飲用水源地預(yù)警體系應(yīng)用研究

王海英，梅鵬蔚，王 斌，方普杰

（天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津300191）

1 引言

引灤入津工程緩解了天津市的供水困難，改善了生活用水的水質(zhì)。引灤天津段沿線水質(zhì)保護(hù)措施相對(duì)完善，飲用水源保護(hù)工程全長(zhǎng)34km暗渠的設(shè)置徹底解決了利用天然河道輸水帶來(lái)的排瀝和水質(zhì)污染問(wèn)題，架設(shè)的121km的封閉隔離網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了引灤輸水封閉式管理，減少了人們的日常活動(dòng)對(duì)工程設(shè)施和水資源的侵害，這些措施減輕了輸水過(guò)程中的水體污染，對(duì)于引灤輸水水質(zhì)的保證具有一定的作用。但是有研究表明，隨著引灤沿線及上游地區(qū)工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，特別是水源地潘家口和大黑汀水庫(kù)網(wǎng)箱養(yǎng)魚的發(fā)展，造成引灤入津工程水質(zhì)日趨惡化，嚴(yán)重威脅天津人民群眾的飲用水安全［1－2］，因此建立完善的飲用水源地預(yù)警體系顯得尤為重要。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)水環(huán)境及飲用水自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系中，監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要包括常規(guī)五參數(shù)（水溫、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度）、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、TOC等常規(guī)參數(shù)和總氮、總磷等營(yíng)養(yǎng)鹽參數(shù)。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展對(duì)于保護(hù)水環(huán)境狀況，判斷水體的污染程度發(fā)揮了巨大作用，但這些參數(shù)主要反映水質(zhì)的基本狀況，很多污染無(wú)法指示或者指示不明顯，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染事故，為管理者做出決策提供及時(shí)完備的數(shù)據(jù)支持。飲用水源地的水質(zhì)變化直接影響到人民群眾的身體健康和生產(chǎn)、生活安全以及水廠處理工藝。因此2012年天津監(jiān)測(cè)部門在飲用水源地利用生物毒性測(cè)試方法彌補(bǔ)現(xiàn)有自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)理化指標(biāo)的局限性，提高對(duì)飲用水水源地水質(zhì)綜合毒性監(jiān)控能力。飲用水源地預(yù)警系統(tǒng)的研究應(yīng)用對(duì)推進(jìn)水源地水質(zhì)預(yù)警建設(shè)，提升環(huán)境應(yīng)急和監(jiān)測(cè)預(yù)警能力發(fā)揮了重大作用。

2 生物毒性監(jiān)測(cè)方法介紹

生物毒性監(jiān)測(cè)基于生物毒性快速檢測(cè)分析方法，利用生物的組分、個(gè)體、種群或群落對(duì)環(huán)境污染或環(huán)境變化所產(chǎn)生的反應(yīng)，來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量，能夠連續(xù)地反映各種有毒污染物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的綜合毒性。環(huán)境變化的效應(yīng)從根本上是對(duì)以人為主體的生物系統(tǒng)的影響，因此生物毒性監(jiān)測(cè)對(duì)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣具有更快速、更直接、更全面的指示作用。所以，利用生物效應(yīng)的原理監(jiān)測(cè)環(huán)境污染物的毒性對(duì)飲用水源地的水質(zhì)進(jìn)行生物評(píng)價(jià)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前生物毒性監(jiān)測(cè)的常用方法主要有魚類、蚤類、藻類、細(xì)菌、微生物電池等幾種監(jiān)測(cè)方法。特別值得注意的是，發(fā)光細(xì)菌毒性監(jiān)測(cè)法與其它生物的監(jiān)測(cè)法相比，具有快速、經(jīng)濟(jì)、可靠且節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)，因此成為科研和應(yīng)用的熱點(diǎn)。

在對(duì)包括氧化亞鐵硫桿菌法、硝化細(xì)菌法和發(fā)光細(xì)菌法在內(nèi)的多種細(xì)菌毒性監(jiān)測(cè)方法反復(fù)比較后，發(fā)現(xiàn)發(fā)光細(xì)菌法在生物毒性監(jiān)測(cè)中有著更明顯的優(yōu)勢(shì)：首先，發(fā)光細(xì)菌法有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 15441－1995）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11348－3－1998）的支持，評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)具有無(wú)可置疑的權(quán)威性；其次，發(fā)光細(xì)菌法在國(guó)際國(guó)內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飲用水安全、食品飲料安全、水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，其高效、全面、直觀、便捷的優(yōu)點(diǎn)得到普遍認(rèn)同；再次，發(fā)光細(xì)菌生物毒性監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)比較完善，在線監(jiān)測(cè)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 水質(zhì)狀況

選取2013年1月1日～2013年12月13日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)的pH值、CODMn、DO和氨氮變化趨勢(shì)如圖1所示。根據(jù)4項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)得出水體達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，符合飲用水要求。

3.2 數(shù)據(jù)判斷

發(fā)光強(qiáng)度的自然變化對(duì)于參比水樣和水樣是同等的。修正系數(shù)是用來(lái)修正發(fā)光強(qiáng)度的自然漂移。因此參比水樣發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，修正系數(shù)是自動(dòng)計(jì)算的。綜合毒性監(jiān)測(cè)儀如下情況為正常工作：修正系數(shù)在0.6～1.8之間（根據(jù)ISO11348）；細(xì)菌的發(fā)光量必須大于50000（當(dāng)發(fā)光量低于此值時(shí)，誤差會(huì)變大）；控制樣的毒性測(cè)試大于等于60%；參比水樣的毒性在－5%－5%。本次分析數(shù)據(jù)中細(xì)菌的發(fā)光量均大于50000（圖2），CF在0.6到1.8之間，由此得到的毒性抑制率為有效數(shù)據(jù)。

圖1 2013年1月～12月氨氮、pH值、DO、CODMn濃度

圖2 LRTO、LRT1、LST0、LST1發(fā)光量對(duì)數(shù)值

3.3 毒性實(shí)驗(yàn)

在系統(tǒng)運(yùn)行初期，選用了幾種毒性物質(zhì)進(jìn)行毒性敏感度測(cè)試，從毒性敏感度試驗(yàn)結(jié)果可以看出，預(yù)警系統(tǒng)所采用的生物綜合毒性檢測(cè)儀得出的抑制率均與污染物的濃度呈正相關(guān)關(guān)系，即污染物濃度增加，抑制率隨之增加。其中氰化物（＜1mg/L）、汞（＜0.1mg/L）、苯（＜0.5mg/L）、甲醛（＜4.5mg/L）等劇毒物質(zhì)在較低濃度下可以引起儀器毒性指標(biāo)抑制率顯著上升并超過(guò)臨界值，顯示毒性指標(biāo)報(bào)警。低毒性物質(zhì)如馬拉硫磷（＜7.5mg/L）、揮發(fā)酚（＜50mg/L）、草甘膦（＜210mg/L）等在一定濃度下也能引起毒性儀器的抑制率報(bào)警，說(shuō)明儀器對(duì)毒性物質(zhì)反應(yīng)比較敏感。

3.4 相關(guān)分析

對(duì)2013年1月～12月水源地pH值、DO、CODMn、氨氮與發(fā)光細(xì)菌進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示pH值、DO、CODMn與發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光量之間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。在此期間，pH值數(shù)據(jù)在7.4～8.8之間，生物毒性所用發(fā)光細(xì)菌為費(fèi)歇爾弧菌，有研究表明，pH值在5～9范圍內(nèi)，費(fèi)歇爾弧菌生長(zhǎng)良好，細(xì)菌培養(yǎng)9～14h時(shí)段其發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最佳，菌液能夠在4～5h內(nèi)保持較為穩(wěn)定的發(fā)光強(qiáng)度，且它們的生長(zhǎng)曲線沒(méi)有顯著差別，所以pH值在5～9是比較理想的生長(zhǎng)環(huán)境［3］。IS011348有這樣的要求，即測(cè)試前每個(gè)樣品的DO要大于3.0mg/L。發(fā)光細(xì)菌本身為兼性厭氧的，在有氧和無(wú)氧的情況下都能生存，其發(fā)光過(guò)程是氧化呼吸鏈上的光呼吸過(guò)程，而這種過(guò)程必須要有氧分子的參與。在此期間監(jiān)測(cè)得到的DO數(shù)據(jù)范圍在3.73～16.38mg/L之間，全部大于3.0mg/L，因此，滿足費(fèi)歇爾弧菌生長(zhǎng)條件［4］。

發(fā)光細(xì)菌法在檢測(cè)水樣毒性時(shí)，水中的某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（NH4C1、NaNO3、NaNO2及 NaH2PO4）會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，使發(fā)光抑制率為負(fù)值，即產(chǎn)生促進(jìn)發(fā)光作用。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于當(dāng)水樣的毒性較小或者水樣中沒(méi)有毒性物質(zhì)吋，水樣中的某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)使發(fā)光細(xì)菌的活性增強(qiáng)，發(fā)光性能增加，或者與有毒性物質(zhì)產(chǎn)生了拮抗作用，從而使得樣品對(duì)發(fā)光細(xì)菌的抑制率為負(fù)值［5］。本次分析結(jié)果也證明了氨氮濃度與發(fā)光細(xì)菌發(fā)光量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即氨氮濃度與生物毒性抑制率（TOX）呈顯著負(fù)相關(guān)，圖3很明顯可以看出氨氮與TOX的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 氨氮、TOX趨勢(shì)圖

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)常規(guī)項(xiàng)目評(píng)價(jià)結(jié)果得出2013年引灤天津段達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，符合飲用水要求，綜合生物毒性檢測(cè)儀分析結(jié)果也顯示水樣無(wú)毒，兩者結(jié)果一致。

pH值、DO、CODMn與發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，氨氮與發(fā)光細(xì)菌呈顯著正相關(guān)。

有研究表明，飲用水源地的生物綜合毒性光抑制率多為負(fù)值，說(shuō)明水源地的毒性效應(yīng)低，處于無(wú)毒狀態(tài)；出現(xiàn)負(fù)值與水體富營(yíng)養(yǎng)化程度有關(guān)。天津飲用水源地水質(zhì)近年來(lái)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T3838－2002）Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，符合飲用水要求，但是營(yíng)養(yǎng)鹽含量較高，水體富營(yíng)養(yǎng)化態(tài)勢(shì)較為明顯。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的存在為發(fā)光細(xì)菌的新陳代謝提供了充足的營(yíng)養(yǎng)素，所以出現(xiàn)生物綜合毒性測(cè)試中光抑制率為負(fù)值的現(xiàn)象。2013年1月1日到2013年12月13日期間生物毒性抑制率負(fù)值比例非常大，占68.2%（圖4），這也從另一個(gè)角度反映了天津引灤沿線水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況。

圖4 不同區(qū)間毒性抑制率百分比

［1］王新華，紀(jì)炳純，李明德，等.引灤工程上游浮游植物及其水質(zhì)評(píng)價(jià)［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2004，17（4）：18～24.

［2］季 民，周 菁，吳昌敏，等.天津引灤水的水質(zhì)變化特征與生物預(yù)處理試驗(yàn)研究［J］.給水排水，27（12）：37～40.

［3］馬 勇，黃 燕，賈玉玲，等.發(fā)光細(xì)菌急性毒性測(cè)試方法的優(yōu)化研究［J］.環(huán)境污染與防治，2010，32（11）：51－52.

［4］朱麗娜.基于發(fā)光細(xì)菌法的水質(zhì)綜合毒性研究［D］.北京：中央民族大學(xué)，2012.