Zio河流域处理废水（TWW）农业灌溉回用综合评估：面向可持续肥料替代与水资源管理

《Environmental Challenges》：Integrated assessment of treated wastewater reuse for agricultural irrigation in the Zio River Basin: Implications for sustainable fertilizer substitution and water resources management

　　

摘要：水资源短缺与农业用水需求增长正推动将处理废水（TWW）作为替代灌溉水源进行回用。然而，在多哥，尤其是在Zio河流域，尚缺乏用于探索TWW潜在回用并支撑可持续水资源管理的数据与综合方法。本研究评估了TWW的灌溉适宜性，重点考察灌溉适宜性指数、养分回收潜力及其对可持续水资源管理的启示。灌溉适宜性通过单一灌溉水质指数和复合灌溉水质指数（IWQI）评估，养分回收潜力则基于氮、磷、钾浓度评价。结果表明，处理出水总体上表现出可接受的盐度、钠度和离子毒性特征，主要痕量金属元素（TME）低于检出限。IWQI值（30.98–38.31）表明其灌溉适宜性为中等至较高。TWW还含有可观的氮、磷、钾浓度，氮磷钾（NPK）养分贡献率（12.4–33.6%）突出其替代合成肥料的潜力。尽管氯化物浓度升高（240–987.80 mg/L）和微生物学质量需要适当管理，但从灌溉指数角度看，出水总体质量仍与农业回用相容。与历史数据（2016–2017）比较未发现灌溉水质显著恶化（p > 0.05），表明TWW用于灌溉具有长期适宜性和稳定性。这些发现表明，啤酒厂出水是Zio河流域灌溉可靠且可持续的补充水资源。通过同时支持水回用和养分回收，其农业应用可有助于减少淡水取用量、降低肥料需求并提高气候韧性。

水资源短缺和农业用水需求增长促使人们关注将处理废水（TWW）作为替代灌溉水源，但多哥特别是Zio河流域仍缺乏探索TWW潜在回用并支持可持续水资源管理的数据和综合方法。已有研究多基于短期数据并使用单一灌溉指数，未充分涉及养分回收和时间变化；本研究据此评估TWW灌溉适宜性、养分回收潜力及其对可持续水资源管理的启示。研究人员于2024—2025年在BB Lomé污水处理厂排放点按月采集TWW，并汇总2016、2017、2024和2025年月度数据，形成2016—2017与2024—2025两个时期；测定pH、电导率（EC）、温度、主要离子、营养盐、痕量金属元素（TME）及微生物指标；采用单一灌溉指数、复合灌溉水质指数（IWQI）、主成分分析（PCA）、Spearman秩相关和Mann–Whitney U检验比较季节与时期差异。样本队列来源为BB Lomé污水处理厂排放点及该厂历史监测数据。
研究结果如下。3.1 Characteristics of treated wastewater：通过测定浊度、总悬浮固体（TSS）、色度、总氮（TN）、总凯氏氮（TKN）、总磷（TP）、PO₄^3?、NH₄⁺、NO₂^?、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、主要离子、Cl^?、微生物及TME，发现TWW有机物和营养盐高于天然水体，主要矿化离子接近天然水范围，Cl^?较高与盐酸调pH有关，微生物浓度较高，Pb、Hg、Cd等主要TME低于检出限。3.2 Salinity hazards and phytotoxicity assessment of TWW：基于EC、总溶解固体（TDS）、潜在盐度（PS）和Cl^?评价，EC为1289–2564 μS/cm（均值1785.10 ± 350.50 μS/cm），TDS为804–1841 mg/L（均值1020.45 ± 224.32 mg/L），总体属中等盐度；PS为6.98–29.03 meq/L（均值17.10 ± 7.70 meq/L），属中等至较差，需对盐敏感作物和低至中等渗透性土壤谨慎；Cl^?为6.76–27.83 meq/L（16.76 ± 7.58 meq/L），对多数作物适用但对敏感作物有中等限制。3.3 Potential sodicity and sodium hazards of the TWW：通过钠吸附比（SAR）、Kelly比值（KR）、钠百分比（SP）和可溶性钠百分比（SSP）评价，SSP为10.33–48.36%，SP/SSP为10.33–49.22%，SAR为0.65–4.99，KR为0.12–0.94，表明钠危害较小、总体适宜灌溉。3.4 Potential carbonate and magnesium hazards of the TWW：通过残余碳酸钠（RSC）、渗透指数（PI）和镁危害（MH）评价，RSC为?21.73–4.59 meq/L，超过75%样品低于?1 meq/L；PI为19.17–60.42%，多数超过25%；MH为7.35–60.94%（均值32.76 ± 18.42%），多数在可接受范围，个别超过50%，表明碳酸盐和镁危害有限且可管理。3.5 Potential nutrient recovery and implications for fertilizer substitution：基于氮、磷、钾浓度计算，NPK贡献率为12.40–33.57%（均值23.35 ± 5.46%），N为2.95–22.44%、P为2.02–6.04%、K为5.67–17.73%，表明TWW可作为补充养分源并在匹配作物需求时部分替代合成肥料。3.6 Microbiological contamination risks of the TWW reuse：通过总大肠菌群（TC）、粪大肠菌群（FC）和大肠杆菌（E. coli）及其比值评价，呈TC?FC>E. coli，FC/TC和E. coli/FC比值较低，提示以非粪便或环境来源大肠菌群为主，但FC和E. coli仍可检出，对生食作物灌溉构成健康约束。3.7 Global and integrated suitability assessment of the TWW：通过IWQI及其子指数并结合PCA和Spearman相关评价，IWQI为30.98–38.31（均值35.16 ± 2.57），属中等至较高灌溉适宜性；4个主成分解释87.52%总方差，PC1主要反映盐度—钠度维度，PC2反映碱度—养分维度；IWQI可作为筛查和决策支持工具，但不能替代具体危害评估。3.8 Long-term irrigation suitability and stability of the TWW：通过比较2016—2017与2024—2025数据，关键灌溉水质指标无显著差异（p > 0.05）；IWQI湿季中位数37.1、干季34.5，差异不显著（p = 0.6033），表明TWW灌溉适宜性具有长期和季节性稳定性，但仍需监测盐度、钠度、养分累积和微生物风险。3.9 Water management implications and environmental challenges in Sub-Saharan Africa and Zio River Basin：讨论指出撒哈拉以南非洲废水回用常因缺水而发展，但处理设施和监管不足，少于5%废水得到充分处理；Zio河流域地下水优先用于饮用且受海水入侵影响，地表水受降雨和干旱制约，而BB Lomé TWW平均约1415 m³/day持续排放，可作为补充水源；长期回用需平衡水养分回收与养分累积、盐碱化、微生物和化学污染风险。3.10 Theoretical, practical and societal implications and limitations of this study：讨论认为TWW兼具灌溉水和养分双重资源属性，IWQI可用于筛查和决策支持，养分替代需结合作物需求和养分核算；社会意义在于支持水粮安全、农业韧性和资源回收；局限性包括IWQI不能覆盖全部健康和环境风险、肥料节省依赖田间条件、长期土壤作物影响未充分评估、需更高频采样和田间试验验证。
讨论部分总结：TWW回用的核心是同时实现水与养分回收并控制风险；在Zio河流域，应结合充分处理、作物养分需求确定灌溉量、土壤条件、微生物和化学监测以及地表水和地下水保护，避免长期污染。研究结论翻译：本研究整合物理化学、微生物学和基于指数的方法，评估Zio河流域TWW农业灌溉回用潜力。结果表明，TWW总体上具有有利的盐度、钠度和特定离子特征，主要TME在整个研究期间低于检出限；单一灌溉指数与IWQI联用可识别特定危害并给出总体适宜性评价。TWW还含有可观的氮、磷、钾，突出其作为补充养分源并在匹配作物需求、土壤条件和养分需求时部分替代合成肥料的潜力。尽管存在微生物约束，但在适当处理和风险管理条件下，出水总体物理化学质量仍与农业回用相容。与历史数据比较显示，过去十年关键灌溉水质指标未显著恶化，表明处理出水具有较高时间稳定性并支持持续农业回用。BB Lomé的TWW可作为Zio河流域相对稳定的补充灌溉水和养分来源，其回用可同时促进淡水保护、养分循环、农业韧性和更高效的水资源管理；可持续回用需要基于风险的方法，整合微生物和化学监测、作物特定养分需求、适宜灌溉量以及土壤和水质长期评估。因此，本研究支持从废水处置转向受控资源回收，同时强调防止污染物累积和转移并保护农场工人、消费者、土壤、地下水、地表水和水生生态系统；这些发现可为Zio河流域及撒哈拉以南非洲类似缺水地区可持续农业废水回用的知情决策和情境化策略提供科学依据。