夏季暴雨引发的城市供水水质污染风险及防治对策

2020-12-10张继成邱晓鹏李显鹏

西安理工大学学报 2020年3期

张继成，邱晓鹏，郑杨，李显鹏，郑兴

(1.中国电力建设集团有限公司西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065；2.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安 710048；3.西安理工大学陕西省水资源与环境重点实验室，陕西西安 710048)

近年来，我国夏季暴雨事件频繁发生，特别是我国西北和东南地区夏季极端降雨事件显著增多[1]。夏季暴雨发生频率增加是自然和人为因素综合作用的结果，其中全球变暖和大气中气溶胶的人为增加被认为是影响极端降水变化的主要因素[2]。暴雨事件引发洪水、滑坡、泥石流并污染饮用水水源，给社会带来严重的经济和财产损失。随着我国越来越多的地区将地下水源改为地表水源，暴雨引发的水源水质污染和水厂出厂水质恶化越来越受到人们的关注。

由于暴雨径流有较强的冲刷作用，可携带流域内大量污染物进入饮用水水源。这些污染物包括悬浮颗粒、溶解性有机物、微生物(如细菌、病毒和原生动物)等[3]。污染物的大量汇入会显著恶化给水厂原水水质，当大幅超出给水处理工艺设定范围或应对处置不当，会造成水厂出水水质超标，从而可能引发公共卫生事件。同时，夏季暴雨事件还可能造成城市内涝，雨水积水会淹没化粪池、下水道，所带来的大量动植物尸体会发生腐败，造成蚊蝇滋生，引起病菌大量繁殖，增加城市供水水质的污染风险。近年来，暴雨洪水引发的城市供水水质污染事件频现媒体，因此，有必要明确暴雨洪水引发的城市供水水质污染风险，并提出相应的污染防治措施，以保障城市饮用水供水安全。

1 水质污染风险解析

1.1 浊度污染

夏季暴雨造成水源水浊度骤升，这是城市供水水质恶化的重要原因。辽宁省抚顺市大伙房水库因2013年8月中旬的强降雨导致其原水浊度由4.87NTU急剧升高至984NTU[4]；我国东南沿海某水库受台风暴雨影响，水库沉积物上翻，导致原水浊度大于100NTU持续了半年之久[5]；重庆地区嘉陵江水在暴雨期原水浊度高达上千，浊度升高源于冲刷淤泥(粒径较细且不易发生沉降)[6]。暴雨事件导致水源水浊度上升的原因主要包括：①由于土地管理不当，水源地上游流域水土保持不到位，地表土壤易被暴雨径流严重侵蚀，使得入库径流浊度骤升；②山体滑坡造成大量泥沙进入地表水体，导致水源水含沙量增加；③暴雨径流的冲刷作用会使得水库库底沉积物悬浮，从而使得水厂原水浊度增加[7]。

浊度作为《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)中感官性状的核心指标之一，主要表征水中细微颗粒物的含量，可从侧面反映其中的灰尘、微生物、胶体类物质的综合含量，水厂出水域值为1NTU。当原水浊度升高时，传统的混凝-絮凝-沉淀工艺用药量(如混凝剂、絮凝剂)会剧增；后续的滤池因超负荷过滤大幅增加的絮体，只能通过增加反冲洗频率等手段保证出水水质，这样将导致水厂的运行费用增加，并消耗更多的自来水作为反冲洗废水；此外，因为原水悬浮物的增多和用药量的增加，给水厂将产生更多的污泥[3]，其处置费用会进一步抬高水厂运行成本。极端情况下，若原水浊度骤升，超过水厂工艺设计的处理能力，将导致水厂出水水质浊度无法达标，造成水厂处理能力降低甚至停止供水。

1.2 有机物污染

夏季暴雨径流会直接影响饮用水水源地上游流域内的水文条件，剧烈增加陆生与水生系统间的物质输移，进而改变地表水体中溶解性天然有机物(NOM)的“量和质”。这里，天然有机物指的是动植物本身的分解或代谢产物，主要包括腐殖质、蛋白质等有机分子。夏季暴雨事件一般会增加地表水体中天然有机物的含量：马梦娇等[8]研究发现，沣河受冲刷效应影响，溶解性有机碳(DOC)含量随着洪水流量的增加而增加；韩国汉江在夏季强降雨期间，DOC的浓度从1.4 mg/L上升至6 mg/L[9]；La Tordera河在干旱期和汛期的DOC分别为2.6 ± 1.7 mg/L和8.6 ± 2 mg/L[10]。

与美国、加拿大、韩国等地的报道情况类似，我国许多地表水体在夏季强降雨之后都会有明显的陆源有机物汇入，从而改变水体有机物组成[8,9]。水源地上游流域的土地利用情况，是影响暴雨径流有机物浓度和组成的重要因素。类腐殖质物质的比例与天然林地和农业用地有关，而类蛋白质类物质的比例与种植林地有关[11]。Shin等[9]对比研究了韩国南部5大河流在夏季降雨后河流中有机物的组成变化，结果表明，受夏季强降雨的影响，地表水体中溶解性有机物(DOM)的陆源有机物的贡献增加，五大河流在夏季强降雨期间，类腐殖质和类富里酸物质所占比例均有所增加；我国西安沣河在洪水期有机物类型也变为以类富里酸物质为主[8]。此外，暴雨径流还可能在短时间内增加地表水体有机物的可生物降解性，因为暴雨径流缩短了地表水体有机物与河床生物群的接触时间[12]。

暴雨径流导致的水厂原水有机物含量增加、组分改变以及可生物降解性的提高，都是影响供水安全不可忽视的问题。水源水中的有机物会影响饮用水的颜色和嗅味，增加混凝剂的投加量，增加水厂污泥体积，同时也是造成膜污染的主要因素[13]。值得注意的是，天然有机物是水厂消毒副产物(如三卤甲烷、卤乙酸等)的重要前驱物，有机物含量的增加会导致消毒工艺的需氯量增加，并且容易生成更多的消毒副产物(DBPs)，这些DBPs已被证明具有细胞毒性、基因毒性和致诱变属性等[14]。暴雨径流可能会使得原水中腐殖质类物质增多，该类物质疏水性较强、分子量高，与氯有较强的反应活性。已有研究表明，腐殖质类物质在消毒过程中可以生成有毒的芳香族DBPs，经过长时间的氯化/氯胺处理后，可以分解为脂肪族DBPs[15]。有机物可生物降解性的提高，会促进水厂和输配水管道中微生物的生长，诱发饮用水的微生物污染。

1.3 微生物污染

气候变化导致的极端降雨事件可能会增加水源水和水厂中的微生物污染，增加水传播疾病的发病率。由于水中的致病微生物(细菌、真菌、病毒、原生动物等)多种多样，饮用水水质标准一般采用总大肠菌群数、大肠埃希氏菌群数等作为微生物污染指标，因为它们通常大量存在于人类和其他动物的粪便中，并容易被检测和量化。大量研究表明，暴雨径流会增加水厂原水的微生物污染。如夏季台风暴雨导致宁波市某给水厂原水浊度由2 NTU左右上升至165 NTU，总大肠菌群数高达50 CFU/mL[16](国家标准为3 CFU/mL)；秦国帅等[17]研究表明，暴雨洪水造成碧流河水库高锰酸盐指数、大肠菌群数明显上升；McKergow等[18]研究了新西兰莫图伊卡流域强降雨和大肠埃希氏菌群数的变化，发现大肠埃希氏菌群数在强降雨期间显著提高，其峰值总是先于径流和浊度峰值。此外，隐孢子虫和贾第鞭毛虫(简称“两虫”)与气候和强降雨也有密切联系，Xiao等[19]研究发现，三峡水库洪汛期的隐孢子虫阳性率明显高于蓄洪期。

水厂的传统消毒工艺可以对绝大部分微生物进行有效灭活[20]，经严格消毒处理后的出厂水能达到饮用水水质标准，不会对人体健康造成危害。但是，暴雨期间城市居民饮水仍需注意卫生安全，不喝生水。因为暴雨事件容易引发城市内涝，受微生物污染的雨水有可能会进入配水管道，当管道末梢等位置余氯量不足时，用水终端的水质就可能遭到微生物污染。

2 水质污染防治对策

综上可知，夏季暴雨事件可能会使城市水源水质急剧恶化，对公众的饮水安全和健康构成严重威胁。采取相应的水源地污染防治和水厂工艺改进措施，对于提高城市供水安全具有重大意义。

加强水源地管理，保证水厂原水水质：①加强水源地上游流域的土地管理和水土保持工作，减少暴雨径流对土地的侵蚀；②在水源地建立浊度实时监测系统，建立水文-水质耦合模型，预测地表水水源地浊度以及浊度流的时空分布，采取适当的水库运行方案降低库区浊度[21]；③根据暴雨期间水库浊度流的空间位置，采取水库分层取水等方式避开浊度流，控制水厂进水浊度。

改进水厂工艺，适应暴雨引发的原水水质突变：①结合历史资料调研暴雨径流造成的原水水质污染的潜在风险，确定需要控制的主要目标污染物；②针对主要目标污染物，建立给水厂水质突变应急预案，其中调整药剂种类、投加量、投加位置是较为经济、可行的方式；③建立健全水质监测系统，包括原水和水厂出水的浊度、溶解性有机碳、消毒副产物、微生物指标等，并在暴雨期间加大监测频率；④针对暴雨期间原水水质骤变的工况，进行相应的水厂工艺改进。

2.1 浊度污染控制

在常规水处理中，浊度的去除是通过混凝-絮凝-沉淀-过滤来完成，其中氯化铁和明矾(十二水合硫酸铝钾)是常用的混凝剂。传统处理工艺对低浊度原水有很好的处理效果，但当水中浊度较高时，颗粒间的静电排斥作用增强，混凝效率降低，导致水厂出水水质恶化。

强化混凝是常用的可有效应对高浊度原水工况的工程措施。Annadurai等[22]通过响应曲面法对不同pH、浊度、碱度和腐殖质条件下聚合氯化铝的投加量进行了优化，研究表明在中性条件下，聚合氯化铝可同时高效去除浊度和腐殖质。但是，当原水浊度超过160 NTU时，单独采用提高聚合氯化铝投加量的方式不能满足出水水质要求。此外，大量投加混凝剂还需要考虑化学药剂对人体健康的危害风险。抚顺市某水厂在沉淀池后采用二次絮凝+超滤代替原有滤池，可将水厂出水浊度由165 NTU降至0.2 NTU以下，细菌总数由2 400 CFU/mL降至0 CFU/mL，估算运行成本增加0.51元/m3[4]。

由1.1节可知，暴雨径流造成的浊度污染，在短期内可达上千NTU。此时，水厂需要采取适当的预处理工艺和深度处理工艺来应对高浊水。如采用卵石滤池作为预处理工艺，可以在不添加任何化学药剂的情况下去除原水约50%的浊度(1 800 NTU)和35%～47%的TOC(5～14.5 mg/L)[3]；Lin等[23]采用混凝+纳滤/反渗透工艺对台湾南华水库原水进行处理，研究表明，该工艺对浊度高达14 120 NTU的原水也有良好的处理效果。

此外，还可以考虑在水源水库采用无毒的、可生物降解的混凝剂(如壳聚糖等)进行浊度原位去除。Wang等[24]以台湾澄清湖水库原水、高岭土和渥太华标准砂为研究对象，发现0.2 mg/L壳聚糖混凝剂可以使水库原水浊度从50 000 NTU降至25 NTU。

2.2 有机物污染控制

夏季暴雨径流造成的有机物污染以腐殖质类物质为主。给水厂可通过混凝絮凝、膜过滤、高级氧化和吸附等工艺去除水中腐殖质。其中，吸附法运行方便且对低浓度的腐殖质有较好的去除效果[25]，是水厂去除有机质的常用工艺。杨海燕等[26]对比了6种活性炭对东江水中有机物的去除能力，其对两种类腐殖质荧光组分的去除率分别为46.2%～88.9%和69.5%～89.1%；冯令艳等[27]考察了中试试验条件下砂滤/活性炭滤池对腐殖质的吸附效果，研究发现，活性炭滤池对分子量为1～3kDa的有机物去除率高达50%以上。然而，吸附法去除有机物也存在一定的缺陷，如活性炭的制造和处理成本较高、每隔一段时间需要再生等。

混凝是常规工艺中的一个必要环节，可采用强化混凝的方式提高腐殖质类有机物的去除效率。Sudoh等[28]以聚合氯化铝为混凝剂，碳酸钙为助凝剂和碱性中和剂，可将Sebangau河原水中的有机物去除86.5%；Rezaee等[29]采用氯化铁作为混凝剂，对萨南达季给水处理厂原水进行强化混凝，其溶解性有机碳、UV254、COD和浊度的去除率分别可达62%、70%、69%和93%。

2.3 微生物污染控制

在传统给水处理工艺中，消毒工艺能有效灭活“两虫”、细菌、真菌、病毒等，保证饮用水的卫生安全。受夏季暴雨径流的影响，水厂原水的有机物和致病微生物含量可能会骤升，此时，可通过加大消毒剂投药量的方式来控制微生物安全风险。已有研究表明，氯消毒可有效灭活致病微生物，同时需保证水厂出水游离氯浓度，以控制管网微生物二次污染[30]。然而，过量投加氯消毒剂需要注意水厂消毒副产物及出水pH问题，后者可能会引发城市配水管网的“黄水”问题。

采用联合消毒工艺可以在保证致病微生物灭活效果的前提下，降低氯消毒剂的投加量。黄慧婷等[31]采用流式细胞法评价了紫外/氯消毒工艺的灭菌效能，结果表明，紫外、氯消毒联用可在少量余氯的条件下保证水中微生物的灭活效果。

采用膜处理工艺可以更好地改善水质，特别是应对微生物污染。微滤(MF)膜的孔径尺寸为0.1～1.0 μm，超滤(UF)膜的孔径尺寸为2～50 nm，而纳滤(NF)膜为1～2 nm。超滤工艺作为我国给水厂第三代核心处理工艺，可以有效控制隐孢子虫(4～6 μm)、贾第鞭毛虫(>10 μm)和细菌(0.5 μm)污染，而纳滤膜可以将病毒(1 nm)及其他致病微生物从水中完全去除。Braun等[32]研究表明，相较于传统混凝、磁性离子交换混凝和颗粒活性炭吸附，微滤+纳滤出水的DOC和细菌总数最低，但是运行费用是必须要考虑的问题。