隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，對飲用水水質(zhì)的要求也逐步與國際接軌，安全飲用水的理念與百姓的生活日益接近, 北京、上海、廣州、杭州等城市相繼提出了實現(xiàn)自來水直接飲用的目標，深圳市在2004年5月通過評審的2010年水質(zhì)規(guī)劃中將自來水直飲列入了2010年的水質(zhì)目標。過去對飲用水處理技術(shù)方面進行研究的關(guān)注點主要放在化學污染物上，包括重金屬、工業(yè)有機物、消毒副產(chǎn)物等，而我國居民長期形成了喝開水的習慣，也掩蓋了飲用水中存在的微生物風險。盡管美國自稱有世界上最完善、安全的供水系統(tǒng)，據(jù)美國疾病控制中心估計，美國每年有約90萬例由于水媒性微生物導致的病例，約900人因此死亡。同時，由于水媒性微生物爆發(fā)事件，還造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，自來水直飲，致病微生物將可能成為飲用水安全性最大的威脅。本文根據(jù)深圳地區(qū)原水特點，結(jié)合飲用水水質(zhì)的微生物標準和法規(guī)，提出了全流程多級屏障保障飲用水安全性的可能途徑，同時，研究并提出了降低氯消毒副產(chǎn)物的措施。

一、 研究方法

        水源水中的致病微生物是飲用水微生物風險的主要來源，飲用水處理工藝中，對微生物的處理有去除和滅活兩種方式。去除主要是通過混凝、沉淀、過濾等物理手段去除微生物或攜帶微生物的顆粒物，消毒則是通過化學消毒劑對微生物進行滅活。保障飲用水微生物安全研究以控制用戶端管網(wǎng)水質(zhì)的微生物達到既定的水質(zhì)標準為目標，從水源開始，多級屏障去除水中的微生物，降低DBPs前體物，同時進行跟蹤評價，根據(jù)評價的結(jié)果，決定后續(xù)的保障工藝。研究路線如下：

 

        為了配合研究工作的進行，新建了一套完整的消毒中試裝置，裝置的規(guī)模為3t/H，模擬水廠消毒過程。中試裝置的基本流程為：

 

二、 深圳水源水的微生物污染特性與水源保護

        水中的致病微生物分為細菌、病毒和寄生蟲三大類，而絕大部分水媒性微生物感染事故由于水體受動物的感染。常見的致病病微生物及其來源見表1：

表1.    常見水媒性致病微生物及其污染途徑

微生物類型	常見種屬	對人體危害
細菌	致病埃希氏大腸桿菌(E.Coli)	胃腸道疾病
	沙門氏菌屬（Salmonella））	腸道疾病
	軍團菌屬（Legionella）	肺感染疾病
病毒	人類腸道病毒（Human enteroviruses）	腦炎、呼吸道疾病
	人類埃科病毒(Human echoviruses)	腦膜炎、胃腸炎，發(fā)熱
	人類科薩奇病毒(Human coxsackieviruses)	呼吸道疾病、腦膜炎
寄生蟲	賈第蟲（Giardia）	腸道疾病，可致死
	隱孢子蟲(Cryptosporidium)	胃腸道疾病，可致死

      

        水中可能存在的病原體種類很多，由于大多數(shù)微生物的檢測手段比較繁瑣復雜，不可能對所有的微生物都進行檢測，而通常采用指示菌檢測判斷水體是否收到污染。深圳市的飲用水源主要來自東江，經(jīng)東江供水工程和東部供水工程進入市內(nèi)的深圳水庫和西麗水庫。作為主要水源的深圳水庫是從東江經(jīng)83公里輸送過來，由于設(shè)計為明渠，水源污染嚴重，以1995年前后的污染最嚴重，水中氨氮達5mg/L,細菌和總大腸菌群經(jīng)常無法計數(shù)。1997年底深圳水庫硝化工程投入使用后，水源水質(zhì)明顯改善； 2003年8月東江供水工程的明渠全線封閉后，水源水質(zhì)進一步改善，代表微污染的氨氮、化學耗氧量和五日生化需氧量等指標大大降低，同時，微生物指標也有所下降。水源保護和改善工程取得了明顯的效果。表2中為近3年深圳原水的微生物指標的統(tǒng)計結(jié)果。

        由表2可以看出，細菌為原水的主要微生物污染，含有大量的細菌和大腸菌群；而隱孢子蟲和賈第蟲則很少，10升水樣中不能檢出，100L水樣中能檢出值在10個以下；水中的藻密度含量高。

表2  2001-2004年深圳水源微生物污染指標統(tǒng)計

項目	濁度（NTU）	藻密度(個/L)	AOC (μg/L)	細菌總數(shù)(個/mL)	總大腸菌群(個/L)	耐熱大腸菌(個/100mL)	賈第蟲和隱孢子蟲（個/100L）
最小值	1.7	4.74×106	36	130	110	0	0
最大值	13	7.94×107	547	3.10×104	1.60×104	50	5
平均值	4.56	2.98×107	183	2.07×103	3.01×103	9	3

        由于原水中攜帶的微生物是飲用水微生物風險的主要來源，因此水源保護與跟蹤監(jiān)測對于保障飲用水的微生物安全性尤為重要。美國1996年修訂的《安全飲用水條例》專門增加了控制DBPs和微生物的水源保護規(guī)定。深圳的水源保護已經(jīng)取得了明顯的效果，在保護改造水源的同時，規(guī)范對原水水質(zhì)的監(jiān)測，了解水源的水質(zhì)的變化，以便水廠處理工程中及時采取措施。我們除了對常規(guī)的細菌總數(shù)，總大腸菌群進行定期監(jiān)測外，還根據(jù)季節(jié)、氣候的變化，增加了對耐熱大腸菌、亞硫酸還原菌、糞性鏈球菌、賈底蟲、隱孢子蟲的不定期監(jiān)測，對水源進行更全面的評價，及時掌握原水受病原體污染的情況。

三、 優(yōu)化水處理工藝，控制水中微生物和消毒副產(chǎn)物

1、 強化常規(guī)處理工藝，提高微生物的去除效果

        水處理工藝中的混凝、沉淀和過濾，雖然主要以去除水中顆粒物，降低濁度為目標，但在降低濁度的同時，去除了水中大部分的微生物，尤其是對于不能被常規(guī)消毒劑滅活的隱孢子蟲和賈第蟲，常規(guī)工藝中的物理去除是其主要的去除途徑。對微生物的去除程度與工藝參數(shù)密切相關(guān)，有研究表明，硫酸鋁為混凝劑時，以出水濁度2NT為目標的混凝沉淀，對隱孢子蟲的去除為效率2.0Log；以出水TOC為優(yōu)化目標，去除效率為3.0Log；以出水顆粒物數(shù)為優(yōu)化目標，對隱孢子蟲的去除可達3.3Log。我們的研究以控制濁度為目標，沉后水濁度1.5NTU，濾后水濁度0.1NTU，PAC為混凝劑。表3中為一定條件下常規(guī)工藝與優(yōu)化工藝對微生物去除效果的比較。
         
表3    混凝沉淀和過濾工藝對微生物的去除效率(%)

參數(shù)	水廠常規(guī)工藝	中試優(yōu)化工藝
細菌總數(shù)	98.0	99.8
總大腸菌	100（出水為0）	100（出水為0）
糞性鏈球菌	100（出水為0）	100 （出水為0）
2-10微米顆粒	76（過濾）	90（過濾）

        美國的研究表明，運行管理良好的常規(guī)混凝、沉淀和砂濾過程，對隱孢子蟲和賈第蟲的去除可達到2.5Log，對病毒的去除可達2.0Log。因此，可以根據(jù)常規(guī)工藝對微生物指標的去除情況和對微生物的去除目標，確定后續(xù)的藥劑消毒工藝所需要的滅活效率。

        通過對混凝沉淀和過濾過程的優(yōu)化，在提高濁度去除率的同時，一方面提高了對微生物的去除效率，另一方面去除天然大分子有機物和消毒副產(chǎn)物前提物，從而降低后續(xù)消毒過程中消毒副產(chǎn)物（DBPs）的產(chǎn)生量。

2、優(yōu)化消毒工藝，降低消毒副產(chǎn)物
 
        原水經(jīng)過常規(guī)的混凝、沉淀、過濾工藝后，仍可能有殘留的微生物存在，殘留微生物的種類、數(shù)量與原水及處理工藝有關(guān)。深圳水廠的工藝是向深度處理方向發(fā)展，生物活性碳可能發(fā)生的生物泄漏，增加了飲用水的微生物風險。因此，化學藥劑消毒對保障微生物安全性的必要步驟。雖然隨著水處理工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了一些替代的消毒劑和消毒方式，氯仍然是占主導作用的消毒方式。圖3表示了美國1997年水廠消毒劑使用情況的統(tǒng)計。由于2002年1月新的消毒副產(chǎn)物法實施，氯氨消毒的比例逐步提高。

圖3  1988年美國消毒劑使用情況統(tǒng)計表

 

        我們對長江以南12個城市的40多家水廠的調(diào)查表明，除了少數(shù)水廠間歇性采用氯氨消毒外，絕大部分水廠都是以氯作為消毒劑。氯氨消毒的安全性有兩個方面：一是微生物的安全性；二是消毒副產(chǎn)物安全性。微生物安全性通過控制水中余氯和微生物指標指標的跟蹤監(jiān)測來保證。

        深圳5個水廠中有3個采用全氯消毒，2個季節(jié)性采用氯氨消毒。表4為近3年分別以氯和間隙性氯氨消毒的兩個水廠細菌總數(shù)和總大腸菌群的統(tǒng)計結(jié)果：

表4  水廠出廠微生物指標的統(tǒng)計

項目		氯消毒水廠	間歇氯氨消毒水廠
細菌總數(shù)（個/mL）	>50	0.9%	0.4％
	20-50	0.9%	1.4％
	10-20	5.1%	1.4％
	<10	93.1%	96.8％
總大腸菌群(個/L)	>3	0	0
	0	100％	100％

        表4說明，在現(xiàn)有的水處理工藝中，出廠水的常規(guī)微生物指標是安全的。在采用臭氧生物活性炭工藝后，如何預防微生物泄漏，是保障出廠水微生物安全的重要內(nèi)容。因此，有必要對生物活性炭池中進行生物種及其生長規(guī)律進行分析，監(jiān)測可能的致病微生物，建立有效的滅活和去除措施，我們正在開展有關(guān)的工作。

        由于深圳地區(qū)以地表水為水源，原水中的天然大分子有機物（NOM）含量較高，導致水中的消毒副產(chǎn)物前體物較高，原水中的總?cè)u甲烷生成勢（THMFP）范圍100－350ug/L,平均水平250ug/L，以三氯甲烷和一溴二氯甲烷前體物為主；總鹵乙酸生成勢（HAAFP）范圍在50－350之間，平均水平200ug/L左右。經(jīng)過混凝、沉淀、過濾能夠去除一部分前體物，但去除效果不穩(wěn)定，如果消毒工藝不合理，可能導致高濃度DBPs的形成。為了減少消毒副產(chǎn)物的形成，通過預臭氧－主臭氧－生物活性炭工藝降解消毒副產(chǎn)物前體物，在保障微生物安全的同時，（1）多點加氯（2）氯氨消毒的優(yōu)化消毒工藝降低消毒副產(chǎn)物。

 

3、 改進傳統(tǒng)工藝，提高消毒效率

（1） 加速消毒劑混合，提高消毒效率

        目前水廠氯投加都是采用水射器進行管道投加，消毒劑與水之間靠自然水力混合。消毒劑與水的混合程度差。通過改進消毒劑的投加方式，能夠使消毒劑的混合效果大大提高，避免局部余氯濃度過高或過低，從而達到消毒劑的消毒效率，降低藥劑用量和消毒副產(chǎn)物的目的。圖5為水射器和新型水射槍加氯水中自由氯和總氯濃度均勻程度的比較。

 

        圖中1＃－6＃點代表沿水流方向停留時間6.2秒、23.3秒，45.2秒，72秒，105.4秒，172.3秒的不同點，縱坐標為沿垂直方向余氯濃度的變異系數(shù)。由圖中可以看出，新型水射槍投加余氯的變異系數(shù)接近0，混合程度比水射器高的多。

（2） 優(yōu)化清水池結(jié)構(gòu)，提高消毒效率

（3） 目前水廠清水池的設(shè)計以水量為設(shè)計依據(jù)，基本沒有考慮水質(zhì)的因素

        事實上，清水池除了調(diào)節(jié)水量外，還是消毒劑的重要接觸反應(yīng)器。因此，考慮以消毒劑的CT（C：消毒劑濃度；T：消毒劑接觸時間）值作為清水池設(shè)計的原則，清水池的t10作為T計算CT，以提高t10/THRT（水力停留時間）為目標，通過改進清水池結(jié)構(gòu)，使消毒后的工藝水進入清水池后盡可能接近理想推流，所有的水由相同的接觸時間，從而提高消毒效率，降低消毒劑用量，減少消毒劑形成。

四、 抑止管網(wǎng)細菌的再生長，保障管網(wǎng)水質(zhì)的微生物安全性

        全流程保障微生物安全性最終要歸結(jié)到用戶龍頭水的安全性。用戶龍頭水微生物安全性的威脅主要來自幾個方面：（1）水廠工藝截留或滅活失??；（2）管網(wǎng)中消毒劑消耗導致失去消毒能力；（3）管網(wǎng)細菌再生長和生物膜的形成。

        深圳城市地形為東西狹長，南北短，5個水廠沿東西方向分布，每個水廠的供水范圍基本上在10KM以內(nèi)，從水廠干管輸送的距離短，停留時間基本上在3小時之內(nèi)。圖6近2001年－2004年以氯消毒的1＃水廠和以氯氨消毒的2＃水廠從出廠水到不同距離管網(wǎng)水微生物指標的變化趨勢。

 

        在我們調(diào)查的50多個采樣點，近5000組數(shù)據(jù)中，總大腸菌群的監(jiān)測結(jié)果都為0。雖然未在管網(wǎng)水中檢測出大腸菌群，但其他指標出現(xiàn)出規(guī)律性：
        
        (1) 濁度從出廠到管網(wǎng)之間有明顯升高，但隨輸送距離基本上沒有明顯變化；
        
        (2) 余氯隨輸送距離的增加而下降，氯消毒水廠比氯氨消毒水廠下降速度快；
        
        (3) 細菌總數(shù)隨輸送距離增加而增加；但兩個水廠有所不同，氯消毒水廠在3KM處的管網(wǎng)水細菌總數(shù)有明顯升高，氯氨消毒水廠的管網(wǎng)水在6KM處的管網(wǎng)水細菌數(shù)才開始有明顯升高；細菌數(shù)升高與余氯降低之間有明顯的相關(guān)關(guān)系。
   
        為了進一步了解管網(wǎng)水中微生物的生長情況，在中試管網(wǎng)上研究了氯的降解和微生物生長規(guī)律，圖7為得到的試驗結(jié)果。
   
 

        根據(jù)余氯和微生物在管網(wǎng)中的變化規(guī)律，為了保障管網(wǎng)水的安全性，擬從以下幾方面采取措施：
        （1） 進一步規(guī)范管網(wǎng)水質(zhì)的跟蹤監(jiān)測，增加管網(wǎng)點的監(jiān)測密度，對余氯和濁度逐步實現(xiàn)在線監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)余氯低于規(guī)定值，即進行細菌學指標監(jiān)測，評價水質(zhì)安全性；
        （2）對于微生物和余氯指標異常的管網(wǎng)短，及時進行管道沖洗和排放；對于長期或大面積的余氯過低和微生物超標，根據(jù)情況考慮增加出廠水余氯，或者采用氯氨消毒；
        （3） 臭氧－生物活性炭工藝降低出廠水的AOC，抑止管網(wǎng)中細菌和生物膜生長，減少管網(wǎng)中余氯的消耗。

結(jié)論 
  
        隨著自來水直飲規(guī)劃的逐步實施，對飲用水的微生物安全性應(yīng)該引起足夠的重視。通過水源水質(zhì)保護與改善，水廠工藝的優(yōu)化，管網(wǎng)水微生物生長的抑止，建立全流程多級屏障的微生物安全保障措施。同時，加強水質(zhì)監(jiān)測與管理，規(guī)范全流程的管理與響應(yīng)機制，降低微生物風險。由于水源水質(zhì)和處理工藝的差異性，針對直飲的微生物安全性還有大量的研究工作要做，建議有關(guān)管理機構(gòu)對于可能存在的微生物安全性風險及應(yīng)對措施，進行系統(tǒng)化的研究，在此基礎(chǔ)上發(fā)布強制、規(guī)范化的管理條例，保障飲用水的微生物安全性。