魏東斌，胡洪營
（清華大學 環(huán)境科學與工程系 環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京100084）

　　摘 要：本文從再生水不同的用途和使用方式出發(fā)，詳細分析了再生水中的化學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，在此基礎上提出了包括綜合生物毒性指標、生物學綜合指標、特異性指標等的再生水水質安全指標體系，并對關鍵性指標進行了可行性分析。
　　關鍵詞：城市污水；再生回用；水質安全；指標體系

　　據統(tǒng)計，截止2002年10月登錄在《化學文摘》上的化學物質總數已達4500萬種，日常生活和生產中經常使用的有6～8萬種，導致環(huán)境中化學物質越來越多。在垃圾滲濾液中檢出的化學物質達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鍵環(huán)節(jié)，但消毒處理中部分污染物可能發(fā)生化學變化，生成消毒副產物，降低了水質安全性。另外，再生水中的污染物在回用中是否存在積累？對生態(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，如何評價再生水回用所帶來的危害也是一個亟待解決的問題。當然，水質標準是評價水質安全與否的客觀依據。
　　現行水質標準可分為綜合指標(如TP、TN、BOD、COD等)和單一指標，單一指標是根據化學物質對環(huán)境的污染狀況及毒性制定的。近年來，隨著人們對化學品研究的不斷深入，增補的單一指標越來越多，但僅占常用化學物質種類的0.1%。況且，單一指標有其不足^[1]。
　　另外，傳統(tǒng)的綜合指標只考慮污染物的“量”，并未考慮“質”，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。可見，這些傳統(tǒng)指標已不能滿足控制水質、保護人類健康和生態(tài)環(huán)境的需要。因此，建立一套安全可靠、切實可行的水質安全指標體系顯得非常必要。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污染物對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)的危害途徑，提出了保障水質安全的指標體系，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、景觀娛樂、工業(yè)冷卻等幾個方面（見表1）。本研究針對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）及其影響結果（表2）。

2 再生水回用水質要求

　　美國內政部對再生水水質標準的制定原則作了詳細說明，如表3所示。

3 水質安全指標體系的確定

　　考慮到再生水的不同用途和污染物可能的影響途徑，制訂再生水水質安全標準時，應注意：(a) 保護公眾健康。是制定水質安全指標的首要目標。(b) 用水要求。工業(yè)或其他用水，對水質有特殊要求，與健康無關。應根據具體要求制定水質標準。(c) 灌溉影響。灌溉可能引起很多相關問題，如污染土壤、地下水、地表水、以及暴露人群的健康效應。(d) 環(huán)境安全。使用再生水區(qū)域以及周圍地區(qū)的動植物、受納水體等，都是保護對象。(e) 感觀要求。對于較高要求的再生水，如沖洗廁所、綠地灌溉、娛樂用水等，在美學方面應和飲用水有相似的要求。(f) 切合實際。標準必須符合當前的政策、技術、經濟狀況。

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

分類

應用范圍界定

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)

運動場(操場、高爾夫球場)

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

對水質要求較低

回補地下水

水源補給

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

對水質要求較低

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

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） 管理不善會引起地表水和地下水的污染；
（2） 水質，特別是鹽分將對土壤產生影響；
（3） 病原微生物(細菌、病毒、寄生蟲)對公眾的健康造成威脅；
（4） 管道交叉連接

回補地下水

（1） 水中的有機化學品及其毒性影響；
（2） 總溶解性固體、硝酸鹽和病原體

工業(yè)用水

（1） 水中的組分會引起結垢、侵蝕、剝落、生物生長等現象；
（2） 公眾健康，特別是冷卻水應用中病原微生物在氣溶膠中的傳輸

景觀娛樂用水

（1） 細菌、病毒影響健康；
（2） 受納水體由于氮、磷引起的富營養(yǎng)化；
（3） 對水生生物的毒性

表3 再生水用途及水質指標制定原則

用途

界定

制定水質指標的基礎

城市景觀灌溉

城鎮(zhèn)綠地、道路隔離帶、高爾夫球場、公園等灌溉

水應不含固體懸浮物和較低的濁度，確保不含致病細菌、病毒，氣溶膠過程應在細菌學方面保持安全

電廠、工業(yè)冷卻水(直流式)

電廠、工業(yè)等的直流式冷卻水

不需復雜前處理，去除導致堵塞的污染物

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)鍋爐補給水

鍋爐補給水

根據鍋爐壓力和原水質不同進行適當的處理。鍋爐蒸汽若用于食品加工，水質應達到飲用水標準。

娛樂水體(全身接觸)

游泳、滑水等活動，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，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，如油斑、碎片、大量生長的水生植物、異味等。攝入一定量的水對人無不良危害。

　　制訂水質標準時不僅要考慮病原微生物和化學污染物帶來的安全風險，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：對地表水、地下水的污染，對水生生物的毒害和導致水體富營養(yǎng)化，對土壤的污染和土壤結構、微生物群落結構的影響，就灌溉而言，還可能出現對作物的毒害。若再生水回用于鍋爐補給水和工業(yè)冷卻水時，還可能出現設備的腐蝕、結垢以及管道中生物生長等問題。
　　由于再生水中化學污染物和病原微生物的組成非常復雜，一一鑒別并制定相應的標準并不現實。為了能保障再生水的生物學安全和生態(tài)安全，本研究在文獻調研的基礎上，根據再生水的不同用途和使用方式，分析了回用時污染物影響人體健康和生態(tài)安全的可能途徑及后果，結合當前的研究理念和成果，提出了一些能全面反映水質安全的關鍵性指標，如生物學綜合指標、綜合毒性指標、特異性指標、可吸附有機鹵化物AOX以及揮發(fā)性有機化合物VOC等(圖1)，水質安全指標體系如圖2所示。

4 水質安全指標的意義及可行性分析

4.1 生物學綜合指標
　　生物學綜合指標主要是用來評價和控制再生水中的病原微生物，預防流行性傳染病的大范圍爆發(fā)。研究發(fā)現，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)，分別從細菌、病毒、寄生蟲中選出有代表性的指示生物，對于評價水質的生物學安全性具有重要意義。大腸菌群作為水質指示細菌已有很長時間，是因為它們主要存在于溫血動物的糞便中，濃度高，易檢測，與糞便污染程度成正相關。但對再生水而言，目前尚無統(tǒng)一觀點，大多仍沿襲傳統(tǒng)習慣，選擇大腸菌群或糞大腸菌群為生物學指標，美國現行的再生水水質標準中，大多數仍選擇總大腸菌群或糞大腸菌群作為生物學控制指標，其中糞大腸菌群在表示水體受糞便污染狀況時更具代表性。
　　與糞大腸菌群相比，病毒、寄生蟲對消毒處理的抵抗力更強，在環(huán)境中存活的時間也長。有人曾試圖將病毒和寄生蟲作為水質安全指標。但美國環(huán)保局認為，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，必要時可在過濾前添加化學試劑以徹底殺滅寄生蟲。另外，寄生蟲的檢測相對復雜，周期長，準確度也低。同樣，選擇病毒作為水質安全指標，也存在相似問題。
　　根據上述分析，結合我國的國情，選擇大腸菌群/糞大腸菌群作為再生水水質安全指標。另外，再生水中余氯的含量對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范疇，但為了便于應用，也將余氯作為控制指標之一。

4.2 綜合生物毒性指標
　　廢水中的化學污染物，回用時可能引起各種各樣的綜合污染和復合毒性，有些研究者嘗試將生物毒性作為水質指標，目前的研究還比較零散。綜合毒性指標主要是用來評價和控制再生水中的化學污染物，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)境領域研究的一個亮點，美國、加拿大等國家已把生物毒性列為廢水水質控制指標之一。近年來，以廢水綜合毒性(WET)控制廢水排放的研究在國內外已有很多報道^[2.3]。
　　污水綜合毒性指標應用在工業(yè)污水排放控制、排污許可證管理以及污水處理廠水質控制中更具優(yōu)越性。對此，國外已開展了大量相關研究和應用。20世紀80年代末，美國環(huán)保局制訂了應用毒性測試法評價水體綜合毒性的計劃，通過直接測試水體總毒性以減少和取代對單個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)許可證中應用^[6]。此外，聯邦德國等國家已經著手研究工業(yè)污水的毒性評價方法和控制技術。我國的生物毒性研究工作已有一定基礎，具備了對污水進行毒性控制的手段，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品中，已有很多被確定或懷疑有三致效應。這類化學品對人類以至整個生物圈構成了巨大的威脅，而它們的實驗室測試相對比較困難，缺乏合適的方法。Ames試驗是最早開發(fā)的檢測致突變性的方法，但方法復雜，每個樣品大約需要3d才能得到結果。近年來很多研究者致力于開發(fā)致突變性快速檢測方法，如目前常用的UMU遺傳毒性檢測法^[8,9]，大約需要4 h，彗星試驗只需要2 h^[10]。蠶豆根尖微核試驗在近年有較多應用^[11]，測試費用較低，容易掌握，操作方便。
4.3 特異性指標
　　特異性指標主要用來評價除毒性效應外的其他生物效應，如對生物酶的抑制效應、生物累積效應、化學物質的內分泌干擾活性等^[12]。其中內分泌干擾活性的測試有助于了解內分泌干擾物對人和野生生物的影響。常用的測試方法有：ER-CALUX^®檢測法，MVLN檢測法，YES檢測法^[12]。Witters等通過對不同水體的生物檢測后發(fā)現，內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]。有關再生水分泌干擾活性的特異、高效測試方法的研究處于剛剛起步階段。
4.4 可吸附有機鹵化物
　　有機鹵化物是國內外環(huán)境科學領域重點研究的三類有機污染物之一，U.S. EPA 1979年提出的129種優(yōu)先控制污染物中，鹵代有機物約占60%。由于有機鹵化物來源廣泛，分子量分布范圍寬(>2500)，不可能用某一種方法同時檢測，有必要建立一種類似于COD、BOD等的綜合指標以評價有機鹵化物的污染水平。20世紀70年代，可吸附有機鹵化物AOX就被列入德國和荷蘭等國的飲用水研究領域，現在德國等歐洲國家已制定了AOX的飲用水標準和污水排放標準，以AOX表征的有機鹵化物已成為一項國際性水質指標。我國對AOX的研究還剛剛起步^[13]，國家標準GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中推薦將AOX作為水污染選擇控制指標。
4.5 揮發(fā)性有機化合物
　　水體中揮發(fā)性有機物，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)測污染物，隨著污水再生回用范圍不斷擴大，再生水中的VOCs也可能通過各種途徑對人體健康造成威脅。比如，景觀娛樂用水、環(huán)境景觀灌溉、街道灑掃、地下水滲濾回補等過程中，水體中的VOCs揮發(fā)進入空氣，人體吸入影響健康。另外，若消防用水中VOCs含量較高，火災撲救時， VOCs隨溫度升高而揮發(fā)，可能對消防人員和周邊居民的健康造成傷害。目前有關再生水中VOCs的研究還不多，也有個別研究表明再生水中VOCs對人體危害較小。即使在飲用水水質標準中，也只對部分常見VOCs物質的含量作了限制。Rowe等1997年收集、總結了已發(fā)表的87種VOCs類物質的毒理學信息和部分水質指標^[14]。但是，如果目前還只是通過制訂單一物質的標準來控制水質的安全性，顯然難以達到真正的保護目的，希望在今后的研究中，能構建一個或幾個較好反映VOCs物質總體污染效應的指標。

5 結語

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

參考文獻：

　　[1] 胡洪營, 魏東斌, 董春宏. 污/廢水的水質安全評價與管理[J]. 環(huán)境保護, 2002, 11:37-38.
　　[2] Walsh AR, O’Halloran J. The toxicity of leather tannery effluent to a population of the blue mussel Mytilus edulis (L.)[J]. Ecotoxicology, 1997, 6(3):137-152.
　　[3] Fisher DJ, Knott MH et al. Acute and chronic toxicity of industrial and municipal effluents in Maryland, US [J]. Water Environmental Research, 1998, 70(1):101-107.
　　[4] USEPA. Technical support document for water quality-based toxics control, EPA/505/2-90/001[R]. USEPA, Office of Water Enforcement and Permits and Office of Water Regulations and Standards, Washington DC, 1991.
　　[5] USEPA. Method guidance and recommendations for whole effluent toxicity (WET) testing (40 CFR Part 136), EPA/821-B-00-004[R]. Office of Water (4303), USEPA, 2000.
　　[6] USEPA. Toxicity Reduction Evaluation Guidance for Municipal Wastewater Treatment Plants, EPA/833B-99/002[R]. Office of Wastewater Management, Washington DC 20460, USEPA, 1999.
　　[7] 陳曉東. 沈陽西部污水生物毒性的研究[J]. 環(huán)境保護科學, 1994, 20(4):40-42, 61.
　　[8] Hamer B, Bihari N, Reifferscheid G, Zahn RK, Muller WEG, Batel R. Evaluation of the SOS-umu-test post-treatment assay for the detection of genotoxic activities of pure compounds and complex environmental mixtures[J]. Mutation Research, 2000, 466:161–171.
　　[9] 孔憲會. 對SOS-Umu遺傳毒性原位監(jiān)測法的探討[J]. 鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2000，27(2): 106-109.
　　[10] Penders E., Hoogenboezem W. Biological tests, a suitable instrument for the quality control of surface water[R]. Association of River Waterworks RIWA, Amsterdam, 2001.
　　[11] 王兆群, 丁長春, 劉斌, 王芹. 蠶豆根尖微核技術在工業(yè)廢水遺傳毒性監(jiān)測中的應用[J]. 儀器儀表與分析監(jiān)測, 2000, 4:45-46.
　　[12] Witters H, Vangenechten C, Berckmans P. Detection of estrogenic activity in Flemish surface waters using an in vitro recombinant assay with yeast cells[J]. Water Science and Technology, 2001, 43(2):117-123.
　　[13] 皮運正. 污水處理廠出水用于地下回灌的水質研究及風險評價[D]. 清華大學博士論文, 2002.
　　[14] Rowe BL, Landrigan SJ, Lopes TJ. Summary of Published Aquatic Toxicity Information And Water Quality Criteria For Selected Volatile Organic Compounds[M]. U.S. Department of the Interior/97-563, Rapid City, South Dakota, 1997.