魏東斌，胡洪營(yíng)
（清華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系 環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

　　摘 要：本文從再生水不同的用途和使用方式出發(fā)，詳細(xì)分析了再生水中的化學(xué)污染物和病原微生物危害人體健康和生態(tài)系統(tǒng)的可能途徑，以及由此引發(fā)的后果，在此基礎(chǔ)上提出了包括綜合生物毒性指標(biāo)、生物學(xué)綜合指標(biāo)、特異性指標(biāo)等的再生水水質(zhì)安全指標(biāo)體系，并對(duì)關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行了可行性分析。
　　關(guān)鍵詞：城市污水；再生回用；水質(zhì)安全；指標(biāo)體系

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2002年10月登錄在《化學(xué)文摘》上的化學(xué)物質(zhì)總數(shù)已達(dá)4500萬(wàn)種，日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常使用的有6～8萬(wàn)種，導(dǎo)致環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)越來越多。在垃圾滲濾液中檢出的化學(xué)物質(zhì)達(dá)126種，自來水中也能檢出100多種。此外，由于大量生活污水和醫(yī)院廢水的排入，城市污水中病原微生物的含量明顯上升，消毒是有效殺滅污水中病原微生物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但消毒處理中部分污染物可能發(fā)生化學(xué)變化，生成消毒副產(chǎn)物，降低了水質(zhì)安全性。另外，再生水中的污染物在回用中是否存在積累？對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有何影響？影響程度如何等是必須回答的問題。再者，如何評(píng)價(jià)再生水回用所帶來的危害也是一個(gè)亟待解決的問題。當(dāng)然，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是評(píng)價(jià)水質(zhì)安全與否的客觀依據(jù)。
　　現(xiàn)行水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可分為綜合指標(biāo)(如TP、TN、BOD、COD等)和單一指標(biāo)，單一指標(biāo)是根據(jù)化學(xué)物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染狀況及毒性制定的。近年來，隨著人們對(duì)化學(xué)品研究的不斷深入，增補(bǔ)的單一指標(biāo)越來越多，但僅占常用化學(xué)物質(zhì)種類的0.1%。況且，單一指標(biāo)有其不足^[1]。
　　另外，傳統(tǒng)的綜合指標(biāo)只考慮污染物的“量”，并未考慮“質(zhì)”，特別是在消毒處理中，即便BOD、COD等不發(fā)生很大變化，但水體中污染物的種類、形態(tài)卻可能發(fā)生很大變化?？梢?，這些傳統(tǒng)指標(biāo)已不能滿足控制水質(zhì)、保護(hù)人類健康和生態(tài)環(huán)境的需要。因此，建立一套安全可靠、切實(shí)可行的水質(zhì)安全指標(biāo)體系顯得非常必要。本研究從再生水的不同用途和使用方式出發(fā)，分析水體中病原微生物和化學(xué)污染物對(duì)人體健康和生態(tài)系統(tǒng)的危害途徑，提出了保障水質(zhì)安全的指標(biāo)體系，并分析了可行性。

1 再生水回用分類及影響途徑分析

　　再生水的回用類型主要有：城鎮(zhèn)雜用、地下水回補(bǔ)、景觀娛樂、工業(yè)冷卻等幾個(gè)方面（見表1）。本研究針對(duì)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學(xué)污染物影響人體健康和生態(tài)系統(tǒng)的可能途徑（表1）及其影響結(jié)果（表2）。

2 再生水回用水質(zhì)要求

　　美國(guó)內(nèi)政部對(duì)再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制定原則作了詳細(xì)說明，如表3所示。

3 水質(zhì)安全指標(biāo)體系的確定

　　考慮到再生水的不同用途和污染物可能的影響途徑，制訂再生水水質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)注意：(a) 保護(hù)公眾健康。是制定水質(zhì)安全指標(biāo)的首要目標(biāo)。(b) 用水要求。工業(yè)或其他用水，對(duì)水質(zhì)有特殊要求，與健康無關(guān)。應(yīng)根據(jù)具體要求制定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。(c) 灌溉影響。灌溉可能引起很多相關(guān)問題，如污染土壤、地下水、地表水、以及暴露人群的健康效應(yīng)。(d) 環(huán)境安全。使用再生水區(qū)域以及周圍地區(qū)的動(dòng)植物、受納水體等，都是保護(hù)對(duì)象。(e) 感觀要求。對(duì)于較高要求的再生水，如沖洗廁所、綠地灌溉、娛樂用水等，在美學(xué)方面應(yīng)和飲用水有相似的要求。(f) 切合實(shí)際。標(biāo)準(zhǔn)必須符合當(dāng)前的政策、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)狀況。

表1 再生水回用對(duì)人體健康和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一些的途徑分析

分類

應(yīng)用范圍界定

再生水使用方式

可能的影響途徑

城鎮(zhèn)雜用水

園林綠化(公園、綠地、墓地、隔離帶、綠化帶)

運(yùn)動(dòng)場(chǎng)(操場(chǎng)、高爾夫球場(chǎng))

高壓噴灌

低壓滴灌

低壓微灌

呼吸道(氣溶膠、蒸發(fā))、消化道(接觸)、毒害灌溉植物、污染土壤、污染地表水及地下水

沖洗廁所、車輛清洗

高壓沖洗

呼吸道(揮發(fā))、消化道(接觸)

街道清掃(降塵、降溫)

高壓噴灑

呼吸道(氣溶膠、蒸發(fā))

消防

高壓噴灑、高溫

呼吸道、消化道、皮膚接觸

建筑施工(降塵、混凝)

低壓噴灑

對(duì)水質(zhì)要求較低

回補(bǔ)地下水

水源補(bǔ)給

堤壩、地表滲濾系統(tǒng)、土壤含水層處理系統(tǒng)、直接注入系統(tǒng)

污染地下水

防止海水入侵

防止地面沉降

工業(yè)

用水

單程冷卻

對(duì)水質(zhì)要求較低

循環(huán)冷卻

冷卻塔(污染物可能濃縮)

呼吸道(蒸發(fā)、幾率小)、

冷卻池(污染物可能濃縮)

呼吸道(蒸發(fā))、生物生長(zhǎng)

鍋爐用水

密封、高溫、高壓體系

呼吸道(幾率小)、影響鍋爐性能

景觀娛樂用水

娛樂性水體、水景

娛樂水體(釣魚、游泳、劃船等)

水景(噴泉、瀑布、水塘)

呼吸道(蒸發(fā))、消化道、皮膚接觸、水體富營(yíng)養(yǎng)化、毒害水生生物、污染地下水

湖泊、觀賞性水體

觀賞性水體

呼吸道(蒸發(fā))、水體富營(yíng)養(yǎng)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

分類名稱

可能引起的污染

城鎮(zhèn)雜用水

（1） 管理不善會(huì)引起地表水和地下水的污染；
（2） 水質(zhì)，特別是鹽分將對(duì)土壤產(chǎn)生影響；
（3） 病原微生物(細(xì)菌、病毒、寄生蟲)對(duì)公眾的健康造成威脅；
（4） 管道交叉連接

回補(bǔ)地下水

（1） 水中的有機(jī)化學(xué)品及其毒性影響；
（2） 總?cè)芙庑怨腆w、硝酸鹽和病原體

工業(yè)用水

（1） 水中的組分會(huì)引起結(jié)垢、侵蝕、剝落、生物生長(zhǎng)等現(xiàn)象；
（2） 公眾健康，特別是冷卻水應(yīng)用中病原微生物在氣溶膠中的傳輸

景觀娛樂用水

（1） 細(xì)菌、病毒影響健康；
（2） 受納水體由于氮、磷引起的富營(yíng)養(yǎng)化；
（3） 對(duì)水生生物的毒性

表3 再生水用途及水質(zhì)指標(biāo)制定原則

用途

界定

制定水質(zhì)指標(biāo)的基礎(chǔ)

城市景觀灌溉

城鎮(zhèn)綠地、道路隔離帶、高爾夫球場(chǎng)、公園等灌溉

水應(yīng)不含固體懸浮物和較低的濁度，確保不含致病細(xì)菌、病毒，氣溶膠過程應(yīng)在細(xì)菌學(xué)方面保持安全

電廠、工業(yè)冷卻水(直流式)

電廠、工業(yè)等的直流式冷卻水

不需復(fù)雜前處理，去除導(dǎo)致堵塞的污染物

電廠、工業(yè)冷卻水(循環(huán)式)

電廠、工業(yè)等的循環(huán)式冷卻水

污染物含量低，不造成堵塞、剝蝕等。無腐蝕性

工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水

鍋爐補(bǔ)給水

根據(jù)鍋爐壓力和原水質(zhì)不同進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼ｅ仩t蒸汽若用于食品加工，水質(zhì)應(yīng)達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

娛樂水體(全身接觸)

游泳、滑水等活動(dòng)，人體可能完全浸沒于水體

符合景觀要求，無令人不快的物質(zhì)，如油斑、碎片、大量水生植物、異味等。無病原微生物和有毒污染物，不刺激皮膚、眼睛，澄清，能見度高，攝入一定量的水對(duì)人體無危害。

景觀水體(非全身接觸)

身體不完全浸沒于水體，如涉水、劃船、垂釣等

符合景觀要求，無令人不快的物質(zhì)，如油斑、碎片、大量生長(zhǎng)的水生植物、異味等。攝入一定量的水對(duì)人無不良危害。

　　制訂水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)不僅要考慮病原微生物和化學(xué)污染物帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，還要考慮公眾或工作人員的暴露水平。再生水回用可能引起的安全問題主要有：對(duì)地表水、地下水的污染，對(duì)水生生物的毒害和導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)土壤的污染和土壤結(jié)構(gòu)、微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，就灌溉而言，還可能出現(xiàn)對(duì)作物的毒害。若再生水回用于鍋爐補(bǔ)給水和工業(yè)冷卻水時(shí)，還可能出現(xiàn)設(shè)備的腐蝕、結(jié)垢以及管道中生物生長(zhǎng)等問題。
　　由于再生水中化學(xué)污染物和病原微生物的組成非常復(fù)雜，一一鑒別并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)并不現(xiàn)實(shí)。為了能保障再生水的生物學(xué)安全和生態(tài)安全，本研究在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)再生水的不同用途和使用方式，分析了回用時(shí)污染物影響人體健康和生態(tài)安全的可能途徑及后果，結(jié)合當(dāng)前的研究理念和成果，提出了一些能全面反映水質(zhì)安全的關(guān)鍵性指標(biāo)，如生物學(xué)綜合指標(biāo)、綜合毒性指標(biāo)、特異性指標(biāo)、可吸附有機(jī)鹵化物AOX以及揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC等(圖1)，水質(zhì)安全指標(biāo)體系如圖2所示。

4 水質(zhì)安全指標(biāo)的意義及可行性分析

4.1 生物學(xué)綜合指標(biāo)
　　生物學(xué)綜合指標(biāo)主要是用來評(píng)價(jià)和控制再生水中的病原微生物，預(yù)防流行性傳染病的大范圍爆發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)，正常的人、畜糞便中沒有病原微生物，而感染者的糞便中能檢出大量的病原微生物，如從病原微生物的分類出發(fā)，分別從細(xì)菌、病毒、寄生蟲中選出有代表性的指示生物，對(duì)于評(píng)價(jià)水質(zhì)的生物學(xué)安全性具有重要意義。大腸菌群作為水質(zhì)指示細(xì)菌已有很長(zhǎng)時(shí)間，是因?yàn)樗鼈冎饕嬖谟跍匮獎(jiǎng)游锏募S便中，濃度高，易檢測(cè)，與糞便污染程度成正相關(guān)。但對(duì)再生水而言，目前尚無統(tǒng)一觀點(diǎn)，大多仍沿襲傳統(tǒng)習(xí)慣，選擇大腸菌群或糞大腸菌群為生物學(xué)指標(biāo)，美國(guó)現(xiàn)行的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，大多數(shù)仍選擇總大腸菌群或糞大腸菌群作為生物學(xué)控制指標(biāo)，其中糞大腸菌群在表示水體受糞便污染狀況時(shí)更具代表性。
　　與糞大腸菌群相比，病毒、寄生蟲對(duì)消毒處理的抵抗力更強(qiáng)，在環(huán)境中存活的時(shí)間也長(zhǎng)。有人曾試圖將病毒和寄生蟲作為水質(zhì)安全指標(biāo)。但美國(guó)環(huán)保局認(rèn)為，在污水再生處理工藝中，過濾和消毒處理可完全去除寄生蟲，必要時(shí)可在過濾前添加化學(xué)試劑以徹底殺滅寄生蟲。另外，寄生蟲的檢測(cè)相對(duì)復(fù)雜，周期長(zhǎng)，準(zhǔn)確度也低。同樣，選擇病毒作為水質(zhì)安全指標(biāo)，也存在相似問題。
　　根據(jù)上述分析，結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，選擇大腸菌群/糞大腸菌群作為再生水水質(zhì)安全指標(biāo)。另外，再生水中余氯的含量對(duì)于控制病原微生物的再生繁殖非常重要。雖然余氯不屬于生物學(xué)范疇，但為了便于應(yīng)用，也將余氯作為控制指標(biāo)之一。

4.2 綜合生物毒性指標(biāo)
　　廢水中的化學(xué)污染物，回用時(shí)可能引起各種各樣的綜合污染和復(fù)合毒性，有些研究者嘗試將生物毒性作為水質(zhì)指標(biāo)，目前的研究還比較零散。綜合毒性指標(biāo)主要是用來評(píng)價(jià)和控制再生水中的化學(xué)污染物，防止污染物直接或間接威脅人體健康、危害生態(tài)系統(tǒng)。該研究已逐步成為環(huán)境領(lǐng)域研究的一個(gè)亮點(diǎn)，美國(guó)、加拿大等國(guó)家已把生物毒性列為廢水水質(zhì)控制指標(biāo)之一。近年來，以廢水綜合毒性(WET)控制廢水排放的研究在國(guó)內(nèi)外已有很多報(bào)道^[2.3]。
　　污水綜合毒性指標(biāo)應(yīng)用在工業(yè)污水排放控制、排污許可證管理以及污水處理廠水質(zhì)控制中更具優(yōu)越性。對(duì)此，國(guó)外已開展了大量相關(guān)研究和應(yīng)用。20世紀(jì)80年代末，美國(guó)環(huán)保局制訂了應(yīng)用毒性測(cè)試法評(píng)價(jià)水體綜合毒性的計(jì)劃，通過直接測(cè)試水體總毒性以減少和取代對(duì)單個(gè)污染物的鑒別和分析^[4,5]，并在隨后頒發(fā)的污染物排放消除系統(tǒng)許可證中應(yīng)用^[6]。此外，聯(lián)邦德國(guó)等國(guó)家已經(jīng)著手研究工業(yè)污水的毒性評(píng)價(jià)方法和控制技術(shù)。我國(guó)的生物毒性研究工作已有一定基礎(chǔ)，具備了對(duì)污水進(jìn)行毒性控制的手段，也取得了一些可喜的成果^[7]。
　　此外，污染物的遺傳毒性不容忽視。在目前合成和使用的化學(xué)品中，已有很多被確定或懷疑有三致效應(yīng)。這類化學(xué)品對(duì)人類以至整個(gè)生物圈構(gòu)成了巨大的威脅，而它們的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試相對(duì)比較困難，缺乏合適的方法。Ames試驗(yàn)是最早開發(fā)的檢測(cè)致突變性的方法，但方法復(fù)雜，每個(gè)樣品大約需要3d才能得到結(jié)果。近年來很多研究者致力于開發(fā)致突變性快速檢測(cè)方法，如目前常用的UMU遺傳毒性檢測(cè)法^[8,9]，大約需要4 h，彗星試驗(yàn)只需要2 h^[10]。蠶豆根尖微核試驗(yàn)在近年有較多應(yīng)用^[11]，測(cè)試費(fèi)用較低，容易掌握，操作方便。
4.3 特異性指標(biāo)
　　特異性指標(biāo)主要用來評(píng)價(jià)除毒性效應(yīng)外的其他生物效應(yīng)，如對(duì)生物酶的抑制效應(yīng)、生物累積效應(yīng)、化學(xué)物質(zhì)的內(nèi)分泌干擾活性等^[12]。其中內(nèi)分泌干擾活性的測(cè)試有助于了解內(nèi)分泌干擾物對(duì)人和野生生物的影響。常用的測(cè)試方法有：ER-CALUX^®檢測(cè)法，MVLN檢測(cè)法，YES檢測(cè)法^[12]。Witters等通過對(duì)不同水體的生物檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)分泌干擾活性從高到低的順序是：受污染的江湖水體>污水處理廠出水>地表飲用水源^[12]。有關(guān)再生水分泌干擾活性的特異、高效測(cè)試方法的研究處于剛剛起步階段。
4.4 可吸附有機(jī)鹵化物
　　有機(jī)鹵化物是國(guó)內(nèi)外環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的三類有機(jī)污染物之一，U.S. EPA 1979年提出的129種優(yōu)先控制污染物中，鹵代有機(jī)物約占60%。由于有機(jī)鹵化物來源廣泛，分子量分布范圍寬(>2500)，不可能用某一種方法同時(shí)檢測(cè)，有必要建立一種類似于COD、BOD等的綜合指標(biāo)以評(píng)價(jià)有機(jī)鹵化物的污染水平。20世紀(jì)70年代，可吸附有機(jī)鹵化物AOX就被列入德國(guó)和荷蘭等國(guó)的飲用水研究領(lǐng)域，現(xiàn)在德國(guó)等歐洲國(guó)家已制定了AOX的飲用水標(biāo)準(zhǔn)和污水排放標(biāo)準(zhǔn)，以AOX表征的有機(jī)鹵化物已成為一項(xiàng)國(guó)際性水質(zhì)指標(biāo)。我國(guó)對(duì)AOX的研究還剛剛起步^[13]，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中推薦將AOX作為水污染選擇控制指標(biāo)。
4.5 揮發(fā)性有機(jī)化合物
　　水體中揮發(fā)性有機(jī)物，特別是低分子鹵代烴和苯系物均被列入環(huán)境優(yōu)先監(jiān)測(cè)污染物，隨著污水再生回用范圍不斷擴(kuò)大，再生水中的VOCs也可能通過各種途徑對(duì)人體健康造成威脅。比如，景觀娛樂用水、環(huán)境景觀灌溉、街道灑掃、地下水滲濾回補(bǔ)等過程中，水體中的VOCs揮發(fā)進(jìn)入空氣，人體吸入影響健康。另外，若消防用水中VOCs含量較高，火災(zāi)撲救時(shí)， VOCs隨溫度升高而揮發(fā)，可能對(duì)消防人員和周邊居民的健康造成傷害。目前有關(guān)再生水中VOCs的研究還不多，也有個(gè)別研究表明再生水中VOCs對(duì)人體危害較小。即使在飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，也只對(duì)部分常見VOCs物質(zhì)的含量作了限制。Rowe等1997年收集、總結(jié)了已發(fā)表的87種VOCs類物質(zhì)的毒理學(xué)信息和部分水質(zhì)指標(biāo)^[14]。但是，如果目前還只是通過制訂單一物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)來控制水質(zhì)的安全性，顯然難以達(dá)到真正的保護(hù)目的，希望在今后的研究中，能構(gòu)建一個(gè)或幾個(gè)較好反映VOCs物質(zhì)總體污染效應(yīng)的指標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

　　綜上，本研究提出的綜合生物毒性指標(biāo)、生物學(xué)綜合指標(biāo)、特異性指標(biāo)等，能更全面、直觀地反映污水再生處理及回用過程中，水體中化學(xué)污染物和病原微生物對(duì)人體健康和生態(tài)安全的影響，以及水質(zhì)安全性的變化。當(dāng)然，這些指標(biāo)的使用不能脫離傳統(tǒng)的水質(zhì)指標(biāo)，即與傳統(tǒng)指標(biāo)相輔相成。另外，國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究還相對(duì)較少，還有很多問題有待于研究。

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