飲用水源地預警體系應(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)保護措施相對完善，飲用水源保護工程全長34km暗渠的設(shè)置徹底解決了利用天然河道輸水帶來的排瀝和水質(zhì)污染問題，架設(shè)的121km的封閉隔離網(wǎng)，實現(xiàn)了引灤輸水封閉式管理，減少了人們的日常活動對工程設(shè)施和水資源的侵害，這些措施減輕了輸水過程中的水體污染，對于引灤輸水水質(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警體系顯得尤為重要。

當前國內(nèi)水環(huán)境及飲用水自動監(jiān)測體系中，監(jiān)測指標主要包括常規(guī)五參數(shù)（水溫、pH值、溶解氧、電導率、濁度）、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、TOC等常規(guī)參數(shù)和總氮、總磷等營養(yǎng)鹽參數(shù)。水質(zhì)自動監(jiān)測工作的開展對于保護水環(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，很多污染無法指示或者指示不明顯，不能及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染事故，為管理者做出決策提供及時完備的數(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)測部門在飲用水源地利用生物毒性測試方法彌補現(xiàn)有自動監(jiān)測系統(tǒng)理化指標的局限性，提高對飲用水水源地水質(zhì)綜合毒性監(jiān)控能力。飲用水源地預警系統(tǒng)的研究應(yīng)用對推進水源地水質(zhì)預警建設(shè)，提升環(huán)境應(yīng)急和監(jiān)測預警能力發(fā)揮了重大作用。

2 生物毒性監(jiān)測方法介紹

生物毒性監(jiān)測基于生物毒性快速檢測分析方法，利用生物的組分、個體、種群或群落對環(huán)境污染或環(huán)境變化所產(chǎn)生的反應(yīng)，來評價環(huán)境質(zhì)量，能夠連續(xù)地反映各種有毒污染物對環(huán)境產(chǎn)生的綜合毒性。環(huán)境變化的效應(yīng)從根本上是對以人為主體的生物系統(tǒng)的影響，因此生物毒性監(jiān)測對環(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)測環(huán)境污染物的毒性對飲用水源地的水質(zhì)進行生物評價具有非常重要的現(xiàn)實意義。

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

在對包括氧化亞鐵硫桿菌法、硝化細菌法和發(fā)光細菌法在內(nèi)的多種細菌毒性監(jiān)測方法反復比較后，發(fā)現(xiàn)發(fā)光細菌法在生物毒性監(jiān)測中有著更明顯的優(yōu)勢：首先，發(fā)光細菌法有國家標準（GB/T 15441－1995）和國際標準（ISO 11348－3－1998）的支持，評價方法和指標具有無可置疑的權(quán)威性；其次，發(fā)光細菌法在國際國內(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)測等領(lǐng)域，其高效、全面、直觀、便捷的優(yōu)點得到普遍認同；再次，發(fā)光細菌生物毒性監(jiān)測方法已經(jīng)比較完善，在線監(jiān)測已經(jīng)初步實現(xiàn)，監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗。

3 監(jiān)測結(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)進行分析。自動監(jiān)測儀器監(jiān)測的pH值、CODMn、DO和氨氮變化趨勢如圖1所示。根據(jù)4項監(jiān)測指標得出水體達到地表水Ⅲ類水質(zhì)標準，符合飲用水要求。

3.2 數(shù)據(jù)判斷

發(fā)光強度的自然變化對于參比水樣和水樣是同等的。修正系數(shù)是用來修正發(fā)光強度的自然漂移。因此參比水樣發(fā)光強度發(fā)生變化時，修正系數(shù)是自動計算的。綜合毒性監(jiān)測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）；細菌的發(fā)光量必須大于50000（當發(fā)光量低于此值時，誤差會變大）；控制樣的毒性測試大于等于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)光量對數(shù)值

3.3 毒性實驗

在系統(tǒng)運行初期，選用了幾種毒性物質(zhì)進行毒性敏感度測試，從毒性敏感度試驗結(jié)果可以看出，預警系統(tǒng)所采用的生物綜合毒性檢測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抑制率顯著上升并超過臨界值，顯示毒性指標報警。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警，說明儀器對毒性物質(zhì)反應(yīng)比較敏感。

3.4 相關(guān)分析

對2013年1月～12月水源地pH值、DO、CODMn、氨氮與發(fā)光細菌進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示pH值、DO、CODMn與發(fā)光細菌的發(fā)光量之間無顯著相關(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)光細菌為費歇爾弧菌，有研究表明，pH值在5～9范圍內(nèi)，費歇爾弧菌生長良好，細菌培養(yǎng)9～14h時段其發(fā)光強度達到最佳，菌液能夠在4～5h內(nèi)保持較為穩(wěn)定的發(fā)光強度，且它們的生長曲線沒有顯著差別，所以pH值在5～9是比較理想的生長環(huán)境［3］。IS011348有這樣的要求，即測試前每個樣品的DO要大于3.0mg/L。發(fā)光細菌本身為兼性厭氧的，在有氧和無氧的情況下都能生存，其發(fā)光過程是氧化呼吸鏈上的光呼吸過程，而這種過程必須要有氧分子的參與。在此期間監(jiān)測得到的DO數(shù)據(jù)范圍在3.73～16.38mg/L之間，全部大于3.0mg/L，因此，滿足費歇爾弧菌生長條件［4］。

發(fā)光細菌法在檢測水樣毒性時，水中的某些營養(yǎng)物質(zhì)（NH4C1、NaNO3、NaNO2及 NaH2PO4）會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，使發(fā)光抑制率為負值，即產(chǎn)生促進發(fā)光作用。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于當水樣的毒性較小或者水樣中沒有毒性物質(zhì)吋，水樣中的某些營養(yǎng)物質(zhì)會使發(fā)光細菌的活性增強，發(fā)光性能增加，或者與有毒性物質(zhì)產(chǎn)生了拮抗作用，從而使得樣品對發(fā)光細菌的抑制率為負值［5］。本次分析結(jié)果也證明了氨氮濃度與發(fā)光細菌發(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）呈顯著負相關(guān)，圖3很明顯可以看出氨氮與TOX的負相關(guān)關(guān)系。

圖3 氨氮、TOX趨勢圖

4 結(jié)語

根據(jù)水質(zhì)自動監(jiān)測常規(guī)項目評價結(jié)果得出2013年引灤天津段達到地表水Ⅲ類水質(zhì)標準，符合飲用水要求，綜合生物毒性檢測儀分析結(jié)果也顯示水樣無毒，兩者結(jié)果一致。

pH值、DO、CODMn與發(fā)光細菌的發(fā)光量無顯著相關(guān)關(guān)系，氨氮與發(fā)光細菌呈顯著正相關(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值，說明水源地的毒性效應(yīng)低，處于無毒狀態(tài)；出現(xiàn)負值與水體富營養(yǎng)化程度有關(guān)。天津飲用水源地水質(zhì)近年來各項水質(zhì)指標均達到或優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB/T3838－2002）Ⅲ類水質(zhì)標準，符合飲用水要求，但是營養(yǎng)鹽含量較高，水體富營養(yǎng)化態(tài)勢較為明顯。營養(yǎng)物質(zhì)的存在為發(fā)光細菌的新陳代謝提供了充足的營養(yǎng)素，所以出現(xiàn)生物綜合毒性測試中光抑制率為負值的現(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值比例非常大，占68.2%（圖4），這也從另一個角度反映了天津引灤沿線水體富營養(yǎng)化狀況。

圖4 不同區(qū)間毒性抑制率百分比

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

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

［3］馬 勇，黃 燕，賈玉玲，等.發(fā)光細菌急性毒性測試方法的優(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)光細菌法的水質(zhì)綜合毒性研究［D］.北京：中央民族大學，2012.