原创《污水灌溉国内外综述与基于中国问题的展望》
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淡水短缺是人类面临的世界性难题.水资源分布和人口密度不对称,导致超过４０％的世界人口面临着用水供小于求的压力[１].更为紧迫的是,鉴于人口增长和经济发展趋势,到２０２５年,高达６０％的世界人口可能遭受水资源短缺的困扰[２].农业是用水大户,不论在发达国家还是发展中国家,农业用水量占一国全年用水总量的比例普遍在６０％ ~８０％[３].在广大发展中国家,随着工业化和城镇化的推进,农业用水又不断被工业和城镇生活用水所挤占,农业缺水更加严重.
解决农业用水问题只有“开源”和“节流”两条路.“节流”即减少农业用水量,然而减少用水量往往导致产量和品质的下降.现实的措施是发展节水农业,但节水农业是一种投入比较大、对技术和设施水平要求比较高的生产模式,中等收入及以上国家和地区可以接受,难以成为缓解农业缺水局面的主要手段.“开源”受到了普遍重视,因此世界各国都将目光投向了城市污水.
城市污水是生活污水、工业废水和降水径流的混合水.城市污水中９０％以上是水,其余是固体物质[４].城市污水英文可统称为Wastewater,需要详细区分时,生活污水为Sewage、Domesticsewage或Domesticwastewater,工业废水为Effluent或Industrialwastewater;中文统称为污水或废水,在各种文献中,污水使用得比较广泛.
污水灌溉即将污水经过处理、达到相应作物对水质的要求后回用于农业所进行的灌溉,在世界各地已有百余年历史.处理后的污水也可以直接灌溉或补充地下蓄水层,美国、日本、以色列、约旦等国已经积累了较为成熟的经验.农民使用污水灌溉主要有４点原因:污水是全年可用的水源,污水灌溉降低了肥料的购买量,污水灌溉花费更少,污水有利于城郊农民生产经济价值高的蔬菜.
污水灌溉并不是全无风险.未经处理或处理不达标的污水通常含有微生物和病原体、化学污染物、抗生素残留物等物质,威胁消费者健康,也会引起环境问题. ?海德拉巴宣言? (HyderabadDeclaraＧtion)指出,在没有适当管理的情况下,污水的病原微生物和化学污染物对人类健康和环境形成了严重的风险.
将污水进行处理用于农业灌溉不是一个选择题,只是在各地或显性或隐性地发生着.受制于经济发展、技术和管理水平,污水灌溉在世界各国的发展呈现出较大的不平衡.中国是水资源十分短缺的国家,被联合国可持续发展委员会等７个有关组织列为世界１３个贫水国之一,因而发展污水灌溉具有重要意义.
２ 污水灌溉的国内外研究进展
污水的成分自工业革命以来发生了很大的改变,现在的污水主要是城镇的产物.在古代,生态环境未遭高强度的破坏,人类活动产生的污水量很小,通过自然的自净能力便可以消除这部分污水.人口增长和城镇发展使这种情况发生了逆转.由于城镇化起步早,美国、西班牙等欧美国家学者较早关注污水灌溉的问题.亚非国家如约旦、以色列和埃及由于资源型缺水也较早地开展了污水灌溉的研究,并积极实践.本文通过梳理国内外近３０年的相关文献,污水灌溉的研究体现出一些值得关注的相同点和区别之处.
２１ 国内外研究的相同点
国内外污水灌溉重合度较高的研究是沿着污水资源化这条主线展开的,衍生出许多具体问题,成果主要集中于污水的可利用性研究[５Ｇ１１],风险评估研究[１２Ｇ１６],标准合理性或者标准和成本的综合考量研究[１４,１７Ｇ２０],过滤、渗透、土壤处理等技术手段研究[１２,２１Ｇ２８],重金属生物体内集聚研究[２９],污水农用对人类健康的影响研究[３０Ｇ３１]等.其中处理技术手段的研究较多,针对水中的悬浮物、病原体、耗氧有机物、植物营养素等污染物,常用的技术有混凝、沉淀、常规过滤、土地处理、活性炭吸附、消毒、膜分离、生物处理、生物过滤等.
国内对污水灌溉的技术手段、生物医学、健康风险以及标准的研究尽管开始较晚,但在研究水平和方向上与国外研究逐渐趋同.当前的研究热点是,针对当地的自然资源基础、使用污水的农作系统以及正在生长的作物来研发污水处理技术和设计灌溉方法.
２２ 国内外研究的区别之处
除了以上基本重合的研究成果以外,国内研究主要针对污水灌溉的现状、问题和对策进行总结探讨[３２Ｇ３６].对国外污水灌溉领域的研究成果进行梳理发现,国外学者较早地将研究范围拓展到法律法规、管理执行、成本控制和信息收集等方面.
(１)法律法规方面.立法是规范污水农用的前提,发达国家有相对完善和成熟的立法和法律执行环境.以色列议会早在１９７１年就制定了相关法律,禁止将未处理的污水直接排放,将污水作为国家水资源的一部分进行管理和利用,对不同作物与水质进行严格的匹配.２０１４年,全国超过４０％的农业用水已替换为处理过的城市污水[３７].HermanBouwer认为,城市污水用于农业的关键问题在于加强规划和管制,以减少对健康的影响和地下水的污染,他在农业水资源统筹上提出,可以通过进口他国的农产品、食品、电力来减少本国水资源的利用和投资,节省的水资源可以用于回报更高的经济和社会投资[３８].Sato等认为,无论是在发达国家还是发展中国家,政策和公众偏好都是污水农用的决定因素,不同的是发达国家有更先进的技术手段和更完善的基础设施,发展中国家因为发展所处阶段的原因而使污水农用问题更具复杂性[１].
(２)管理执行方面.污水灌溉既存在机制不相适应问题,也面临道德风险.Rutkowski等研究了加德满都谷地两处地点１０９户农民的生产情况发现,宣传和基础设施建设对农民合理使用污水灌溉有很大影响,该地污水农用缺少管制,也没有国家指导和标准,涉及污水农用的相关机构在工作上也不协调,缺乏正式的协调处理机制影响了污水的规范化和规模化使用[３９].Qadir等发现,很多发展中国家没有能力建设综合的污水处理项目,认为应该通过政策改善、多机构对话和财政支持等一整套措施来促进污水使用及风险控制的有效管理[４０].在这方面,以色列做得较好.为了实现统一高效的顶层管理,以色列组建了水资源管理局,在制定与水相关的政策时,由水资源管理局召集农业部、基建能源部、环境部、财政部与公共代表组成圆桌,共同商定[４１].
Raja等研究发现,尽管知道当地的污水农用对人类健康和地下水水质有负面影响,但因为污水的低成本和富营养,超过９０％的农民仍然愿意冒着牺牲自己和消费者的健康的风险而使用[４２].约旦政府的做法是通过兴建大型污水处理厂来为农业灌溉寻找合格水源.截至２０１６年６月,约旦全国７０％的污水都在AsSamra污水处理厂进行处理,被用于农业灌溉的回用水占到了约旦全国用水量的１０％,极大地缓解了约旦谷下游农业区的灌溉压力.(３)成本控制方面.从世界范围看,影响污水灌溉发展的最大问题就是污水处理的高成本与农业使用的低回报这一突出矛盾.Haruvy针对以色列的污水传导机制发现,中心地区和南部地区在污水传导中具有互补型的比较优势,创建了一套环境风险最小与净利润最大的污水处理机制的设计方法,用来指导投资规划[４３].Maton等精确计量了希腊克里特岛污水农用的成本收益数据,比较早地从经济可行性上探讨污水农用问题[４４].在埃及,为了降低成本,人造湿地① 被证明是一种经济可行的处理方法.(４)信息收集方面.污水灌溉的信息收集是一个世界性难题.可靠的污水农用需要完善的规划和风险管理,因此,对统计信息的要求较高.现实情况是,信息收集和处理是极具挑战性的工作.污水农用的统计口径各异,国际上也没有统一的统计方法和标准.在某些情况下,信息存在,但政府并没有提供获取的渠道或者只出版在一些灰色文献② 上.更深层次的原因可能是污水农用在很多地方是非正式的,未将其纳入统计中.中国还没有完整的污水农用信息[１].
３ 中国污水灌溉存在的主要问题
由于水资源分布不平衡,中国部分地区面临资源型缺水困境.全国６６８座建制市中,约有４００多座城市缺水,其中１００多座城市严重缺水,山东省４８个城市中,３３个城市缺水,其中２２个城市严重缺水[２２].据估计,即使包括可能的供水发掘和利用,加上现有供水工程和引水、蓄水工程供水能力在内,２１世纪２０—５０年代中国仍将有１０００亿m３的水资源赤字[４５].与此同时,伴随着城镇化的持续进行,城市产生的污水逐日增多.将污水处理用于农业灌溉是解决水资源短缺的一条可行路径,但在实践过程中暴露出如下几方面问题.
３１ 法律法规被漠视
中国污水灌溉存在着较为严重的有法不依、执法不严问题.观察世界上污水灌溉发展好的国家,必然是在整个体系中建立了良好的制度约束,体现在针对相关部门、各个利益主体的法律法规上.中国长期以来疏于对水污染的管理,尽管１９６１年颁布了?污水灌溉农田卫生管理试行办法?,１９８５年农业部发布了?农田灌溉水质标准?,１９９２和２００５年又分别修订了该标准,但?中国可持续发展水资源战略研究综合报告?统计显示,２０００年中国污水处理率仅为１３６５％,考虑到偷排、设施没有正常运行或基本不运行的情况,恐怕实际值还低于此数.目前,中国不少城市甚至没有污水处理厂,或者污水处理厂处理能力不足.截至２００７年年底,在对全国１４１３个城市污水处理厂的调查中,仅有１座污水处理厂执行?农田灌溉水质标准?(GB５０８４—２００５)[４６].
３２ 协同管理体系建设落后
污水灌溉不单是一个科学技术问题,更多的是社会、经济、管理、法律问题.从国外实践中可以发现,法律、管理、研究部门的密切协同,促进了污水灌溉的持续健康发展.中国污水灌溉出现问题的症结在于顶层设计的滞后,对生活污水水质的复杂性和工业废水的危害性估计不足,导致污水灌溉一直处于监管缺失的灰色地带.有限、零散的碎片化管理不仅没有实现监管目的,反而暴露了问题的严重性.由于得不到清水,许多地方农民便自发引用城市污水进行灌溉.又因为这类污水灌溉多发生于城郊地区,因而对供应城市和农民自身食用的农产品安全形成了威胁.污水灌溉涉及法律、环保、水利、财政、食品等多个部门,地方协同管理体系欠缺是污水灌溉主要问题之一.
３３ 污水去向不明
有多少污水流向农业灌溉缺乏统计.处理后的污水一般有３个去向:向地表水体排放,包括江河湖海,甚至沙漠;工农业利用;地下水回灌.偷排的污水一般也到了地表水体中.中国近些年来水质逐渐恶化,既有处理不达标的问题,也有偷排漏排的原因.以色列和约旦采用的是集中处理、集中输送的污水回用方式,水质可靠,水源流入流向清楚.通过对处理深度的调节,处理后的污水用途广泛,以色列内格夫沙漠生产的水果达到了出口欧盟的标准.由于中国农业主要灌溉方式还是大水漫灌,且都是从地表水体中引水,恶化的水质给农业生产带来了问题,造成了潜在的环境、食品、人类健康风险.漫灌是一种低效的、粗放的灌溉方式,无法对灌溉作物进行区别,也无法将水质和作物进行匹配.更为严重的是,因为缺乏对污水流向的监控,加上粗放的灌溉方式,使污水农业利用隐性化,给水资源利用和农业生产蒙上阴影.
３４ 重金属污染问题严重
污水灌溉管理失控形成了较为严重的重金属污染问题.通常情况下,污水经过二级技术处理是可以达到农业回用水质标准的,但是监管不严、使用失范使得偷排、漏排、不达标排放的情况普遍存在,造成的后果就是农产品和土壤中重金属含量严重超标.１９７４年,沈阳张士污水灌溉区大米遭受严重镉污染,不得不废弃;２０世纪８０年代中期,天津市的一项土壤调查发现,８种重金属含量全部高于背景值,其中镉超出１０倍、汞超出１２５倍.几乎同期,全国污水灌区农业环境质量普查协作组的调查发现,８６％的污水灌溉区水质不符合灌溉要求,重金属污染面积占到了６５％.１９９８年,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所对白银市的土壤调查发现,白银市东大沟污水灌溉区土壤中的镉含量平均值超过当年日本痛痛病发源地富山县平均水平的４６倍[４７].２００５—２０１３年,环境保护部和国土资源部首次开展了全国土壤污染状况调查,２０１４年发布的?全国土壤污染状况调查公报?显示,５５个污水灌溉区中,有３９个存在土壤污染;在１３７８个土壤点位中,超标点位占２６４％.农业部在对约１４０万hm２ 污水灌溉区调查中发现,遭受重金属污染的土地面积占污水灌溉区面积的６４８％,北京、天津、辽宁、陕西、山西、湖南、湖北、上海、江苏、广东、广西等省份的污水灌溉区都面临由污水灌溉造成的重金属污染,而且各个地区的重金属类型不一[４８].
４ 国内污水灌溉发展展望
中国人口增加、资源环境约束增强、水资源相对短缺的现状,决定了中国污水农用发展方向不可避免.从世界范围看,污水农用也是广为认同的发展趋势.中国不仅在污水灌溉研究的全面性上与国外相比有所欠缺,在实践上也与污水灌溉水平较高的国家存在较大差距.理论指导实践,实践是检验理论的标准,中国污水灌溉的发展必须坚持理论与实践相结合.
４１ 科学研究
总体而言,中国在污水灌溉的社会科学研究方面还有所欠缺,该领域内的政策调查、社会调查、田野调查研究成果较少,虽然具有很大的操作难度,但研究空间也相当广阔.
(１)政策制定和执行方面.污水本质上还是一种水资源,当参与经济活动的时候必然面临经济人的主观选择,是处理还是不处理,是达标还是标准以下,是直接灌溉还是处理后灌溉,都有赖于政策对利益相关方做出限制并强制执行.政策如何制定,实施的效果如何,搭建好各利益主体、相关部门的制度约束框架,提高污水灌溉领域政策制定和执行的科学化水平,需要学者的跟踪研究.
(２)信息统计方面.中国至今没有公布的权威的污水灌溉统计信息,学者们所进行的统计也是零星的、碎片式的,与国外污水灌溉的信息统计研究工作存在差距.
(３)经济可行性方面.当前污水灌溉面临两个矛盾,一个是处理高成本和用水低的矛盾,另一个是工程投资大与经费少的矛盾.如何降低污水灌溉成本,如进行污水处理水质与地区主要作物的匹配,对水质要求低的进行达标的弱处理;如何使污水灌溉工程效益最大,如何进行方案的最优化设计,均是研究的重点.
(４)影响因素研究.对于城郊农民来说,在进行成本收益考量时,如何对水质进行选择,什么因素影响农民的选择,值得关注.
(５)其他方面.对国外著名案例的研究也有待于走向深化、细化、精致化.约旦污水处理厂的建设经验,尤其是规划和管理经验,以色列的立法和执行经验,还有其他国家的最新实践,如许多发展中国家大的污水收集和处理系统已经被证明很难维持,分散式系统从长期操作和财政可持续性上看更具弹性,而且也方便针对当地的使用情况进行调节[４０].以上都有赖于中国学者的积极跟踪和总结.
４２ 建设性措施
(１)打造污水灌溉协同管理体系.污水灌溉最大的问题就是监管的问题.２０１３年,国务院发布?近期土壤环境保护和综合治理工作安排?,明文“禁止在农业生产中使用含重金属、难降解有机污染物的污水以及未经检验和安全处理的污水处理厂污泥、清淤底泥、尾矿等”.民以食为天,粮食安全、食品安全是中国人的大事,必须加强监管.污水灌溉问题复杂,重金属潜伏期长,其危害一旦爆发,会给社会和公众带来无法挽回的损失,河南的“镉麦”问题已经敲响了警钟.中国并非缺少相关法律法规,?水法? ?水土保持法? ?环境保护法?,各种标准、试行办法,相关法规依据已经具备,问题产生的实质在于有法不依、执法不严.污水灌溉涉及水利、环保、农业、司法、工商、物价等多个部门,没有地方部门的协同,污水灌溉管理必然流于形式,执行效果大打折扣.如何发挥法律效力,将监管落到实处,需要政府部门从全局建设污水灌溉协同管理体系.
(２)加大污水灌溉的财政支持.政府应是污水灌溉工程的投资主体.污水滥用形成的问题是一个公地困局,每一方都基于自己的利益最大化忽略污水的副作用而不承担成本,最后使社会承担了成本,政府便成了最终责任人.这一困局的解决只有依靠政府.政府施加强制力规范各方行为,释放正外部性弥补各方损失.从约旦和以色列的污水灌溉实践看,政府财政资金支持促进污水灌溉工程设计建造和科学研究水平的提升,是污水灌溉发展的推动力和保障.
(３)提升污水处理使用的科技水平.世界各国都在积极探索污水科学利用技术.在埃及和突尼斯,污水正被广泛用于农林项目,为木材生产和荒漠化防治提供支持.美国将处理后的污水广泛用于蓄水层的补给.以色列将污水用到了极致,通过对水质调节、输送工程、灌溉方式(主要实行滴灌、水肥一体)的革新,其污水灌溉生产的农产品除了满足自己需求外,还大量出口,占据欧洲瓜果、蔬菜市场４０％的份额,其中大部分来自内格夫极度干旱的沙漠地区[４１].中国许多地区与以色列的资源基础情况类似,但农业产出差距很大,很大程度上是因为在水利用方面严重滞后于以色列.
(４)发挥社会舆论的监督作用.污水是放在别处、不得不用的资源,在向经济价值和社会价值的转化中必须进行强制性、科学化、规范化的处理,要重视社会舆论的监督作用.只靠政府,依然不能形成对不规范污水灌溉的有力管制网,需要全社会关注、参与到问题的解决中,每个人都责无旁贷,环保团体应发挥明察秋毫、上通下达的作用.全社会应该认识到,污水灌溉是现实所迫,可以通过技术手段、管理手段实现污水灌溉对环境和人类的无害.
国内外研究论文参考资料：
总结:此文是一篇适合展望和综述和研究综述论文写作的大学硕士及关于国内外研究本科毕业论文，相关国内外研究开题报告范文和学术职称论文参考文献。
