城市污水再生回用水质安全指标体系研究

魏东斌，胡洪营
（清华大学 环境科学与工程系 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084）

　　摘 要：本文从再生水不同的用途和使用方式出发，详细分析了再生水中的化学污染物和病原微生物危害人体健康和生态系统的可能途径，以及由此引发的后果，在此基础上提出了包括综合生物毒性指标、生物学综合指标、特异性指标等的再生水水质安全指标体系，并对关键性指标进行了可行性分析。
　　关键词：城市污水；再生回用；水质安全；指标体系

　　据统计，截止2002年10月登录在《化学文摘》上的化学物质总数已达4500万种，日常生活和生产中经常使用的有6～8万种，导致环境中化学物质越来越多。在垃圾渗滤液中检出的化学物质达126种，自来水中也能检出100多种。此外，由于大量生活污水和医院废水的排入，城市污水中病原微生物的含量明显上升，消毒是有效杀灭污水中病原微生物的关键环节，但消毒处理中部分污染物可能发生化学变化，生成消毒副产物，降低了水质安全性。另外，再生水中的污染物在回用中是否存在积累？对生态系统有何影响？影响程度如何等是必须回答的问题。再者，如何评价再生水回用所带来的危害也是一个亟待解决的问题。当然，水质标准是评价水质安全与否的客观依据。
　　现行水质标准可分为综合指标(如TP、TN、BOD、COD等)和单一指标，单一指标是根据化学物质对环境的污染状况及毒性制定的。近年来，随着人们对化学品研究的不断深入，增补的单一指标越来越多，但仅占常用化学物质种类的0.1%。况且，单一指标有其不足^[1]。
　　另外，传统的综合指标只考虑污染物的“量”，并未考虑“质”，特别是在消毒处理中，即便BOD、COD等不发生很大变化，但水体中污染物的种类、形态却可能发生很大变化。可见，这些传统指标已不能满足控制水质、保护人类健康和生态环境的需要。因此，建立一套安全可靠、切实可行的水质安全指标体系显得非常必要。本研究从再生水的不同用途和使用方式出发，分析水体中病原微生物和化学污染物对人体健康和生态系统的危害途径，提出了保障水质安全的指标体系，并分析了可行性。

1 再生水回用分类及影响途径分析

　　再生水的回用类型主要有：城镇杂用、地下水回补、景观娱乐、工业冷却等几个方面（见表1）。本研究针对再生水不同的用途和使用方式，分析了再生水中病原微生物和化学污染物影响人体健康和生态系统的可能途径（表1）及其影响结果（表2）。

2 再生水回用水质要求

　　美国内政部对再生水水质标准的制定原则作了详细说明，如表3所示。

3 水质安全指标体系的确定

　　考虑到再生水的不同用途和污染物可能的影响途径，制订再生水水质安全标准时，应注意：(a) 保护公众健康。是制定水质安全指标的首要目标。(b) 用水要求。工业或其他用水，对水质有特殊要求，与健康无关。应根据具体要求制定水质标准。(c) 灌溉影响。灌溉可能引起很多相关问题，如污染土壤、地下水、地表水、以及暴露人群的健康效应。(d) 环境安全。使用再生水区域以及周围地区的动植物、受纳水体等，都是保护对象。(e) 感观要求。对于较高要求的再生水，如冲洗厕所、绿地灌溉、娱乐用水等，在美学方面应和饮用水有相似的要求。(f) 切合实际。标准必须符合当前的政策、技术、经济状况。

表1 再生水回用对人体健康和生态系统产生一些的途径分析

分类

应用范围界定

再生水使用方式

可能的影响途径

城镇杂用水

园林绿化(公园、绿地、墓地、隔离带、绿化带)

运动场(操场、高尔夫球场)

高压喷灌

低压滴灌

低压微灌

呼吸道(气溶胶、蒸发)、消化道(接触)、毒害灌溉植物、污染土壤、污染地表水及地下水

冲洗厕所、车辆清洗

高压冲洗

呼吸道(挥发)、消化道(接触)

街道清扫(降尘、降温)

高压喷洒

呼吸道(气溶胶、蒸发)

消防

高压喷洒、高温

呼吸道、消化道、皮肤接触

建筑施工(降尘、混凝)

低压喷洒

对水质要求较低

回补地下水

水源补给

堤坝、地表渗滤系统、土壤含水层处理系统、直接注入系统

污染地下水

防止海水入侵

防止地面沉降

工业

用水

单程冷却

对水质要求较低

循环冷却

冷却塔(污染物可能浓缩)

呼吸道(蒸发、几率小)、

冷却池(污染物可能浓缩)

呼吸道(蒸发)、生物生长

锅炉用水

密封、高温、高压体系

呼吸道(几率小)、影响锅炉性能

景观娱乐用水

娱乐性水体、水景

娱乐水体(钓鱼、游泳、划船等)

水景(喷泉、瀑布、水塘)

呼吸道(蒸发)、消化道、皮肤接触、水体富营养化、毒害水生生物、污染地下水

湖泊、观赏性水体

观赏性水体

呼吸道(蒸发)、水体富营养化、毒害水生生物、污染地下水

表2 再生水回用可能引起的污染

分类名称

可能引起的污染

城镇杂用水

（1） 管理不善会引起地表水和地下水的污染；
（2） 水质，特别是盐分将对土壤产生影响；
（3） 病原微生物(细菌、病毒、寄生虫)对公众的健康造成威胁；
（4） 管道交叉连接

回补地下水

（1） 水中的有机化学品及其毒性影响；
（2） 总溶解性固体、硝酸盐和病原体

工业用水

（1） 水中的组分会引起结垢、侵蚀、剥落、生物生长等现象；
（2） 公众健康，特别是冷却水应用中病原微生物在气溶胶中的传输

景观娱乐用水

（1） 细菌、病毒影响健康；
（2） 受纳水体由于氮、磷引起的富营养化；
（3） 对水生生物的毒性

表3 再生水用途及水质指标制定原则

用途

界定

制定水质指标的基础

城市景观灌溉

城镇绿地、道路隔离带、高尔夫球场、公园等灌溉

水应不含固体悬浮物和较低的浊度，确保不含致病细菌、病毒，气溶胶过程应在细菌学方面保持安全

电厂、工业冷却水(直流式)

电厂、工业等的直流式冷却水

不需复杂前处理，去除导致堵塞的污染物

电厂、工业冷却水(循环式)

电厂、工业等的循环式冷却水

污染物含量低，不造成堵塞、剥蚀等。无腐蚀性

工业锅炉补给水

锅炉补给水

根据锅炉压力和原水质不同进行适当的处理。锅炉蒸汽若用于食品加工，水质应达到饮用水标准。

娱乐水体(全身接触)

游泳、滑水等活动，人体可能完全浸没于水体

符合景观要求，无令人不快的物质，如油斑、碎片、大量水生植物、异味等。无病原微生物和有毒污染物，不刺激皮肤、眼睛，澄清，能见度高，摄入一定量的水对人体无危害。

景观水体(非全身接触)

身体不完全浸没于水体，如涉水、划船、垂钓等

符合景观要求，无令人不快的物质，如油斑、碎片、大量生长的水生植物、异味等。摄入一定量的水对人无不良危害。

　　制订水质标准时不仅要考虑病原微生物和化学污染物带来的安全风险，还要考虑公众或工作人员的暴露水平。再生水回用可能引起的安全问题主要有：对地表水、地下水的污染，对水生生物的毒害和导致水体富营养化，对土壤的污染和土壤结构、微生物群落结构的影响，就灌溉而言，还可能出现对作物的毒害。若再生水回用于锅炉补给水和工业冷却水时，还可能出现设备的腐蚀、结垢以及管道中生物生长等问题。
　　由于再生水中化学污染物和病原微生物的组成非常复杂，一一鉴别并制定相应的标准并不现实。为了能保障再生水的生物学安全和生态安全，本研究在文献调研的基础上，根据再生水的不同用途和使用方式，分析了回用时污染物影响人体健康和生态安全的可能途径及后果，结合当前的研究理念和成果，提出了一些能全面反映水质安全的关键性指标，如生物学综合指标、综合毒性指标、特异性指标、可吸附有机卤化物AOX以及挥发性有机化合物VOC等(图1)，水质安全指标体系如图2所示。

4 水质安全指标的意义及可行性分析

4.1 生物学综合指标
　　生物学综合指标主要是用来评价和控制再生水中的病原微生物，预防流行性传染病的大范围爆发。研究发现，正常的人、畜粪便中没有病原微生物，而感染者的粪便中能检出大量的病原微生物，如从病原微生物的分类出发，分别从细菌、病毒、寄生虫中选出有代表性的指示生物，对于评价水质的生物学安全性具有重要意义。大肠菌群作为水质指示细菌已有很长时间，是因为它们主要存在于温血动物的粪便中，浓度高，易检测，与粪便污染程度成正相关。但对再生水而言，目前尚无统一观点，大多仍沿袭传统习惯，选择大肠菌群或粪大肠菌群为生物学指标，美国现行的再生水水质标准中，大多数仍选择总大肠菌群或粪大肠菌群作为生物学控制指标，其中粪大肠菌群在表示水体受粪便污染状况时更具代表性。
　　与粪大肠菌群相比，病毒、寄生虫对消毒处理的抵抗力更强，在环境中存活的时间也长。有人曾试图将病毒和寄生虫作为水质安全指标。但美国环保局认为，在污水再生处理工艺中，过滤和消毒处理可完全去除寄生虫，必要时可在过滤前添加化学试剂以彻底杀灭寄生虫。另外，寄生虫的检测相对复杂，周期长，准确度也低。同样，选择病毒作为水质安全指标，也存在相似问题。
　　根据上述分析，结合我国的国情，选择大肠菌群/粪大肠菌群作为再生水水质安全指标。另外，再生水中余氯的含量对于控制病原微生物的再生繁殖非常重要。虽然余氯不属于生物学范畴，但为了便于应用，也将余氯作为控制指标之一。

4.2 综合生物毒性指标
　　废水中的化学污染物，回用时可能引起各种各样的综合污染和复合毒性，有些研究者尝试将生物毒性作为水质指标，目前的研究还比较零散。综合毒性指标主要是用来评价和控制再生水中的化学污染物，防止污染物直接或间接威胁人体健康、危害生态系统。该研究已逐步成为环境领域研究的一个亮点，美国、加拿大等国家已把生物毒性列为废水水质控制指标之一。近年来，以废水综合毒性(WET)控制废水排放的研究在国内外已有很多报道^[2.3]。
　　污水综合毒性指标应用在工业污水排放控制、排污许可证管理以及污水处理厂水质控制中更具优越性。对此，国外已开展了大量相关研究和应用。20世纪80年代末，美国环保局制订了应用毒性测试法评价水体综合毒性的计划，通过直接测试水体总毒性以减少和取代对单个污染物的鉴别和分析^[4,5]，并在随后颁发的污染物排放消除系统许可证中应用^[6]。此外，联邦德国等国家已经着手研究工业污水的毒性评价方法和控制技术。我国的生物毒性研究工作已有一定基础，具备了对污水进行毒性控制的手段，也取得了一些可喜的成果^[7]。
　　此外，污染物的遗传毒性不容忽视。在目前合成和使用的化学品中，已有很多被确定或怀疑有三致效应。这类化学品对人类以至整个生物圈构成了巨大的威胁，而它们的实验室测试相对比较困难，缺乏合适的方法。Ames试验是最早开发的检测致突变性的方法，但方法复杂，每个样品大约需要3d才能得到结果。近年来很多研究者致力于开发致突变性快速检测方法，如目前常用的UMU遗传毒性检测法^[8,9]，大约需要4 h，彗星试验只需要2 h^[10]。蚕豆根尖微核试验在近年有较多应用^[11]，测试费用较低，容易掌握，操作方便。
4.3 特异性指标
　　特异性指标主要用来评价除毒性效应外的其他生物效应，如对生物酶的抑制效应、生物累积效应、化学物质的内分泌干扰活性等^[12]。其中内分泌干扰活性的测试有助于了解内分泌干扰物对人和野生生物的影响。常用的测试方法有：ER-CALUX^®检测法，MVLN检测法，YES检测法^[12]。Witters等通过对不同水体的生物检测后发现，内分泌干扰活性从高到低的顺序是：受污染的江湖水体>污水处理厂出水>地表饮用水源^[12]。有关再生水分泌干扰活性的特异、高效测试方法的研究处于刚刚起步阶段。
4.4 可吸附有机卤化物
　　有机卤化物是国内外环境科学领域重点研究的三类有机污染物之一，U.S. EPA 1979年提出的129种优先控制污染物中，卤代有机物约占60%。由于有机卤化物来源广泛，分子量分布范围宽(>2500)，不可能用某一种方法同时检测，有必要建立一种类似于COD、BOD等的综合指标以评价有机卤化物的污染水平。20世纪70年代，可吸附有机卤化物AOX就被列入德国和荷兰等国的饮用水研究领域，现在德国等欧洲国家已制定了AOX的饮用水标准和污水排放标准，以AOX表征的有机卤化物已成为一项国际性水质指标。我国对AOX的研究还刚刚起步^[13]，国家标准GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中推荐将AOX作为水污染选择控制指标。
4.5 挥发性有机化合物
　　水体中挥发性有机物，特别是低分子卤代烃和苯系物均被列入环境优先监测污染物，随着污水再生回用范围不断扩大，再生水中的VOCs也可能通过各种途径对人体健康造成威胁。比如，景观娱乐用水、环境景观灌溉、街道洒扫、地下水渗滤回补等过程中，水体中的VOCs挥发进入空气，人体吸入影响健康。另外，若消防用水中VOCs含量较高，火灾扑救时， VOCs随温度升高而挥发，可能对消防人员和周边居民的健康造成伤害。目前有关再生水中VOCs的研究还不多，也有个别研究表明再生水中VOCs对人体危害较小。即使在饮用水水质标准中，也只对部分常见VOCs物质的含量作了限制。Rowe等1997年收集、总结了已发表的87种VOCs类物质的毒理学信息和部分水质指标^[14]。但是，如果目前还只是通过制订单一物质的标准来控制水质的安全性，显然难以达到真正的保护目的，希望在今后的研究中，能构建一个或几个较好反映VOCs物质总体污染效应的指标。

5 结语

　　综上，本研究提出的综合生物毒性指标、生物学综合指标、特异性指标等，能更全面、直观地反映污水再生处理及回用过程中，水体中化学污染物和病原微生物对人体健康和生态安全的影响，以及水质安全性的变化。当然，这些指标的使用不能脱离传统的水质指标，即与传统指标相辅相成。另外，国内外在该领域的研究还相对较少，还有很多问题有待于研究。

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