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

城市給水系統(tǒng)由水源、水廠、供水管網(wǎng)和二次供水系統(tǒng)組成。原水經(jīng)過水廠后，出廠水水質(zhì)雖然滿足我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006，以下簡稱“國標(biāo)”)，但水中仍然存在微量的營養(yǎng)物質(zhì)、耐氯細菌等。由于給水管網(wǎng)水力條件復(fù)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(xiàn)漏損、管道銹蝕，外源污染也可能進入供水管網(wǎng)。由于水中仍存在一定量的營養(yǎng)物質(zhì)，也存在耐氯細菌，管網(wǎng)管壁會形成生物膜，生物膜由于胞外有機物的結(jié)構(gòu)保護，生物膜內(nèi)的細菌可以繁殖生長，成熟后脫落進入水體，在供水管網(wǎng)中不斷重復(fù)這個過程，城市給水管網(wǎng)成為一個龐大的“反應(yīng)器”[1-3]。因此，水廠出廠水在管網(wǎng)輸送過程中可能發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物反應(yīng)，消毒劑含量隨供水管網(wǎng)輸送距離增加而衰減，再加上管道腐蝕等因素，管網(wǎng)水質(zhì)下降，即水質(zhì)發(fā)生“二次污染”，對龍頭水水質(zhì)保障產(chǎn)生嚴(yán)峻威脅[4-5]。微生物再生長會導(dǎo)致管網(wǎng)腐蝕、水中渾濁度和嗅味等感官指標(biāo)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(tǒng)運行和末端水質(zhì)安全是一個極大的考驗。

二次供水系統(tǒng)是城市給水系統(tǒng)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(tǒng)與末端用戶直接接觸，一旦發(fā)生微生物污染，會對用戶健康產(chǎn)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(zhì)表明均會形成生物膜，長時間的停留會導(dǎo)致龍頭水微生物指標(biāo)較高，故亟需對二次供水系統(tǒng)中的水質(zhì)風(fēng)險進行研究，以期找出針對龍頭水直飲目標(biāo)的水質(zhì)安全保障技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點的設(shè)置

1.1.1 市政供水采樣點

選取在上海某地區(qū)，選擇出廠水、水廠附近、管網(wǎng)中段、管網(wǎng)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(yīng)小區(qū)的供水模式如表1所示。

1.1.2 供水小區(qū)內(nèi)部取樣點

在水廠附近、管網(wǎng)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(qū)，設(shè)置小區(qū)內(nèi)部采樣點。在不同供水模式中，水池+水箱供水小區(qū)與水池+變頻泵供水小區(qū)(企業(yè))占比約為79%，主要對這兩種供水模式小區(qū)進行研究。

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

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

在水池+變頻供水小區(qū)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(nèi)裝管道對供水水質(zhì)的影響。

在水池+水箱供水小區(qū)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(nèi)裝管道對供水水質(zhì)的影響。

1.2 檢測參數(shù)

根據(jù)上海市地標(biāo)要求確定檢測項目，水質(zhì)檢測指標(biāo)包括：常規(guī)指標(biāo)、重金屬、微生物和感官指標(biāo)、消毒副產(chǎn)物指標(biāo)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(zhì)指標(biāo)均參考《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》相關(guān)分析方法。

表2 水質(zhì)檢測指標(biāo)和檢測頻率Tab.2 Water Quality Indices and Detection Frequency

2 結(jié)果與討論

2.1 供水片區(qū)不同供水距離管網(wǎng)采樣點水質(zhì)情況

供水片區(qū)不同供水距離管市政供水采樣點不同季節(jié)水質(zhì)情況如圖2所示。其中，TW為出廠水；1、2、5、6為靠近水廠區(qū)域供水，水齡為8 h以內(nèi)；3、4、7、8為管網(wǎng)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(zhì)指標(biāo)中，除總氯、渾濁度、菌落總數(shù)、HPC這4項指標(biāo)存在較大的波動，其余每月檢測的水質(zhì)指標(biāo)在不同采樣點、不同季節(jié)均達到上海市地標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，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。基于區(qū)域內(nèi)水廠供水范圍，對比靠近水廠、供水管網(wǎng)中段及供水末梢的取樣點，在靠近水廠的市政管網(wǎng)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(shù)低于10 CFU/mL、HPC含量低于100 CFU/mL；在管網(wǎng)末梢采樣點9，渾濁度出現(xiàn)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(shù)(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(wǎng)市政供水采樣點全年水質(zhì)變化Fig.2 Variation of Different Water Quality Indices of Water Distribution System Sampling Sites

對比不同季節(jié)變化，在冬季，總氯平均含量較高，細菌總數(shù)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(wǎng)中衰減較快，細菌總數(shù)和HPC含量為全年最高，因此，針對夏季生物安全風(fēng)險的控制尤為重要。

2.2 不同供水模式小區(qū)內(nèi)部水質(zhì)變化情況

針對水池+變頻供水模式小區(qū)的水質(zhì)變化情況進行研究，水質(zhì)變化情況如圖3所示。

基于近一年的連續(xù)監(jiān)測試驗，結(jié)果表明：在泵房進水經(jīng)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(shù)和HPC小幅上升；在經(jīng)過街坊管道后，在小區(qū)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(shù)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(biāo)的水質(zhì)要求；而在經(jīng)過用戶內(nèi)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(shù)和HPC達到甚至部分超過地標(biāo)要求限制，這主要是內(nèi)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(zhì)細菌超標(biāo)的情況[9-12]。Wang等[8]研究指出，不同管道材質(zhì)和水齡均會對管網(wǎng)生物膜組成產(chǎn)生影響。因此，后續(xù)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(fēng)險。針對水池+水箱供水模式小區(qū)的水質(zhì)變化情況進行研究，水質(zhì)變化情況如圖4所示。

圖3 水池+變頻供水小區(qū)不同供水單元全年水質(zhì)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(qū)不同供水單元全年水質(zhì)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(xù)監(jiān)測試驗，結(jié)果表明：在市政進水進入小區(qū)內(nèi)部管道后，在到達泵房進水渾濁度出現(xiàn)小幅上升，總氯下降，細菌總數(shù)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(jīng)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(dǎo)致總氯進一步衰減，細菌總數(shù)和HPC小幅上升，由于總氯質(zhì)量濃度大于0.6 mg/L，余氯上升不顯著；經(jīng)過街坊管道后，在小區(qū)1樓立管處，渾濁度進一步上升，此時總氯質(zhì)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(shù)和HPC也出現(xiàn)有顯著上升，3樓立管結(jié)果也反映了類似規(guī)律，但3樓相比1樓水質(zhì)數(shù)據(jù)未有明顯上升，表明立管接觸對水質(zhì)影響較?。粚τ?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(jīng)過長時間水箱停留后，余氯進一步衰減，而細菌總數(shù)未體現(xiàn)出細菌含量的顯著上升，但HPC出現(xiàn)較大幅度增加，這可能由于兩種微生物檢測方法培養(yǎng)的時間和溫度不同，適合培養(yǎng)的微生物種類不同，細菌總數(shù)法為富營養(yǎng)培養(yǎng)(營養(yǎng)瓊脂)，培養(yǎng)時間為48 h，而HPC為貧營養(yǎng)培養(yǎng)(R2A培養(yǎng)基)，培養(yǎng)時間為7 d，更接近真實自來水營養(yǎng)物質(zhì)的環(huán)境，導(dǎo)致更多種類自來水中的細菌生長；在經(jīng)過用戶內(nèi)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(shù)和HPC達到甚至少部分超過地標(biāo)要求限制，這主要是內(nèi)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(dǎo)致了末端水質(zhì)細菌超標(biāo)的情況。

2.3 不同小區(qū)生物安全風(fēng)險點及相關(guān)影響因素

基于近一年對9個市政取樣點和其中小區(qū)不同供水單元取樣點的數(shù)據(jù)，對其中微生物指標(biāo)與其他水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性進行分析，分析結(jié)果如表3所示。

表3 水質(zhì)檢測指標(biāo)相關(guān)性分析Tab.3 Correlation Analysis of Different Water Quality Indices

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

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

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

表4 總氯含量與菌落總數(shù)達標(biāo)率Tab.4 Total Chlorine Concentration and Compliance Rate of Total Bacterial Colonies

針對528個樣本數(shù)據(jù)，95.20%樣本細菌總數(shù)達標(biāo)，總氯質(zhì)量濃度需≥0.09 mg/L；97.55%樣本細菌總數(shù)達標(biāo)，總氯質(zhì)量濃度需≥0.15 mg/L；99.07%樣本細菌總數(shù)達標(biāo)，總氯質(zhì)量濃度需≥0.30 mg/L。

結(jié)合2.2小節(jié)針對不同供水模式的水質(zhì)研究可知，對于變頻供水小區(qū)，在泵房水池的停留、街坊管道輸送和立管輸送均會導(dǎo)致余氯的衰減；對于水池+水箱供水小區(qū)，街坊管道、立管、屋頂水箱的停留均會導(dǎo)致余氯較大幅度的衰減。因此，針對小區(qū)內(nèi)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(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，而余氯衰減影響的主要因素包括初始余氯含量、反應(yīng)時間、接觸材質(zhì)、水體本身包含的還原性物質(zhì)含量等。對未來小區(qū)的減少和改造，首先需要確認(rèn)小區(qū)的水質(zhì)風(fēng)險特點，如采用的是水池+水箱供水模式，需考慮優(yōu)化供水水齡，減少反應(yīng)時間；如使用的供水材質(zhì)較為老舊，則需通過涉水材質(zhì)的優(yōu)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(yīng)考慮使用臭氧氧化等工藝對水體中還原性物質(zhì)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(chǎn)物產(chǎn)生，也減少供水系統(tǒng)的生物安全風(fēng)險，保障供水水質(zhì)。

本研究主要針對水中消毒劑含量與微生物指標(biāo)的關(guān)系進行研究，但在給水系統(tǒng)中，管道材質(zhì)、水中營養(yǎng)物質(zhì)(如可同化有機碳、氮、磷等)等均會影響生物安全和生物穩(wěn)定，導(dǎo)致水中微生物指標(biāo)異常，在后續(xù)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(zhì)風(fēng)險識別、龍頭水的水質(zhì)問題，歸根到底是住戶室內(nèi)管道的水質(zhì)保障、二次供水設(shè)施的運行管理和維護、輸配水的水質(zhì)保持、水廠的處理工藝的穩(wěn)定運行、源頭的水質(zhì)保持和污染源控制等重點問題。龍頭水的水質(zhì)穩(wěn)定安全，即為“從龍頭到源頭”的水質(zhì)保障。每一環(huán)節(jié)需要分析該環(huán)節(jié)存在的問題和原因，在解決該環(huán)節(jié)問題的同時，向上一環(huán)節(jié)提出更準(zhǔn)確的水質(zhì)要求，逐級倒逼(龍頭水倒逼管網(wǎng)水水質(zhì)，繼而要求提升出廠水水質(zhì)，進而反推原水水質(zhì)提升，直至水源水質(zhì)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(zhì)的保障。本次研究通過龍頭到源頭的水質(zhì)檢測，明確了研究區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)風(fēng)險點，為后續(xù)的水質(zhì)安全保障提供了方向。

3 結(jié)論

(1)目前，供水片區(qū)的主要水質(zhì)安全風(fēng)險點為生物安全指標(biāo)(細菌總數(shù)和HPC)，微生物指標(biāo)受季節(jié)影響較大，夏季在居民龍頭水處可能存在較大風(fēng)險。

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

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

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