饮用水水质监测预警技术研究进展

选择藻类作为水源水质监测预警的最主要原因是 水体水质的变化会对藻类产生影响。藻类的叶绿素 a 浓度是指示水体富营养化的重要指标 [24]，监测手段简 单快捷，应用广泛。藻类对水体中重金属、有机污染物、 农药有很好的监测效果。重金属进入水体被藻类吸收 后，将影响藻类蛋白质和 DNA 的合成，引起藻类生 理机能紊乱，光合作用降低，从而降低藻类的种群数 量和种类组成。Lamaia[25] 研究表明，水生藻类对镉和 铅的积累效应受剂量和时间 影响，并且对铅的富集能 力更强。刘静玲 [26] 等研究了几种硝基芳香族化合物 对斜生栅藻的毒性效应。
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措施 [2]。化学、生物学、信息技术等相关学科的发展 为水质监测预警技术的发展提供了必要的技术支持， 丰富了监测预警的方法和手段。本文就水质监测预警 技术的特点、现状及在饮用水行业应用情况进行综述。
1. 基于理化分析理论的常规监测技术 1.1 技术特点 基于理化分析理论的常规水质监测技术是指采用 各种仪器，通过定量或定性的方法，直接测定水环境 中有毒有害物质的浓度，这一类监测方法针对性强， 精确度高，反应敏感，可监测污染物的种类及含量， 实现在线的量化监测 [3]。许多污染物的标准化学检测 方法可以直接应用于水质监测预警系统中，有些污染 物可用替代参数来监测，替代参数的监测技术成熟、 仪器仪表经济可行，与特定污染物具有一定表征关系， 同时表征污染程度的能力可通过数据分析、处理来进 一步提高。 1.2 监测指标 光学、电化学、自动化技术的发展推动了水质 自动监测仪器的不断更新进步，水温、pH 值、浊度、 电导率、溶解氧（DO）等常规水质检测项目已经非常 成熟，国内外专业化的仪器设备制造厂商众多。溶解 性有机物（BOD、COD、TOC、VOC、UV）、营养盐类（氮、 磷等）、生物毒理学指标（重金属类等）等 [4] 也随着 新技术的不断创新而逐步得到完善，相关产品也有了 市场供应。 1.2.1 浊度 浊度表征水样浑浊程度的指标，由于水中含有泥 沙、浮游生物、悬浮物和难溶性物质（有机物和无机 物）而导致光线透过时阻碍程度增加，是一项物理性 状感官项目。水的浑浊度越高，反射光和散射光越强，
唐承佳 [15] 等人利用淡水发光菌——青海弧菌 Q67 对受微囊藻毒素污染的太湖贡湖湾水源地进行水质毒 性试验，他们发现水体中溶解态微囊藻毒素与 Q67 急 性毒性效果相关系数达到 0.643（P<0.01）, 完全可以 作为水源水微囊藻毒素监测指示生物。2008 年的汶川 大地震，利用淡水发光细菌——青海弧菌检测对受灾 区饮用水源的安全性进行快速准确的判断，起到了非 常好的效果。西班牙学者 AdelaFemadez[16] 利用生物发 光菌监测作为水源水的 Tomes 河，结果显示随着季节 性变化以及当地工农业废水的流入，河流污染物承载 能力下降，并且水中有致癌物质出现。
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而透射光越弱 ；反之，反射光和散射光越弱，而透射 光越强，水的浊度越低。因此，测定散射光与透射光 强度间的变化，可以测得水的浑浊程度。
1.2.2 电导率 电导率是以数字形式表示水溶液传输电流能力的 大小。纯水的电导率很小，当水中含有无机酸、碱或 盐时，电导率增加，因此常用于间接推测水中离子成 分的总浓度。水中电导率取决于离子的性质和浓度以 及水的温度和粘度等，电导率随温度变化而变化，温 度每升高 1℃，电导率约增加 2 ﹪。 1.2.3 总氮 总氮指的是水样中的可溶性及悬浮颗粒中的含氮 量。生活污水或含氮工业废水排入水体，使水中有机 氮和各种无机氮化物含量增加，生物和微生物类的大 量繁殖，消耗水中溶解氧，使水体恶化。总氮是衡量 水质的重要指标之一。 1）过硫酸盐消解 - 光度法 水样经 NaOH 调节 pH 后，加入过硫酸钾于 120℃ 加热消解 30min。冷却后，用 HCl 调节 pH，于 220nm 和 275nm 处测定吸光信号，经换算得到总氮浓度值。 2）密闭燃烧氧化 - 化学发光分析 将水样导入反应混合槽内，通过载气将水样与放 有催化剂的反应管（干式热分解炉，850℃）中进行 氧化反应，将含氮化物转化为 NO 后，使其与臭氧反应， 通过测定由反应过程中产生的准稳态 NO2 转变为稳态 NO2 产生的化学发光，经换算得到总氮的含量 [5]。 常规水质监测方法在有毒物质污染水体时被用于 鉴别污染物具有不可替代的地位，但是只有少数常规 水质参数可以实现在线监测 [6]，个别污染物质（如二 噁英等）无法实现在线监测，也不能实现水质实时预 警的需求 ；部分替代参数对污染物进行监测，监测效 果可能“失真”；同时在线监测仪器对突发性水质变 化检出概率低。[7] 实验室监测有时间周期较长、样品 保存不易、程序复杂等问题，需要一批有较高水平的 专业水质监测人员，设备维护费用较高。[8] 2. 基于生物学原理的水质综合毒性监测技术 生物学方法是把生物监测技术与环境科学相结合 的一种方法，包括生态学方法、毒理学方法等，其不 仅可以用来测定和评价单一化学物质对生物的影响， 还能直接用来测定工业废水的毒性及多种化学物质的 联合毒性。[9] 利用水生生物在一定的水环境条件下， 由于水体污染物的影响而产生的生物种群 / 群落、生
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① 直接抑制参与发光反应的酶类活性 ；②抑制细胞内 与发光反应有关的代谢过程 。在一定的毒性浓度范围 内，有毒物质浓度与发光细菌发光强度成比例关系， 样品的毒性越强，发光细菌的发光强度就越弱，根据 这一特性，利用发光细菌对环境中有毒样品进行测定， 以光电倍增管等装置放大检测其抑制程度，综合判断 样本毒性大小，该技术被称为发光菌毒性检测技术 （lum inescent bacteria toxicity test），简称 LBT[14]。
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徐孟进 1,2 贾瑞宝 2
(1．山东建筑大学，山东济南 250101； 2 . 山东省供排水水质监测中心，山东济南 250021）
摘要：当前，饮用水水质污染事件频发，水质监测预警技术成为保障饮用水安全领域的研究热点。本文 分析了常规在线监测技术原理及优劣势，重点介绍了鱼类、水蚤、发光菌、藻类等生物综合毒性监测技术和 多维矢量水质综合预警技术，并对饮用水水质监测预警技术发展方向做出了展望。
湘江重金属水污染
三甲基乙氯硅烷
铅、砷、锌、铍等 重金属
江苏盐城水污染事件
酚类化合物
2008 年 6 月 贵州都柳江砷污染事件 砷
2007 年 5 月 2005 年 11 月
太湖蓝藻污染事件 松花江硝基苯污染事件
异臭物质
苯、苯胺、硝基苯 等有机物
所谓水质监测预警，是指对一定时间和空间范围 内的水环境水质状况进行监测、分析、评价，估算水 体负荷量，通过生态环境状况和人为行为的分析，对 水体未来发展状况进行预测，预报不正常状况的时空 范围并量化危险程度等级，按需要给出变化或恶化的 各种警戒信息及相应的综合性对策，即对已出现问题 提出解决方案，对未出现或即将出现的问题给出预防
发生时间
事件名称
主要污染物
2012 年 12 月 山西长治苯胺泄露事故 苯胺
2012 年 1 月 广东龙江镉污染事故
重金属镉
2011 年 6 月 新安江水污染事件
苯酚
2011 年 8 月 2010 年 7 月 2009 年 4 月 2009 年 2 月
江西瑞3 水蚤环境毒性检测技术 水蚤（大型蚤）属于节肢动物门甲壳纲水生无脊 椎动物，除少数生活在海水中，多数是淡水水域中的 浮游动物，根据它生活周期短、繁殖迅速、易于培养、 对环境毒素反应敏感等特性，被应用于有毒物质、工 业废水、地表水和地下水的生物检测中。 美国科学家 Viehoever[17] 早在 1982 年就应用水蚤 进行水质毒理学试验 . 认为水蚤类比鱼类更为敏感。 英国的学者 Anderson（1944）[18] 将水蚤毒性实验应用 于防止工业废水污染上，通过近二十年的实验研究， 他认为水蚤类比鱼类更为敏感，并发表了有关工业废 水中 25 种毒物的毒性试验结果。我国在 1991 年建立 了蚤类（大型蚤）的急性毒性测定方法，通过测定物 质或废水的半数抑制浓度，半数致死浓度（24h-EC50、 24h-LC50 或 48h-EC50、48h － LC50）， 用 于 判 断 物 质或废水的毒性程度 。 [19] 另外，水蚤的运动速率、心跳速率、游泳能力等 也是水质监测的信息指标 [20]。早起预警系统使用光电 检测器来测算出水蚤的位移能力，由此判断水蚤的生 命活动，从而得知水质受污染状况。1991 年，比利 时 Persoone 等提出了“微型无需培养基即时生物测试” 的概念，他利用高速摄像系统来测算水蚤的运动速率， 其研究成果——微型生物即时毒性测试仪在世界各国
关键词：饮用水；水质；监测预警；技术进展；
引言 近年来，我国水污染事件频繁发生（见表 1），水 质污染不仅给国家造成了不可估量的经济损失，更重 要的是对城市供水水质安全带来重大威胁，严重影响 了当地居民正常的饮用水供应。因此，对城市供用水 系统水质进行有效监测预警，对确保饮用水安全意义 重大。
表 1 近年来国内影响较大的水污染事件
物组织污染分析、微生物试验、毒性试验来测试水体 的污染状况 [10]。该技术能够综合反应水质的毒性情况， 是一项可以对水质进行一定程度综合预警的技术。
2.1 生物鱼识别技术 生物鱼类对水质环境变化的反应十分敏感，有毒 有害污染物一旦进入水体就会引起鱼类生理特征发生变 化，如眼口变大、腹部皮肤颜色变深、反应迟钝、生命 活动降低等情况，由此判断水中污染物种类和毒性。 Bdding 早在 1929 年就将生物鱼应用于水环境监 测预警中，该研究根据鱼类的呼吸变化情况指示环 境污染的毒性 [11]，以后人们对鱼的逆流运动、呼吸 频率、趋向性进行检测，并不断改进信息生成系统。 Schalie 等 [12] 在 美 国 陆 军 环 境 卫 生 研 究 中 心 (the US Army Center for Environmental Health Research) 利用蓝鳃 鱼开发出了生物鱼在线监测预警系统，该系统利用鱼 类作为水质安全监测的指示生物。该系统已进入实现 商业化开发，在纽约市水库的多处进行了测试。另外， 德国、法国、日本和英国等国已出现鱼类预警系统专 利。在我国，很多地方采用日本青鳉和斑马鱼作为水 质在线预警鱼类，其水中活动可以通过三维数据传到 计算机中，通过数据分析，就能判断鱼的生命体征是 否有变化，从而监测水中是否有污染物侵入以及水质 的变化情况。 中国科学院烟台海岸带研究所任宗明等人对日 本青鳉做了大量实验。他们通过研究不同浓度高锰 酸钾及氯化锰对日本青鳉胚胎—幼鱼孵化成长的影 响，评价高锰酸钾及其副产物（Mn2+）对日本青鳉的 毒性效应，结果显示高锰酸钾和氧化锰对日本青鳉的 LC50—96h 分别为 1.48mg/L 和 550mg/L，高锰酸钾对 青鳉鱼的急性毒理作用显著，主要是氧化损伤导致 ； 而氧化锰对日本青鳉属低毒性，主要导致生物慢性中 毒，急性毒性很少见，两种物质对孵化率影响也不显 著。根据日本青鳉对两种物质的毒理学反应情况，在 出水口设置生物鱼监测设备，这对于采用高锰酸钾作 为饮用水生产预氧化剂的水厂，判断滤后出水高锰酸 钾和锰离子 (Mn2+) 是否超标，提供了一个很好的依据。[13] 2.2 发光菌识别技术 发光细菌是一类在正常的生理条件下能够发射荧 光的细菌 , 这种可见荧光波在 450~490nm 之间，在黑 暗处肉眼可见。在一定条件下发光细菌的发光强度是 恒定的，当发光细菌细胞受到毒性物质作用后，其活 性将受到抑制，从而导致发光降低，其作用机理为 ：