饮用水质污染及健康影响
Drinking water quality pollution and healthy effects
曲久辉
随着人类对自然与社会认知能力的不断提高，饮用水质的概念和内涵也日益丰富。从最初关心的微生物污染，发展到对化学污染、生物污染、物理污染及其复合污染的多角度关注；从单一污染物的作用及健康影响，发展到对污染物之间协同效应的发现；从以去除常规污染物为目标的水质净化过程，发展到对低剂量持久性有毒有害污染物深度处理工艺的运用；从简单的水质效应的表达，发展到对毒理学及水质健康风险的全面评价……这些研究和应用进展，不仅促进了饮用水质科学和技术的进步，对相关学科的发展也产生了重要的推动作用。那么，目前我们应该更关心一些什么样的水质与健康问题呢？
一般认为，饮用水中的主要污染物有化学物质污染、生物污染和细微颗粒物污染。这些污染物具有4个基本特征：（1）剂量较低：在水中的浓度多数在ng/L或其以下；（2）介质复杂：存在于不同的介质和界面；（3）发生不确定：具有不同的来源，并随水源条件的变化而不同，可以在复杂的介质和界面上发生反应；（4）复合污染：在一个体系中同时存在多种污染物、多种作用过程和多种水质及健康效应。
1、低剂量有机物污染及健康影响
化学污染物是目前人们最为关心也是最为复杂的水质问题。1974年以来，美国在饮用水中发现2100种化学物质，其中190种是可疑的，99种致癌或可疑致癌物，82种致突变物，28种急性或慢性致毒物。研究表明，自来水中卤代烃类化合物是多种癌症的致病因子，美国环保局在全国范围的饮水检测中发氯化消毒的饮用水中普遍含有卤代烃类，在被检测的289种化合物中有111种卤代有机物，其中氯仿、溴仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷、四氯化碳、1，2－二氯乙烷以及某些较高分子的有机卤代物的致癌作用最为明显。近年来，在我国不同的饮用水源中检测出了上百甚至几百种化学物质，其中有机污染是主要风险因子。研究发现，我国南方某水源中多种有机氯农药共存，仲丁威、阿特拉津常年存在。
在化学污染中，环境激素是饮用水最重要的一类风险物质，又称内分泌干扰物，具有干扰生物的正常行为及生殖、发育相关的正常激素的合成、释放、运转、代谢、结合等过程，激活或抑制内分泌系统功能，破坏内分泌系统维持机体稳定性和调控作用。美国科学家最近在为包括首都华盛顿在内的地区提供饮用水的波托马克河发现，一些黑鲈兼具雄性和雌性生理特征，成为双性“阴阳鱼”，约42％的雄性鲈鱼性器官中有卵子。2006年8月科学家对波托马克河3条支流的调查结果发现，超过80％的雄性小口黑鲈体内有卵子。我国也在一些饮用水源及水处理工艺的不同阶段检测出内分泌干扰物质。预臭氧、混凝沉淀和砂滤等常规处理过程，并没有明显降低原水中的内分泌干扰效应，砂滤后的臭氧并结合生物活性炭处理，显然是去除原水中内分泌干扰物的有效方法。
2、无机物污染及健康影响
近年来，重金属、氟、硝酸盐等成为饮用水的重要污染物。重金属中砷的污染最为普遍。砷污染可导致人体慢性中毒，除表现神经衰弱综合症、多发性神经炎、胃肠道症状外，主要表现为皮肤粘膜病变、皮肤色素沉着、皮肤角化过度或疣状增生等，部份人皮肤、肺、支气管、喉发生癌变而死亡。恒河三角洲地区因地下水砷污染而引起的水质安全风险及其对人体健康的严重影响引起了国际上的广泛关注，砷污染也对台湾、内蒙古、山西、新疆、宁夏和吉林等许多地区人民的身体健康构成严峻威胁。据不完全统计，我国目前仍有200多万人饮用砷超标的水，且主要分布在经济较为落后的农村地区。
饮用高氟水而引起的氟病是世界上分布最为广泛的地方病之一，世界上五大洲的五十多个国家报告有地方性（饮水性）氟中毒。我国除上海市以外，其余各省、自治区和直辖市都发现饮水性氟病，以北方15个省、自治区、直辖市最为严重，南方在江苏、湖北、广东、福建等省有一定分布。在华北平原、东北西部平原以及黄河中游的半干旱地区，广泛分布有富含氟的矿物，造成氟病症广泛分布，造成氟在水中大量浓缩、富集，浅部地下水含氟量高达5mg/L以上。由于水源的限制，许多地区不得不饮用氟含量超标的地下水。
目前，世界范围内地下水中硝酸盐的污染依然严重。美国许多地区水中硝酸盐平均每年增长0.8mg/L，德国有50％的农用井水硝酸盐的浓度已经超过60mg/L，法国巴黎附近部分地区硝酸盐浓度已经高达180mg/L。我国很多地区作为饮用水源的地下水已不同程度地受到硝酸盐污染，并且有逐年加重的趋势。个别地区浓度已超过100mg-N/L。硝酸盐对人体健康具有危害，当摄入过多时，可诱发高铁血红蛋白症，即可使体内正常的低铁血红蛋白转化成高铁血红蛋白，使血液失去携氧能力，因此可造成组织缺氧并导致死亡。在硝酸盐转化过程中形成的亚硝胺和亚硝酰胺具有致癌、致畸和致突变作用。鉴于硝酸盐的危害，许多国家及世界卫生组织（WHO）都为饮用水中的硝酸盐的含量制定了标准。WHO规定饮用水中硝酸盐浓度不超过10mgNO3--N/L，推荐标准为5mgNO3--N/L。美国EPA规定了最高极限值为10mgNO3--N/L。欧盟组织提出最高含量为11.3mgNO3--N/L，指导性标准为5.6mgNO3--N/L。我国对饮用水硝酸盐污染的限制尚不够严格，为20mgNO3--N/L。
3、生物污染及健康影响
生物污染包括各类病毒、细菌、寄生虫等病原微生物、藻类等。20世纪60年代前，给水处理所涉及的病原菌主要是霍乱弧菌、伤寒沙门氏菌、副伤寒沙门氏菌、志贺氏菌等，随着医学、微生物学以及分析测试技术的进步，人们对水体病原菌有了更新的认识，一些病原菌、病毒、病原原生动物得到陆续的发现，已经确认传染性肝炎和脊髓灰质炎是由病毒引起的而且可以通过饮用水传播。贾第虫、隐孢子虫等由于仅为数微米大小容易穿透滤池，进入饮用水中从而造成介水传染病。根据美国AWWA报道，美国1971～1985年共发生452起生物性病原体介水传染病的爆发流行，发病人数累计达10万人左右。1991～1994年间共发生水质事故64起，致病人数422820人，其中99％是肠道疾病。我国的介水传染病的爆发流行也比较严重，1959～1984年传染性肝炎的介水传染病的爆发流行141起，发病率为12～24％，累计发病9548例。近年来，我国深圳、天津等地的饮用水源中也发现红虫、蚤类浮游生物等污染。 藻类污染不仅有藻毒素的产生，也出现一些藻类产生嗅味对水质的影响。在世界范围内，饮用水源中有多种藻毒素被发现。第一个有记录的藻肝毒素致死案是发生在1996年，巴西Caruaru城131个饮用藻毒素超标的饮用水中52人死亡。在我国的某大型水库中，发现5种藻毒素，其中三种毒素分别是较常见的Microcystin-RR， Microcystin-YR和Microcystin-LR，另外两种分别是常见的Microcystin-YY（MW 1052）和 Mglu-LR（MW 1009）。研究证实，产生嗅味的藻类物质主要是 Geosmin和MIB。对我国某有嗅味污染的水库水进行研究，发现水中含有Geosmin和MIB 分别为30-100ng/l和5-10ng/l，其浓度随季节变化明显。
4 纳米污染物及健康影响
环境纳米污染物是环境中尺度处于纳米级别而有强烈尺度效应及结构效应的污染物。在饮用水中的纳米污染物，可以包括有机有毒物(POPs，PTS，内分泌干扰物等), 重金属水合氧化物(Pb，Cd，Cu，稀土等), 多形态化合物无机物(氮，磷，铁，铝，砷等)，微生物及生物分泌物(细菌，藻类，病毒，藻毒素，激素，信息素)等，具有明显的健康效应。研究发现，纳米污染物可能进入人体中大颗粒材料所不能抵达的区域和健康细胞。吸入的纳米颗粒物可以穿透细胞壁，进入人体组织，深入到人体防卫系统、神经和血管中，造成疾病。很多污染物在饮用水中以纳米形态存在，成为饮用水安全的重要风险因子，对饮用者的身体健康具有现实和潜在危害。
5 水质毒理学
以往评价饮用水的指标主要是化学和生物学要素，但研究发现，即使在所有化学和生物学指标合格的情况下，饮用水有时还具有毒性。因此，研究饮用水的毒理效应成为重要内容。饮用水的毒理学不仅涉及污染化学物质对生物的毒性影响，而且涉及对整个生态系统生命过程的毒性效应。在水体中化学物质的毒性与生物间的、生物内的和水环境的因素相互作用有关。认识DNA损伤和生物效应、个体效应、种群效应、群落效应乃至整个系统生态效应，明确污染物的生物可利用性、吸收代谢与蓄积特征乃至最终对人体健康的影响，是从本质上评价饮用水质健康影响的重要方面，涉及复合污染的过程与作用机制等科学问题。事实上，目前的水质评价指标基本是单一的化学或微生物浓度值，并没有从毒性的角度综合评价水处理方法的安全性，技术组合和工艺设计也不是基于以复合毒性指标为依据的健康安全水平，因此处理后的饮用水质无法保证健康安全。应用复合污染研究成果，采用化学、生物学和毒理学方法综合评估水质，对保障饮用水安全具有重要意义。
毒理实验已经证明许多污染物和消毒副产物具有致癌性、内分泌干扰作用等毒性，但是这些物质因为具有较高的亲水性，用通常的水处理技术去除率较低，通过饮用水对人的暴露的可能性较高。为了确保饮用水的安全性，在掌握饮用水中此类物质的暴露水平和毒性的基础上，开展与工艺过程相适应的水质毒性变化研究十分迫切。对某自来水厂原水和各处理段出水的细胞毒性检验表明，水源水和各处理段出水均未显示急性细胞毒性，在加氯处理后显示出一定程度的刺激生长作用，所示。
6、饮用水安全保障关键技术
发达国家的经验和教训表明，水源保护与水质改善最关键的措施是加强立法、严格执法，防止污染物进入水体。就技术层面而言，有些国家尝试利用湿地生态系统进行水源保护与水质改善，并取得了宝贵的经验。此外，一些在线生物、化学监测技术手段逐渐应用于水源地水质监测与预警[2]，为应对突发性污染事件、建立完善的供水安全保障体系提供了重要的技术支撑。
水厂水质净化技术是饮用水质安全保障体系的核心。水厂水质净化的目标是通过多级屏障和处理单元去除水中浊度、藻类、各种有机和无机污染物以及微生物等，并通过合理的水质调节手段提高出厂水的化学与生物稳定性，保障输配水过程水质稳定。在预氧化、混凝、沉淀、过滤、消毒等常规工艺的基础上，活性炭吸附、臭氧/生物活性炭等深度处理工艺也逐渐得到推广运用。
水质净化技术选择的关键在于在保证污染物最大去除效率的同时控制有害物质的输入或生成。目前，国内外重点关注消毒副产物（如三卤甲烷、卤乙酸等）、各种有害元素或化合物、致病微生物、微量人工或天然活性化学品、以及容易给人感观带来损害的异嗅异味异色类物质等。在消毒副产物生成控制方面，主要采取如下控制措施[3]：采用二氧化氯、臭氧、高锰酸钾等氧化剂取代预氯化，强化去除水中消毒副产物前驱物；采用组合消毒技术取消氯的投加或降低氯使用量；采用多级加氯消毒等。在致病微生物强化去除方面，采取了包括使用紫外、臭氧等新型消毒方法，使用膜过滤技术，改善过滤效率，优化消毒方式等措施。在微量污染物去除与控制方面，粉末活性炭吸附、臭氧氧化、纳滤或反渗透过滤等技术得到广泛关注。在有毒有害元素及其化合物去除方面，砷、氟去除技术的核心是开发高效吸附剂[4]，而硝酸盐则主要是建立基于生化或物化过程的还原去除技术[5-6]。
当水源污染严重或存在异嗅异味时，常规处理工艺难以保障饮用水安全，此时往往需要增加深度处理以去除常规工艺难以去除的污染物，如酚类物质、表面活性剂、农药类、异嗅异色物质等微量污染物以及用总有机碳（TOC）或化学需氧量（COD）表征的污染指标。TOC的去除主要是着眼于控制消毒副产物生成，农药类有机污染物的去除重点在于控制饮用水的各种慢性生物效应，而表面活性剂、色度和异嗅味物质的去除主要是为了改善饮用水的感观特性。
饮用水出厂后流入地下供水管网，经过数小时至数十小时到达用户末端。在这漫长复杂的输配过程中，除了流量、压力的调配外，人们很难对饮用水水质再进行有效的净化、调节与改善。因此可以认为，饮用水输配过程是水质安全保障体系中的薄弱环节。近年来的研究表明，长达数千公里甚至上万公里的地下输配水管网就像一个巨型的反应器，在物理、化学与生物等多种作用下，饮用水质和输配水管材都会发生消毒剂衰减与消毒副产物生成、腐蚀与金属溶出、微生物与生物膜生长等一系列复杂的变化，从而产生潜在的水质安全风险[7]。出厂水的水质调节与稳定化是保持输配水水质的关键，而管网系统的科学运行与维护对保障用户末端水质安全具有重要意义。此外，管网水质在线监控、输配过程水力与水质建模并在此基础上进行管网优化调度等也是保障饮用水质的重要途径。
