随着《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 的实施, 我国饮用水水质不断提高, 但仍不能确保龙头水水质达到直接生饮水平。目前大多数民众在使用龙头水时仍保留“煮沸”的习惯, 少数居民则在终端加装净水器等处理设施或直接选择购买桶装水。“煮沸”消毒造成了大量能源和资源的浪费。而在美国等发达国家, 在水质保障技术领域拥有更完善的理论基础和更多的实践经验, 其居民龙头出水达到直接生饮水平。目前限制我国龙头水直接生饮的最大因素为微生物问题。相比之下, 美国在饮水微生物标准方面更加严格和完善, 并建立了以滤后水浊度为净水工艺对微生物去除效果的日常评价指标、以CT值为微生物灭活 (消毒) 效果的判定依据、以管网内消毒剂余量为管网生物稳定性衡量标准的饮水微生物风险控制体系, 还建立了完善的饮水微生物超标时的整套应对措施。本文通过对比中美两国水质微生物标准, 结合美国龙头水微生物指标控制方面的法规和实践, 深究其在地表水水源龙头水水质安全保障领域的优势, 探求在我国的实现途径, 以推进我国龙头水直饮进程。

中国《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 中水质指标共有106项, 包括微生物指标6项^[1], 从数量上看, 这和美国联邦环保局 (EPA) 饮用水水质标准类似 (共102项, 包括微生物指标8项) 。

表1为中美饮用水微生物指标及相关消毒标准对比。由表1可见, 中国几个微生物指标均为限值, 例如, 贾第鞭毛虫和隐孢子虫在饮用水中的浓度都需<1个/10L。而美国的微生物指标大多为处理技术 (treatment techniques, TT) 指标, 即通过处理技术上的要求来保证微生物安全。例如, 对于贾第鞭毛虫, 美国联邦环保局规定其在净水工艺中的总去除率需大于3log (即99.9%) 。而对于隐孢子虫, 需根据水源水中的隐孢子虫浓度, 提出去除率要求。例如, 当水源水中的隐孢子虫浓度为0.75～10个/10L (第2类) 时, 要求净水工艺的总去除率大于4log, 即出厂水中隐孢子虫浓度值不得超过0.001个/10L。浊度方面, 我国要求将龙头水浊度控制在1NTU以下, 而在美国, 为了确保微生物去除效率, 要求滤后水所有检测值低于1NTU, 且每个月内95%以上的浊度检测值需低于0.3NTU。我国对病毒的去除没有要求, 但美国要求净水工艺对病毒的去除率大于4log (即99.99%) 。由此可知, 在浊度、“两虫”和病毒等微生物指标上, 美国联邦标准更为严苛。

我国规定龙头水中不得检出总大肠杆菌及耐热大肠杆菌 (也即粪大肠杆菌) 和埃希氏大肠杆菌。在美国, 可以允许龙头水中检出总大肠杆菌。这是由于总大肠杆菌被检出, 并不意味着水中含有致病微生物。但美国联邦标准要求每个月内总大肠杆菌的检测阳性率需小于5%。同时要求, 当总大肠杆菌检测的阳性检测率大于等于5%时, 需再次取样检测, 若粪大肠杆菌检测为阳性, 则表示水质不达标;在两项大肠杆菌指标上, 美国联邦标准看似较为宽松, 但却是以控制致病微生物风险为前提。

饮用水微生物风险的控制需体现在净水工艺、水厂消毒、管网消毒剂余量维持等全过程。微生物既需要通过混凝/沉淀/过滤等物理方式去除, 也需要通过化学氧化和消毒等化学方式进行灭活, 这也正是多级屏障理念 (multi-barrier concept) 的体现。此外还需维持管网消毒剂余量以提高管网水的生物稳定性和降低由于倒流 (backflow) 造成的微生物风险。

在美国饮用水标准中, 浊度被列为微生物指标。在很大程度上浊度是“两虫”、耐热大肠杆菌和病毒等致病微生物的替代性指标。这是由于造成浊度的颗粒物在一定程度能代表水中微生物的多寡。此外, 水的浊度还影响消毒效果:在相同条件下, 浊度越低, 消毒效果越好。更为重要的是, 由于微生物 (特别是“两虫”) 检测的复杂性, 误差大、时效性差, 难以及时准确地表征净水工艺对微生物的去除效果。以浊度作为微生物替代指标, 具有检测方法简单、快速、准确等优点, 可方便监测净水工艺对微生物的去除效果、对工艺运行进行诊断并对工艺运行参数进行及时调整。

美国要求地表水厂需对每一格滤池的浊度进行连续监测 (定义为检测频次不低于1次/15 min) 。全部滤格滤后水混合水的检测频率则不应低于1次/4h。标准中规定的1NTU和0.3NTU对应的是滤后水混合水;95%达标率对应的采样周期为1个月。在此种控制模式下, 必须将不能满足标准的初滤水排出系统。一方面保证了较高的供水水质, 减少了初滤水对清水池的污染;另一方面, 运行人员根据混凝、沉淀、过滤 (特别是单个滤池) 等各工段出水浊度, 判断该工段运行效果, 及时调整运行参数, 使每个工段保持高效率运行。

在仅利用“混凝-沉淀-过滤”常规处理工艺的情况下, 美国相当部分水厂出水浊度可降至0.1NTU以下, 甚至可控制在0.05NTU以下, 大幅度降低了饮水的微生物学风险。究其原因, 除美国联邦标准浊度指标较为严苛以外, 其更重视对常规工艺的研究和优化, 做到机理探索、模型构建、工程设计以及实际应用的统一, 通过工艺研究与运行控制的结合, 不断优化工段参数、设备, 深挖常规工艺处理潜力。混凝工段对整体运行效果影响最大, 美国水厂通常采用高效搅拌设备, 进行混凝和絮凝。在沉淀工段, 美国水厂对沉后水要求严格, 其更倾向采用斜管斜板沉淀, 通过对“浅池理论”的成功运用, 降低了出水浊度。监测数据表明, 美国沉淀后出水浊度基本可降至0.5NTU以下。

在过滤工段, 美国对滤池效率的优化与提升颇为重视。在运行措施上, 一般将反冲洗后初滤水排放, 以减少初滤水对清水池的污染;在选择滤料时, 普遍采用煤砂双层滤料滤池和较低滤速, 一方面通过滤料粒径的配比延长了过滤周期 (可达3～4d) , 另一方面, 由于较低的进水浊度, 其滤池出水浊度大部分可降至0.1NTU甚至0.05NTU以下。

美国联邦环保局认为, 当滤后水浊度满足浊度标准时, 若净水工艺为“混凝-沉淀-过滤”常规工艺, 即可确保2.5log的贾第鞭毛虫去除率、2.0log的病毒去除率和3log的隐孢子虫去除率;若净水工艺为“混凝-过滤”直接过滤工艺, 即可确保2.0log的贾第鞭毛虫去除率、1.0log的病毒去除率和2.5log的隐孢子虫去除率。这些数值即为美国环保局对净水工艺给定的去除率信用值 (credit) 。

消毒是地表水处理必不可少的工艺单元。地表水净水工艺的微生物去除率信用值与美国环保局饮用水水质标准对隐孢子虫、贾第鞭毛虫和病毒等微生物的去除率要求 (见表1) 之间尚存在差距。这些去除率的差距需通过水厂消毒工艺单元完成。消毒效率与微生物种类、消毒剂类型和有效浓度、有效接触时间、水温及pH等因素密切相关, 其中消毒剂有效浓度与有效接触时间的乘积为CT值。消毒剂有效浓度通常是指清水池出水中的消毒剂余量, 而有效接触时间 (contact time) 则为水从消毒剂投加点到清水池出口的流经时间。由于包括清水池在内的绝大多数消毒反应器都不是理想的推流式 (plugflow) 反应器, 有效接触时间因此要短于水力停留时间 (HRT) 。有效接触时间可以通过示踪试验 (tracer study) 测定获得。在美国, 为了确保消毒对微生物的灭活效果, 通常以t₁₀代替有效接触时间。在示踪试验中, t₁₀是指10%的示踪剂流出消毒反应器时的时间。通过试验研究, 美国给出了采用游离氯、氯氨、二氧化氯和臭氧等消毒剂时, 不同水温和pH条件下, 达到一定微生物灭活率要求所需的CT值。以贾第鞭毛虫的游离氯消毒为例, 若需达到0.5log的灭活率, 在水温为5℃、pH=7.5的条件下, 所需最低CT值为28 (mg/L) ·min;若采用氯氨消毒, 所需最低CT值则为365 (mg/L) ·min。若消毒剂余量均为1mg/L, 可知采用游离氯和氯氨消毒时所需的有效接触时间应分别大于28 min和365min。通常而言, 在相同条件下, 采用臭氧消毒所需的CT值最小, 游离氯和二氧化氯居中, 氯氨更大。因此, 当常规处理工艺和游离氯消毒不能满足隐孢子虫等耐氯微生物的消毒要求时, 美国环保局建议采用臭氧或紫外线消毒等替代消毒方式。

提高消毒CT值的方法包括提高消毒剂余量和/或有效接触时间。由于受出厂水最高消毒剂余量限制以及臭/味问题等原因, 提高有效接触时间相对而言更常采用。将消毒剂投加点前移 (如预氯化和中段消毒) 也可提高有效接触时间。对消毒反应器进行优化设计, 减少短流和死区, 使之尽可能接近理想推流式反应器, 更是值得推荐的提高有效接触时间的方法。

污水倒流进管网是导致管网中致病微生物再次污染的一个重要途径。美国在管网中倒流预防方面做了大量工作, 包括维持管网中的正压、倒流控制阀的安装及管道工人的培训和认证。管网中的余氯 (或其他消毒剂) 是保障龙头水微生物安全的一个重要水质指标。美国联邦标准没有明确规定管网中余氯浓度, 但近一半的州 (23个州) 对管网中最低余氯浓度有明确规定, 其中19个州要求0.2mg/L或更高的最低游离氯浓度。例如, 宾夕法尼亚州在2018年规定管网中0.2mg/L最低自由氯或总氯浓度, 同时要求使用氯胺消毒的企业上报管网中控制硝化反应的对策。

尽管有处理技术和管理体系等诸多饮水微生物风险控制措施, 微生物超标仍然是美国水企业的主要问题。例如在2012年, 美国共有14 739起水质违章事件, 其中49%是微生物违章。美国对微生物违章的一个常见做法是通知用户“煮水”, 同时也要求企业做一系列的检测、自查或处理工艺改进措施。

以2013年修正的大肠菌法为例进行讨论。在管网大肠菌检测中, 如果大肠菌为阳性, 企业必须在24小时内在原检出取样点, 及五个用户前后范围内分别取三个水样进行大肠菌和粪大肠菌检测。如果粪大肠菌为阴性, 但大肠菌阳性比例达5%以上, 企业必须进行自查评估, 评估范围包括水源、处理工艺和管网。如企业未能在30日之内进行自查评估, 则属于“处理技术违章” (treatment technique violation) 。

若粪大肠菌为阳性, 则属于粪大肠菌“限值违章” (maximum contaminant level violation) 。企业必须在24小时内通报州环保厅或类似主管单位, 并在通报后24小时内通告公众用户。企业需要启动其他程序, 包括强加氯、发布“煮水”通告或寻找替代水源。企业必须在30日内雇佣州评估专家对其水源、处理工艺和管网进行调查评估。如果企业没能及时通告或评估, 则属于“通告违章” (notification violation) 或处理技术违章。同时, 企业在自评或专家评估的下个月, 进行大肠菌月检。如大肠菌阴性, 企业可恢复至每季度检测, 同时企业在该项不再违章。

自来水常规处理工艺, 包括混合、絮凝、沉淀与过滤, 是去除水中致病微生物、保障自来水生物安全的重要手段。国内常规工艺处理的设计与运行与美国存在较大的差异, 对不同水源缺少针对性的设计运行解决方案。在机理研究方面, 应加强对混合微观机理和颗粒脱稳效率的评价, 加强对絮凝工段水力条件的优化研究, 加强对过滤阶段颗粒迁移规律研究, 从而提高常规处理工艺的处理效率。在设计方面, 应加大机械搅拌在混合和絮凝工艺、斜板和斜管在沉淀工艺、双层滤料在过滤工艺中的推广。在运行方面, 根据原水进一步优化混凝剂种类与剂量, 加强滤池的反冲洗与滤料检测。此外在我国, 出于节水等方面的考虑, 大多数水厂都未实施初滤水排放。滤池反冲洗后的初滤水, 其浊度通常远高于滤池稳定过滤时的浊度。

在我国, 浊度被列为感官指标, 要求龙头水浊度不高于1NTU, 对滤后水浊度没有要求。按标准要求, 浊度作为常规指标, 检测频率为1次/d。当所有水样所有水质指标的合格率大于95%时, 供水水质即为达标。显然, 我国这种“达标”计算方法极大降低了浊度作为关键微生物指标的重要作用。浊度区别于其他大多数水质指标, 可及时准确方便地反映净水工艺的运行效果。因此应提高浊度特别是滤后水浊度的检测频率, 并进行单独达标计算。同时建议将滤后水浊度的标准限值定在0.3NTU或以下较为合理。实际上, 在我国一二线城市, 许多大中型水厂将出厂水浊度的内控标准定在0.3NTU, 检测频次一般为1～2次/d, 说明将滤后水浊度控制在0.3NTU以下在技术和运行管理上是可行的。

浊度在美国被列为微生物指标。美国通过对每格滤池出水浊度进行高频次检测, 不仅能确保供水水质, 同时能通过浊度随过滤时间变化规律对常规处理工艺进行评估与优化。同时, 浊度的在线检测快速方便, 能高效及时提供预警, 为水厂操作人员赢得足够时间, 水厂可以通过强化消毒或其他应急方案来保证出水水质。近几年, 国内部分新建水厂安装了在线浊度仪, 可以对浊度进行实时监控。但未从理念上对浊度这一指标引起重视, 仅是考虑出水厂数值的达标。在线浊度仪的安装, 为滤后水特别是每格滤池滤后水浊度的实时监控提供了物质条件。

对于地表水水源, 经常规工艺 (混凝-沉淀-过滤) 处理之后, 仍不能满足微生物水质安全。氯或氯胺消毒通常被用来对致病微生物进一步灭活。在我国普遍没有采用CT值作为消毒效果的评价依据, 消毒剂余量和有效接触时间的选择具有较大的随意性。例如, 许多水厂余氯浓度在1～2mg/L且接触时间高达1～2h。但是我国饮水水质标准要求在使用游离氯消毒时, 出厂水余氯浓度仅需大于0.3mg/L且接触时间仅需大于30min, 按最低限值计算, CT值仅为9 (mg/L) ·min, 不能满足有效灭活贾第鞭毛虫对CT值的要求。因此, 当水源水中确实存在隐孢子虫或贾第鞭毛虫时, 仅依据我国饮用水水质标准, 仍可能存在饮用水微生物安全风险。确保CT值满足消毒要求成为当务之急需。同时设计单位和水厂有必要对有效接触时间进行科学评估, 确保CT值正确计算。

管网中的倒流是不可完全避免的, 也是管网中致病微生物的重要来源。在配水系统中维持一定量的余氯浓度, 不仅可以抑制水中细菌的再生, 而且当水在输配过程中遇到二次污染时, 可以起到一定的保护作用。因此, 我国《生活饮用水卫生标准》 (GB5749-2006) 要求管网末梢水余氯浓度不低于0.05mg/L。该限值标准低于美国许多州, 因此管网内的抑菌能力相对较低。此外, 由于部分居民对氯味的不适应性及用水加热过程中氯味的加重, 引发少量居民对供水部门的不满与投诉。有些水厂为减少投诉率, 往往单纯降低加氯量, 将出厂水余氯浓度控制在达标数值附近, 有时会导致管网内, 特别是管网末端, 余氯浓度不足, 对微生物抑制灭活能力减弱。

研究表明, 自来水氯味往往来源于嗅阈值低的NHCl₂和NCl₃ (其嗅阈值分别为0.15 mg/L和0.02mg/L) 。这两种物质的生成原因是由于水源水中含有一定浓度的氨氮与自由氯发生反应的结果。减少水中NHCl₂和NCl₃的生成可以同时满足抑菌和控臭味, 措施包括调节pH、降低氨氮浓度、控制氯氨比值、折点加氯等。水厂可根据本厂情况选择合适方式, 而非简单降低加氯量, 造成微生物风险升高。

此外, 在自来水供水管网中, 由于还原态氮 (氨氮和氯氨) 的存在及氨氧化菌和硝化细菌的积累, 在余氯较低和水温较高的情况下会发生硝化反应。硝化反应会导致氨氮的硝化和亚硝酸盐及硝酸盐的生成, 同时会导致氯胺的快速降解以及溶解氧浓度降低。氯胺快速衰减容易导致氨氧化菌和异养菌 (HPC) 的繁殖, 更进一步降低余氯浓度, 产生恶性循环, 可能导致潜在微生物风险。因此, 一方面需在管网内保持足够的余氯浓度, 以抑制细菌的生长;另一方面, 如何通过控制水力条件减缓氨氧化菌等细菌的滋生, 是供水过程中应重点考虑的问题。

综上所述, 与我国标准中微生物指标多采用限值要求不同的是, 美国标准更倾向于通过技术上的要求来保证微生物安全, 能更好地通过处理工艺设计与运行来提高水质。中国饮用水的微生物标准比美国联邦标准宽泛。美国重视常规工艺的运行, 通过混凝、沉淀、过滤工艺大幅度降低了微生物风险。美国法规对违章, 特别是限值违章、处理技术违章和通告违章, 有详细的定义和应对措施, 来指导企业纠正违章、提高水质。在限值违章时, 及时通告用户和公众, 也是保障公众健康, 提高公众对水质信心的重要举措。

对于我国而言, 解决龙头水直饮的关键是提高对饮用水供水水质保障理论和技术体系的认知水平。 (1) 应将微生物风险列为影响供水水质安全的最大风险, 重视去除灭活致病微生物。 (2) 应在“多级屏障理念”的指导下设计、运行、优化水厂各处理单元, 将浊度作为关键水质指标, 提高浊度检测频次, 保证滤池出水水质。 (3) 采用CT值作为消毒效果的评价依据, 对有效接触时间进行科学评估, 确保CT值正确计算。 (4) 进一步研究管网中氯味的来源和管网中的硝化反应。 (5) 加强管网管材的维护、更换、选择;优化管网水力条件, 避免出现死角;规范二次供水, 定期检查清理水塔、水箱, 减少二次污染。同时, 供水企业需要制定微生物超标时详细的应急方案, 包括公众通告及应急处理, 来确保龙头水直饮水质安全和赢得公众的信任。