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技術論文

解躍峰:國內龍頭水直接生飲面對的問題與對策

字體: 放大字體  縮小字體 發布日期:2019-11-07  瀏覽次數:106

 前言
  隨著《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)的實施,我國飲用水水質不斷提高,但仍不能確保龍頭水水質達到直接生飲水平。目前大多數民眾在使用龍頭水時仍保留“煮沸”的習慣,少數居民則在終端加裝凈水器等處理設施或直接選擇購買桶裝水。“煮沸”消毒造成了大量能源和資源的浪費。而在美國等發達國家,在水質保障技術領域擁有更完善的理論基礎和更多的實踐經驗,其居民龍頭出水達到直接生飲水平。目前限制我國龍頭水直接生飲的最大因素為微生物問題。相比之下,美國在飲水微生物標準方面更加嚴格和完善,并建立了以濾后水濁度為凈水工藝對微生物去除效果的日常評價指標、以CT值為微生物滅活(消毒)效果的判定依據、以管網內消毒劑余量為管網生物穩定性衡量標準的飲水微生物風險控制體系,還建立了完善的飲水微生物超標時的整套應對措施。本文通過對比中美兩國水質微生物標準,結合美國龍頭水微生物指標控制方面的法規和實踐,深究其在地表水水源龍頭水水質安全保障領域的優勢,探求在我國的實現途徑,以推進我國龍頭水直飲進程。
  1 中美兩國飲用水微生物標準的對比
  中國《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)中水質指標共有106項,包括微生物指標6項,從數量上看,這和美國聯邦環保局(EPA)飲用水水質標準類似(共102項,包括微生物指標8項)。
  表1為中美飲用水微生物指標及相關消毒標準對比。由表1可見,中國幾個微生物指標均為限值,例如,賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲在飲用水中的濃度都需<1個/10 L。而美國的微生物指標大多為處理技術(treatment techniques,TT)指標,即通過處理技術上的要求來保證微生物安全。例如,對于賈第鞭毛蟲,美國聯邦環保局規定其在凈水工藝中的總去除率需大于3 log(即99.9%)。而對于隱孢子蟲,需根據水源水中的隱孢子蟲濃度,提出去除率要求。例如,當水源水中的隱孢子蟲濃度為0.75~10個/10 L(第2類)時,要求凈水工藝的總去除率大于4 log,即出廠水中隱孢子蟲濃度值不得超過0.001個/10 L。濁度方面,我國要求將龍頭水濁度控制在1 NTU以下,而在美國,為了確保微生物去除效率,要求濾后水所有檢測值低于1 NTU,且每個月內95%以上的濁度檢測值需低于0.3 NTU。我國對病毒的去除沒有要求,但美國要求凈水工藝對病毒的去除率大于4 log(即99.99%)。由此可知,在濁度、“兩蟲”和病毒等微生物指標上,美國聯邦標準更為嚴苛。
  我國規定龍頭水中不得檢出總大腸桿菌及耐熱大腸桿菌(也即糞大腸桿菌)和埃希氏大腸桿菌。在美國,可以允許龍頭水中檢出總大腸桿菌。這是由于總大腸桿菌被檢出,并不意味著水中含有致病微生物。但美國聯邦標準要求每個月內總大腸桿菌的檢測陽性率需小于5%。同時要求,當總大腸桿菌檢測的陽性檢測率大于等于5%時,需再次取樣檢測,若糞大腸桿菌檢測為陽性,則表示水質不達標;在兩項大腸桿菌指標上,美國聯邦標準看似較為寬松,但卻是以控制致病微生物風險為前提。
  2 美國在飲水微生物風險控制方面的經驗
  飲用水微生物風險的控制需體現在凈水工藝、水廠消毒、管網消毒劑余量維持等全過程。微生物既需要通過混凝/沉淀/過濾等物理方式去除,也需要通過化學氧化和消毒等化學方式進行滅活,這也正是多級屏障理念(multi-barrier concept)的體現。此外還需維持管網消毒劑余量以提高管網水的生物穩定性和降低由于倒流(backflow)造成的微生物風險。
  2.1 以濾后水濁度為凈水工藝微生物去除效果的評價指標
  在美國飲用水標準中,濁度被列為微生物指標。在很大程度上濁度是“兩蟲”、耐熱大腸桿菌和病毒等致病微生物的替代性指標。這是由于造成濁度的顆粒物在一定程度能代表水中微生物的多寡。此外,水的濁度還影響消毒效果:在相同條件下,濁度越低,消毒效果越好。更為重要的是,由于微生物(特別是“兩蟲”)檢測的復雜性,誤差大、時效性差,難以及時準確地表征凈水工藝對微生物的去除效果。以濁度作為微生物替代指標,具有檢測方法簡單、快速、準確等優點,可方便監測凈水工藝對微生物的去除效果、對工藝運行進行診斷并對工藝運行參數進行及時調整。
  美國要求地表水廠需對每一格濾池的濁度進行連續監測(定義為檢測頻次不低于1次/15 min)。全部濾格濾后水混合水的檢測頻率則不應低于1次/4 h。標準中規定的1 NTU和0.3 NTU對應的是濾后水混合水;95%達標率對應的采樣周期為1個月。在此種控制模式下,必須將不能滿足標準的初濾水排出系統。一方面保證了較高的供水水質,減少了初濾水對清水池的污染;另一方面,運行人員根據混凝、沉淀、過濾(特別是單個濾池)等各工段出水濁度,判斷該工段運行效果,及時調整運行參數,使每個工段保持高效率運行。
  2.2 重視常規工藝的設計和運行研究
  在僅利用“混凝-沉淀-過濾”常規處理工藝的情況下,美國相當部分水廠出水濁度可降至0.1 NTU以下,甚至可控制在0.05 NTU以下,大幅度降低了飲水的微生物學風險。究其原因,除美國聯邦標準濁度指標較為嚴苛以外,其更重視對常規工藝的研究和優化,做到機理探索、模型構建、工程設計以及實際應用的統一,通過工藝研究與運行控制的結合,不斷優化工段參數、設備,深挖常規工藝處理潛力。混凝工段對整體運行效果影響最大,美國水廠通常采用高效攪拌設備,進行混凝和絮凝。在沉淀工段,美國水廠對沉后水要求嚴格,其更傾向采用斜管斜板沉淀,通過對“淺池理論”的成功運用,降低了出水濁度。監測數據表明,美國沉淀后出水濁度基本可降至0.5 NTU以下。
  在過濾工段,美國對濾池效率的優化與提升頗為重視。在運行措施上,一般將反沖洗后初濾水排放,以減少初濾水對清水池的污染;在選擇濾料時,普遍采用煤砂雙層濾料濾池和較低濾速,一方面通過濾料粒徑的配比延長了過濾周期(可達3~4 d),另一方面,由于較低的進水濁度,其濾池出水濁度大部分可降至0.1 NTU甚至0.05 NTU以下。
  美國聯邦環保局認為,當濾后水濁度滿足濁度標準時,若凈水工藝為“混凝-沉淀-過濾”常規工藝,即可確保2.5 log的賈第鞭毛蟲去除率、2.0 log的病毒去除率和3 log的隱孢子蟲去除率;若凈水工藝為“混凝-過濾”直接過濾工藝,即可確保2.0 log的賈第鞭毛蟲去除率、1.0 log的病毒去除率和2.5 log的隱孢子蟲去除率。這些數值即為美國環保局對凈水工藝給定的去除率信用值(credit)。
  2.3 以CT值為微生物消毒滅活的判定依據
  消毒是地表水處理必不可少的工藝單元。地表水凈水工藝的微生物去除率信用值與美國環保局飲用水水質標準對隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲和病毒等微生物的去除率要求(見表1)之間尚存在差距。這些去除率的差距需通過水廠消毒工藝單元完成。消毒效率與微生物種類、消毒劑類型和有效濃度、有效接觸時間、水溫及pH等因素密切相關,其中消毒劑有效濃度與有效接觸時間的乘積為CT值。消毒劑有效濃度通常是指清水池出水中的消毒劑余量,而有效接觸時間(contact time)則為水從消毒劑投加點到清水池出口的流經時間。由于包括清水池在內的絕大多數消毒反應器都不是理想的推流式(plug-flow)反應器,有效接觸時間因此要短于水力停留時間(HRT)。有效接觸時間可以通過示蹤試驗(tracer study)測定獲得。在美國,為了確保消毒對微生物的滅活效果,通常以t10代替有效接觸時間。在示蹤試驗中,t10是指10%的示蹤劑流出消毒反應器時的時間。通過試驗研究,美國給出了采用游離氯、氯氨、二氧化氯和臭氧等消毒劑時,不同水溫和pH條件下,達到一定微生物滅活率要求所需的CT值。以賈第鞭毛蟲的游離氯消毒為例,若需達到0.5 log的滅活率,在水溫為5 ℃、pH=7.5的條件下,所需最低CT值為28 (mg/L)•min;若采用氯氨消毒,所需最低CT值則為365 (mg/L)•min。若消毒劑余量均為1 mg/L,可知采用游離氯和氯氨消毒時所需的有效接觸時間應分別大于28 min和365 min。通常而言,在相同條件下,采用臭氧消毒所需的CT值最小,游離氯和二氧化氯居中,氯氨更大。因此,當常規處理工藝和游離氯消毒不能滿足隱孢子蟲等耐氯微生物的消毒要求時,美國環保局建議采用臭氧或紫外線消毒等替代消毒方式。
  提高消毒CT值的方法包括提高消毒劑余量和/或有效接觸時間。由于受出廠水最高消毒劑余量限制以及臭/味問題等原因,提高有效接觸時間相對而言更常采用。將消毒劑投加點前移(如預氯化和中段消毒)也可提高有效接觸時間。對消毒反應器進行優化設計,減少短流和死區,使之盡可能接近理想推流式反應器,更是值得推薦的提高有效接觸時間的方法。
  2.4 以管網內消毒劑余量為管網生物穩定性的衡量標準
  污水倒流進管網是導致管網中致病微生物再次污染的一個重要途徑。美國在管網中倒流預防方面做了大量工作,包括維持管網中的正壓、倒流控制閥的安裝及管道工人的培訓和認證。管網中的余氯(或其他消毒劑)是保障龍頭水微生物安全的一個重要水質指標。美國聯邦標準沒有明確規定管網中余氯濃度,但近一半的州(23個州)對管網中最低余氯濃度有明確規定,其中19個州要求0.2 mg/L或更高的最低游離氯濃度。例如,賓夕法尼亞州在2018年規定管網中0.2 mg/L最低自由氯或總氯濃度,同時要求使用氯胺消毒的企業上報管網中控制硝化反應的對策。
  2.5 微生物超標應對措施
  盡管有處理技術和管理體系等諸多飲水微生物風險控制措施,微生物超標仍然是美國水企業的主要問題。例如在2012年,美國共有14 739起水質違章事件,其中49%是微生物違章。美國對微生物違章的一個常見做法是通知用戶“煮水”,同時也要求企業做一系列的檢測、自查或處理工藝改進措施
  以2013年修正的大腸菌法為例進行討論。在管網大腸菌檢測中,如果大腸菌為陽性,企業必須在24小時內在原檢出取樣點,及五個用戶前后范圍內分別取三個水樣進行大腸菌和糞大腸菌檢測。如果糞大腸菌為陰性,但大腸菌陽性比例達5%以上,企業必須進行自查評估,評估范圍包括水源、處理工藝和管網。如企業未能在30日之內進行自查評估,則屬于“處理技術違章”(treatment technique violation)。
  若糞大腸菌為陽性,則屬于糞大腸菌“限值違章”(maximum contaminant level violation)。企業必須在24小時內通報州環保廳或類似主管單位,并在通報后24小時內通告公眾用戶。企業需要啟動其他程序,包括強加氯、發布“煮水”通告或尋找替代水源。企業必須在30日內雇傭州評估專家對其水源、處理工藝和管網進行調查評估。如果企業沒能及時通告或評估,則屬于“通告違章”(notification violation)或處理技術違章。同時,企業在自評或專家評估的下個月,進行大腸菌月檢。如大腸菌陰性,企業可恢復至每季度檢測,同時企業在該項不再違章。
  3 我國提高供水標準需解決問題
  3.1 常規工藝的優化
  自來水常規處理工藝,包括混合、絮凝、沉淀與過濾,是去除水中致病微生物、保障自來水生物安全的重要手段。國內常規工藝處理的設計與運行與美國存在較大的差異,對不同水源缺少針對性的設計運行解決方案。在機理研究方面,應加強對混合微觀機理和顆粒脫穩效率的評價,加強對絮凝工段水力條件的優化研究,加強對過濾階段顆粒遷移規律研究,從而提高常規處理工藝的處理效率。在設計方面,應加大機械攪拌在混合和絮凝工藝、斜板和斜管在沉淀工藝、雙層濾料在過濾工藝中的推廣。在運行方面,根據原水進一步優化混凝劑種類與劑量,加強濾池的反沖洗與濾料檢測。此外在我國,出于節水等方面的考慮,大多數水廠都未實施初濾水排放。濾池反沖洗后的初濾水,其濁度通常遠高于濾池穩定過濾時的濁度。
  3.2 濁度檢測的加強
  在我國,濁度被列為感官指標,要求龍頭水濁度不高于1 NTU,對濾后水濁度沒有要求。按標準要求,濁度作為常規指標,檢測頻率為1次/d。當所有水樣所有水質指標的合格率大于95%時,供水水質即為達標。顯然,我國這種“達標”計算方法極大降低了濁度作為關鍵微生物指標的重要作用。濁度區別于其他大多數水質指標,可及時準確方便地反映凈水工藝的運行效果。因此應提高濁度特別是濾后水濁度的檢測頻率,并進行單獨達標計算。同時建議將濾后水濁度的標準限值定在0.3 NTU或以下較為合理。實際上,在我國一二線城市,許多大中型水廠將出廠水濁度的內控標準定在0.3 NTU,檢測頻次一般為1~2次/d,說明將濾后水濁度控制在0.3 NTU以下在技術和運行管理上是可行的。
  濁度在美國被列為微生物指標。美國通過對每格濾池出水濁度進行高頻次檢測,不僅能確保供水水質,同時能通過濁度隨過濾時間變化規律對常規處理工藝進行評估與優化。同時,濁度的在線檢測快速方便,能高效及時提供預警,為水廠操作人員贏得足夠時間,水廠可以通過強化消毒或其他應急方案來保證出水水質。近幾年,國內部分新建水廠安裝了在線濁度儀,可以對濁度進行實時監控。但未從理念上對濁度這一指標引起重視,僅是考慮出水廠數值的達標。在線濁度儀的安裝,為濾后水特別是每格濾池濾后水濁度的實時監控提供了物質條件。
  3.3 以CT值衡量消毒
  對于地表水水源,經常規工藝(混凝-沉淀-過濾)處理之后,仍不能滿足微生物水質安全。氯或氯胺消毒通常被用來對致病微生物進一步滅活。在我國普遍沒有采用CT值作為消毒效果的評價依據,消毒劑余量和有效接觸時間的選擇具有較大的隨意性。例如,許多水廠余氯濃度在1~2 mg/L且接觸時間高達1~2 h。但是我國飲水水質標準要求在使用游離氯消毒時,出廠水余氯濃度僅需大于0.3 mg/L且接觸時間僅需大于30 min,按最低限值計算,CT值僅為9 (mg/L)•min,不能滿足有效滅活賈第鞭毛蟲對CT值的要求。因此,當水源水中確實存在隱孢子蟲或賈第鞭毛蟲時,僅依據我國飲用水水質標準,仍可能存在飲用水微生物安全風險。確保CT值滿足消毒要求成為當務之急需。同時設計單位和水廠有必要對有效接觸時間進行科學評估,確保CT值正確計算。
  3.4 管網內微生物的控制
  管網中的倒流是不可完全避免的,也是管網中致病微生物的重要來源。在配水系統中維持一定量的余氯濃度,不僅可以抑制水中細菌的再生,而且當水在輸配過程中遇到二次污染時,可以起到一定的保護作用。因此,我國《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)要求管網末梢水余氯濃度不低于0.05 mg/L。該限值標準低于美國許多州,因此管網內的抑菌能力相對較低。此外,由于部分居民對氯味的不適應性及用水加熱過程中氯味的加重,引發少量居民對供水部門的不滿與投訴。有些水廠為減少投訴率,往往單純降低加氯量,將出廠水余氯濃度控制在達標數值附近,有時會導致管網內,特別是管網末端,余氯濃度不足,對微生物抑制滅活能力減弱。
  研究表明,自來水氯味往往來源于嗅閾值低的NHCl2和NCl3(其嗅閾值分別為0.15 mg/L和0.02 mg/L)。這兩種物質的生成原因是由于水源水中含有一定濃度的氨氮與自由氯發生反應的結果。減少水中NHCl2和NCl3的生成可以同時滿足抑菌和控臭味,措施包括調節pH、降低氨氮濃度、控制氯氨比值、折點加氯等。水廠可根據本廠情況選擇合適方式,而非簡單降低加氯量,造成微生物風險升高。
  此外,在自來水供水管網中,由于還原態氮(氨氮和氯氨)的存在及氨氧化菌和硝化細菌的積累,在余氯較低和水溫較高的情況下會發生硝化反應。硝化反應會導致氨氮的硝化和亞硝酸鹽及硝酸鹽的生成,同時會導致氯胺的快速降解以及溶解氧濃度降低。氯胺快速衰減容易導致氨氧化菌和異養菌(HPC)的繁殖,更進一步降低余氯濃度,產生惡性循環,可能導致潛在微生物風險。因此,一方面需在管網內保持足夠的余氯濃度,以抑制細菌的生長;另一方面,如何通過控制水力條件減緩氨氧化菌等細菌的滋生,是供水過程中應重點考慮的問題。
  4 結論與展望
  綜上所述,與我國標準中微生物指標多采用限值要求不同的是,美國標準更傾向于通過技術上的要求來保證微生物安全,能更好地通過處理工藝設計與運行來提高水質。中國飲用水的微生物標準比美國聯邦標準寬泛。美國重視常規工藝的運行,通過混凝、沉淀、過濾工藝大幅度降低了微生物風險。美國法規對違章,特別是限值違章、處理技術違章和通告違章,有詳細的定義和應對措施,來指導企業糾正違章、提高水質。在限值違章時,及時通告用戶和公眾,也是保障公眾健康,提高公眾對水質信心的重要舉措。
  對于我國而言,解決龍頭水直飲的關鍵是提高對飲用水供水水質保障理論和技術體系的認知水平。①應將微生物風險列為影響供水水質安全的最大風險,重視去除滅活致病微生物。②應在“多級屏障理念”的指導下設計、運行、優化水廠各處理單元,將濁度作為關鍵水質指標,提高濁度檢測頻次,保證濾池出水水質。③采用CT值作為消毒效果的評價依據,對有效接觸時間進行科學評估,確保CT值正確計算。④進一步研究管網中氯味的來源和管網中的硝化反應。⑤加強管網管材的維護、更換、選擇;優化管網水力條件,避免出現死角;規范二次供水,定期檢查清理水塔、水箱,減少二次污染。同時,供水企業需要制定微生物超標時詳細的應急方案,包括公眾通告及應急處理,來確保龍頭水直飲水質安全和贏得公眾的信任。
  注:文章摘自微信公眾號給水排水。微信對原文有修改。原文標題:國內龍頭水直接生飲面對的問題與對策;作者:解躍峰、王全勇、王小
 
 
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