保障飲用水微生物安全性的途徑
隨著經濟的發展和人們生活水平的不斷提高，對飲用水水質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年水質規劃中將自來水直飲列入了2010年的水質目標。過去對飲用水處理技術方面進行研究的關注點主要放在化學污染物上，包括重金屬、工業有機物、消毒副產物等，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，據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事件，還造成巨大的經濟損失。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。本文根據深圳地區原水特點，結合飲用水水質的微生物標準和法規，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水質的微生物達到既定的水質標準為目標，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，根據評價的結果，決定后續的保障工藝。研究路線如下：
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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，裝置的規模為3t/H，模擬水廠消毒過程。中試裝置的基本流程為：
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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
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微生物類型 |
常見種屬 |
對人體危害 |
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細菌 |
致病埃希氏大腸桿菌(E.Coli) |
胃腸道疾病 |
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沙門氏菌屬（Salmonella）） |
腸道疾病 |
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軍團菌屬（Legionella） |
肺感染疾病 |
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病毒 |
人類腸道病毒（Human enteroviruses） |
腦炎、呼吸道疾病 |
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人類埃科病毒(Human echoviruses) |
腦膜炎、胃腸炎，發熱 |
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人類科薩奇病毒(Human coxsackieviruses) |
呼吸道疾病、腦膜炎 |
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寄生蟲 |
賈第蟲（Giardia） |
腸道疾病，可致死 |
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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，經東江供水工程和東部供水工程進入市內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83公里輸送過來，由于設計為明渠，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常無法計數。1997年底深圳水庫硝化工程投入使用后，水源水質明顯改善； 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計結果。
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計
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項目 |
濁度（NTU） |
藻密度(個/L) |
AOC (μg/L) |
細菌總數(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） |
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最小值 |
1.7 |
4.74×106 |
36 |
130 |
110 |
0 |
0 |
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最大值 |
13 |
7.94×107 |
547 |
3.10×104 |
1.60×104 |
50 |
5 |
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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定。深圳的水源保護已經取得了明顯的效果，在保護改造水源的同時，規范對原水水質的監測，了解水源的水質的變化，以便水廠處理工程中及時采取措施。我們除了對常規的細菌總數，總大腸菌群進行定期監測外，還根據季節、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、 優化水處理工藝，控制水中微生物和消毒副產物
1、 強化常規處理工藝，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消毒劑滅活的隱孢子蟲和賈第蟲，常規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密切相關，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為優化目標，去除效率為3.0Log；以出水顆粒物數為優化目標，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工藝與優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(%)
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參數 |
水廠常規工藝 |
中試優化工藝 |
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細菌總數 |
98.0 |
99.8 |
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總大腸菌 |
100（出水為0） |
100（出水為0） |
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糞性鏈球菌 |
100（出水為0） |
100 （出水為0） |
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2-10微米顆粒 |
76（過濾） |
90（過濾） |
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美國的研究表明，運行管理良好的常規混凝、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，可以根據常規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物前提物，從而降低后續消毒過程中消毒副產物（DBPs）的產生量。
2、優化消毒工藝，降低消毒副產物
原水經過常規的混凝、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、數量與原水及處理工藝有關。深圳水廠的工藝是向深度處理方向發展，生物活性碳可能發生的生物泄漏，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展，出現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計。由于2002年1月新的消毒副產物法實施，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計表
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項目 氯消毒水廠 間歇氯氨消毒水廠 細菌總數（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％
我們對長江以南12個城市的40多家水廠的調查表明，除了少數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測來保證。
深圳5個水廠中有3個采用全氯消毒，2個季節性采用氯氨消毒。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和總大腸菌群的統計結果：
表4 水廠出廠微生物指標的統計
表4說明，在現有的水處理工藝中，出廠水的常規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容。因此，有必要對生物活性炭池中進行生物種及其生長規律進行分析，監測可能的致病微生物，建立有效的滅活和去除措施，我們正在開展有關的工作。
由于深圳地區以地表水為水源，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物前體物較高，原水中的總三鹵甲烷生成勢（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。經過混凝、沉淀、過濾能夠去除一部分前體物，但去除效果不穩定，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）氯氨消毒的優化消毒工藝降低消毒副產物。
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3、 改進傳統工藝，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。
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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。由圖中可以看出，新型水射槍投加余氯的變異系數接近0，混合程度比水射器高的多。
（2） 優化清水池結構，提高消毒效率
（3） 目前水廠清水池的設計以水量為設計依據，基本沒有考慮水質的因素
事實上，清水池除了調節水量外，還是消毒劑的重要接觸反應器。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，通過改進清水池結構，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、 抑止管網細菌的再生長，保障管網水質的微生物安全性
全流程保障微生物安全性最終要歸結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敗；（2）管網中消毒劑消耗導致失去消毒能力；（3）管網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，從水廠干管輸送的距離短，停留時間基本上在3小時之內。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水微生物指標的變化趨勢。
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在我們調查的50多個采樣點，近5000組數據中，總大腸菌群的監測結果都為0。雖然未在管網水中檢測出大腸菌群，但其他指標出現出規律性：
(1) 濁度從出廠到管網之間有明顯升高，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處的管網水細菌總數有明顯升高，氯氨消毒水廠的管網水在6KM處的管網水細菌數才開始有明顯升高；細菌數升高與余氯降低之間有明顯的相關關系。
為了進一步了解管網水中微生物的生長情況，在中試管網上研究了氯的降解和微生物生長規律，圖7為得到的試驗結果。
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根據余氯和微生物在管網中的變化規律，為了保障管網水的安全性，擬從以下幾方面采取措施：
（1） 進一步規范管網水質的跟蹤監測，增加管網點的監測密度，對余氯和濁度逐步實現在線監測，一旦發現余氯低于規定值，即進行細菌學指標監測，評價水質安全性；
（2）對于微生物和余氯指標異常的管網短，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，抑止管網中細菌和生物膜生長，減少管網中余氯的消耗。
結論
隨著自來水直飲規劃的逐步實施，對飲用水的微生物安全性應該引起足夠的重視。通過水源水質保護與改善，水廠工藝的優化，管網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，加強水質監測與管理，規范全流程的管理與響應機制，降低微生物風險。由于水源水質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，建議有關管理機構對于可能存在的微生物安全性風險及應對措施，進行系統化的研究，在此基礎上發布強制、規范化的管理條例，保障飲用水的微生物安全性。
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