夏季暴雨引發(fā)的城市供水水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)及防治對(duì)策

張繼成，邱曉鵬，鄭 楊，李顯鵬，鄭 興

(1.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710065；2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048；3.西安理工大學(xué) 陜西省水資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048)

近年來(lái)，我國(guó)夏季暴雨事件頻繁發(fā)生，特別是我國(guó)西北和東南地區(qū)夏季極端降雨事件顯著增多[1]。夏季暴雨發(fā)生頻率增加是自然和人為因素綜合作用的結(jié)果，其中全球變暖和大氣中氣溶膠的人為增加被認(rèn)為是影響極端降水變化的主要因素[2]。暴雨事件引發(fā)洪水、滑坡、泥石流并污染飲用水水源，給社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失。隨著我國(guó)越來(lái)越多的地區(qū)將地下水源改為地表水源，暴雨引發(fā)的水源水質(zhì)污染和水廠出廠水質(zhì)惡化越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

由于暴雨徑流有較強(qiáng)的沖刷作用，可攜帶流域內(nèi)大量污染物進(jìn)入飲用水水源。這些污染物包括懸浮顆粒、溶解性有機(jī)物、微生物(如細(xì)菌、病毒和原生動(dòng)物)等[3]。污染物的大量匯入會(huì)顯著惡化給水廠原水水質(zhì)，當(dāng)大幅超出給水處理工藝設(shè)定范圍或應(yīng)對(duì)處置不當(dāng)，會(huì)造成水廠出水水質(zhì)超標(biāo)，從而可能引發(fā)公共衛(wèi)生事件。同時(shí)，夏季暴雨事件還可能造成城市內(nèi)澇，雨水積水會(huì)淹沒(méi)化糞池、下水道，所帶來(lái)的大量動(dòng)植物尸體會(huì)發(fā)生腐敗，造成蚊蠅滋生，引起病菌大量繁殖，增加城市供水水質(zhì)的污染風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，暴雨洪水引發(fā)的城市供水水質(zhì)污染事件頻現(xiàn)媒體，因此，有必要明確暴雨洪水引發(fā)的城市供水水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)，并提出相應(yīng)的污染防治措施，以保障城市飲用水供水安全。

1 水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)解析

1.1 濁度污染

夏季暴雨造成水源水濁度驟升，這是城市供水水質(zhì)惡化的重要原因。遼寧省撫順市大伙房水庫(kù)因2013年8月中旬的強(qiáng)降雨導(dǎo)致其原水濁度由4.87NTU急劇升高至984NTU[4]；我國(guó)東南沿海某水庫(kù)受臺(tái)風(fēng)暴雨影響，水庫(kù)沉積物上翻，導(dǎo)致原水濁度大于100NTU持續(xù)了半年之久[5]；重慶地區(qū)嘉陵江水在暴雨期原水濁度高達(dá)上千，濁度升高源于沖刷淤泥(粒徑較細(xì)且不易發(fā)生沉降)[6]。暴雨事件導(dǎo)致水源水濁度上升的原因主要包括：①由于土地管理不當(dāng)，水源地上游流域水土保持不到位，地表土壤易被暴雨徑流嚴(yán)重侵蝕，使得入庫(kù)徑流濁度驟升；②山體滑坡造成大量泥沙進(jìn)入地表水體，導(dǎo)致水源水含沙量增加；③暴雨徑流的沖刷作用會(huì)使得水庫(kù)庫(kù)底沉積物懸浮，從而使得水廠原水濁度增加[7]。

濁度作為《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)中感官性狀的核心指標(biāo)之一，主要表征水中細(xì)微顆粒物的含量，可從側(cè)面反映其中的灰塵、微生物、膠體類物質(zhì)的綜合含量，水廠出水域值為1NTU。當(dāng)原水濁度升高時(shí)，傳統(tǒng)的混凝-絮凝-沉淀工藝用藥量(如混凝劑、絮凝劑)會(huì)劇增；后續(xù)的濾池因超負(fù)荷過(guò)濾大幅增加的絮體，只能通過(guò)增加反沖洗頻率等手段保證出水水質(zhì)，這樣將導(dǎo)致水廠的運(yùn)行費(fèi)用增加，并消耗更多的自來(lái)水作為反沖洗廢水；此外，因?yàn)樵畱腋∥锏脑龆嗪陀盟幜康脑黾?，給水廠將產(chǎn)生更多的污泥[3]，其處置費(fèi)用會(huì)進(jìn)一步抬高水廠運(yùn)行成本。極端情況下，若原水濁度驟升，超過(guò)水廠工藝設(shè)計(jì)的處理能力，將導(dǎo)致水廠出水水質(zhì)濁度無(wú)法達(dá)標(biāo)，造成水廠處理能力降低甚至停止供水。

1.2 有機(jī)物污染

夏季暴雨徑流會(huì)直接影響飲用水水源地上游流域內(nèi)的水文條件，劇烈增加陸生與水生系統(tǒng)間的物質(zhì)輸移，進(jìn)而改變地表水體中溶解性天然有機(jī)物(NOM)的“量和質(zhì)”。這里，天然有機(jī)物指的是動(dòng)植物本身的分解或代謝產(chǎn)物，主要包括腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)等有機(jī)分子。夏季暴雨事件一般會(huì)增加地表水體中天然有機(jī)物的含量：馬夢(mèng)嬌等[8]研究發(fā)現(xiàn)，灃河受沖刷效應(yīng)影響，溶解性有機(jī)碳(DOC)含量隨著洪水流量的增加而增加；韓國(guó)漢江在夏季強(qiáng)降雨期間，DOC的濃度從1.4 mg/L上升至6 mg/L[9]；La Tordera河在干旱期和汛期的DOC分別為2.6 ± 1.7 mg/L和8.6 ± 2 mg/L[10]。

與美國(guó)、加拿大、韓國(guó)等地的報(bào)道情況類似，我國(guó)許多地表水體在夏季強(qiáng)降雨之后都會(huì)有明顯的陸源有機(jī)物匯入，從而改變水體有機(jī)物組成[8,9]。水源地上游流域的土地利用情況，是影響暴雨徑流有機(jī)物濃度和組成的重要因素。類腐殖質(zhì)物質(zhì)的比例與天然林地和農(nóng)業(yè)用地有關(guān)，而類蛋白質(zhì)類物質(zhì)的比例與種植林地有關(guān)[11]。Shin等[9]對(duì)比研究了韓國(guó)南部5大河流在夏季降雨后河流中有機(jī)物的組成變化，結(jié)果表明，受夏季強(qiáng)降雨的影響，地表水體中溶解性有機(jī)物(DOM)的陸源有機(jī)物的貢獻(xiàn)增加，五大河流在夏季強(qiáng)降雨期間，類腐殖質(zhì)和類富里酸物質(zhì)所占比例均有所增加；我國(guó)西安灃河在洪水期有機(jī)物類型也變?yōu)橐灶惛焕锼嵛镔|(zhì)為主[8]。此外，暴雨徑流還可能在短時(shí)間內(nèi)增加地表水體有機(jī)物的可生物降解性，因?yàn)楸┯陱搅骺s短了地表水體有機(jī)物與河床生物群的接觸時(shí)間[12]。

暴雨徑流導(dǎo)致的水廠原水有機(jī)物含量增加、組分改變以及可生物降解性的提高，都是影響供水安全不可忽視的問(wèn)題。水源水中的有機(jī)物會(huì)影響飲用水的顏色和嗅味，增加混凝劑的投加量，增加水廠污泥體積，同時(shí)也是造成膜污染的主要因素[13]。值得注意的是，天然有機(jī)物是水廠消毒副產(chǎn)物(如三鹵甲烷、鹵乙酸等)的重要前驅(qū)物，有機(jī)物含量的增加會(huì)導(dǎo)致消毒工藝的需氯量增加，并且容易生成更多的消毒副產(chǎn)物(DBPs)，這些DBPs已被證明具有細(xì)胞毒性、基因毒性和致誘變屬性等[14]。暴雨徑流可能會(huì)使得原水中腐殖質(zhì)類物質(zhì)增多，該類物質(zhì)疏水性較強(qiáng)、分子量高，與氯有較強(qiáng)的反應(yīng)活性。已有研究表明，腐殖質(zhì)類物質(zhì)在消毒過(guò)程中可以生成有毒的芳香族DBPs，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的氯化/氯胺處理后，可以分解為脂肪族DBPs[15]。有機(jī)物可生物降解性的提高，會(huì)促進(jìn)水廠和輸配水管道中微生物的生長(zhǎng)，誘發(fā)飲用水的微生物污染。

1.3 微生物污染

氣候變化導(dǎo)致的極端降雨事件可能會(huì)增加水源水和水廠中的微生物污染，增加水傳播疾病的發(fā)病率。由于水中的致病微生物(細(xì)菌、真菌、病毒、原生動(dòng)物等)多種多樣，飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)一般采用總大腸菌群數(shù)、大腸埃希氏菌群數(shù)等作為微生物污染指標(biāo)，因?yàn)樗鼈兺ǔ４罅看嬖谟谌祟惡推渌麆?dòng)物的糞便中，并容易被檢測(cè)和量化。大量研究表明，暴雨徑流會(huì)增加水廠原水的微生物污染。如夏季臺(tái)風(fēng)暴雨導(dǎo)致寧波市某給水廠原水濁度由2 NTU左右上升至165 NTU，總大腸菌群數(shù)高達(dá)50 CFU/mL[16](國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為3 CFU/mL)；秦國(guó)帥等[17]研究表明，暴雨洪水造成碧流河水庫(kù)高錳酸鹽指數(shù)、大腸菌群數(shù)明顯上升；McKergow等[18]研究了新西蘭莫圖伊卡流域強(qiáng)降雨和大腸埃希氏菌群數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)大腸埃希氏菌群數(shù)在強(qiáng)降雨期間顯著提高，其峰值總是先于徑流和濁度峰值。此外，隱孢子蟲(chóng)和賈第鞭毛蟲(chóng)(簡(jiǎn)稱“兩蟲(chóng)”)與氣候和強(qiáng)降雨也有密切聯(lián)系，Xiao等[19]研究發(fā)現(xiàn)，三峽水庫(kù)洪汛期的隱孢子蟲(chóng)陽(yáng)性率明顯高于蓄洪期。

水廠的傳統(tǒng)消毒工藝可以對(duì)絕大部分微生物進(jìn)行有效滅活[20]，經(jīng)嚴(yán)格消毒處理后的出廠水能達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)對(duì)人體健康造成危害。但是，暴雨期間城市居民飲水仍需注意衛(wèi)生安全，不喝生水。因?yàn)楸┯晔录菀滓l(fā)城市內(nèi)澇，受微生物污染的雨水有可能會(huì)進(jìn)入配水管道，當(dāng)管道末梢等位置余氯量不足時(shí)，用水終端的水質(zhì)就可能遭到微生物污染。

2 水質(zhì)污染防治對(duì)策

綜上可知，夏季暴雨事件可能會(huì)使城市水源水質(zhì)急劇惡化，對(duì)公眾的飲水安全和健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。采取相應(yīng)的水源地污染防治和水廠工藝改進(jìn)措施，對(duì)于提高城市供水安全具有重大意義。

加強(qiáng)水源地管理，保證水廠原水水質(zhì)：①加強(qiáng)水源地上游流域的土地管理和水土保持工作，減少暴雨徑流對(duì)土地的侵蝕；②在水源地建立濁度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立水文-水質(zhì)耦合模型，預(yù)測(cè)地表水水源地濁度以及濁度流的時(shí)空分布，采取適當(dāng)?shù)乃畮?kù)運(yùn)行方案降低庫(kù)區(qū)濁度[21]；③根據(jù)暴雨期間水庫(kù)濁度流的空間位置，采取水庫(kù)分層取水等方式避開(kāi)濁度流，控制水廠進(jìn)水濁度。

改進(jìn)水廠工藝，適應(yīng)暴雨引發(fā)的原水水質(zhì)突變：①結(jié)合歷史資料調(diào)研暴雨徑流造成的原水水質(zhì)污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，確定需要控制的主要目標(biāo)污染物；②針對(duì)主要目標(biāo)污染物，建立給水廠水質(zhì)突變應(yīng)急預(yù)案，其中調(diào)整藥劑種類、投加量、投加位置是較為經(jīng)濟(jì)、可行的方式；③建立健全水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括原水和水廠出水的濁度、溶解性有機(jī)碳、消毒副產(chǎn)物、微生物指標(biāo)等，并在暴雨期間加大監(jiān)測(cè)頻率；④針對(duì)暴雨期間原水水質(zhì)驟變的工況，進(jìn)行相應(yīng)的水廠工藝改進(jìn)。

2.1 濁度污染控制

在常規(guī)水處理中，濁度的去除是通過(guò)混凝-絮凝-沉淀-過(guò)濾來(lái)完成，其中氯化鐵和明礬(十二水合硫酸鋁鉀)是常用的混凝劑。傳統(tǒng)處理工藝對(duì)低濁度原水有很好的處理效果，但當(dāng)水中濁度較高時(shí)，顆粒間的靜電排斥作用增強(qiáng)，混凝效率降低，導(dǎo)致水廠出水水質(zhì)惡化。

強(qiáng)化混凝是常用的可有效應(yīng)對(duì)高濁度原水工況的工程措施。Annadurai等[22]通過(guò)響應(yīng)曲面法對(duì)不同pH、濁度、堿度和腐殖質(zhì)條件下聚合氯化鋁的投加量進(jìn)行了優(yōu)化，研究表明在中性條件下，聚合氯化鋁可同時(shí)高效去除濁度和腐殖質(zhì)。但是，當(dāng)原水濁度超過(guò)160 NTU時(shí)，單獨(dú)采用提高聚合氯化鋁投加量的方式不能滿足出水水質(zhì)要求。此外，大量投加混凝劑還需要考慮化學(xué)藥劑對(duì)人體健康的危害風(fēng)險(xiǎn)。撫順市某水廠在沉淀池后采用二次絮凝+超濾代替原有濾池，可將水廠出水濁度由165 NTU降至0.2 NTU以下，細(xì)菌總數(shù)由2 400 CFU/mL降至0 CFU/mL，估算運(yùn)行成本增加0.51元/m3[4]。

由1.1節(jié)可知，暴雨徑流造成的濁度污染，在短期內(nèi)可達(dá)上千NTU。此時(shí)，水廠需要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)處理工藝和深度處理工藝來(lái)應(yīng)對(duì)高濁水。如采用卵石濾池作為預(yù)處理工藝，可以在不添加任何化學(xué)藥劑的情況下去除原水約50%的濁度(1 800 NTU)和35%～47%的TOC(5～14.5 mg/L)[3]；Lin等[23]采用混凝+納濾/反滲透工藝對(duì)臺(tái)灣南華水庫(kù)原水進(jìn)行處理，研究表明，該工藝對(duì)濁度高達(dá)14 120 NTU的原水也有良好的處理效果。

此外，還可以考慮在水源水庫(kù)采用無(wú)毒的、可生物降解的混凝劑(如殼聚糖等)進(jìn)行濁度原位去除。Wang等[24]以臺(tái)灣澄清湖水庫(kù)原水、高嶺土和渥太華標(biāo)準(zhǔn)砂為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)0.2 mg/L殼聚糖混凝劑可以使水庫(kù)原水濁度從50 000 NTU降至25 NTU。

2.2 有機(jī)物污染控制

夏季暴雨徑流造成的有機(jī)物污染以腐殖質(zhì)類物質(zhì)為主。給水廠可通過(guò)混凝絮凝、膜過(guò)濾、高級(jí)氧化和吸附等工藝去除水中腐殖質(zhì)。其中，吸附法運(yùn)行方便且對(duì)低濃度的腐殖質(zhì)有較好的去除效果[25]，是水廠去除有機(jī)質(zhì)的常用工藝。楊海燕等[26]對(duì)比了6種活性炭對(duì)東江水中有機(jī)物的去除能力，其對(duì)兩種類腐殖質(zhì)熒光組分的去除率分別為46.2%～88.9%和69.5%～89.1%；馮令艷等[27]考察了中試試驗(yàn)條件下砂濾/活性炭濾池對(duì)腐殖質(zhì)的吸附效果，研究發(fā)現(xiàn)，活性炭濾池對(duì)分子量為1～3kDa的有機(jī)物去除率高達(dá)50%以上。然而，吸附法去除有機(jī)物也存在一定的缺陷，如活性炭的制造和處理成本較高、每隔一段時(shí)間需要再生等。

混凝是常規(guī)工藝中的一個(gè)必要環(huán)節(jié)，可采用強(qiáng)化混凝的方式提高腐殖質(zhì)類有機(jī)物的去除效率。Sudoh等[28]以聚合氯化鋁為混凝劑，碳酸鈣為助凝劑和堿性中和劑，可將Sebangau河原水中的有機(jī)物去除86.5%；Rezaee等[29]采用氯化鐵作為混凝劑，對(duì)薩南達(dá)季給水處理廠原水進(jìn)行強(qiáng)化混凝，其溶解性有機(jī)碳、UV254、COD和濁度的去除率分別可達(dá)62%、70%、69%和93%。

2.3 微生物污染控制

在傳統(tǒng)給水處理工藝中，消毒工藝能有效滅活“兩蟲(chóng)”、細(xì)菌、真菌、病毒等，保證飲用水的衛(wèi)生安全。受夏季暴雨徑流的影響，水廠原水的有機(jī)物和致病微生物含量可能會(huì)驟升，此時(shí)，可通過(guò)加大消毒劑投藥量的方式來(lái)控制微生物安全風(fēng)險(xiǎn)。已有研究表明，氯消毒可有效滅活致病微生物，同時(shí)需保證水廠出水游離氯濃度，以控制管網(wǎng)微生物二次污染[30]。然而，過(guò)量投加氯消毒劑需要注意水廠消毒副產(chǎn)物及出水pH問(wèn)題，后者可能會(huì)引發(fā)城市配水管網(wǎng)的“黃水”問(wèn)題。

采用聯(lián)合消毒工藝可以在保證致病微生物滅活效果的前提下，降低氯消毒劑的投加量。黃慧婷等[31]采用流式細(xì)胞法評(píng)價(jià)了紫外/氯消毒工藝的滅菌效能，結(jié)果表明，紫外、氯消毒聯(lián)用可在少量余氯的條件下保證水中微生物的滅活效果。

采用膜處理工藝可以更好地改善水質(zhì)，特別是應(yīng)對(duì)微生物污染。微濾(MF)膜的孔徑尺寸為0.1～1.0 μm，超濾(UF)膜的孔徑尺寸為2～50 nm，而納濾(NF)膜為1～2 nm。超濾工藝作為我國(guó)給水廠第三代核心處理工藝，可以有效控制隱孢子蟲(chóng)(4～6 μm)、賈第鞭毛蟲(chóng)(>10 μm)和細(xì)菌(0.5 μm)污染，而納濾膜可以將病毒(1 nm)及其他致病微生物從水中完全去除。Braun等[32]研究表明，相較于傳統(tǒng)混凝、磁性離子交換混凝和顆?；钚蕴课?，微濾+納濾出水的DOC和細(xì)菌總數(shù)最低，但是運(yùn)行費(fèi)用是必須要考慮的問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

夏季極端降雨事件可能造成水廠原水濁度驟升、溶解性有機(jī)物的濃度升高、有機(jī)物組成改變、致病微生物增多等。根據(jù)暴雨期間城市水源水質(zhì)污染源的解析，因地制宜地采取相應(yīng)的水源地管理措施；針對(duì)原水水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)和特征，建立水廠應(yīng)急預(yù)案，必要時(shí)改進(jìn)水廠處理工藝。通過(guò)采取上述措施，保障暴雨期間城市供水水質(zhì)安全。