北方某市農(nóng)村飲用水水質(zhì)狀況及分布特征分析

李 潔，李紅巖，于志勇，鄭 蓓

(中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，中國科學(xué)院飲用水科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，北京 100085)

飲用水安全直接影響人們的正常生活，反映社會發(fā)展水平和人民生活質(zhì)量。世界衛(wèi)生組織(WHO)調(diào)查指出，發(fā)展中國家約80%的疾病和飲用水不安全及衛(wèi)生設(shè)施缺乏有關(guān)[1]。根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年我國農(nóng)村常住人口為5.1億[2]，保障農(nóng)村飲用水安全，是維護穩(wěn)定發(fā)展和全面建成小康社會的前提條件。

地下水是我國北方農(nóng)村主要的飲用水水源[3]。當(dāng)?shù)叵滤艿轿廴竞?，由于其自凈能力低，水中的污染物將長期存在。全國31個省、市，5 000多個監(jiān)測井的地下水質(zhì)結(jié)果顯示，華北、東北、華東、西北地區(qū)的地下水質(zhì)較差，影響地下水源水質(zhì)的主要指標(biāo)為總硬度、溶解性總固體(TDS)、鐵、錳、“三氮”，其次為硫酸鹽、氯化物、氟化物等污染物，個別監(jiān)測點重金屬也存在不同程度的超標(biāo)，主要污染物的分布區(qū)域如表1所示[4]。華北平原6 063組地下水樣品污染調(diào)查顯示，重金屬主要以點狀、線狀污染為主，其中砷含量普遍偏高，華北平原淺層、深層地下水中砷的超標(biāo)率分別達12.97%和5.12%[5]。

表1 2013年—2017年全國地下水質(zhì)超標(biāo)項目及分布區(qū)域Tab.1 Major Standard-Exceeding Items of Groundwater Quality and Distribution Area during 2013 to 2017 at Home

我國農(nóng)村飲水工程普遍投入少、規(guī)模小，導(dǎo)致管理維護的難度較大，通常只經(jīng)過簡單消毒且消毒效果不能保證。飲用水中細(xì)菌類、病毒類、寄生原蟲類等病原微生物可引起介水傳染病的發(fā)生和傳播[6]，是威脅農(nóng)村飲水安全的主要風(fēng)險，同時，化學(xué)性污染帶來的長期慢性非傳染性疾病問題也值得關(guān)注。當(dāng)硝酸鹽含量過高時，通過飲用水可對人體的健康造成影響[7]，97%的高鐵血紅蛋白癥流行病學(xué)案例是在硝酸鹽含量超過10 mg/L的情況下發(fā)生的[8]。WHO指出，在低劑量時，氟是人體可能必需的元素，但有潛在毒性，一定濃度的氟化物能有效預(yù)防齲齒，但攝入量大于6 mg/d時，可能對人體骨骼造成不利影響[9]。當(dāng)飲用水中砷的質(zhì)量濃度≥10 μg/L時，飲用水會成為攝入的主要來源。國際化學(xué)品安全規(guī)劃署(IPCS)相關(guān)資料指出，長期暴露于含砷飲用水中會誘發(fā)皮膚、肺、膀胱、腎的癌癥，以及角化過度和色素變化等皮膚病變[8]。

農(nóng)村飲用水帶來的健康問題與所在區(qū)域的地質(zhì)特征、環(huán)境質(zhì)量狀況和社會經(jīng)濟發(fā)展水平有關(guān)，不同地區(qū)需根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展實際情況，探索適宜的農(nóng)村飲用水保障措施，確保農(nóng)村飲用水長期安全穩(wěn)定。北方某直轄市3 920個村中，市政管網(wǎng)延伸和鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水廠供水覆蓋率僅為30%，70%的農(nóng)村地區(qū)主要通過村級供水站供水，供水規(guī)模小且較為分散[10]。為掌握該市農(nóng)村供水存在的典型水質(zhì)問題，本研究開展了13個涉農(nóng)區(qū)縣的飲水水質(zhì)調(diào)查，調(diào)查指標(biāo)包括《水利部關(guān)于進一步強化農(nóng)村飲水工程水質(zhì)凈化消毒和檢測工作的通知》要求的9項常規(guī)指標(biāo)，并結(jié)合該地區(qū)水源水質(zhì)特征及潛在風(fēng)險，增加7項常規(guī)指標(biāo)檢測，為加強農(nóng)村供水監(jiān)管、提升農(nóng)村供水安全保障水平和制定農(nóng)村飲水安全提質(zhì)增效方案提供參考和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 樣本來源

根據(jù)供水規(guī)模，在全市13個涉農(nóng)區(qū)縣選擇代表性供水站，共采集61個村級供水站出水，占全市農(nóng)村供水站總量的2.2%，涉及31.4萬供水人口，占農(nóng)村供水總?cè)丝跀?shù)的8.16%。其中，55個供水站的供水人口小于1萬，6個供水站供水人口大于1萬，各供水站均為地下水源，經(jīng)消毒處理后送到用戶，無其他凈化處理設(shè)施。采樣時間為2019年8月—9月，水樣的采集、保存、質(zhì)量控制依據(jù)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》(GB/T 5750—2006)(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)方法》)實行。

1.2 檢測指標(biāo)

依據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)，本研究共調(diào)查16項指標(biāo)。其中，有總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌、菌落總數(shù)共4項微生物指標(biāo)，色度、渾濁度、臭和味、肉眼可見物、pH、耗氧量、鐵、錳共8項感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)，根據(jù)該城市典型水質(zhì)特征重點關(guān)注了硝酸鹽(以N計)、砷、氟化物共3項毒理指標(biāo)，消毒劑余量根據(jù)消毒方式確認(rèn)。

1.3 檢測方法及評價標(biāo)準(zhǔn)

檢測方法依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)方法》；評價依據(jù)為《標(biāo)準(zhǔn)》，其中菌落總數(shù)、色度、渾濁度、pH、耗氧量、鐵、錳、砷、氟化物、硝酸鹽按照《標(biāo)準(zhǔn)》中表4規(guī)定的限值判定，其他指標(biāo)按照《標(biāo)準(zhǔn)》中表1、表2判定。樣品中有1項指標(biāo)超標(biāo)，即判定為樣品不達標(biāo)。

1.4 健康風(fēng)險評估方法

按照軀體毒物質(zhì)(化學(xué)非致癌物)由飲水途徑所致的健康風(fēng)險計算模型[11]，如式(1)～式(2)。

(1)

Di=IR×Ci÷BW

(2)

Di——化學(xué)非致癌物i經(jīng)由飲水途徑的單位體重日均暴露劑量，mg/(kg·d)；

RfDi——化學(xué)非致癌物i經(jīng)由飲水途徑攝入的參考劑量，mg/(kg·d)，硝酸鹽為1.6 mg/(kg·d)，氟化物為0.06 mg/(kg·d)；

77.3——2019年我國居民人均預(yù)期壽命[12];

IR——每人每日平均飲水量，L/d，成人為1.6 L/d；

Ci——化學(xué)非致癌物i的質(zhì)量濃度，mg/L；

BW——平均體重，kg，成人為60 kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 總體水質(zhì)

本次調(diào)查的61個村級供水樣品中，30個樣品不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，31個樣品檢測指標(biāo)均合格，樣品達標(biāo)率為50.82%。如表2所示,不合格情況主要集中于消毒劑指標(biāo)，不合格率達32%；其次為微生物指標(biāo)，其中，總大腸菌群不合格率為21%，部分樣品也有大腸埃希氏菌、耐熱大腸菌群或菌落總數(shù)檢出；此外，少量樣品的硝酸鹽和氟化物指標(biāo)不合格，不合格率低于5%。結(jié)果表明，消毒問題是影響該市村級供水水質(zhì)達標(biāo)、威脅飲用水安全的首要問題，硝酸鹽、氟化物等水源性污染是影響水質(zhì)、造成健康危害的另一重要因素。

表2 村級供水站的檢測指標(biāo)不合格情況Tab.2 Unqualified Indexes of Drinking Water in Rural Water Supply Stations

2.2 微生物與消毒劑

2.2.1 消毒設(shè)備配置

微生物污染是農(nóng)村供水存在的主要安全風(fēng)險，消毒是去除水中病原微生物最直接有效的途徑[2]，水中微生物污染的處理效果與消毒設(shè)備的有效使用相關(guān)。本次調(diào)查的61個村級供水站消毒設(shè)備的配置和管理情況如表3所示，其中5個供水站未配備消毒設(shè)備，消毒設(shè)備安裝率為92%。采用的消毒方式包括二氧化氯、臭氧、次氯酸鈉、紫外線消毒，二氧化氯為村級供水站的主要消毒方式，安裝24套設(shè)備，占總數(shù)的43%；其次為臭氧，安裝15套設(shè)備，占27%；次氯酸鈉和紫外線消毒設(shè)備分別占18%和12%。

表3 消毒設(shè)備的配置和管理情況Tab.3 Configuration and Management of Disinfection Equipments

已安裝消毒設(shè)備的56個村級供水站中，42個供水站消毒設(shè)備開啟運行，占本次調(diào)查供水站總數(shù)的69%；5個供水站消毒設(shè)備損壞(臭氧和次氯酸鈉)，占8%；9個供水站消毒設(shè)備未開啟(均為臭氧)，占15%。其中，二氧化氯和紫外線消毒設(shè)備正常運行率為100%，次氯酸鈉消毒設(shè)備正常運行率為80%，臭氧消毒設(shè)備僅3套正常運行，正常運行率為20%。

由本次調(diào)查結(jié)果可知，村級供水消毒設(shè)備安裝率低，仍有部分村級供水工程建設(shè)不能達到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求[13]，設(shè)備正常運行率低，特別是大部分臭氧設(shè)備均未啟用，設(shè)備更新維修不及時。整體上，村級供水消毒設(shè)施建設(shè)和運行管理不規(guī)范，對消毒重要性認(rèn)識不足，缺乏運行維護技術(shù)人員，可以考慮配置易于操作的智能化設(shè)備。

2.2.2 對微生物的消毒效果

微生物指標(biāo)合格率反映了飲用水的消毒效果。本次調(diào)查中共42個供水站消毒設(shè)備開啟運行，消毒劑余量和消毒方式對消毒效果的影響情況如表4所示。消毒劑余量合格的樣品中，微生物指標(biāo)合格率為79%，高于消毒劑余量不合格的樣品(64%)。結(jié)果表明，控制消毒劑余量對防止微生物污染有重要作用，消毒的最終目標(biāo)是殺滅已知和未知的病原體[14]，但因為無法對水中的全部微生物進行檢測，只有水廠具備有效的消毒措施，才能消除可能存在的健康威脅，因此，消毒劑余量合格率也具有意義。而消毒劑余量合格樣品的微生物指標(biāo)合格率未達到100%，也說明僅消毒劑余量合格不足以保證滅菌效果。

表4 消毒方式和消毒劑余量對消毒效果的影響Tab.4 Influence of Disinfection Methods and Disinfectant Residual on Disinfection Effectiveness

消毒劑對水中微生物的殺滅效率與消毒設(shè)施的使用、消毒劑的投加量、消毒劑與水接觸時間、管網(wǎng)狀況、管線長短等相關(guān)[8]。因此，消毒劑與水接觸時間達到標(biāo)準(zhǔn)要求，二者混合充分，對保證出廠水消毒效果十分重要，管網(wǎng)水的消毒效果還要考慮管網(wǎng)狀況及持續(xù)消毒能力。農(nóng)村供水由于專業(yè)技術(shù)的欠缺導(dǎo)致在消毒管理方面存在不足，不能有效控制消毒劑投加量和接觸時間，從而不能保證良好的消毒效果。

消毒方式方面，本研究調(diào)查的該市42個運行消毒設(shè)備的供水站中，二氧化氯的消毒效果最好，微生物指標(biāo)合格率為83%，其次為臭氧和次氯酸鈉，采用紫外線消毒的微生物指標(biāo)合格率為57%。臭氧和紫外線由于沒有持續(xù)的消毒能力，細(xì)菌易繁殖，一般用于小水量、處理后即被使用的情況，或者原水生物穩(wěn)定性較好、配水管網(wǎng)無二次污染的情況[15-16]。次氯酸鈉和二氧化氯消毒具有持續(xù)殺菌效果，工藝相對成熟，效果穩(wěn)定可靠，但需要與水至少有30 min的接觸時間?？傮w上，本次調(diào)查的村級供水站中，二氧化氯設(shè)備正常運行率和消毒效果均優(yōu)于其他消毒方式，紫外線消毒設(shè)備正常運行率為100%，但微生物指標(biāo)合格率低，持續(xù)消毒效果最差。

綜上，影響村級供水水質(zhì)達標(biāo)的原因主要是消毒，所調(diào)查村級供水站有8%的站點尚未安裝消毒設(shè)備，安裝率低，而已安裝設(shè)備的正常運行率僅為69%。已運行設(shè)備存在消毒劑投加量控制不當(dāng)、消毒劑與水接觸時間不符合要求等情況，且消毒工藝及設(shè)施不合理也導(dǎo)致消毒效果不能得到保證。不同消毒方式各有其優(yōu)缺點，需要綜合供水規(guī)模、水源水質(zhì)、運行成本、操作方式等情況選擇，并結(jié)合現(xiàn)有農(nóng)村供水站的技術(shù)水平以適用性技術(shù)優(yōu)先考慮，或采用不同消毒方式聯(lián)合使用優(yōu)勢互補，提高供水安全性。

2.3 感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)

本研究調(diào)查的61個村級供水站的感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)檢出情況如表5所示，所有樣品均無色、無味、澄清、未檢出肉眼可見物，pH值在7.05～8.42，耗氧量、鐵、錳含量檢出結(jié)果均符合《標(biāo)準(zhǔn)》要求。由圖1可知，本研究調(diào)查樣品中共有95.1%的樣品中鐵含量低于0.1 mg/L，85.2%的樣品中錳含量低于0.01 mg/L，大部分地區(qū)屬于低鐵、錳區(qū)域，不影響飲用水的可接受性。

表5 感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)檢出情況Tab.5 Detection Results of Sensory Properties and General Chemical Indicators

圖1 重金屬含量分布比例Fig.1 Distribution Ratio of Heavy Metal Content

2.4 毒理指標(biāo)

本研究調(diào)查的61個村級供水站的毒理指標(biāo)檢出情況如表6和圖2所示，所有樣品中砷含量檢出結(jié)果均符合《標(biāo)準(zhǔn)》要求，硝酸鹽和氟化物存在超標(biāo)情況。共有約20%的樣品中硝酸鹽(以N計)含量超過10 mg/L，2個樣品中硝酸鹽含量為24.86 mg/L和21.31 mg/L，超出限值(20 mg/L)，約90%的樣品中氟化物含量低于0.6 mg/L，大部分地區(qū)屬于低氟區(qū)域，有1個樣品的氟化物含量為1.31 mg/L，超出限值(1.2 mg/L)。

圖2 毒理指標(biāo)含量分布比例Fig.2 Distribution Ratio of Toxicology Index

表6 毒理指標(biāo)檢出情況Tab.6 Detection Results of Toxicology Index

本次調(diào)查的村級供水站水源均為地下水，其硝酸鹽和氟化物檢出情況與該地區(qū)地下水質(zhì)相關(guān)，WHO指出，硝酸鹽含量超過10 mg/L的地區(qū)，飲用水不建議用于奶瓶喂養(yǎng)嬰兒[8]。而大部分低氟地區(qū)應(yīng)關(guān)注兒童齲齒情況，高氟地區(qū)應(yīng)關(guān)注人群氟斑牙情況[17]，硝酸鹽或氟化物已超標(biāo)地點應(yīng)在市政管網(wǎng)覆蓋時優(yōu)先考慮或更換水源，也可采取電滲析等工藝改造以保障用水安全。

硝酸鹽和氟化物空間分布及健康風(fēng)險如表7所示，硝酸鹽分布存在一定的地域性，城區(qū)含量偏低，健康風(fēng)險最??；近郊區(qū)存在較高含量的點位，健康風(fēng)險中等；遠郊區(qū)含量偏高，40%的樣品中硝酸鹽含量超過10 mg/L，且部分點位超標(biāo)，超標(biāo)點的健康風(fēng)險為0.54×10-8a-1，因此，不建議用于奶瓶喂養(yǎng)嬰兒。氟化物地域差異不明顯，大部分地區(qū)屬于低氟區(qū)域，應(yīng)關(guān)注該地區(qū)兒童齲齒的情況，近郊區(qū)存在個別超標(biāo)點位，健康風(fēng)險達0.75×10-8a-1，應(yīng)關(guān)注該地區(qū)人群氟斑牙的情況。超標(biāo)點硝酸鹽和氟化物健康風(fēng)險均接近荷蘭建設(shè)和環(huán)境署推薦的可忽略風(fēng)險水平(1×10-8a-1)[19]，應(yīng)注意飲用水中各有毒物質(zhì)累加的總體風(fēng)險。

表7 硝酸鹽和氟化物空間分布及健康風(fēng)險Tab.7 Distribution and Health Risk of Nitrate and Fluoride

3 結(jié)論

本研究調(diào)查的61個村級供水站樣品達標(biāo)率為50.82%。不合格情況出現(xiàn)在消毒劑、微生物、硝酸鹽、氟化物，其中，消毒劑和微生物指標(biāo)合格率明顯低于其他指標(biāo)。二氧化氯為主要消毒方式的消毒設(shè)施占設(shè)備總數(shù)的43%，其消毒效果最好。

有效消毒是影響村級供水水質(zhì)達標(biāo)的首要問題，本次調(diào)查存在的主要問題如下：(1)消毒設(shè)備安裝率低；(2)消毒工藝及設(shè)施不合理；(3)運行管理不規(guī)范。水源性問題是影響水質(zhì)、造成健康危害的另一重要因素，本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地區(qū)重點關(guān)注的指標(biāo)是硝酸鹽和氟化物，同時應(yīng)注意飲用水中各有毒物質(zhì)累加的總體風(fēng)險。

通過本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，消毒管理和水源管理是村級供水的短板和難點。為提高農(nóng)村供水保障水平，全面完成農(nóng)村飲水安全鞏固提升任務(wù)，應(yīng)針對性地采取措施。

(1)完善農(nóng)村基礎(chǔ)供水設(shè)施的建設(shè)。一方面，結(jié)合農(nóng)村實際情況，配置適宜的消毒技術(shù)，并保證100%的消毒設(shè)備安裝率，可以考慮配置易于操作的智能化設(shè)備。次氯酸鈉和二氧化氯消毒工藝相對成熟，適用于大部分農(nóng)村供水站，但需注意控制投加量和接觸時間，而臭氧和紫外線消毒運行管理相對簡單，對于水量小或原水生物穩(wěn)定性較好、配水管網(wǎng)無二次污染的供水站可考慮采用，此外，聯(lián)合消毒如紫外聯(lián)合氯消毒工藝也是未來飲水處理中一種工藝選擇[14]。另一方面，建設(shè)可靠飲用水源，保持水源井內(nèi)外良好的衛(wèi)生環(huán)境，保護水源水質(zhì)，防止污染。實施原水統(tǒng)籌和高效配置，有條件的建設(shè)應(yīng)急和備用水源，增強水源的保障能力，并充分掌握水源水質(zhì)情況，對水質(zhì)不合格的應(yīng)優(yōu)先考慮水源切換，無可更換的水源時應(yīng)根據(jù)水質(zhì)特點選擇相應(yīng)的凈水工藝及易于操作的成套設(shè)備，如采用電滲析工藝去除硝酸鹽、膜分離工藝去除氟化物等。

(2)農(nóng)村供水由于技術(shù)不夠、管理不善等因素，不能使供水設(shè)施充分發(fā)揮效用，因此，不僅需要完善供水工程的建設(shè)，還需加強運營和管理。需配置運行維護技術(shù)人員或引進專業(yè)機構(gòu)提供技術(shù)支撐，保證消毒設(shè)備正常運行率和消毒劑合格率達100%，提高供水安全性，并加強日常監(jiān)測，特別是微生物指標(biāo)，及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)健康風(fēng)險，避免出現(xiàn)微生物污染引起的急性疾病的感染和傳播。

(3)落實農(nóng)村供水主管部門的監(jiān)管責(zé)任。隨著城鄉(xiāng)一體化的深入，統(tǒng)籌布局農(nóng)村供水設(shè)施建設(shè)，采用城市供水管網(wǎng)延伸、聯(lián)結(jié)主干供水管線、整合農(nóng)村供水管網(wǎng)、提質(zhì)農(nóng)村供水工程等方式，將分散獨立的供水模式轉(zhuǎn)變?yōu)榧新?lián)網(wǎng)的供水模式，改善農(nóng)村供水狀況[19]。充分發(fā)揮市場機制的積極作用，健全以政府為主導(dǎo)、供水行政主管部門監(jiān)管、引進具有專業(yè)資質(zhì)的企業(yè)參與建設(shè)運營和管理的農(nóng)村供水安全長效管理機制，按照專業(yè)化管理、企業(yè)化運營、市場化運作的要求，探索多元化管理模式，如整合重組模式、分級管理模式、PPP模式[20]，推進農(nóng)村供水規(guī)?；l(fā)展，提高供水保障能力和管理水平，實現(xiàn)農(nóng)村供水可持續(xù)運行。