基于季節規律和二次供水模式的飲用水水質安全風險

張駿鵬，王一廉

(上海浦東威立雅自來水有限公司，上海 200127)

隨著經濟的高速發展和人民生活水平的提高，人們對飲用水水質的要求越來越高。近年來，各地紛紛出臺高品質飲用水方案。上海市在《上海市城市總體規劃(2017—2035年)》中指出，“加大二次供水設施改造，減少老舊供水管網二次污染，提高入戶水質，全市供水水質在2035年達到國際先進標準，滿足直飲需求”。這對現有的城市給水系統賦予了更高的要求，對終端水質檢測也提出了更高要求。

城市給水系統由水源、水廠、供水管網和二次供水系統組成。原水經過水廠后，出廠水水質雖然滿足我國《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006，以下簡稱“國標”)，但水中仍然存在微量的營養物質、耐氯細菌等。由于給水管網水力條件復雜，輸送距離長，水力停留時間可能從幾小時到一周，加之長期使用的給水管道可能出現漏損、管道銹蝕，外源污染也可能進入供水管網。由于水中仍存在一定量的營養物質，也存在耐氯細菌，管網管壁會形成生物膜，生物膜由于胞外有機物的結構保護，生物膜內的細菌可以繁殖生長，成熟后脫落進入水體，在供水管網中不斷重復這個過程，城市給水管網成為一個龐大的“反應器”[1-3]。因此，水廠出廠水在管網輸送過程中可能發生一系列物理、化學和生物反應，消毒劑含量隨供水管網輸送距離增加而衰減，再加上管道腐蝕等因素，管網水質下降，即水質發生“二次污染”，對龍頭水水質保障產生嚴峻威脅[4-5]。微生物再生長會導致管網腐蝕、水中渾濁度和嗅味等感官指標異常以及條件致病菌傳播等問題，造成對人類健康的威脅[6-7]，這對城市給水系統運行和末端水質安全是一個極大的考驗。

二次供水系統是城市給水系統的重要組成部分，是到達用戶端的最后一道防線。由于二次供水系統與末端用戶直接接觸，一旦發生微生物污染，會對用戶健康產生極大威脅。近年來，針對二次供水的研究[8]表明，不同管道材質表明均會形成生物膜，長時間的停留會導致龍頭水微生物指標較高，故亟需對二次供水系統中的水質風險進行研究，以期找出針對龍頭水直飲目標的水質安全保障技術。

1 材料與方法

1.1 采樣點的設置

1.1.1 市政供水采樣點

選取在上海某地區，選擇出廠水、水廠附近、管網中段、管網末梢的市政供水采樣點。市政采樣點如圖1所示。各取樣點和對應小區的供水模式如表1所示。

1.1.2 供水小區內部取樣點

在水廠附近、管網中段、末梢分別選擇供水模式為直供水、水池+變頻供水和水池+水箱供水的小區，設置小區內部采樣點。在不同供水模式中，水池+水箱供水小區與水池+變頻泵供水小區(企業)占比約為79%，主要對這兩種供水模式小區進行研究。

圖1 輸配水管網市政采樣點圖Fig.1 Sampling Sites of Water Distribution System

表1 輸配水管網市政采樣點Tab.1 Water Distribution System Sampling Sites

在水池+變頻供水小區中選擇采樣點，包括：泵房進水、泵房出水、住戶2樓立管、住戶2樓龍頭、住戶6樓立管、住戶6樓龍頭，代表各供水單元的水池、街坊管道、立管和內裝管道對供水水質的影響。

在水池+水箱供水小區中選擇采樣點包括：泵房進水、泵房出水、住戶1樓立管、住戶1樓龍頭、住戶3樓立管、住戶4樓立管、住戶4樓龍頭，代表各供水單元的水池、街坊管道、屋頂水箱、立管和內裝管道對供水水質的影響。

1.2 檢測參數

根據上海市地標要求確定檢測項目，水質檢測指標包括：常規指標、重金屬、微生物和感官指標、消毒副產物指標等，共計10項，如表2所示。目前，已進行15次采樣，采樣時間為2020年6月—2021年5月。水質指標均參考《生活飲用水標準檢驗方法》相關分析方法。

表2 水質檢測指標和檢測頻率Tab.2 Water Quality Indices and Detection Frequency

2 結果與討論

2.1 供水片區不同供水距離管網采樣點水質情況

供水片區不同供水距離管市政供水采樣點不同季節水質情況如圖2所示。其中，TW為出廠水；1、2、5、6為靠近水廠區域供水，水齡為8 h以內；3、4、7、8為管網中段供水，水齡為8～16 h；9為供水末梢，水齡為16～20 h。

在檢測的所有水質指標中，除總氯、渾濁度、菌落總數、HPC這4項指標存在較大的波動，其余每月檢測的水質指標在不同采樣點、不同季節均達到上海市地標標準，大腸埃希氏菌在不同采樣點和時間段均未檢出，色度、臭和味、重金屬離子、溶解性總固體隨供水距離增加沒有顯著變化?；趨^域內水廠供水范圍，對比靠近水廠、供水管網中段及供水末梢的取樣點，在靠近水廠的市政管網采樣點(1、2、5、6)總氯含量均較高(平均值高于0.82 mg/L)、渾濁度含量較低(平均值低于0.25 NTU)、細菌總數低于10 CFU/mL、HPC含量低于100 CFU/mL；在管網末梢采樣點9，渾濁度出現顯著上升(平均值達到0.35 NTU)，總氯均值下降到0.61 mg/L，細菌總數(平均值為45 CFU/mL)和HPC含量均較高(平均值為485 CFU/mL)。

圖2 輸配水管網市政供水采樣點全年水質變化Fig.2 Variation of Different Water Quality Indices of Water Distribution System Sampling Sites

對比不同季節變化，在冬季，總氯平均含量較高，細菌總數和HPC平均含量處于全年最低水平，反之，在夏季，總氯含量較低，總氯在管網中衰減較快，細菌總數和HPC含量為全年最高，因此，針對夏季生物安全風險的控制尤為重要。

2.2 不同供水模式小區內部水質變化情況

針對水池+變頻供水模式小區的水質變化情況進行研究，水質變化情況如圖3所示。

基于近一年的連續監測試驗，結果表明：在泵房進水經過水池后，渾濁度會小幅上升，上升比例為10.7%，總氯輕微下降，細菌總數和HPC小幅上升；在經過街坊管道后，在小區2樓立管處，渾濁度進一步上升，總氯下降較為明顯，其主要原因可能為此處街坊管道為鑄鐵管，管道腐蝕可能促進了余氯的衰減，但仍存在較高的總氯含量；細菌總數和HPC未有顯著上升，在用戶水表前的采樣點均達到上海市地標的水質要求；而在經過用戶內裝管道和龍頭后，檢測到的渾濁度進一步上升，余氯含量下降，細菌總數和HPC達到甚至部分超過地標要求限制，這主要是內裝管道可能由于間歇式使用生長了部分生物膜，生物膜脫離促進了末端水質細菌超標的情況[9-12]。Wang等[8]研究指出，不同管道材質和水齡均會對管網生物膜組成產生影響。因此，后續針對用戶在一段時間未使用供水管道后，建議先進行一段時間放水后再用水，可降低飲用水生物安全風險。針對水池+水箱供水模式小區的水質變化情況進行研究，水質變化情況如圖4所示。

圖3 水池+變頻供水小區不同供水單元全年水質變化Fig.3 Variation of Different Water Quality Indices of Water Tank+Frequency Conversion Water Supply

圖4 水池+水箱供水小區不同供水單元全年水質變化Fig.4 Variation of Different Water Quality Indices of Water Supply by Roof Water Tank Sampling Sites

基于近一年的連續監測試驗，結果表明：在市政進水進入小區內部管道后，在到達泵房進水渾濁度出現小幅上升，總氯下降，細菌總數和HPC由于總氯還大于0.8 mg/L，未有顯著上升；在泵房進水經過水池后，水的渾濁度上升不顯著，總氯下降21.1%，這可能由于水池停留時間較長導致總氯進一步衰減，細菌總數和HPC小幅上升，由于總氯質量濃度大于0.6 mg/L，余氯上升不顯著；經過街坊管道后，在小區1樓立管處，渾濁度進一步上升，此時總氯質量濃度下降顯著，低于0.5 mg/L，其主要原因可能為此處街坊管道為PVC管道，管道老舊可能促進了余氯的衰減，細菌總數和HPC也出現有顯著上升，3樓立管結果也反映了類似規律，但3樓相比1樓水質數據未有明顯上升，表明立管接觸對水質影響較??；對于4樓立管和4樓龍頭水，4樓立管的渾濁度相較于1樓和3樓上升，余氯下降，表明經過長時間水箱停留后，余氯進一步衰減，而細菌總數未體現出細菌含量的顯著上升，但HPC出現較大幅度增加，這可能由于兩種微生物檢測方法培養的時間和溫度不同，適合培養的微生物種類不同，細菌總數法為富營養培養(營養瓊脂)，培養時間為48 h，而HPC為貧營養培養(R2A培養基)，培養時間為7 d，更接近真實自來水營養物質的環境，導致更多種類自來水中的細菌生長；在經過用戶內裝管道和龍頭后，檢測到的渾濁度進一步上升，余氯含量下降，細菌總數和HPC達到甚至少部分超過地標要求限制，這主要是內裝管道的間歇式使用可能生長了部分生物膜，生物膜脫落導致了末端水質細菌超標的情況。

2.3 不同小區生物安全風險點及相關影響因素

基于近一年對9個市政取樣點和其中小區不同供水單元取樣點的數據，對其中微生物指標與其他水質指標的相關性進行分析，分析結果如表3所示。

表3 水質檢測指標相關性分析Tab.3 Correlation Analysis of Different Water Quality Indices

總氯與細菌總數顯著相關(R=-0.39，P<0.05)，與HPC顯著相關(R=-0.28，P<0.05)；與溫度顯著相關(R=-0.32,P<0.05)；渾濁度與細菌總數、HPC、溫度相關性不顯著；細菌總數和HPC顯著相關(R=0.29，P<0.05)，與溫度顯著相關(R=0.35，P<0.05)；HPC與溫度顯著相關(R=0.49，P<0.05)。TOC與其他指標無顯著相關性，從季節上看整體呈冬季高、夏季低的趨勢。

細菌總數和HPC是反映水體中細菌生長情況的指標。管網中細菌生長是管網輸送飲用水過程中造成飲用水生物不穩定的重要影響因素，其含量主要受到水中營養物質的促進作用和消毒劑的抑制作用影響，水中營養物質在出廠后，無顯著變化規律。因此，溫度、總氯是影響水質生物指標的重要因素，基于余氯控制來保障龍頭水質生物安全，接觸材質和反應時間是后續進行直飲水改造控制的重點[13-14]。

根據所有檢測樣本，對不同總氯濃度條件下，細菌總數達標情況進行研究，得到不同總氯條件下樣本總體達標情況(表4)。

表4 總氯含量與菌落總數達標率Tab.4 Total Chlorine Concentration and Compliance Rate of Total Bacterial Colonies

針對528個樣本數據，95.20%樣本細菌總數達標，總氯質量濃度需≥0.09 mg/L；97.55%樣本細菌總數達標，總氯質量濃度需≥0.15 mg/L；99.07%樣本細菌總數達標，總氯質量濃度需≥0.30 mg/L。

結合2.2小節針對不同供水模式的水質研究可知，對于變頻供水小區，在泵房水池的停留、街坊管道輸送和立管輸送均會導致余氯的衰減；對于水池+水箱供水小區，街坊管道、立管、屋頂水箱的停留均會導致余氯較大幅度的衰減。因此，針對小區內的余氯衰減控制尤為重要。

余氯衰減的控制前提是不額外產生消毒副產物，而余氯衰減影響的主要因素包括初始余氯含量、反應時間、接觸材質、水體本身包含的還原性物質含量等。對未來小區的減少和改造，首先需要確認小區的水質風險特點，如采用的是水池+水箱供水模式，需考慮優化供水水齡，減少反應時間；如使用的供水材質較為老舊，則需通過涉水材質的優選，選擇不易生長生物膜的管材；同時在前端水廠處理工藝中，應考慮使用臭氧氧化等工藝對水體中還原性物質進行去除，減少出廠后水體自身的余氯衰減；在二次供水中也可考慮使用紫外消毒、二次加氯等措施，提升生物安全保障能力。從而達到既保證不會有新的消毒副產物產生，也減少供水系統的生物安全風險，保障供水水質。

本研究主要針對水中消毒劑含量與微生物指標的關系進行研究，但在給水系統中，管道材質、水中營養物質(如可同化有機碳、氮、磷等)等均會影響生物安全和生物穩定，導致水中微生物指標異常，在后續的研究中需要進一步進行分析和研究。

通過逆向思維，即“龍頭-源頭”的水質風險識別、龍頭水的水質問題，歸根到底是住戶室內管道的水質保障、二次供水設施的運行管理和維護、輸配水的水質保持、水廠的處理工藝的穩定運行、源頭的水質保持和污染源控制等重點問題。龍頭水的水質穩定安全，即為“從龍頭到源頭”的水質保障。每一環節需要分析該環節存在的問題和原因，在解決該環節問題的同時，向上一環節提出更準確的水質要求，逐級倒逼(龍頭水倒逼管網水水質，繼而要求提升出廠水水質，進而反推原水水質提升，直至水源水質提升且得到保護)，一步步往源頭方向篩選全流程中的重點問題并予以徹底解決，從而達到龍頭水質的保障。本次研究通過龍頭到源頭的水質檢測，明確了研究區域內的水質風險點，為后續的水質安全保障提供了方向。

3 結論

(1)目前，供水片區的主要水質安全風險點為生物安全指標(細菌總數和HPC)，微生物指標受季節影響較大，夏季在居民龍頭水處可能存在較大風險。

(2)針對二次供水不同供水單元研究結果表明，水池水箱、街坊管道和立管均會對水質產生較大影響，其中水池+水箱供水4～6樓用戶龍頭水質存在較大風險。

(3)溫度、余氯是影響水質生物指標的重要因素，基于余氯衰減的控制是保障二次供水水質安全的重要手段。

(4)基于本次研究，針對528個樣本數據，95.20%樣本細菌總數達標，總氯質量濃度需≥0.09 mg/L；97.55%樣本細菌總數達標，總氯質量濃度需≥0.15 mg/L；99.07%樣本細菌總數達標，總氯質量濃度需≥0.30 mg/L。為進一步提升小區的供水水質安全，減緩小區二次供水過程的余氯衰減是未來小區設計建設和改造的重點。