北方某市农村饮用水水质状况及分布特征分析
饮用水安全直接影响人们的正常生活，反映社会发展水平和人民生活质量。世界卫生组织(WHO)调查指出，发展中国家约80%的疾病和饮用水不安全及卫生设施缺乏有关。根据国家统计局数据，2020年我国农村常住人口为5.1亿，保障农村饮用水安全，是维护稳定发展和全面建成小康社会的前提条件。
地下水是我国北方农村主要的饮用水水源。当地下水受到污染后，由于其自净能力低，水中的污染物将长期存在。全国31个省、市，5 000多个监测井的地下水质结果显示，华北、东北、华东、西北地区的地下水质较差，影响地下水源水质的主要指标为总硬度、溶解性总固体(TDS)、铁、锰、“三氮”，其次为硫酸盐、氯化物、氟化物等污染物，个别监测点重金属也存在不同程度的超标，主要污染物的分布区域如表1所示。华北平原6063组地下水样品污染调查显示，重金属主要以点状、线状污染为主，其中砷含量普遍偏高，华北平原浅层、深层地下水中砷的超标率分别达12.97%和5.12%。
表1 2013年—2017年全国地下水质超标项目及分布区域
我国农村饮水工程普遍投入少、规模小，导致管理维护的难度较大，通常只经过简单消毒且消毒效果不能保证。饮用水中细菌类、病毒类、寄生原虫类等病原微生物可引起介水传染病的发生和传播，是威胁农村饮水安全的主要风险，同时，化学性污染带来的长期慢性非传染性疾病问题也值得关注。当硝酸盐含量过高时，通过饮用水可对人体的健康造成影响，97%的高铁血红蛋白症流行病学案例是在硝酸盐含量超过10 mg/L的情况下发生的。WHO指出，在低剂量时，氟是人体可能必需的元素，但有潜在毒性，一定浓度的氟化物能有效预防龋齿，但摄入量大于6 mg/d时，可能对人体骨骼造成不利影响。当饮用水中砷的质量浓度≥10 μg/L时，饮用水会成为摄入的主要来源。国际化学品安全规划署(IPCS)相关资料指出，长期暴露于含砷饮用水中会诱发皮肤、肺、膀胱、肾的癌症，以及角化过度和色素变化等皮肤病变。
农村饮用水带来的健康问题与所在区域的地质特征、环境质量状况和社会经济发展水平有关，不同地区需根据当地经济发展实际情况，探索适宜的农村饮用水保障措施，确保农村饮用水长期安全稳定。北方某直辖市3920个村中，市政管网延伸和乡镇供水厂供水覆盖率仅为30%，70%的农村地区主要通过村级供水站供水，供水规模小且较为分散。为掌握该市农村供水存在的典型水质问题，本研究开展了13个涉农区县的饮水水质调查，调查指标包括《水利部关于进一步强化农村饮水工程水质净化消毒和检测工作的通知》要求的9项常规指标，并结合该地区水源水质特征及潜在风险，增加7项常规指标检测，为加强农村供水监管、提升农村供水安全保障水平和制定农村饮水安全提质增效方案提供参考和数据支撑。
1 材料和方法
1.1 样本来源
根据供水规模，在全市13个涉农区县选择代表性供水站，共采集61个村级供水站出水，占全市农村供水站总量的2.2%，涉及31.4万供水人口，占农村供水总人口数的8.16%。其中，55个供水站的供水人口小于1万，6个供水站供水人口大于1万，各供水站均为地下水源，经消毒处理后送到用户，无其他净化处理设施。采样时间为2019年8月—9月，水样的采集、保存、质量控制依据《生活饮用水标准检验方法》(GB/T 5750—2006)(以下简称《标准方法》)实行。
1.2 检测指标
依据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)(以下简称《标准》)，本研究共调查16项指标。其中，有总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌、菌落总数共4项微生物指标，色度、浑浊度、臭和味、肉眼可见物、pH、耗氧量、铁、锰共8项感官性状和一般化学指标，根据该城市典型水质特征重点关注了硝酸盐(以N计)、砷、氟化物共3项毒理指标，消毒剂余量根据消毒方式确认。
1.3 检测方法及评价标准
检测方法依据《标准方法》；评价依据为《标准》，其中菌落总数、色度、浑浊度、pH、耗氧量、铁、锰、砷、氟化物、硝酸盐按照《标准》中表4规定的限值判定，其他指标按照《标准》中表1、表2判定。样品中有1项指标超标，即判定为样品不达标。
1.4 健康风险评估方法
按照躯体毒物质(化学非致癌物)由饮水途径所致的健康风险计算模型，如式(1)～式(2)。
其中：化学非致癌物i经由饮水途径的个人年均健康风险度，a-1；
Di——化学非致癌物i经由饮水途径的单位体重日均暴露剂量，mg/(kg·d)；
RfDi——化学非致癌物i经由饮水途径摄入的参考剂量，mg/(kg·d)，硝酸盐为1.6 mg/(kg·d)，氟化物为0.06 mg/(kg·d)；
77.3——2019年我国居民人均预期寿命;
IR——每人每日平均饮水量，L/d，成人为1.6 L/d；
Ci——化学非致癌物i的质量浓度，mg/L；
BW——平均体重，kg，成人为60 kg。
2 结果与讨论
2.1 总体水质
本次调查的61个村级供水样品中，30个样品不符合标准要求，31个样品检测指标均合格，样品达标率为50.82%。如表2所示,不合格情况主要集中于消毒剂指标，不合格率达32%；其次为微生物指标，其中，总大肠菌群不合格率为21%，部分样品也有大肠埃希氏菌、耐热大肠菌群或菌落总数检出；此外，少量样品的硝酸盐和氟化物指标不合格，不合格率低于5%。结果表明，消毒问题是影响该市村级供水水质达标、威胁饮用水安全的首要问题，硝酸盐、氟化物等水源性污染是影响水质、造成健康危害的另一重要因素。
表2 村级供水站的检测指标不合格情况
2.2 微生物与消毒剂
2.2.1 消毒设备配置
微生物污染是农村供水存在的主要安全风险，消毒是去除水中病原微生物最直接有效的途径，水中微生物污染的处理效果与消毒设备的有效使用相关。本次调查的61个村级供水站消毒设备的配置和管理情况如表3所示，其中5个供水站未配备消毒设备，消毒设备安装率为92%。采用的消毒方式包括二氧化氯、臭氧、次氯酸钠、紫外线消毒，二氧化氯为村级供水站的主要消毒方式，安装24套设备，占总数的43%；其次为臭氧，安装15套设备，占27%；次氯酸钠和紫外线消毒设备分别占18%和12%。
表3 消毒设备的配置和管理情况
已安装消毒设备的56个村级供水站中，42个供水站消毒设备开启运行，占本次调查供水站总数的69%；5个供水站消毒设备损坏(臭氧和次氯酸钠)，占8%；9个供水站消毒设备未开启(均为臭氧)，占15%。其中，二氧化氯和紫外线消毒设备正常运行率为100%，次氯酸钠消毒设备正常运行率为80%，臭氧消毒设备仅3套正常运行，正常运行率为20%。
由本次调查结果可知，村级供水消毒设备安装率低，仍有部分村级供水工程建设不能达到国家标准的要求，设备正常运行率低，特别是大部分臭氧设备均未启用，设备更新维修不及时。整体上，村级供水消毒设施建设和运行管理不规范，对消毒重要性认识不足，缺乏运行维护技术人员，可以考虑配置易于操作的智能化设备。
2.2.2 对微生物的消毒效果
微生物指标合格率反映了饮用水的消毒效果。本次调查中共42个供水站消毒设备开启运行，消毒剂余量和消毒方式对消毒效果的影响情况如表4所示。消毒剂余量合格的样品中，微生物指标合格率为79%，高于消毒剂余量不合格的样品(64%)。结果表明，控制消毒剂余量对防止微生物污染有重要作用，消毒的最终目标是杀灭已知和未知的病原体，但因为无法对水中的全部微生物进行检测，只有水厂具备有效的消毒措施，才能消除可能存在的健康威胁，因此，消毒剂余量合格率也具有意义。而消毒剂余量合格样品的微生物指标合格率未达到100%，也说明仅消毒剂余量合格不足以保证灭菌效果。
表4 消毒方式和消毒剂余量对消毒效果的影响
消毒剂对水中微生物的杀灭效率与消毒设施的使用、消毒剂的投加量、消毒剂与水接触时间、管网状况、管线长短等相关。因此，消毒剂与水接触时间达到标准要求，二者混合充分，对保证出厂水消毒效果十分重要，管网水的消毒效果还要考虑管网状况及持续消毒能力。农村供水由于专业技术的欠缺导致在消毒管理方面存在不足，不能有效控制消毒剂投加量和接触时间，从而不能保证良好的消毒效果。
消毒方式方面，本研究调查的该市42个运行消毒设备的供水站中，二氧化氯的消毒效果最好，微生物指标合格率为83%，其次为臭氧和次氯酸钠，采用紫外线消毒的微生物指标合格率为57%。臭氧和紫外线由于没有持续的消毒能力，细菌易繁殖，一般用于小水量、处理后即被使用的情况，或者原水生物稳定性较好、配水管网无二次污染的情况。次氯酸钠和二氧化氯消毒具有持续杀菌效果，工艺相对成熟，效果稳定可靠，但需要与水至少有30 min的接触时间。总体上，本次调查的村级供水站中，二氧化氯设备正常运行率和消毒效果均优于其他消毒方式，紫外线消毒设备正常运行率为100%，但微生物指标合格率低，持续消毒效果最差。
综上，影响村级供水水质达标的原因主要是消毒，所调查村级供水站有8%的站点尚未安装消毒设备，安装率低，而已安装设备的正常运行率仅为69%。已运行设备存在消毒剂投加量控制不当、消毒剂与水接触时间不符合要求等情况，且消毒工艺及设施不合理也导致消毒效果不能得到保证。不同消毒方式各有其优缺点，需要综合供水规模、水源水质、运行成本、操作方式等情况选择，并结合现有农村供水站的技术水平以适用性技术优先考虑，或采用不同消毒方式联合使用优势互补，提高供水安全性。
2.3 感官性状和一般化学指标
本研究调查的61个村级供水站的感官性状和一般化学指标检出情况如表5所示，所有样品均无色、无味、澄清、未检出肉眼可见物，pH值在7.05～8.42，耗氧量、铁、锰含量检出结果均符合《标准》要求。由图1可知，本研究调查样品中共有95.1%的样品中铁含量低于0.1 mg/L，85.2%的样品中锰含量低于0.01 mg/L，大部分地区属于低铁、锰区域，不影响饮用水的可接受性。
表5 感官性状和一般化学指标检出情况
图1 重金属含量分布比例
2.4 毒理指标
本研究调查的61个村级供水站的毒理指标检出情况如表6和图2所示，所有样品中砷含量检出结果均符合《标准》要求，硝酸盐和氟化物存在超标情况。共有约20%的样品中硝酸盐(以N计)含量超过10 mg/L，2个样品中硝酸盐含量为24.86 mg/L和21.31 mg/L，超出限值(20 mg/L)，约90%的样品中氟化物含量低于0.6 mg/L，大部分地区属于低氟区域，有1个样品的氟化物含量为1.31 mg/L，超出限值(1.2 mg/L)。
图2 毒理指标含量分布比例
表6 毒理指标检出情况
本次调查的村级供水站水源均为地下水，其硝酸盐和氟化物检出情况与该地区地下水质相关，WHO指出，硝酸盐含量超过10 mg/L的地区，饮用水不建议用于奶瓶喂养婴儿。而大部分低氟地区应关注儿童龋齿情况，高氟地区应关注人群氟斑牙情况，硝酸盐或氟化物已超标地点应在市政管网覆盖时优先考虑或更换水源，也可采取电渗析等工艺改造以保障用水安全。
硝酸盐和氟化物空间分布及健康风险如表7所示，硝酸盐分布存在一定的地域性，城区含量偏低，健康风险最小；近郊区存在较高含量的点位，健康风险中等；远郊区含量偏高，40%的样品中硝酸盐含量超过10 mg/L，且部分点位超标，超标点的健康风险为0.54×10-8 a-1，因此，不建议用于奶瓶喂养婴儿。氟化物地域差异不明显，大部分地区属于低氟区域，应关注该地区儿童龋齿的情况，近郊区存在个别超标点位，健康风险达0.75×10-8 a-1，应关注该地区人群氟斑牙的情况。超标点硝酸盐和氟化物健康风险均接近荷兰建设和环境署推荐的可忽略风险水平(1×10-8 a-1)，应注意饮用水中各有毒物质累加的总体风险。
表7 硝酸盐和氟化物空间分布及健康风险
3 结论
本研究调查的61个村级供水站样品达标率为50.82%。不合格情况出现在消毒剂、微生物、硝酸盐、氟化物，其中，消毒剂和微生物指标合格率明显低于其他指标。二氧化氯为主要消毒方式的消毒设施占设备总数的43%，其消毒效果最好。
有效消毒是影响村级供水水质达标的首要问题，本次调查存在的主要问题如下：(1)消毒设备安装率低；(2)消毒工艺及设施不合理；(3)运行管理不规范。水源性问题是影响水质、造成健康危害的另一重要因素，本次调查发现该地区重点关注的指标是硝酸盐和氟化物，同时应注意饮用水中各有毒物质累加的总体风险。
通过本次调查发现，消毒管理和水源管理是村级供水的短板和难点。为提高农村供水保障水平，全面完成农村饮水安全巩固提升任务，应针对性地采取措施。
(1)完善农村基础供水设施的建设。一方面，结合农村实际情况，配置适宜的消毒技术，并保证100%的消毒设备安装率，可以考虑配置易于操作的智能化设备。次氯酸钠和二氧化氯消毒工艺相对成熟，适用于大部分农村供水站，但需注意控制投加量和接触时间，而臭氧和紫外线消毒运行管理相对简单，对于水量小或原水生物稳定性较好、配水管网无二次污染的供水站可考虑采用，此外，联合消毒如紫外联合氯消毒工艺也是未来饮水处理中一种工艺选择。另一方面，建设可靠饮用水源，保持水源井内外良好的卫生环境，保护水源水质，防止污染。实施原水统筹和高效配置，有条件的建设应急和备用水源，增强水源的保障能力，并充分掌握水源水质情况，对水质不合格的应优先考虑水源切换，无可更换的水源时应根据水质特点选择相应的净水工艺及易于操作的成套设备，如采用电渗析工艺去除硝酸盐、膜分离工艺去除氟化物等。
(2)农村供水由于技术不够、管理不善等因素，不能使供水设施充分发挥效用，因此，不仅需要完善供水工程的建设，还需加强运营和管理。需配置运行维护技术人员或引进专业机构提供技术支撑，保证消毒设备正常运行率和消毒剂合格率达100%，提高供水安全性，并加强日常监测，特别是微生物指标，及时发现水质健康风险，避免出现微生物污染引起的急性疾病的感染和传播。
(3)落实农村供水主管部门的监管责任。随着城乡一体化的深入，统筹布局农村供水设施建设，采用城市供水管网延伸、联结主干供水管线、整合农村供水管网、提质农村供水工程等方式，将分散独立的供水模式转变为集中联网的供水模式，改善农村供水状况。充分发挥市场机制的积极作用，健全以政府为主导、供水行政主管部门监管、引进具有专业资质的企业参与建设运营和管理的农村供水安全长效管理机制，按照专业化管理、企业化运营、市场化运作的要求，探索多元化管理模式，如整合重组模式、分级管理模式、PPP模式，推进农村供水规模化发展，提高供水保障能力和管理水平，实现农村供水可持续运行。
本文刊登在第12期《净水技术》（扫描下方二维码查看原文）
作者：李 洁，李红岩*，于志勇，郑 蓓
(中国科学院生态环境研究中心，中国科学院饮用水科学与技术重点实验室，北京 100085)
编辑：王佳
排版：西贝
校对：万梓薇
