北方某市農村飲用水水質狀況及分布特征分析
飲用水安全直接影響人們的正常生活，反映社會發展水平和人民生活質量。世界衛生組織(WHO)調查指出，發展中國家約80%的疾病和飲用水不安全及衛生設施缺乏有關。根據國家統計局數據，2020年我國農村常住人口為5.1億，保障農村飲用水安全，是維護穩定發展和全面建成小康社會的前提條件。
地下水是我國北方農村主要的飲用水水源。當地下水受到污染后，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多個監測井的地下水質結果顯示，華北、東北、華東、西北地區的地下水質較差，影響地下水源水質的主要指標為總硬度、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，個別監測點重金屬也存在不同程度的超標，主要污染物的分布區域如表1所示。華北平原6063組地下水樣品污染調查顯示，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率分別達12.97%和5.12%。
表1 2013年—2017年全國地下水質超標項目及分布區域
我國農村飲水工程普遍投入少、規模小，導致管理維護的難度較大，通常只經過簡單消毒且消毒效果不能保證。飲用水中細菌類、病毒類、寄生原蟲類等病原微生物可引起介水傳染病的發生和傳播，是威脅農村飲水安全的主要風險，同時，化學性污染帶來的長期慢性非傳染性疾病問題也值得關注。當硝酸鹽含量過高時，通過飲用水可對人體的健康造成影響，97%的高鐵血紅蛋白癥流行病學案例是在硝酸鹽含量超過10 mg/L的情況下發生的。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。當飲用水中砷的質量濃度≥10 μg/L時，飲用水會成為攝入的主要來源。國際化學品安全規劃署(IPCS)相關資料指出，長期暴露于含砷飲用水中會誘發皮膚、肺、膀胱、腎的癌癥，以及角化過度和色素變化等皮膚病變。
農村飲用水帶來的健康問題與所在區域的地質特征、環境質量狀況和社會經濟發展水平有關，不同地區需根據當地經濟發展實際情況，探索適宜的農村飲用水保障措施，確保農村飲用水長期安全穩定。北方某直轄市3920個村中，市政管網延伸和鄉鎮供水廠供水覆蓋率僅為30%，70%的農村地區主要通過村級供水站供水，供水規模小且較為分散。為掌握該市農村供水存在的典型水質問題，本研究開展了13個涉農區縣的飲水水質調查，調查指標包括《水利部關于進一步強化農村飲水工程水質凈化消毒和檢測工作的通知》要求的9項常規指標，并結合該地區水源水質特征及潛在風險，增加7項常規指標檢測，為加強農村供水監管、提升農村供水安全保障水平和制定農村飲水安全提質增效方案提供參考和數據支撐。
1 材料和方法
1.1 樣本來源
根據供水規模，在全市13個涉農區縣選擇代表性供水站，共采集61個村級供水站出水，占全市農村供水站總量的2.2%，涉及31.4萬供水人口，占農村供水總人口數的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，經消毒處理后送到用戶，無其他凈化處理設施。采樣時間為2019年8月—9月，水樣的采集、保存、質量控制依據《生活飲用水標準檢驗方法》(GB/T 5750—2006)(以下簡稱《標準方法》)實行。
1.2 檢測指標
依據《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)(以下簡稱《標準》)，本研究共調查16項指標。其中，有總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌、菌落總數共4項微生物指標，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指標，根據該城市典型水質特征重點關注了硝酸鹽(以N計)、砷、氟化物共3項毒理指標，消毒劑余量根據消毒方式確認。
1.3 檢測方法及評價標準
檢測方法依據《標準方法》；評價依據為《標準》，其中菌落總數、色度、渾濁度、pH、耗氧量、鐵、錳、砷、氟化物、硝酸鹽按照《標準》中表4規定的限值判定，其他指標按照《標準》中表1、表2判定。樣品中有1項指標超標，即判定為樣品不達標。
1.4 健康風險評估方法
按照軀體毒物質(化學非致癌物)由飲水途徑所致的健康風險計算模型，如式(1)～式(2)。
其中：化學非致癌物i經由飲水途徑的個人年均健康風險度，a-1；
Di——化學非致癌物i經由飲水途徑的單位體重日均暴露劑量，mg/(kg·d)；
RfDi——化學非致癌物i經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年我國居民人均預期壽命;
IR——每人每日平均飲水量，L/d，成人為1.6 L/d；
Ci——化學非致癌物i的質量濃度，mg/L；
BW——平均體重，kg，成人為60 kg。
2 結果與討論
2.1 總體水質
本次調查的61個村級供水樣品中，30個樣品不符合標準要求，31個樣品檢測指標均合格，樣品達標率為50.82%。如表2所示,不合格情況主要集中于消毒劑指標，不合格率達32%；其次為微生物指標，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檢出；此外，少量樣品的硝酸鹽和氟化物指標不合格，不合格率低于5%。結果表明，消毒問題是影響該市村級供水水質達標、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、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不合格情況
2.2 微生物與消毒劑
2.2.1 消毒設備配置
微生物污染是農村供水存在的主要安全風險，消毒是去除水中病原微生物最直接有效的途徑，水中微生物污染的處理效果與消毒設備的有效使用相關。本次調查的61個村級供水站消毒設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備，消毒設備安裝率為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套設備，占總數的43%；其次為臭氧，安裝15套設備，占27%；次氯酸鈉和紫外線消毒設備分別占18%和12%。
表3 消毒設備的配置和管理情況
已安裝消毒設備的56個村級供水站中，42個供水站消毒設備開啟運行，占本次調查供水站總數的69%；5個供水站消毒設備損壞(臭氧和次氯酸鈉)，占8%；9個供水站消毒設備未開啟(均為臭氧)，占15%。其中，二氧化氯和紫外線消毒設備正常運行率為100%，次氯酸鈉消毒設備正常運行率為80%，臭氧消毒設備僅3套正常運行，正常運行率為20%。
由本次調查結果可知，村級供水消毒設備安裝率低，仍有部分村級供水工程建設不能達到國家標準的要求，設備正常運行率低，特別是大部分臭氧設備均未啟用，設備更新維修不及時。整體上，村級供水消毒設施建設和運行管理不規范，對消毒重要性認識不足，缺乏運行維護技術人員，可以考慮配置易于操作的智能化設備。
2.2.2 對微生物的消毒效果
微生物指標合格率反映了飲用水的消毒效果。本次調查中共42個供水站消毒設備開啟運行，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，微生物指標合格率為79%，高于消毒劑余量不合格的樣品(64%)。結果表明，控制消毒劑余量對防止微生物污染有重要作用，消毒的最終目標是殺滅已知和未知的病原體，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
消毒劑對水中微生物的殺滅效率與消毒設施的使用、消毒劑的投加量、消毒劑與水接觸時間、管網狀況、管線長短等相關。因此，消毒劑與水接觸時間達到標準要求，二者混合充分，對保證出廠水消毒效果十分重要，管網水的消毒效果還要考慮管網狀況及持續消毒能力。農村供水由于專業技術的欠缺導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，本研究調查的該市42個運行消毒設備的供水站中，二氧化氯的消毒效果最好，微生物指標合格率為83%，其次為臭氧和次氯酸鈉，采用紫外線消毒的微生物指標合格率為57%。臭氧和紫外線由于沒有持續的消毒能力，細菌易繁殖，一般用于小水量、處理后即被使用的情況，或者原水生物穩定性較好、配水管網無二次污染的情況。次氯酸鈉和二氧化氯消毒具有持續殺菌效果，工藝相對成熟，效果穩定可靠，但需要與水至少有30 min的接觸時間。總體上，本次調查的村級供水站中，二氧化氯設備正常運行率和消毒效果均優于其他消毒方式，紫外線消毒設備正常運行率為100%，但微生物指標合格率低，持續消毒效果最差。
綜上，影響村級供水水質達標的原因主要是消毒，所調查村級供水站有8%的站點尚未安裝消毒設備，安裝率低，而已安裝設備的正常運行率僅為69%。已運行設備存在消毒劑投加量控制不當、消毒劑與水接觸時間不符合要求等情況，且消毒工藝及設施不合理也導致消毒效果不能得到保證。不同消毒方式各有其優缺點，需要綜合供水規模、水源水質、運行成本、操作方式等情況選擇，并結合現有農村供水站的技術水平以適用性技術優先考慮，或采用不同消毒方式聯合使用優勢互補，提高供水安全性。
2.3 感官性狀和一般化學指標
本研究調查的61個村級供水站的感官性狀和一般化學指標檢出情況如表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、錳含量檢出結果均符合《標準》要求。由圖1可知，本研究調查樣品中共有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，大部分地區屬于低鐵、錳區域，不影響飲用水的可接受性。
表5 感官性狀和一般化學指標檢出情況
圖1 重金屬含量分布比例
2.4 毒理指標
本研究調查的61個村級供水站的毒理指標檢出情況如表6和圖2所示，所有樣品中砷含量檢出結果均符合《標準》要求，硝酸鹽和氟化物存在超標情況。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，大部分地區屬于低氟區域，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 毒理指標含量分布比例
表6 毒理指標檢出情況
本次調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地下水質相關，WHO指出，硝酸鹽含量超過10 mg/L的地區，飲用水不建議用于奶瓶喂養嬰兒。而大部分低氟地區應關注兒童齲齒情況，高氟地區應關注人群氟斑牙情況，硝酸鹽或氟化物已超標地點應在市政管網覆蓋時優先考慮或更換水源，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險如表7所示，硝酸鹽分布存在一定的地域性，城區含量偏低，健康風險最小；近郊區存在較高含量的點位，健康風險中等；遠郊區含量偏高，40%的樣品中硝酸鹽含量超過10 mg/L，且部分點位超標，超標點的健康風險為0.54×10-8 a-1，因此，不建議用于奶瓶喂養嬰兒。氟化物地域差異不明顯，大部分地區屬于低氟區域，應關注該地區兒童齲齒的情況，近郊區存在個別超標點位，健康風險達0.75×10-8 a-1，應關注該地區人群氟斑牙的情況。超標點硝酸鹽和氟化物健康風險均接近荷蘭建設和環境署推薦的可忽略風險水平(1×10-8 a-1)，應注意飲用水中各有毒物質累加的總體風險。
表7 硝酸鹽和氟化物空間分布及健康風險
3 結論
本研究調查的61個村級供水站樣品達標率為50.82%。不合格情況出現在消毒劑、微生物、硝酸鹽、氟化物，其中，消毒劑和微生物指標合格率明顯低于其他指標。二氧化氯為主要消毒方式的消毒設施占設備總數的43%，其消毒效果最好。
有效消毒是影響村級供水水質達標的首要問題，本次調查存在的主要問題如下：(1)消毒設備安裝率低；(2)消毒工藝及設施不合理；(3)運行管理不規范。水源性問題是影響水質、造成健康危害的另一重要因素，本次調查發現該地區重點關注的指標是硝酸鹽和氟化物，同時應注意飲用水中各有毒物質累加的總體風險。
通過本次調查發現，消毒管理和水源管理是村級供水的短板和難點。為提高農村供水保障水平，全面完成農村飲水安全鞏固提升任務，應針對性地采取措施。
(1)完善農村基礎供水設施的建設。一方面，結合農村實際情況，配置適宜的消毒技術，并保證100%的消毒設備安裝率，可以考慮配置易于操作的智能化設備。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定性較好、配水管網無二次污染的供水站可考慮采用，此外，聯合消毒如紫外聯合氯消毒工藝也是未來飲水處理中一種工藝選擇。另一方面，建設可靠飲用水源，保持水源井內外良好的衛生環境，保護水源水質，防止污染。實施原水統籌和高效配置，有條件的建設應急和備用水源，增強水源的保障能力，并充分掌握水源水質情況，對水質不合格的應優先考慮水源切換，無可更換的水源時應根據水質特點選擇相應的凈水工藝及易于操作的成套設備，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)農村供水由于技術不夠、管理不善等因素，不能使供水設施充分發揮效用，因此，不僅需要完善供水工程的建設，還需加強運營和管理。需配置運行維護技術人員或引進專業機構提供技術支撐，保證消毒設備正常運行率和消毒劑合格率達100%，提高供水安全性，并加強日常監測，特別是微生物指標，及時發現水質健康風險，避免出現微生物污染引起的急性疾病的感染和傳播。
(3)落實農村供水主管部門的監管責任。隨著城鄉一體化的深入，統籌布局農村供水設施建設，采用城市供水管網延伸、聯結主干供水管線、整合農村供水管網、提質農村供水工程等方式，將分散獨立的供水模式轉變為集中聯網的供水模式，改善農村供水狀況。充分發揮市場機制的積極作用，健全以政府為主導、供水行政主管部門監管、引進具有專業資質的企業參與建設運營和管理的農村供水安全長效管理機制，按照專業化管理、企業化運營、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，推進農村供水規模化發展，提高供水保障能力和管理水平，實現農村供水可持續運行。
本文刊登在第12期《凈水技術》（掃描下方二維碼查看原文）
作者：李 潔，李紅巖*，于志勇，鄭 蓓
(中國科學院生態環境研究中心，中國科學院飲用水科學與技術重點實驗室，北京 100085)
編輯：王佳
排版：西貝
校對：萬梓薇
