響下區域地下究結果表明，在當地作物生長(cháng)季節內，利用傳統的污灌水水量平衡狀況。從圖9可知，在污水灌溉子系統運行系統與豎井排水相結合構成的污水灌溉子系統，可達到初期，受高定額污灌水量影響，位于污水灌溉子系統和有效提高系統水力負荷、取得良好污水處理效果、對地污水儲水入滲子系統上游1號和2號觀(guān)測點(diǎn)的地下水位下水水質(zhì)不產(chǎn)生負面影響的目的明顯上升，但隨著(zhù)4口排水井投入運行，地下水位呈逐2)在無(wú)作物生長(cháng)的低溫季節，污水儲水入滲子系統漸回落趨勢，而位于該系統下游3號和4號觀(guān)測點(diǎn)的地可保持冰層下的污水持續入滲，確保低溫條件下污水土下水位并未受高定額污灌水量的影響而拾高，且當排水地處理系統的正常運行;通過(guò)采取適當的地下水管理調控措施，可避免高定額污灌水量和儲水入滲對當地地下天數/d水產(chǎn)生的潛在不利影響，達到地下水管理子系統控制范)” 901802703606.8圍內的地下水水量平衡。7.本文得到的研究結果僅僅是初步的，對污水灌溉子728系統中的作物選擇、污水灌溉對作物品質(zhì)的影響、低溫季節污水儲水入滲子系統的去污效果等還有待開(kāi)展進(jìn)一827.6步的試驗研究，對地下水管理子系統的實(shí)際運行效果尚需在實(shí)踐中做進(jìn)一步檢驗與完善。需要特別指出的是,a.1#b.2#本文的研究是針對研究區域的具體情況進(jìn)行的。當污水天數/d來(lái)源和品質(zhì)不同，特別是污水中含有重金屬或其他不適0 90180 270 360合灌溉利用的污染物時(shí)，這種模式是否適用尚需試驗研究.8.67.8長(cháng)8[參考文獻][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中國煤化工for the sub-system ofgroundwater management.YHCNMHGKey words: wastewater irigation; land treatment; drainage, pollutan; groumawater