水源污染与饮用水安全

水源污染与饮用水安全
杨敏曲久辉
【作者简介】杨敏，中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室主任。曲久辉，中国科学院生态环境研究
中心环境水质学国家重点实验室。
1．引言
饮用水水质安全是国家公共卫生安全体系的重要组成部分，与人民身体健康和社会稳定息息相关。我国目前饮用水水质问题突出，水源污染比较普遍，尤其是近年来相继发生了一些突发性重大水污染事件，对现行供水技术体系提出了严峻的挑战，引起政府、科学界、企业界与社会各阶层的高度关注。总体来说，我国饮用水水质问题越来越复杂，而多数水厂仍然采用传统的方法和工艺进行饮用水的生产和供应，水源水质恶化与供水技术之间的矛盾愈显突出。在这种情况下，我国迫切需要采取有力措施，积极应对饮用水水源污染，建立从水源到水厂直至管网的多级屏障，保障消费者的身体健康，维护社会稳定。
2．国内外关于饮用水水质标准制定的情况
世界卫生组织(WHO)2004年9月公布的第三版《饮用水水质准则》明确提出安全饮用水的概念，同时十分关注饮用水水质风险评价和风险管理。与此同时，美国、日本等国在同期相应地推出了本国的新饮用水标准。我国于2006年12月29日也颁布了新的生活饮用水卫生规范并于2007年7月1日开始实施。新的国标在很大程度上参考借鉴了WHO的水质准则，检测项目由35项增至106项，大幅增加了微量有机物、消毒副产物等毒理性指标。
3．我国饮用水水源水质问题
当前，我国饮用水源污染形势非常严峻。根据近年颁布的《中国环境状况公报》，我国七大河流水系中满足地表水Ⅲ类标准的断面仅占总断面的30—40％左右，而几乎丧失了水体所有功能的劣V类水断面居然占到30．40％。同时，在太湖、巢湖、滇池等28个国家重点监控湖泊中，超过六成的湖泊水质处于五类和劣五类的水平。另外，我国地下水高浓度砷、氟暴露的人口也分别达到1236万人和7800万人，严重影响着部分地区居民的身体健康。
近年来，我国突发性饮用水水源污染事件进入高发期。2005年，吉林石化分公司双苯厂爆炸造成松花江重大水环境污染事件，为了防止硝基苯进入供水管网，哈尔滨市被迫停水4天，沿岸数百万居民的生产和生活受到严重影响。2006年，湘江株洲霞湾港至长沙江段发生镉重大污染事件，湘潭、长沙两市水厂取水水源受到不同程度污染。2007年5月底，无锡市城区出现大范围自来水发臭的问题，自来水不仅无法饮用，连洗澡甚至洗手都无法使用，引起了社会不安。生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室对问题水样进行了分析鉴定，发现无锡饮用水产生的恶臭味主要是由以二甲基三硫为主的硫醚类化合物引起的。
这是一类主要由有机质腐败产生的强致嗅物质。这次无锡的嗅味事件第一次使饮用水的嗅味问题成为在全国范围内受到广泛关注的一个问题。随后，巢湖、滇池等湖泊水库相继出现蓝藻水华暴发现象，湖库型水源地藻类爆发以及随之而来的嗅味、藻毒素等水质问题受到前所未有的关注。
4．发达国家在应对水源污染方面采取的主要措施
针对水源污染及其引起的饮用水质安全问题，发达国家从20世纪70年代开始给予高度关注，主要从水源保护和新技术研发与应用两个方面着手开展了大量工作，并取得了显著成效。日本在上世纪60年代经济高速发展的过程中也出现了较为严重的水质污染问题，导致一段时间饮用水水质显著恶化。为了改善水环境质量，日本从1963年开始实施第一个下水道整治5年计划，显著加大了在城市污水处理方面投资的力度，到了1988年，全日本包括河川、湖泊、海域在内的2271个水域中，BOD、COD等指标达到各类环境标准要求的水域为73．7％。为了控制日益严重的水环境富营养化问题，日本于1982年12月颁布了有关湖泊中氮、磷的环境标准，并从1985年6月26日起分别对1059个湖泊进行了磷的排放限制，对76个湖泊进行了氮的排放限制。经过长期不懈的努力，发达国家已经在水环境质量改善方面取得了惊人的进步。
与此同时，一些国家也针对饮用水水质问题积极开展研究，在不断强化水质评价技术的同时，积极地把臭氧氧化、活性炭吸附、膜分离等新的水处理技术引入供水工艺中，在推动供水技术的进步方面取得了很大的成绩。日本在东京、大阪两个水源水质相对较差的地区普遍实行了臭氧活性炭深度处理技术，在一些偏远村镇则积极推广自动化程度高、生物安全性强的膜分离技术。同时，各种在线检测设备和生物预警系统也相继得以开发，并得到越来越多的应用。
5．我国在应对水源污染方面采取的主要措施
(1)水源地保护
在我国，水环境污染趋势还没有完全得到遏制，很多地方在水源水质出现恶化之后，往往倾向于采用更换水源或实施远距离输水的措施。在上世纪80年代前后，这种调水措施确实在一些重要城市的饮用水安全保障方面发挥了重要的作用。但是，在目前水资源整体上出现短缺，而且水环境污染比较普遍的今天，调水成本日趋增加，调水的效果也日趋低下。从国外的经验教训来看，水源保护与水质改善最关键的措施是加强立法、严格执法，防止污染物进入水源地。目前，加强水源地保护也已经列入我国有关部门的议事日程。对于面源污染控制来说，一些生态工程技术非常有效。一些科研机构正在开展相关研究，并进行了一些示范应用，取得了明显的成果。
(2)水厂常规技术的优化
水厂水质净化技术是饮用水质安全保障体系的核心，其主要目标是通过各单元的处理形成饮用水水质的多级屏障。虽然在具体的技术运用上已经发生了很多的变革，沿用了100多年的混凝、沉淀、砂滤、氯消毒等传统处理工艺依旧是我国现行主导工艺。但是，传统工艺的主要去除目标是浊度、细菌类微生物等污染物，难以有效去除CODM。、氨氮、微量有机物、病原性原虫等污染物，难以有效解决水源污染与水质标准提高之间的矛盾，更是难以有效应对突发性污染事件。
目前，国内外重点关注的水质问题是消毒副产物(如三卤甲烷、卤乙酸等)、各种有害元素或化合物、致病微生物、微量人工或天然活性化学品、以及容易给人感官带来损害的异嗅异味异色类物质等。其中消毒副产物主要是在进行预氯化和氯消毒时产生的。为了控制水厂内的微生物生长，保证水厂工艺的正常运行，一般的水厂都要对进厂水投加氧化剂进行微生物控制，其中最主要的氧化剂就是氯气。近年来，为了控制消毒副产物生成，国内开展了用二氧化氯、臭氧、高锰酸钾等氧化剂取代预氯化的研究，发现臭氧预氧化可显著促进水中消毒副产物前驱物的去除。同时，高锰酸钾也被发现具有一定的助凝效果。这两种预氧化技术在国内都有一定的应用。
此外，各种常规单元技术本身也存在进一步改善、优化与强化的潜力，特别是针对特定的水源水质特征如何进行系统优化与强化是目前学术界与供水企业非常关注的热点问题。例如，作为水处理系统中最基本的工艺单元，混凝沉淀的最主要功能是去除浊度，该工艺的处理效果对后续工艺运行工况有重要影响，并决定着最终出水水质与处理成本。混凝过程非常复杂，混凝剂、原水水质与物理化学特征、混凝反应器结构以及反应条件等都是影响混凝效果的重要因素，将混凝理论的研究成果全面应用于水厂生产是今后的重要发展方向。提出以优化絮凝剂组分和形态为核心的强化絮凝新概念，环境水质学国家重点实验室在混凝理论的研究和新型混凝剂的发展方面做出了很多具有开创性的工作，为推动我国混凝及混凝剂技术的发展，提升我国水厂的混凝技术水平做出了积极贡献。
由滤池、滤料和操作系统构成的过滤系统不仅是去除控制出水浊度的关键单元，而且是去除控制隐孢子虫等原虫类病原微生物的关键单元，成为保障饮用水质安全的重要屏障。日本在1996年爆发了大规模隐孢子虫感染事件后，加强了对水厂过滤的指导，并提出为了防止隐孢子虫的泄漏，要求将滤后水浊度控制在0．1NTU以下。目前各国水厂都把降低滤后水浊度作为重要目标，在这种需求推动下，人们相继开发了各种高灵敏度的在线浊度仪与颗粒计数仪，用于水厂的水质与滤池运行监控。
饮用水的微生物安全性问题始终是饮用水安全保障最核心的问题之一，而消毒是保障饮用水微生物安全的最关键和最后的屏障。长期以来，氯气或次氯酸钠作为一种经济有效的消毒剂在世界范围内得到广泛应用，用户末端水中是否存在余氯成为判断饮用水是否卫生的重要依据。20世纪70年代，美国国家环保局(EPA)发现氯消毒过程中会产生三氯甲烷等致癌性消毒副产物，并在随后修改的饮用水标准中首次规定了消毒副产物标准(三氯甲烷<100 ug／L)。此后，随着分析技术的进步，卤乙酸、卤乙氰等其他有害消毒副产物又被相继检出。各种氯代消毒副产物的检出迫使人们探讨使用替代消毒剂的可能性，而有关氯胺、二氧化氯、臭氧、紫外等替代消毒剂的研究也层出不穷。大量研究表明，使用氯胺、二氧化氯、臭氧、紫外等可以有效降低三卤甲烷等消毒副产物的生成量；但各种替代消毒剂也可能存在各种各样的缺点与不足。在消毒效果上，臭氧与氯大致处于同一个水平，而二氧化氯稍微弱一些。按CT值计算，氯胺对大肠杆菌、病毒的消毒效果是臭氧和氯的百分之一到千分之一。臭氧和紫外不具残留性，管网中的微生物消毒与再生长控制、生物膜生长控制的能力无法保证。二氧化氯存在产生亚氯酸盐等无机副产物的问题。目前，日本仍然主要以次氯酸钠为消毒剂。基于控制消毒副产物生成、保证管网末梢余氯浓度的考虑，美国和中国内地的部分城市采用氯胺进行消毒。但是，今后需要对使用氯胺消毒后形成的消毒能力弱化风险以及管网生物稳定性风险进行系统评价。
除了消毒副产物之外，另外一个引起人们关注消毒问题的是陆续在世界各国发生的隐孢子虫和贾第鞭毛虫感染事件。隐孢子虫是一种自然界广泛存在的原生动物，能够导致人类产生一种肠道寄生虫病，其临床上主要表现为急性腹泻，免疫功能低下者如艾滋病病人感染隐孢子虫病后常因长期腹泻而致营养不良和脱水而死亡。1984年美国得克萨斯州发生了通过饮用水传播的隐孢子虫集体感染事件后，世界各地不断有关于隐孢子虫集体感染事件的报道。1993年美国威斯康星州密尔沃基(Milwaukee)市发生了历史上规模最大的一次感染事件，该市161万人中有40．3万人出现了感染隐孢子虫的症状，由此引起了世界各国供水界对通过饮用水传播的隐孢子虫集体感染问题的高度关注。1996年6月10日，日本东京附近的寄生镇发生了大规模隐孢子虫感染事件，该镇13800的人口中有8812人因饮用受隐孢子虫污染的水而受到感染，引起日本社会的空前恐慌。我国于1987年报道了首例发生于南京的人体隐孢子虫病病例后，安徽、内蒙、福建等19个省区也相继报道了一些病例，据不完全统计截止到1998年已超过千例。大量研究表明，氯消毒对以孢子形态存在的隐孢子虫几乎无能为力；而紫外、臭氧消毒则能较为有效地灭活隐孢子虫。日本等发达国家尚未制定出直接针对隐孢子虫的饮用水标准，目前主要采取严格控制砂滤出水浊度(<0．1NTu)等一些间接措施来控制隐孢子虫污染带来的风险。我国新版饮用水卫生规范中把隐孢子虫和贾第鞭毛虫列为非常规指标，规定两者的含量均不得超过1个／IOL。我国消费者一般习惯于饮用开水，这种生活习惯对于有效防止大规模隐孢子虫感染事件的发生比较有效。但是，总体来说，我国在这方面开展的工作还非常少，缺乏系统性，有关原虫的健康风险有待于进一步系统深入的研究。
(3)深度处理及特殊污染物去除
水中TOC是消毒副产物的前驱物，农药等微量有机化学品是重要的毒理学指标，而表面活性剂、色度和异嗅味物质的存在则会影响饮用水的感官特性和品味，这些都是水厂工艺中去除的目标。同时，由于污染或地质构造的原因，有些地下水中含有对人体有害的物质如砷、氟、硝酸盐等特殊污染物。但是，常规的水厂工艺对于水源水中的这些有机物或特殊污染物去除效果很差。这些目标污染物的去除需要采用深度处理或特殊处理技术。利用臭氧破坏有机物的分子结构，利用后续的生物活性炭对臭氧氧化生成的小分子有机物进行进一步降解的臭氧一生物活性炭联用技术是最典型的饮用水深度处理技术。一般来说，采用该技术主要目的包括：
① 去除水中消毒副产物前驱物，控制消毒副产物生成；②降解去除水中各种稳定性微量化学污染物；③破坏产生异嗅异味物质的分子结构，改善饮用水感官指标。此外，具有强氧化性的臭氧能有效灭活水中各类病原微生物，可以显著改善饮用水的生物安全性。臭氧一生物活性炭技术最初在德国得到研究和工程应用，随后法国、荷兰等欧洲国家的许多水厂相继采用了该技术，90年代中期开始在日本也逐步得到推广应用。
中国大陆最早使用该技术的水厂是北京市田村山水厂，至今已有20多年的历史。但是，臭氧一活性炭工艺的真正意义上的推广应用主要发生在过去的几年里。在我国水源污染较严重且经济较发达的东部(如浙江桐乡、嘉兴等)与南部地区(如广东广州、深圳等地)陆续有些水厂开始采用该工艺。处理规模为100万吨／天的广州南洲水厂在2004年的建成投产是我国深度处理技术应用的里程碑式的事件。在地表水源污染趋势得不到根本控制的情况下，臭氧一生物活性炭技术将是今后保障饮用水化学与微生物安全的主要手段。
需要指出的是，臭氧一生物活性炭技术也不是万能的技术。单独臭氧氧化对一些稳定性农药类物质、
有机卤代物的分解效率很低，当原水受到这类物质污染时，往往需要使用高级氧化技术(如臭氧／过氧化氢技术)等。特别值得注意的是当原水中存在一定浓度溴离子时，臭氧处理会产生溴酸盐。溴酸盐具有强致癌性，美国、日本等国的饮用水标准规定该物质的含量不得超过10ppb，我国建设部2005年新颁布的饮用水标准中也采纳了这一标准。溴酸盐生成控制及降解技术是饮用水领域的国际研究前沿。控制臭氧投加量或利用预臭氧替代主臭氧可以有效控制溴酸盐的生成。在“十一五”、“863”的支持下，有关溴酸盐生成控制与去除的研究正在进行中。
活性炭也是深度处理的主要手段之一，以粉末炭和颗粒炭两种形式在饮用水处理中得到应用。一般来说，粉末炭主要用于具有季节性变化规律或突发性污染事件产生的农药、嗅味物质、有机化学品等微量有机污染物的去除，其优点是使用方便灵活，设备投资成本较低，特别适用于一些突发性污染事件的应急处理。2005年末的松花江污染事件应急处置中粉末活性炭就发挥了极为关键的作用。日本等许多国家的不少水厂都备有粉末活性炭投加设备。对二甲基异莰醇(MIB)的去除研究表明，活性炭表面的微孔容积决定着活性炭对MIB的吸附容量，该发现为活性炭的筛选提供了一项重要的指标。但是，受粉末炭投加量的限制，该技术对于大量存在的有机污染物去除效率不高，对TOC、COD以及消毒副产物前驱物等指标的去除效果不理想。同时，活性炭对于亲水性物质一般来说吸附能力都不是很强。
颗粒活性炭多用于原水水质季节性变化不大的情况。一般来说，颗粒活性炭对水中大多数有机物无选择地进行吸附，因此炭池在运行3—6个月后就会被穿透，需要更换或再生。总体说来，我国单独使用颗粒活性炭的水厂并不多，北京市水源九厂是我国单独利用活性炭吸附技术进行深度处理的少数水厂之一。
最近的研究结果表明，即使是使用了长达数年的活性炭，其对于一些间断出现的微量化学物质仍然具有一定的吸附能力。但是，总体来说，我国活性炭吸附技术应用历史较短，缺乏系统深入的研究，在水系活性炭生产、炭种选择、运行管理中均缺乏有力的科学技术支持。另外，由于活性炭需要频繁的更新或再生，国际上单独使用活性炭吸附技术的水厂也比较少。越来越多的水厂在进行深度处理时，都将臭氧氧化与颗粒炭吸附技术结合起来，形成臭氧一生物活性炭组合工艺。
在特殊污染物去除方面，砷、氟去除技术的核心是开发高效吸附剂，而硝酸盐去除主要是建立基于生化或物化过程的硝酸盐还原去除技术与工艺优化J。另外，随着膜分离技术的发展，纳滤膜、电渗析、反渗透等膜分离技术作为深度处理或特殊污染物去除技术也会得到越来越多的应用。
6．建议与展望
综上所述，我国存在比较普遍的水源污染问题，各种突发性水污染事件时有发生，饮用水安全保障有待加强。同时，长期以来，饮用水水质标准的制定基本上都是借鉴国外的研究成果，缺乏针对性和科学依据。为全面提升我国饮用水安全保障能力，充分保障我国的饮用水安全、优质，建议加强如下的科学研究。
(1)加强有关饮用水水质与人体健康方面的研究，为制定适应于我国国情的饮用水标准、确保饮用水安全提供科学依据；
(2)加强水质分析评价技术及水源水质变化预测技术研究，为饮用水安全评价和水源水质预警提供科学基础；
(3)加强单元技术创新与技术系统集成，形成适应于我国不同污染特征、不同工艺特点的饮用水安全保障技术体系，为保障饮用水质安全提供技术保证；
(4)加强新药剂、新材料的研究开发，提升饮用水产业的自主创新能力，在提升我国饮用水安全保障产业技术水平的同时，促进相关产业的技术进步，提高国际竞争能力。