城市绿地再生水灌溉典型污染物环境行为与效应研究

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开发利用废水资源,不仅是缓解水资源供需矛盾的重要措施,也是减轻环境污染的有效途径。城市绿地再生水灌溉是再生水利用的主要途径之一。由于再生水中含有较高的盐分、氮及痕量的重金属、药品及个人护理用品等,长期再生水灌溉可导致土壤、地下水污染,且存在潜在人体健康风险。本研究以北京市再生水及自来水灌溉公园绿地为研究区,针对再生水中的典型污染物,结合野外监测实验和模型模拟,研究了城市绿地再生水灌溉下盐分、氮素、重金属和药品及个人护理用品(PPCPs)在土壤-地下水系统中的迁移规律与累积趋势,及其影响因素,评价了长期再生水灌溉下城市绿地的土壤质量变化及污染物累积和地下水污染风险,为调控和管理再生水的安全灌溉提供科技支撑。主要研究结果如下:  (1)利用ENVIRO-GRO模型,进行了再生水灌溉土壤盐分的累积分布规律研究与植被适宜性评价。野外监测发现,北京公园绿地再生水灌溉下土壤含盐量高于自来水灌溉20%,在其中一个公园发现轻度土壤盐渍化,土壤盐分的累积尚未影响植被生长。野外监测结果与ENVIRO-GRO模型模拟的结果类似,达到平衡时,城市绿地长期再生水(含盐量为1.2 dS/m)灌溉土壤含盐量为1.85 dS/m。对不同的情景模拟发现,在灌溉水含盐量为2.4 dS/m、节水灌溉(597 mm)、土壤粘性较大(壤土、粘壤土)的情况下再生水灌溉土壤盐渍化的风险较高。  (2)通过建立耦合HYDRUS-MODFLOW模型,进行了再生水灌溉盐分、硝态氮地下水迁移规律模拟与污染风险研究。模型校正及验证的结果显示,耦合模型能很好的模拟土壤-地下水中盐分及硝态氮的迁移分布。再生水灌溉将增加浅层地下水含盐量,但其增量受到降雨量与灌溉量的比例影响。再生水灌溉也增加了浅层地下水硝态氮的含量,但目前浅层地下水硝态氮含量仍属于Ⅰ-Ⅱ类地下水,并没有达到污染水平。灌溉水质及水量对浅层地下水含盐量的影响较大,对硝态氮的影响较小;总体上长期再生水灌溉下浅层地下水具有较大的盐分增加风险,硝态氮增加的风险较小。  (3)利用HYDRUS-1D模型,进行了再生水灌溉重金属土壤累积规律与风险研究。野外监测发现,再生水灌溉下2011、2014年土壤重金属增加了0.5%-10.6%,其中Zn、Pb、Cu在2014年的增加量高于2011年,所有点的土壤重金属含量均未超过国家标准。对陶然亭公园再生水灌溉土壤重金属Zn、Pb的分布进行了50年的模拟预测,发现灌溉水质对Zn在土壤中的累积分布影响较大,灌溉水量则影响不大;再生水灌溉下Pb在土壤中的累积量很小,且灌溉水质、水量对其累积量的影响也很小。不同条件下模拟灌溉50年之后,土壤中的Zn、Pb均未超过国家二级标准,且主要累积在表层0-20 cm,可见长期再生水灌溉下土壤Zn、 Pb的污染风险均较小。  (4)通过构建筛选水平的风险评价框架,进行了基于筛选水平的再生水灌溉PPCPs风险评价。文献调研发现目前北京污水处理厂出水中主要进行检测的PPCPs有7类,其中环境激素类和抗生素类的化合物种类最多,且对PPCPs总浓度的贡献最大。北京公园的再生水中除了酞酸酯类化合物其它PPCPs的浓度均高于自来水,再生水灌溉下土壤中某些PPCPs的累积量高于自来水灌溉。基于筛选水平的风险评价框架,发现再生水灌溉10年之后,根系土层中将有21种PPCPs具有较高的污染风险;再生水灌溉PPCPs对地下水的污染风险较小,其中氧氟沙星值得重点关注;而对于灌溉过程中释放进入大气中的PPCPs,人工合成麝香和环境激素的平均排放量最高。  (5)利用土壤质量综合指数评分法进行了再生水灌溉下城市绿地的土壤质量综合评价。再生水灌溉对土壤营养条件的影响不显著,土壤盐分将出现累积,土壤重金属有轻微的累积,并且能显著改善土壤微生物活性。冗余分析结果显示,再生水中较高的总氮、总磷含量虽然没有导致土壤总氮、总磷的显著增加,但增强了土壤微生物活性,改善了土壤质量;计算其土壤质量综合指数,发现再生水灌溉下土壤质量综合指数有轻微的增加,且增量随着灌溉年限的增加而增加。
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