国外水质安全性评价体系及方法

上一篇 / 下一篇  2010-07-15 14:13:03

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  摘要:简要介绍了国外水质安全性评价体系的主要风险分类,水质安全性评价所需要考虑的主要因素,一些重要水质指标的评价标准更新,以及一些新型水质检测评价仪器和在线监测仪器的发展等,对于从宏观上了解饮用水水质评价具有指导意义。

  International Evaluation Framework on Drinking Water Safety

  ZHANG Xihui, LI Fuzhi

  Research Center for Environ. Eng. & Management

  ABSTRACT: International evaluation framework on drinking water safety was presented briefly. It included risk classification, major factors to be considered in evaluation, some renew of important water quality parameters, as well as some new developments of analysis instruments and on-line monitoring equipments. This paper is of guiding significance in understanding safety evaluation on drinking water.

  1.国外水质安全评价体系

  世界范围内具有代表性的水质标准有3部:世界卫生组织(WHO)的《饮用水水质准则》、欧盟(EC)的《饮用水指令》以及美国环保局(USEPA)的《国家饮用水水质标准》。其它国家或地区的饮用水标准大都以这三种标准为基础或重要参考,来制定本国国家标准。

  水质的安全评价主要是基于终生用水的安全性。这种评价主要分为三方面。

  (1) 水质感官性状问题。即水质感官性状良好,即水的外观、色、嗅和味等。饮用水的感官性状是很重要的。一般饮用者不应察觉水有颜色,而且也应无异常的气味和味道,水呈透明状,不浑浊,也无用肉眼可以看到的异物。感官性状不良的水,会使人产生厌恶感和不安全感。如果发现饮用水出现浑浊,有颜色或异常味道,往往就表示饮用水受到了污染,应立即采取措施进行处理。

  (2) 微生物学风险。微生物是水传播疾病的重要原因。微生物是一些肉眼看不见的微小生物的总称。包括属于原核类的细菌、放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体和蓝细菌(过去称蓝藻或蓝绿藻),属于真核类的真菌(酵母菌和霉菌)、原生动物和显微藻类,以及属于非细胞类的病毒、类病毒和朊病毒等。饮用水中的病原体包括细菌、病毒以及寄生型原生动物和蠕虫,其污染来源主要是人畜粪便。理想的饮用水不应含有已知致病微生物,也不应有人畜排泄物污染的指示菌。在发展中国家,饮用水的微生物污染仍然是饮用水卫生的最大威胁。

  (3) 化学风险。根据国外调查,在饮用水中已鉴定出数百种化学物质,其中绝大多数为有机化合物。饮用水中有毒化学物质污染带给人们的健康危害与微生物污染不同。一般而言,微生物污染可造成传染病的暴发,而化学物质引起健康问题往往是由于长期接触所致的有害作用,特别是蓄积性毒物和致癌物质的危害。只有在极特殊的情况下,才会发生大量化学物质污染而引起急性中毒。饮用水中能对人体健康产生影响的化学物质主要分为无机离子和有机物两大类。在进行水质安全性评价是,应充分考虑这些物质的安全效应。

  此外,饮用水安全评价还包括放射性风险。人类某些实践活动可能使环境中的天然辐射强度有所增高,特别是随着核能的发展和同位素新技术的应用,很可能产生放射性物质对环境的污染问题。因此,有必要对饮用水中的放射性指标进行评价。

  2.水质安全评价方法

  对于水质安全性的评价,首先是确定影响水质安全性的污染物的目标浓度限值。目前,在水中已经发现了2000多种类别的化学污染物,在饮用水中已鉴别出数百种污染物,但是不可能对饮用水中鉴别出的每种化合物都制定标准限值。这不仅是因为没有足够的科学资料制定如此多的标准,更是由于没有必要。应从实际出发,选择一定数量的指标确定标准限值。

  制定标准限值是以现场调查和科学研究资料为依据。如果科学依据不充分,就无法制定限值,即使是客观上需要的限值,也只能暂不纳入标准。

  对于饮用水中已检出的低浓度污染物,甚至低于检出限,并且不能经常检出,就没有必要制定限值。只有当污染物含量达到一定水平,有造成危害的可能性,而且检出频率高时,才有制定限值、进行检测的必要性。

  对于在饮用水中经常检出,并含有一定浓度的化学物质,当其具有明显卫生学意义时,应列入需要优先确定限值的物质名单。为使制定的限值具有可行性,在饮用水中已存在的化学物质浓度范围也是确定限值数值时必须考虑的关键因素。

  对化学物质进行危险度评价所需资料主要有两方面来源,一是人群流行病学调查,二是动物的毒理学实验研究。科学的人群流行病学调查可提供最有价值的资料,为制定化学物质限值提供最直接的依据。动物实验研究是在严格控制的条件下进行的,可获得明确的剂量—反应关系,是安全性定量评价的重要基础资料,也是制定限值的主要科学依据。

  为了确保饮用水水质安全,必须进行经常性的水质监测以及在特定情况下的水质检验,从而基于标准限值评价饮用水的安全性。如果没有可行的检验方法,就无法了解饮用水中污染物特别是化学物质的污染水平,因而无法进行安全性评价。所以只有对已经具有可行检验方法的物质才能纳入标准。

  另一方面,随着水质标准不断提高,相应地,对于水质监测技术的要求越来越高。这种要求引起了二个不同方向的发展:

  (1)对于仪器方法的精度、准确度,尤其检出限要求越来越高,因为随着水质标准提高,水质指标浓度越来越低,对于原来仪器方法的检出限值提出了挑战,促进仪器进一步改进发展,提高灵敏度和检出限。

  (2)对于仪器方法的监测速度提出了更高的要求,原因是新的水质标准对于水质合格的保证率要求日益提高,需要提高监测技术的速率和频率,保证水质合格率达到规定的要求。这种要求促进监测技术在两个方面提高监测速度,一方面是提高原有仪器方法的分析检测速度,大大缩短监测时间;另一方面是促进了仪器小型化和在线化,大量的在线监测分析技术和仪器产品得到了开发应用。

  3.水质安全评价方法发展趋势

  3.1 浑浊度

  由于浑浊度是衡量饮用水水质良好程度的重要指标之一,降低浑浊度对于提高水质具有重大意义。水中浑浊度越低,相关的无机和有机的有毒有害物质就越少;降低浑浊度还可以显著改善感官指标。降低浑浊度可以明显降低水中的微生物含量。因此,美国将浑浊度归入微生物指标项目。基于以上原因,各国的水质标准中对浑浊度这一项目的限值越来越严格。

  国际化大都市生活饮用水的浑浊度一般都达到了较高的水平,浑浊度一般都低于0.3,部分城市生活饮用水的浑浊度甚至低于0.1。日本东京则明确要求进入配水系统的入口处浊度<0.1NTU。

  由于浑浊度的不断降低,更精确地描述饮用水浑浊度的要求也越来越高。颗粒计数仪的应用因此日益迫切。激光颗粒计数仪得到快速发展和应用。其原理是,每一个颗粒通过激光光束时,均引起一个电压脉冲信号,其数量和强度代表了颗粒的数量和直径大小,颗粒数目和直径大小由不同的测量频道获得。它可以定量监测颗粒物的数目和大小。

  3.2 嗅味类有机物

  饮用水中的异嗅、异味是由原水、水处理或输水过程中微生物污染和化学污染引起。水的异嗅、异味表明水中可能含有某些污染物或水处理、水的输送不当。在未明确原因以前,不宜饮用。随着色谱质谱(GC—MS)技术的发展,现已能测出水中产生嗅味物质10余种,主要有2-甲基异冰片(2-MIB)、1,10-二甲基-9-十氢萘醇(或称为土味素(GSM))、2-乙丁基-3-甲氧基吡嗪(IBMP)、2-乙丙基-3-甲氧基吡嗪(IPMJP)、2,4,6-三氯茴香醚(TCA)和三甲基胺等。

  国际化大都市对生活饮用水的嗅味等提出了更高的要求,如东京对出厂水中两种产生泥土气味的化合物:土臭素(geosmin)和2-甲基异冰片[2-methylisoborneol(2-MIB)]均进行了监控。在饮用水水质标准参数中规定:采用粉末活性炭处理,要求土臭素和2-甲基异冰片含量<0.02μg/L;而采用颗粒活性炭处理,要求这两种化合物的含量<0.01μg/L。

  3.3 有机化合物分析

  各种各样的有机物是饮用水水质监测的重点和难点。目前,有机化合物的分析监测主要采用色谱仪器方法,主要气相色谱液相色谱。今年来,国外在有机物监测技术方面的进展也主要围绕色谱技术进行改进,主要包括三个方面:

  (1)样品预处理技术。传统的前处理技术存在许多缺点,例如水样体积受限、浓缩倍数不够、步骤烦琐、灵敏度和准确度比较低等。固相微萃取(SPME)可以弥补传统方法的不足,而且具有高效、简便、快速、安全、重复性好、便于自动化等优点。SPME技术采用固定相为一支覆盖着一层高聚物固定相(聚甲基硅氧烷或聚丙烯酸酯)的熔融石英纤维。该纤维被置于一个微量注射器的针腔内,使用时将针筒推出,则纤维降低,放入样品液中一定时间,在转子搅拌下,分析物被吸附,然后将纤维退回进样针内,当进样针插入GC进样口时,样品发生热解解吸,从而进入分析柱中。

  (2)新型色谱仪器。全二维气相色谱,将分离机理不同而又互相独立的两支色谱柱以串联方式结合形成二维色谱,得到信号强度为纵坐标的三维色谱图或者二维轮廓图。由于系统提供的高峰容量和高分辨率,一个方法可以覆盖原来几个方法才能够完成的任务。

  (3)色谱联用仪器。由于各种接口技术和调制技术的开发,色谱联用仪器技术发展非常迅速,除了目前已经得到广泛应用的气相色谱-质谱(GC-MS)和高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)之外,还有以下几种主要联用技术。

  气相色谱-质谱-质谱(GC- MS-MS):串联质谱能够大幅度提高检测的灵敏度,干扰少。例如,对于待分析水样中的某些微量农药,采用GC-MS很难定性,而采用GC-MS-MS技术,就能够比较容易地进行定性和定量监测。

  液相色谱-质谱/质谱(LC-MS/MS)联用新技术:LC/MS/MS是继GC/MS联用技术之后又一个新兴的分离检测技术,能够对复杂样品进行实时分析,通过MS1和MS2对目标化合物进行碎片扫描,具有极高的灵敏度,特别适合进行痕量分析,可以鉴别和鉴定各种类型的农药以及生物毒素等饮用水中有毒有害残留物。

  气相色谱-电感耦合等离子质谱(GC-ICP-MS)或者高效液相色谱-电感耦合等离子质谱(HPLC -ICP-MS):这种技术,结合了GC或者HPLC高效分离功能和ICP-MS具有低检测限、宽动态线性范围及能跟踪多元素同位素信号等优点,在元素形态分析方面很有前景。

  3.4 无机物分析

  电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)是等离子体技术与质谱技术相结合的分析手段。这种技术利用电感耦合等离子体技术作为离子源,以质谱技术作为检测手段,使分析方法具有灵敏度高、分辨率高、检出限低、分析范围宽、分析速度快、检测结果准确等特点。利用电感耦合等离子体质谱技术分析水中微量元素,可以在一次进样后在短时间内完成众多待测元素的测定,分析结果重现性好。电感耦合等离子体质谱技术分析样品不需要复杂的分离、富集手续,简化了分析流程,加快分析速度,降低了分析成本。例如,水样中含有的锂、铝、钒、铬、锰、钴、镍、铜、锌、锶、钼、银、镉、钡、等元素,都能够一次性检出,而且检测限值可以达到0.007g/L。

  3.5 分子探针方法检测微生物

  典型的传统细菌计数方法采用平板计数法和最大或然计数法(MPN法)等。这些方法普遍存在两个最主要的不足之处:(1)培养时间长,通常在24 h以上甚至一周左右;(2)培养条件对结果影响大,培养基的营养成分、培养温度、培养时间等对检测结果都有很大的影响,例如通常的平板计数大约只能检测到水中细菌数目的0.1%~10%,大大影响了结果的准确性。

  研究人员开始致力于研究新的、准确有效的活菌计数方法,分子探针技术作为一种主流方法,逐渐引起关注。分子探针是一种已知特异性的分子,在与靶分子结合以后,它带有的标记物可供反应后检测,从而反映出靶分子或其所在结构单元的各种信息。例如核酸分子探针,可通过嵌入作用、静电作用或者采用引物标记或衍生方法与核酸连接;又如蛋白质和酶等生物大分子的荧光探针,能在溶液中与蛋白质分子静电吸引或氢键结合。

  较之传统细菌计数法,分子探针具有不可比拟的优越性,主要体现在以下几点:(1)快速,例如用吖啶橙对细菌染色时,大约只需要 30 min的培养时间;用Live/Dead BacLight对细菌染色,培养时间也在15~20 min左右;(2)适用对象广泛,分子探针的靶物通常是细胞内普遍存在的生物大分子,不因细菌的种类不同而存在或缺乏,这种普适性也使得计数的结果更为准确;(3)可同光电技术等结合,使操作更为方便灵活。

  4.水质在线监测技术

  水质在线监测系统,又称为水质自动监测系统或水质实时监测系统,是指将多项水质指标的自动分析仪器和传感器组合起来并配以先进的控制芯片、网络通信和软件技术,把从采样、分析到记录、传输、处理数据的整个过程组成高度自动化的流程,从而实现在线多参数实时、快速、自动监测的技术。水质在线监测系统是环境监测原理、现代传感器技术、自动控制技术、网络通信、软件工程、大型数据库系统和环境评价管理交叉发展的产物。

  国外水质在线监测技术起步较早,90年代后期开发了多个水质监测网络系统,并已经实现了产品化,应用也越来越广泛。如Ecotech Pty Ltd.的WQMS(水质监测系统)采用了9400DAS数据采集系统,可以将模拟信号转换为数字信号并通过电话网实现远程通信,是一种集中式的数据采集系统。但缺点是无法进行现场设备间的通信,不能实现彻底的分散控制。近年来与水质自动分析关系密切的流动注射分析(Flow injection analysis,FIA)技术发展迅速,它通过多通道比例蠕动泵输送样品和试剂,让化学反应在密闭系统中受控进行,无需达到化学平衡即可按时序进行指标检测,使测定的重现性和分析速度大大提高,每小时测定的样品数高达300个。

  水质在线监测系统的技术核心是水质自动分析技术。水质自动分析技术就是将平时在实验室完成的水质分析过程,即药剂配制、预处理、反应和计量等过程完全自动化,并将它们组合在一起,通过一定的集成电路实现过程控制。表1列出了常见的水质在线监测项目及其主要的自动测定方法,这些方法基本都是广泛应用且得到标准认可的。

  表1 常见水质在线监测项目及测定方法

  项 目 测 定 方 法

  综合性指标 水 温 铂电极法或热敏电极法

  pH 值 电位法(pH玻璃电极)

  电导率 接触型传感器电导法

  浊 度 光散射法

  溶解氧 隔膜电极法(电位法或极谱法)

  氧化还原电位 铂电极法

  水质污染指标 高锰酸钾指数(CODMn) 微量滴定法

  总需氧量(TOD) 电位法

  总有机碳(TOC) 非色散红外吸收法或紫外吸收法

  UV254 紫外分光光度法

  水质组分指标 叶绿素 荧光光度法

  正磷酸盐 钼蓝比色法(或钼锑比色法)

  硝酸盐氮 紫外分光光度法

  亚硝酸盐氮 偶氮比色法

  氨 氮 电极法或纳氏试剂分光光度法

  苯 酚 比色法或紫外吸收法

  六价铬 比色法

  水质自动分析仪器代表了分析仪器的智能化方向发展,发展趋势主要表现为:基于微电子技术和计算机技术的应用实现分析仪器的自动化,通过计算机控制器和数字模型进行数据采集、运算、统计、分析、处理,提高分析仪器数据处理能力,数字图像处理系统实现了分析仪器数字图像处理功能的发展;分析仪器的联用技术向测试速度超高速化、分析试样超微量化、分析仪器超小型化的方向发展。传统的基于光学、电化学、色谱、波谱类水质分析技术都已从经典的化学精密机械电子学结构、实验室内人工操作应用模式,转化为光、机、电、算(计算机)一体化、自动化的结构,并正向更名副其实的智能系统发展(带有自诊断自控、自调、自行判断决策等高智能功能)。

  目前水质自动分析仪器还有“集成化”的发展趋势,即将多种水质指标的分析仪器组合在一起,共用检测或信号处理单元,一般称这类水质自动分析仪器为多参数水质自动分析仪,比较知名的有法国SERES公司的 SERES2000型多参数分析仪、ABB公司的Model 7976-000在线水质分析仪 、澳大利亚Greenspan的AQUALAB 和YSI系列多参数水质分析仪等。

  5.结语

  本文介绍了国际上三种主要饮用水水质安全性评价体系,阐述了饮用水安全性评价的风险分类内容,进行安全性评价所考虑的主要因素等;概要性地介绍了一些重要水质指标的定量和更新,列举了一些对饮用水安全性评价具有重要意义的新型检测仪器的发展,以及新型在线检测仪器系统的发展等。这对于从宏观上了解饮用水安全性评价体系以及相关的评价方法和仪器等,具有指导性的作用。

 

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