饮用水源地预警体系应用研究

2014-11-17王海英梅鹏蔚方普杰

绿色科技 2014年7期

王海英，梅鹏蔚，王斌，方普杰

（天津市环境监测中心，天津300191）

1 引言

引滦入津工程缓解了天津市的供水困难，改善了生活用水的水质。引滦天津段沿线水质保护措施相对完善，饮用水源保护工程全长34km暗渠的设置彻底解决了利用天然河道输水带来的排沥和水质污染问题，架设的121km的封闭隔离网，实现了引滦输水封闭式管理，减少了人们的日常活动对工程设施和水资源的侵害，这些措施减轻了输水过程中的水体污染，对于引滦输水水质的保证具有一定的作用。但是有研究表明，随着引滦沿线及上游地区工农业快速发展，特别是水源地潘家口和大黑汀水库网箱养鱼的发展，造成引滦入津工程水质日趋恶化，严重威胁天津人民群众的饮用水安全［1－2］，因此建立完善的饮用水源地预警体系显得尤为重要。

当前国内水环境及饮用水自动监测体系中，监测指标主要包括常规五参数（水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度）、高锰酸盐指数、氨氮、TOC等常规参数和总氮、总磷等营养盐参数。水质自动监测工作的开展对于保护水环境状况，判断水体的污染程度发挥了巨大作用，但这些参数主要反映水质的基本状况，很多污染无法指示或者指示不明显，不能及时发现环境污染事故，为管理者做出决策提供及时完备的数据支持。饮用水源地的水质变化直接影响到人民群众的身体健康和生产、生活安全以及水厂处理工艺。因此2012年天津监测部门在饮用水源地利用生物毒性测试方法弥补现有自动监测系统理化指标的局限性，提高对饮用水水源地水质综合毒性监控能力。饮用水源地预警系统的研究应用对推进水源地水质预警建设，提升环境应急和监测预警能力发挥了重大作用。

2 生物毒性监测方法介绍

生物毒性监测基于生物毒性快速检测分析方法，利用生物的组分、个体、种群或群落对环境污染或环境变化所产生的反应，来评价环境质量，能够连续地反映各种有毒污染物对环境产生的综合毒性。环境变化的效应从根本上是对以人为主体的生物系统的影响，因此生物毒性监测对环境质量的优劣具有更快速、更直接、更全面的指示作用。所以，利用生物效应的原理监测环境污染物的毒性对饮用水源地的水质进行生物评价具有非常重要的现实意义。

目前生物毒性监测的常用方法主要有鱼类、蚤类、藻类、细菌、微生物电池等几种监测方法。特别值得注意的是，发光细菌毒性监测法与其它生物的监测法相比，具有快速、经济、可靠且节省空间等优点，因此成为科研和应用的热点。

在对包括氧化亚铁硫杆菌法、硝化细菌法和发光细菌法在内的多种细菌毒性监测方法反复比较后，发现发光细菌法在生物毒性监测中有着更明显的优势：首先，发光细菌法有国家标准（GB/T 15441－1995）和国际标准（ISO 11348－3－1998）的支持，评价方法和指标具有无可置疑的权威性；其次，发光细菌法在国际国内已经广泛应用于饮用水安全、食品饮料安全、水质污染监测等领域，其高效、全面、直观、便捷的优点得到普遍认同；再次，发光细菌生物毒性监测方法已经比较完善，在线监测已经初步实现，监测技术已经积累了一定的经验。

3 监测结果

3.1 水质状况

选取2013年1月1日～2013年12月13日数据进行分析。自动监测仪器监测的pH值、CODMn、DO和氨氮变化趋势如图1所示。根据4项监测指标得出水体达到地表水Ⅲ类水质标准，符合饮用水要求。

3.2 数据判断

发光强度的自然变化对于参比水样和水样是同等的。修正系数是用来修正发光强度的自然漂移。因此参比水样发光强度发生变化时，修正系数是自动计算的。综合毒性监测仪如下情况为正常工作：修正系数在0.6～1.8之间（根据ISO11348）；细菌的发光量必须大于50000（当发光量低于此值时，误差会变大）；控制样的毒性测试大于等于60%；参比水样的毒性在－5%－5%。本次分析数据中细菌的发光量均大于50000（图2），CF在0.6到1.8之间，由此得到的毒性抑制率为有效数据。

图1 2013年1月～12月氨氮、pH值、DO、CODMn浓度

图2 LRTO、LRT1、LST0、LST1发光量对数值

3.3 毒性实验

在系统运行初期，选用了几种毒性物质进行毒性敏感度测试，从毒性敏感度试验结果可以看出，预警系统所采用的生物综合毒性检测仪得出的抑制率均与污染物的浓度呈正相关关系，即污染物浓度增加，抑制率随之增加。其中氰化物（＜1mg/L）、汞（＜0.1mg/L）、苯（＜0.5mg/L）、甲醛（＜4.5mg/L）等剧毒物质在较低浓度下可以引起仪器毒性指标抑制率显著上升并超过临界值，显示毒性指标报警。低毒性物质如马拉硫磷（＜7.5mg/L）、挥发酚（＜50mg/L）、草甘膦（＜210mg/L）等在一定浓度下也能引起毒性仪器的抑制率报警，说明仪器对毒性物质反应比较敏感。

3.4 相关分析

对2013年1月～12月水源地pH值、DO、CODMn、氨氮与发光细菌进行相关性分析，结果显示pH值、DO、CODMn与发光细菌的发光量之间无显著相关关系。在此期间，pH值数据在7.4～8.8之间，生物毒性所用发光细菌为费歇尔弧菌，有研究表明，pH值在5～9范围内，费歇尔弧菌生长良好，细菌培养9～14h时段其发光强度达到最佳，菌液能够在4～5h内保持较为稳定的发光强度，且它们的生长曲线没有显著差别，所以pH值在5～9是比较理想的生长环境［3］。IS011348有这样的要求，即测试前每个样品的DO要大于3.0mg/L。发光细菌本身为兼性厌氧的，在有氧和无氧的情况下都能生存，其发光过程是氧化呼吸链上的光呼吸过程，而这种过程必须要有氧分子的参与。在此期间监测得到的DO数据范围在3.73～16.38mg/L之间，全部大于3.0mg/L，因此，满足费歇尔弧菌生长条件［4］。

发光细菌法在检测水样毒性时，水中的某些营养物质（NH4C1、NaNO3、NaNO2及 NaH2PO4）会对测试结果产生影响，使发光抑制率为负值，即产生促进发光作用。造成这种现象的原因可能是由于当水样的毒性较小或者水样中没有毒性物质吋，水样中的某些营养物质会使发光细菌的活性增强，发光性能增加，或者与有毒性物质产生了拮抗作用，从而使得样品对发光细菌的抑制率为负值［5］。本次分析结果也证明了氨氮浓度与发光细菌发光量呈显著正相关关系，即氨氮浓度与生物毒性抑制率（TOX）呈显著负相关，图3很明显可以看出氨氮与TOX的负相关关系。

图3 氨氮、TOX趋势图

4 结语

根据水质自动监测常规项目评价结果得出2013年引滦天津段达到地表水Ⅲ类水质标准，符合饮用水要求，综合生物毒性检测仪分析结果也显示水样无毒，两者结果一致。

pH值、DO、CODMn与发光细菌的发光量无显著相关关系，氨氮与发光细菌呈显著正相关。

有研究表明，饮用水源地的生物综合毒性光抑制率多为负值，说明水源地的毒性效应低，处于无毒状态；出现负值与水体富营养化程度有关。天津饮用水源地水质近年来各项水质指标均达到或优于《地表水环境质量标准》（GB/T3838－2002）Ⅲ类水质标准，符合饮用水要求，但是营养盐含量较高，水体富营养化态势较为明显。营养物质的存在为发光细菌的新陈代谢提供了充足的营养素，所以出现生物综合毒性测试中光抑制率为负值的现象。2013年1月1日到2013年12月13日期间生物毒性抑制率负值比例非常大，占68.2%（图4），这也从另一个角度反映了天津引滦沿线水体富营养化状况。