以下文章来源于RECT1962 ，作者金秋
乌德勒支大学Dominique M. Narain-Ford团队在Reviews of Environmental Contamination and Toxicology（RECT）期刊发表题为“Natural Purification Through Soils: Risks and Opportunities of Sewage Effluent Reuse in Sub-surface Irrigation”的综述。
论文亮点
污水处理厂尾水在地下灌溉（又称渗灌）中的应用能有效解决部分地区水资源紧缺问题，但污水处理厂尾水带来的污染物和环境风险更让公众担忧。本文综述了尾水地下灌溉在世界范围内的应用，探讨了尾水污染物的环境归趋，对其风险评估进行了全面的讨论，重点阐述了污水处理厂尾水再利用的适用程度和面临的问题，为政策制定提出了合理的建议。
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引言
在时间或空间尺度上，全球淡水资源都面临着越来越大的压力，由于气候变化、粮食安全生产与其他经济活动等因素，水资源的需求与供给间出现了较大差异（IWA 2018; UN-Water 2018）。其中，农业灌溉用水占全球淡水消耗量的比例高达69%（FAO 2016），这使得人们不得不探索潜在的替代水资源。而污水处理厂（Sewage treatment plant，STP）的尾水可以有效弥补农业灌溉面临的水资源短缺，同时STP尾水中的氮、磷和钾等可以为农作物提供营养物质，节约了农业生产成本。此外，农田土壤对污染物的吸附和降解又能减少STP尾水中污染物对地表水的输入性污染。
将灌溉用水加入到有可控制排水的地下渗透系统，被称为地下灌溉（sub-surface irrigation，SSI），这种灌溉方式可以通过土壤间隙提高地下水水位，改变土壤水分条件。STP尾水通过SSI系统给土壤带来营养物质的同时，土壤可以作为过滤器和缓冲区减少新兴污染物（Contaminants of emerging concern，CEC）的扩散。本文介绍了STP尾水在农业SSI系统中的再利用，同时总结并展望了污染物特别是CEC在SSI系统中的拦截与去除。
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关于非饮用水再利用的政策与指南
全球目前存在若干关于非饮用水再利用的准则。世界卫生组织（WHO）于2006年发表了关于非饮用水安全使用的准则，为不同环境决策者和机构提供了统一的标准。美国环境保护署（USEPA）于2012年发布了农业灌溉和含水层补水的再利用指南。美国加利福尼亚州根据国际标准组织（ISO）于2015年发布的STP尾水在农业灌溉中再利用的指南，针对CEC制定了更严谨的规定（California Water Boards 2019），并逐渐发展为全球基准。同时，美国加利福尼亚州签署的第996号参议院法案（Legislative Counsel Bureau 2018）鼓励再利用STP尾水。
在欧洲，欧盟的Blueprint提出将STP尾水作为灌溉的替代水资源（European Commission 2012）。各欧盟成员国指定的诸多标准也都借鉴了上文提到的关于非饮用水再利用全球性指南。实际上，欧盟STP尾水再利用的主要阻碍之一是缺乏共同标准，因此欧盟委员会联合研究中心于2017年制定了风险管理框架，确定了农业灌溉和含水层补水中水再利用的最低要求。欧洲委员会也提出了灌溉回用水的法规（European Commission 2018），但缺乏对回用水中CEC的最低限值要求。
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农业中的STP尾水再利用
STP尾水通常经过地表水间接进行农业灌溉，但传统的STP不能有效去除CEC，尾水进入地表水会进一步影响地表水水质，特别是在地表水流量低且灌溉需求大的情况下。通常CEC会通过喷灌与农作物直接接触，因此制定STP尾水的最低标准十分必要。尽管世界各地多个非饮用水再利用工程表明了STP尾水用于作物生长的安全性，但并不是所有STP尾水都可以用于灌溉。同时，由于公众对STP尾水再利用的不信任，提供和公布STP尾水的标准和再利用的优点来提高公众的接受度也是十分必要的。
SSI系统中，STP尾水在重力作用下从管道渗入浅层地下水，通过土壤毛细作用为作物提供灌溉用水。与滴灌和喷灌相比，SSI系统中CEC主要通过土壤吸附和生物过程去除，同时土壤作为天然屏障，避免了STP尾水与作物和人的直接接触。尽管如此，并不是所有土壤都适用于SSI系统，如使用STP尾水灌溉粘土含量高的土壤可能会使土壤质量恶化。
图1 地下灌溉系统示意图
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SSI中CEC的迁移转化
CEC在SSI土壤过程中的迁移转化受到吸附作用、生物转化以及作物吸收的影响。吸附作用通常用平衡有机碳-水分配系数（Koc）来进行量化。而生物转化过程则需要考虑CEC的内在性质和外部环境等因素。CEC的内在性质包括疏水性，官能团，电荷，离子强度等，决定了其转化和矿化速率。外部环境包括灌溉时间和灌溉连续性，排水与土壤容积比，STP尾水基质，有机物，停留时间，微生物，pH值，氧化还原条件，季节性温度变化和竞争离子浓度。大量研究表明，STP尾水灌溉的作物会吸收和积累CEC，其浓度在μg/kg至mg/kg量级之间。在SSI系统中，作物对CEC的吸收在很大程度上取决于CEC在根系附近土壤孔隙水中的生物有效性，同样受CEC的内在性质和外部环境的影响。
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SSI系统中STP尾水的风险评估
基于STP尾水再利用的SSI系统导致农田可能接触到大量非常规监测的污染物，因此对这一过程进行充分的风险评估十分重要。其中一个关键步骤是确定暴露途径，包括污染负荷、频率及持续时间，在SSI系统中，污染物可以通过多种方式到达暴露点。尽管绝大多数CEC的浓度在ng/L的量级，但很多化合物具有持久性、毒性、可移动性及生物累积性。随着检测技术的不断进步，分析仪器可以精准定性和定量STP尾水中的CEC，如液相色谱质谱联用和高分辨率质谱分析仪等。欧洲法规（European Commission，2018）中，风险被定义为“在指定的时间范围内，已确定的危险造成损害的可能性，包括后果的严重性”。因此了解风险对于水供应的分配、STP尾水再利用和CEC减排的权衡至关重要。大量研究表明，在考虑不同种类CEC在SSI系统中造成的影响时，污染物的生态阈值不能忽视，需要考虑其在不同生命体中的毒性及累积。
图2 SSI系统中STP排水污染物的暴露路径
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结论
SSI系统中STP尾水的再利用可以部分解决水资源短缺问题，在众多地区可以替代常规灌溉用水。SSI系统提供了土壤屏障避免STP尾水与作物直接接触，同时土壤对CEC有吸附及生物转化作用。但在世界范围内，美国只有少数几个州通过了CEC与非饮用水再利用相关的指导方针，而在欧洲，目前的STP尾水再利用法规缺乏对CEC的最低要求。另外，SSI将STP尾水引入地下水可能导致其向深层地下水渗漏从而造成污染，作物也会对CEC吸收和积累，且大量CEC的生物转化机制仍需要进一步研究。同时，还需要更多的研究来对SSI系统中STP排水的再利用进行风险评估，以便更好地对STP排水再利用制定合适的法规以及获得更多的应用机会。
文章来源
Dominique M. Narain-Ford, Ruud P. Bartholomeus, Stefan C. Dekker & Annemarie P. van Wezel. Natural Purification Through Soils: Risks and Opportunities of Sewage Effluent Reuse in Sub-surface Irrigation. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology, 250, 85-117.
文章来源
https://doi.org/10.1007/398_2020_49
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