引黄供水地区水质风险评估技术研究与应用.pdf

给水排水 引黄供水地区水质风险评估技术研究与应用孙韶华贾瑞宝张诺王明泉李力徐征和吴俊森刘建广杜斌（济南市供排水监测中心，济南 ；山东大学，济南 ；济南大学，济南 ；山东建筑大学，济南 ）摘要针对黄河下游地区引黄供水系统监测识别技术落后、风险评估体系不完善、特征污染物不明确等现状问题，开展了针对藻、有机污染物、有害微生物等检测关键技术研究，优化构建了城市供水水质风险识别集成技术体系，研发了水质保障能力综合评估系统，建立了引黄供水系统水质数据库及污染物“四级”控制体系；研究成果整体应用于山东省引黄供水系统水质风险识别与评估，明确了优先控制污染物名单及工艺应对技术方案。关键词引黄供水系统特征污染物水质风险识别评估 ，（，；，；，；，）：，：；拟解决的关键技术问题目前，我国以黄河水为饮用水源的大中城市有国家水 体 污 染 控 制 与 治 理 科 技 重 大 专 项（）；山东省“饮用水安全保障技术”泰山学者建设工程专项（）。多座，通过有效引用黄河水，较好地缓解了当地水资源压力。但随着黄河流域经济社会的快速发展，流域内存在不同程度的跨界污染，作为饮用水源的引黄调蓄水库富营养化严重，呈现出低浊高藻高臭味、溴离子及小分子有机物含量高等水质特征，水 给水排水 厂现有常规处理工艺不堪重负，加之受管网陈旧、管材质量等影响，管网水质稳定性差，二次污染严重，饮用水水质难以满足新国标要求，城镇居民对水质问题的投诉越来越多。山东位于黄河的最下游，同中上游沿黄城市相比，面临的水污染更加严重，水质问题更具有复杂性和典型性，因此对引黄供水系统“从源头到龙头”水质安全风险进行全面检测和评估，进而为水源水质改善、水厂工艺改造以及管网水质保障提供技术支持，已经成为亟需解决的区域性重大科技问题。技术路线和研究方法课题针对黄河下游地区引黄供水系统水质安全现状，研发建立了高灵敏度、高效能城市供水水质风险识别评估技术体系，依托济南、东营等“十一五”水专项配套建设的示范工程，对课题主要研究成果进行集成应用。课题研究的技术路线如图所示。在现行有效水质标准检测方法的基础上，研究特征污染物的化学识别、生物毒理识别关键技术，通过优化改进和技术集成，建立污染物检测识别与工艺应对技术体系；研发宽光谱快速识别、水流水质模拟风险源筛选关键技术，建立水源水质风险识别、快速预警和水源调控应对技术体系。课题建立的检测评估体系在山东省得到应用示范，对引黄供水地区污染物开展了全面筛查，在示范城市引黄供水系统进行了水质风险识别与分析，并重点评估了示范工程运行效果，构建了基于多源异构数据综合管理的集水质评价、应急模拟、日常管理等功能于一体的引黄供水水质保障能力综合评估系统。图课题技术路线关键技术成果 特征污染物识别、转化规律与工艺应对技术针对现有供水水质检测技术落后，特征污染物识别技术体系不完善问题，研发藻类及臭味物质、痕量有机物、毒性物质等水质风险污染物检测关键技术，优化建立了完善的特征污染物检测识别集成技术体系，开展引黄供水全流程水质监测与评估，查明引黄供水系统各环节存在的主要水质风险，摸清各风险污染物在水源、水厂、管网中的迁移转化规律，提出城市供水工艺应对技术方案。藻及其代谢产物检测技术课题研究改进了氮同位素分析、叶绿素检测以及臭味物质检测关键技术（见表），优化了藻污染检测方法体系，为藻类暴发成因分析、藻及藻致臭味物质的演变转化规律研究提供技术支持。表藻及其代谢产物检测技术的优化改进方法创新点技术特点氮同位素分析改用离子交换色层法和蒸馏法结合的预处理技术方法简便高效，可同时处理多个水样，且不会引起氮同位素分馏叶绿素检测改用超声波提取同步荧光法联用技术方法快速灵敏，消除了常见色素干扰问题，线性范围为 ，检出限为 ，加标回收率在 之间臭味物质检测优化了嗅阈值、臭味层次分析法（法）、感 官 分析法；改用全自动固相微萃取气质联用技术实 现 了 臭 味 感 官 评价与 致 臭 物 质 定 量 检测的有机结合，提高了方 法 的 准 确 性 和 精密度。监测显示，引黄水库藻总数年平均值均在 万个以上，最高可达 万个。蓝藻与硅藻是两大类主要优势藻，并具有季节和空间分布特征，春季硅藻占优势，夏季蓝绿藻占优势；引黄条渠内主要优势藻种为蓝藻，经沉砂沉降后，水中蓝藻、硅藻、绿藻、隐藻、金藻共存。对于氮磷物质与藻类生长的相关性进行研究，调研结果显示引黄水库属高氮磷比型中营养水体，硝酸盐氮为氮存在的主要形式，正磷酸盐含量占总磷含量的 以上；藻类生长与氮磷比存在一定的负相关性，氮营养相对较给水排水 为充足，磷可能是藻类繁殖的主要限制性因素。因此，水源管理要涵盖引黄闸条渠沉砂调蓄水库各个环节，建立引黄水库监测预警系统，从“源头”上降低氮磷污染，在条渠、沉沙池内建立人工湿地或生态浮岛，加强调蓄水库生态综合管理，在水库末端取水区域建设原位净化设施和应急处理设施，最大限度地抑制藻类生长，降低微囊藻毒素等胞内代谢产物含量，以减轻水厂后期处理压力。引黄水源系统臭味来源非常复杂，藻类为首要“元凶”，还可能与放线菌和其他人为致臭等因素有关。研究显示，引黄水库臭味类型主要为土霉味和鱼腥味，一年四季常年存在，尤其是夏季更加严重，主要致臭物质为土臭素（）和二甲基异冰片（）。针对藻致臭味风险，建议在水厂预处理环节增设粉末活性炭应急处理系统，水厂工艺改造时优先选用气浮、浮沉浮滤一体化、臭氧生物活性炭、紫外过氧化氢催化氧化等常规工艺强化或深度处理工艺技术。特征有机物筛查分析技术针对引黄供水中存在的有机污染风险，课题研发了水中溶解性有机物可处理性分析方法，优化建立了痕量有机物检测方法体系，可用于引黄供水系统中特征有机物的快速识别与准确评估。溶解性有机物可处理性分析技术按有机物（以总溶解性有机碳 计）能否在一定时间内被过量活性炭吸附，可将有机物分成吸附性有机物（）、难吸附有机物（）；按有机物能否在一定时间内被微生物所降解，可将有机物分成可生物降解有机物（或 ）、难生物降解有机物（）等，不同类型有机物含量测定方法步骤如图所示。图水中溶解性有机物的可吸附性、可生物降解性测定程序监测显示，引黄水厂原水耗氧量为 ，含量在 范围内，含量为 ，总 在 之间，及 所占比例较高，分别占原水总 的 及 ，而可混凝去除性溶解性有机物（）占原水总 的 ，占原水总 的 （见图）。可见，原水的有机物可吸附去除性好，可生物降解性差，可混凝去除性差。因此，水厂水处理工艺要提高这类原水溶解性有机物的去除率，建议采用臭氧氧化、活性炭吸附工艺。图山东省引黄水厂进水有机物可处理性分析 基于大体积水样前处理方法的痕量有机物快速筛查技术现有样品处理技术富集倍数低、回收率差、繁琐费时，课题组研发了具有高富集倍数的大体积水样前处理装置，实现了对水中痕量有机物的高倍富集与纯化，并可同时用于有机污染物筛选和毒理学评价，具有富集倍数高、有机试剂用量少、高效快速等特点。同时结合固相萃取、固相微萃取、吹扫捕集、顶空进样等前处理方式，研发了多功能多组合预处理集成技术，建立了饮用水中痕量有机物色谱质谱筛查方法体系。调研分析表明，引黄水厂进厂原水痕量有机物以邻苯二甲酸二异丁酯、邻苯二甲酸二甲酯、丁基化羟基甲苯、萘、甲基萘、二十四烷、二十烷、三苯基磷酸盐及苯系物为主。经水厂工艺处理后，出厂水耗氧量为 ，含量在 范围内，含量为 ，与进厂原水相比，有机污染物总量有所下降；痕量有机物以一氯二溴甲烷、三氯甲烷、三溴甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷、邻苯二甲酸二丁酯、三苯基磷酸盐、萘、甲基萘、，二氯苯及苯系物为主。尽管出厂水中 给水排水 部分有机物得到了消减，但并不能完全去除水中的痕量有机物，同时由于加氯消毒原因，出厂水中出现了新的化合物种类，如一氯二溴甲烷、三溴乙酸等。建议水厂提标改造时，优先采用臭氧生物活性炭、臭氧催化氧化、粉末活性炭吸附等处理技术；同时优化消毒工艺，尝试二氧化氯、紫外氯胺、紫外液氯等联用技术。生物毒理识别技术针对城市供水生物识别技术不完善、毒性污染物评估方法欠缺等现状，建立了引黄供水系统特征污染物生物毒理学评价体系（见表），可实现引黄供水系统水质综合毒性的评价及有毒有害微生物的定量检测。表生物毒理识别技术方法建立方法优化改进特点基 于 生 物个体细胞三级 检 测 的 饮用 水 综 合 毒性评价技术基于单项毒理学检测技术，在个体、细胞、三级水平开展污染物生物检测，并针对遗传毒性，选择微生物细胞、植 物 细 胞、动 物 细胞三种细胞类型，利用 效应、微核 试 验、彗 星 试 验组合 进 行 毒 性 综 合 评 价。鉴于各类毒性评价结果之间缺乏可比性，选择六价铬离子做标准毒性参考物质。采用组合试验，兼顾不同的细胞类型（原核细胞、植物细胞和动物细胞）和不同的观察终点；选择标准毒性参考物质，使得检测结果具有统一性与可比性，利于实现检 测 与 评 价 技 术 的 标准化。基 于 技术的有毒、有 害 微 生 物风 险 快 速 检测技术水中泌毒蓝藻、军团菌、两虫和优势菌群的实时定量 快速检 测，实 现 供水系统有毒有害微生物全面分析与系统评价。样品经浓缩后无需提取基因组，并分别采用了特异性高 的 引 物，提 高 了检测灵敏度、特异性。调研结果显示，引黄水厂进厂原水中均存在一定的遗传毒性风险，经水厂工艺处理后，消毒副产物的出现使得出厂水具有轻度遗传毒性。不同季节的水质毒性分析结果表明，丰水期进水中有机提取物导致的 损伤比枯水期的严重，且随着有机物富集倍数的增加这种差异也越来越明显。彗星试验检测结果如图所示。针对引黄供水系统中原水、进厂水水样检出遗传毒性，不同水厂结合水处理工艺优化与技术改造过程，可分别采用强化混凝、臭氧生物活性炭深度处理等工艺实现对毒理学风险物的有效去除；同时优化消毒方式，采用紫外、二氧化氯等新型消毒技术，减少液氯使用量，降低毒理学风险。图枯水期与丰水期彗星试验结果比对 引黄水库风险源快速筛选与水源安全调控技术针对当前城市饮用水源监测预警滞后、风险来源不明、管 控 模 式单一 等 现状，以 济 南 鹊 山 水库为研究对象，研制了基于宽光谱预警技术的水源水质监测预警系统，研发了基于水流水质耦合模拟技术的风险源识别系统，建立了引黄水库风险源快速筛选和水源安全调控技术体系，为水源地风险源控制、生态修复和安全调控提供了科学依据。宽光谱水质监测预警系统目前我国饮用水水质在线监测预警系统正处于试验验证和示范建设阶段，政府部门还没有出台具体的规划建设方案，还缺乏指导性的建设管理规范。在线监测技术适应性差、预警系统标准不统一、监测装备国产化水平低等是当前供水行业普遍存在的现状问题。在对近年来我国突发水体污染案例进行调研分析的基础上，课题组研制了基于有机污染风险的宽光谱（）快速识别技术和设备（见图），给水排水 开发了基于云计算的服务器端后 台 预 警 分 析 软件，研发建立了成套宽光谱快速识别与预警预报系统，并在济南鹊山水库开展了为期一年的示范应用。图宽光谱在线水质分析仪设备实物通过配水试验及在水源地、水厂进水口的实际应用结果表明，基于宽光谱快速识别技术的宽光谱水质在线分析仪通过对水样的在线光谱采集、水质预警预报系统的分析，可以实现对水源特征污染物的快速识别，水质污染程度的预警，有机物污染趋势预警及差分光谱预警（见图图）；运行过程中无需更换试剂，维护操作简单。该系统的研发及推广，对于提高水质突发事件的应对能力和城市供水安全的保障能力，具有非常重要的支撑作用。图在线水质预警软件系统对水质变化预警预报图鹊华水厂进水近红外光谱图水质差分光谱基准平面 水流水质耦合模拟风险源识别系统水流水质耦合模拟技术是利用数值计算方法和计算机技术，对水库中污染物随水流而变化的过程进行可视化模拟，从而定量反映出分季节、分区域水质状况与污染物排放之间的关系。对鹊山水库各项水质参数进行率定，获得鹊山水库氨氮的降解系数 、扩散系数，叶绿素的衰亡率 ，沉积率为 、扩散系数。利用现有水质模型，实现了鹊山水库不同工况下水库污染物的降解扩散和分布情况模拟。通过对鹊山水库实地调查和水质数据分析，课题组明确了化肥农药施用、禽畜养殖、生活排放、黄河流域突发事故等主要污染源，确定了风险源分布情况。采用粗糙集理论对风险识别指标进行简约，确定不同风险源的风险曲线（见图）。利用基于格贴近度的模糊识别方法，将样本与风险曲线进行匹配，获得其风险来源的信息，从而对可能的风险源进行优化排查，及时控制风险源的规模，消除或减少风险源对水库水质的影响。图种风险因子的标准风险曲线 给水排水 同时，课题组研发了水流水质实时监测系统，该系统由监测设备和管理系统两部分构成。多参数水质传感器和水流水质耦合传感器，可实现水流水质参数的在线监测；管理系统利用 技术、数据库技术等将水流水质模拟演算模块与数据监测、实时预警、风险识别等功能集成，可完成从水质状况实时监控到水质变化趋势分析的全过程（见图）。图 鹊山水库水流水质实时模拟演示综上，在水库水质实时监测的基础上，综合评价水库水质安全水平，根据安全等级、污染发展趋势和风险来源等，课题指导济南市清源水务有限责任公司制定了 引黄水库水质安全预警、应急与风险预防方案，为及时跟踪水源水质变化情况，提高水源水质监测管理工作提供了支持。引黄供水水质保障能力综合评估技术体系建立与应用 引黄供水全流程水质保障能力综合评估系统针对目前水质管理方法落后，数据管理及评价系统功能单一等问题，建立了水源水、出厂水和管网水的水质评价综合指数法计算模型：（）（式中为综合指数；为权重系数；为隶属度中最大值；各个隶属度的算术平均值），利用单因子评价、综合因子评价、毒理学评价方法，结合 技术、三维技术和数据库技术，构建引黄供水全流程水质保障能力综合评估系统。引黄供水水质数据库的建立首次建立了集实验室检测、在线预警检测和应急检测数据为一体的引黄供水水质数据库。该数据库包含历史实验室检测数据 个，站点 个，指标 个；实时在线监测站点 个，包括济南市 个管网监测点、个水源地自动监测点、个水厂自动监测点以及东营、潍坊两市各个水质在线监测点，每天可接收实时在线监测数据万多个，实现了多源异构水质数据的统一管理，可及时掌握水源地、水厂、管网的水质状况。通过软件系统对数据库的统计查询和分析计算功能，可实现引黄供水系统“从源头到龙头”全过程水质评价，供水过程中超标水质风险指标、风险站点、水质敏感区的动态展现（见图）以及关键污染物迁移转化动态展示（见图）。此外，通过事故应急模拟及时掌握水质事故的污染扩散情况，便于及时采取措施控制污染，有利于提高水源地的供水安全以及改善管网水质管理监测工作的现状。图 管网微生物风险敏感区分布图 全流程污染物的迁移转化规律可视化依托引黄供水水质数据库，借鉴国内外优先控制污染物的筛选经验和成果，同时更加注重污染物潜在危害，研究制定了引黄供水地区优先污染物综合定量筛选程序，建立了黄河下游地区污染物“四级”控制体系，并首次提出引黄供水系统优先控制污染物名单（见表），为引黄供水系统水源水质改善、水厂工 艺改 造 和 管 网 水 质 保 障 提 供 科 学 依 据 和指导。给水排水 引黄水库水源系统水质改善技术研究与示范桂萍程小文蒋艳灵贾瑞宝刘明辉王毅力李力宋武昌豆小敏赵晓锋李萌萌王巍巍罗义永张志果孙增峰李宗来魏锦程（中国城市规划设计研究院，北京 ；济南市供排水监测中心，济南 ；济南市清源水务有限责任公司，济南 ；北京林业大学，北京 ；山东大学，济南 ）摘要针对黄河下游地区引黄水库普遍面临的高有机物、高藻和高臭味的问题，研发了基于黄河来水水质水量联合调控的优化取水技术，以湿地构建为核心的水库库前净化技术及以遮光和原位曝气为核心的水库水质保障技术；结合鹊山水库水质综合管理平台进行技术集成，形成引黄水库多级水质强化净化系统，使系统出水臭味强度较前年同期明显下降。研发了移动式管道药剂投加车，直接利用水源输水管道对改善水源水质，实现突发水源污染的应急处理，最终从“源头”上保障黄河下游城市供水安全提供了技术支撑。关键词引黄水库致臭物质梯级湿地原位净化遮光系统水质模型关键技术问题黄河流域拥有全国十分之一的人口，但同时也是我国北方严重缺水的地区。近年来由于环境污染、植被破坏以及水土流失，从而使黄河下游地区面临来水水量减少、水质恶 化以及水生态系统功能萎国家水体污染控制与治理科技重大专项（）。缩等问题。水源的持续恶化使城镇供水安全成为制约黄河下游地区经济社会发展的“瓶颈”。由于来水量持续减少，黄河下游地区河道干涸和断流现象时有发生。为了提高水源的可靠性，该地区普遍采用引黄水库作为应急调蓄供水水源。引黄水库水质普遍具有低浊、富营养的特征，加之水库相对较浅（），易滋生藻类，檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿因此引黄水库面表引黄供水系统优先控制污染物名单序号名称分子式检出频度备注产臭味藻高微囊藻、颤藻、席藻二甲基异冰片 高臭味物质溴酸盐 高消毒副产物二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷 、高消毒副产物邻苯二甲酸二丁酯 高酯类物质多氯联苯 高持久性有机污染物壬基酚 高环境激素阿特拉津 高环境激素结论（）建立了完善的特征污染物检测识别集成技术体系，解决了城市供水系统水质识别能力不足的弊端，查明了引黄供水系统各环节存在的主要水质风险，摸清了各风险污染物在水源、水厂、管网中的迁移转化规律，并提出了城市供水工艺应对技术方案。（）建立了引黄水库风险源快速筛选和水源安全调控技术体系，突破了城市饮用水源监测预警滞后、风险来源不明、管控模式单一等问题，制定了水质安全预警、应急与风险预防方案，为水源地风险源控制和安全调控提供了科学依据。（）研发了引黄供水全流程水质保障能力综合评估系统，建立了首个引黄供水水质数据库，弥补了以往水质数据管理方法落后、水质评价系统功能单一的缺陷，提出了优先控制污染物名单和工艺应对技术方案。通讯处：济南市纬五路 号济南市供排水监测中心 ：收稿日期：修回日期：