第35卷 第4期
1996年 7月中山大学学报(自然科学版) ACT A SCIEN T I AR U M N A T U R AL IU M U N IV ERSIT AT IS SU N Y AT SENI V o l. 35 No. 4Jul. 1996水源河流水质管理中的环境风险评价
李适宇 盛冈通
(中山大学环境科学研究所, 广州510275) (日本大阪大学环境工程系)
摘 要 以日本的淀川河为对象, 围绕3个以改善水源水质为目标的方案, 以T HM P 为水质指标, 用累积流量模型计算了各方案下两个主要取水口的水质浓度. 以此为基础, 用两种T HM
致癌率内插方法估算了饮用水中的T HM 引发的致癌风险, 并据此对各方案进行了评价.
关键词 河流水质管理, T HM , 风险评价
分类号 X 828
自从70年代初荷兰的研究者发现鹿特丹市的自来水中含有致癌性物质T HM (tri-halo methane ) , 并证实这是由于水源莱茵河中含有的腐植质等在净水处理时与氯气反应而生成的副产品之后[1], 世界各国尤其是发达国家出于对饮用水安全性的考虑, 对THM 生成的机理及抑制方法进行了大量研究[2]. 为了评价水体所含有机物在加氯消毒时产生T HM 的潜能, 研究者们制定了统一标准, 分析测试在与净水处理相似加氯条件下的T HM 产生量, 称之为T HM P(trihalomethane potential) , 以此作为评价指标. 调查结果表明, 河水中的T HM P 来源很广, 一般的生活污水和工业有机废水以及自然界中未受人为污染的河水中, 都不同程度地含有T HMP .
本文以日本关西地区最重要的水源河流淀川为对象, 运用环境风险评价的方法, 对几种水源水质管理方案下的取水口THM P 浓度进行计算, 并以THM 引发致癌风险的角度进行评价. [3]
1 对象河流及管理对策方案
淀川由木津川、宇治川及桂川3条河流在京都市南面汇合而成(图1). 这3条河流的平均流量分别为48m /s, 178m /s, 37m /s. 木津川和宇治川目前的水质较好, 但桂川因受京都市的污水处理厂排放水的影响, 水质较差. 大阪的两个最大的自来水厂的取水口都设在淀川, 其中村野水厂的取水口位于合流点下游约6. 4km 处的左岸, 取水量为200万m /d, 供水人口约400万人; 柴岛水厂的取水口位于合流点下游约23. 8km 处的右岸, 取水量为150万m 3/d , 供水人口约为300万人. 由于桂川污染物浓度较高, 3条河流汇合后沿淀川右岸形成一条污染带, 在横向扩散作用下向左岸扩展. 在村野取水口附近, 断面方 国家教育委员会留学回国人员科研基金资助项目
:3333
112中山大学学报(自然科学版) 第35卷向的浓度尚存在明显的差别, 右岸浓度高于左岸浓度, 而在下游的柴岛取水口附近, 全断面的水质已接近完全混合. 在村野取水口下游不远处, 有3条小河从左岸汇入, 这些小河流量很小, 但污染较严重.
图1 淀川示意图图2 水质管理对策方案
Fig. 2 A lt ernativ es for river quality management F ig. 1 M ap of the Y odo R iver
目前村野取水口附近的BOD 平均浓度约为2mg /L, 柴岛取水口附近则约为3mg /L. 从饮用水的安全性来说, 原水的污染越严重, 净水处理时需注入的氯气就越多, 生成的TH M 也就越多. 考虑到这一点, 有关部门提出3个旨在改善取水口水质的方案, 如图2所示. 方案1是将目前排入宇治川的洛南污水处理厂的排放水引到桂川去排放, 利用淀川的横向扩散特性改善村野的水质, 但对柴岛的水质改善起不到作用. 方案2是将3条小河的污水截流后排往柴岛的下游, 此举可改善柴岛的水质, 但对上游的村野并无作用. 方案3是将柴岛取水口转移到流量大、水质较好的宇治川, 一举改变其目前的困境.
2 负荷量及取水口水质计算
2. 1 负荷量
根据大阪市水道局连续两年对水源中的THM P 进行每月1次的调查结果[4], 发现汇流了河流的T HM P 负荷量L 与流量Q 之间的关系可以用以下的幂函数来表示:
L =a ・Q
利用L 和Q 的实测数据进回归分析,
求得各河流的回归系数a , b 值及相关
系数 , 结果如表1所示. 各河流的
值均在0. 9以上, 说明相关程度是相
当高的.
从回归分析结果可知, 3条河流
的T HM P 负荷量都是随流量增大而河流木津川宇治川桂 川b (1) 表1 回归系数与相关系数T ab. 1 Reg ressio n and cor relation coefficients a 1. 9440. 70116. 315b 1. 2491. 3400. 823r 0. 9790. 9420. 901
第4期 李适宇等:水源河流水质管理中的环境风险评价113增加. 这个结果印证了一个事实, 即T HMP 不仅存在于生活污水和工业废水那样的人为污染排放水中, 而且也存在于天然水体中, 可以看成是背景浓度. 河流流量增大时, 虽然人为污染负荷量不变, 但源自背景浓度的负荷量却增加了, 而且降雨冲刷引起地表的有机质流出亦会导致负荷量增加. 在3条河流中, 木津川和宇治川受人为污染影响较小, 其T HMP 负荷量中天然背景成分所占比例较多, 因此负荷量随流量增加的倾向较明显, 回归分析的结果是b 值较大. 相比之下, 受人为污染影响较大的桂川的b 值就较小.
小河流的THM P 实测数据较少, 难以求出负荷量与流量之间的关系, 故以平均负荷量作代表, 为71. 11kg /d. 另外, 洛南污水处理厂的排出负荷量为38. 40kg /d.
2. 2 水质模型
由于村野取水口附近的水质受到横向扩散的影响, 所以淀川的浓度用描述二维移流扩散的累积流量模型来计算:
2 =c (m x h u E Z c ) x q q q c =z
0[5](2) (3) m z hu d z
式中, x 与z 分别为河流纵向与横向坐标; c 为浓度; h 为水深; u 为垂向平均流速; E Z 为横向扩散系数; m x 与m z 分别为曲线坐标在x 与z 方向的度量系数.
2. 3 取水口处的T HMP 浓度
利用上述水质模型进行计算机模拟计算, 分别求出村野和柴岛两个取水口处在现状及3个水质管理方案的情况下的THM P 浓度, 其累积频率如图3所示. 计算时的流量是根据过去5a 每日实测的汇流3河流的流量数据进行聚点分析, 用非阶层方法求出有代表性的50个流量组合, 然后就每种组合分别进行水质浓度计算并求出相应的频率[6].
图3 取水口T HM P 浓度的累积频率
Fig . 3 Cumulat ive fr equency o f T HM P co ncentr atio n at w ater intakes
3 饮用水中T HM 的环境风险评价
3. 1 T HM 致癌率
由于无法从事人体试验, T HM 对人体的致癌率只能通过对动物试验的结果进行内插来推算. 住友[7]根据美国国立癌症研究所(N CI ) 对老鼠投喂三氯甲烷(THM 的一种) 引发癌症的试验结果, 用最小二乘法求出T HM 致癌率公式: P
(
114中山大学学报(自然科学版) 第35卷式中, P c 为致癌率(人/a) ; C 为饮用水中THM 浓度( g/L) . 在推求上式时, 假定人体重60kg, 每天饮用自来水2L. 此外, 美国EPA 提出的指南认为, 对应于三氯甲烷浓度为
-60. 19 g /L 的饮用水, 其致癌率为P c =10人/70a , 即每100万人中, 一生(70岁) 有1人得
癌症.
3. 2 致癌风险的估算
环境风险的定义是有害事件的发生频率与其造成损失的大小之乘积. 据此, 饮用水中的TH M 所引起的致癌风险R THM 可用下式来计算:
R THM =+∞
0[8]f (C ) ・P c (C ) d C (5)
式中, f (C ) 是饮用水中THM 浓度的概率密度, 可由概率分布求出.
村野和柴岛两取水口的T HM P 概率分布已于前节求得. 由于通常的净水处理过程可除去原水中THM P 的10%～40%, 在此为简便计, 假定原水中30%的T HM P 在净水中被除去, 其余70%与氯气反应生成T HM. 据此, 可按式(5) 用数值积分计算出饮用水中T HM 的致癌风险, 乘以供水人口后的致癌风险如表2所示.
表2 饮用水中THM 的致癌风险
T ab. 2 Car cinog enic risk o f T HM in drinking w ater 人/a
方 案
水 厂内插依据现状
村野住友公式
EPA 指南
住友公式
EPA 指南2. 2610. 542. 039. 50方案12. 2010. 292. 059. 60方案22. 2610. 541. 908. 87方案32. 2810. 641. 456. 73柴岛
3. 3 T HM 致癌风险评价
从表2的结果可知, EPA 的数据内插风险值是住友公式估算风险值的5倍左右. 现状条件下用住友公式估算的村野和柴岛的致癌风险分别为2. 26人/a 和2. 03人/a. 考虑到供水人口, 这个数值不算高. 方案1只能使村野的风险稍有降低, 而使柴岛的风险略有增加. 方案2可使柴岛的风险降低6. 5%, 比方案1效果好些, 但仍不显著. 方案3则可使柴岛的风险降低29%左右, 是效果较好的方案, 但由于取水后使宇治川流量减少, 使得污染较严重的桂川河水容易扩散至村野取水口, 令该处风险略为上升.
4 T HM 的环境风险控制和管理
THM 的环境风险控制和管理主要有三个途径. 一个是在净水处理中减少、抑制或防止TH M 的产生, 这包括在传统的净水处理流程前增加一个生物预处理工序, 部分除去原水中的T HM P ; 或设置电脑程序对氯气添加量进行严格实时控制, 防止过量注入而导致T HM 生成量增加; 或在砂过滤之后再作活性炭过滤以除去生成的T HM ; 或改变传统的净水工艺流程, 以臭氧代替氯气作杀菌消毒剂, 达到完全避免THM 生成的目的. 另一个途径是降低水源水体中的T HMP 含量, 包括通过对生活污水和工业废水的治理来削减THM P 排出量, T ,
第4期 李适宇等:水源河流水质管理中的环境风险评价115将取水口转移到较清洁的河流. 由于改变传统的净水工艺流程和取水口转移花费巨大, 且往往受到客观条件的制约而不易实施, 因此, 当THM 污染问题不太严重时, 应从加强净水处理效率, 严格控制氯气添加量以及实施以削减污染物排放量为主的流域水环境综合治理这几方面着手, 控制和降低由T HM 引起的环境风险.
参 考 文 献
1 Roo k J J. F or mation of halo for ms during chlo rination of natural wat er. W ater T r eatment and Ex-am inatio n, 1974, 23:234
2 丹保宪仁. 水道与T HM . 东京:技报堂出版社, 1983
3 日本土木学会水质研究小委员会. 公共用水域的有机氯化合物发生机理及除去研究报告书. 东京:
土木学会, 1981
4 大阪市水道局水质试验所. 水源中的T HM P 调查, 大阪市水道局水质试验所调查报告及试验结
果, 1983, 33:249
5 Y otsukura N , Say re W W. T r ansv erse mix ing in natur al Channels. W ater Reso ur ces Resear ch,
1976, 12(4) :695
6 李适宇, 八木俊策, 末石富太郎. 淀川的水质扩散及其对饮用水源的影响. 第31次水理讲演会论文
集, 1987, 311
7 住友恒. 上水道氯气消毒的安全性评价. 水道协会杂志, 1983, 52(3) :11
8 U S EP A. Statement of basis and purpose for an am endment to the natio nal-inter im pr ima ry
dr inking wat er r egulatio ns o n t rihalo methanes . Washing ton D C :Office o f Wat er Supply , 1978Environm ent al Risk A ssessment in River Q uality M anag ement
L i Shiy u T ohru M orioka
Abstract T hree management alternatives are pr opo sed for the pur pose o f improv ing the w ater quality of drinking water supply so urces in the Yodo Riv er , Japan. THM P lev els at tw o m ajo r intakes are calculated w ith the Cum ulative Discharge Mo del . Car cinogenic r isk of T HM in dr inking w ater w hich forms in the chlor ination pr ocess o f w ater purification is estimated by employ ing two different interpolation metho ds. The risk is evaluated and the effect of alternatives is discussed.
Keywords r iv er quality management , T HM , risk assessment
G
第35卷 第4期
1996年 7月中山大学学报(自然科学版) ACT A SCIEN T I AR U M N A T U R AL IU M U N IV ERSIT AT IS SU N Y AT SENI V o l. 35 No. 4Jul. 1996水源河流水质管理中的环境风险评价
李适宇 盛冈通
(中山大学环境科学研究所, 广州510275) (日本大阪大学环境工程系)
摘 要 以日本的淀川河为对象, 围绕3个以改善水源水质为目标的方案, 以T HM P 为水质指标, 用累积流量模型计算了各方案下两个主要取水口的水质浓度. 以此为基础, 用两种T HM
致癌率内插方法估算了饮用水中的T HM 引发的致癌风险, 并据此对各方案进行了评价.
关键词 河流水质管理, T HM , 风险评价
分类号 X 828
自从70年代初荷兰的研究者发现鹿特丹市的自来水中含有致癌性物质T HM (tri-halo methane ) , 并证实这是由于水源莱茵河中含有的腐植质等在净水处理时与氯气反应而生成的副产品之后[1], 世界各国尤其是发达国家出于对饮用水安全性的考虑, 对THM 生成的机理及抑制方法进行了大量研究[2]. 为了评价水体所含有机物在加氯消毒时产生T HM 的潜能, 研究者们制定了统一标准, 分析测试在与净水处理相似加氯条件下的T HM 产生量, 称之为T HM P(trihalomethane potential) , 以此作为评价指标. 调查结果表明, 河水中的T HM P 来源很广, 一般的生活污水和工业有机废水以及自然界中未受人为污染的河水中, 都不同程度地含有T HMP .
本文以日本关西地区最重要的水源河流淀川为对象, 运用环境风险评价的方法, 对几种水源水质管理方案下的取水口THM P 浓度进行计算, 并以THM 引发致癌风险的角度进行评价. [3]
1 对象河流及管理对策方案
淀川由木津川、宇治川及桂川3条河流在京都市南面汇合而成(图1). 这3条河流的平均流量分别为48m /s, 178m /s, 37m /s. 木津川和宇治川目前的水质较好, 但桂川因受京都市的污水处理厂排放水的影响, 水质较差. 大阪的两个最大的自来水厂的取水口都设在淀川, 其中村野水厂的取水口位于合流点下游约6. 4km 处的左岸, 取水量为200万m /d, 供水人口约400万人; 柴岛水厂的取水口位于合流点下游约23. 8km 处的右岸, 取水量为150万m 3/d , 供水人口约为300万人. 由于桂川污染物浓度较高, 3条河流汇合后沿淀川右岸形成一条污染带, 在横向扩散作用下向左岸扩展. 在村野取水口附近, 断面方 国家教育委员会留学回国人员科研基金资助项目
:3333
112中山大学学报(自然科学版) 第35卷向的浓度尚存在明显的差别, 右岸浓度高于左岸浓度, 而在下游的柴岛取水口附近, 全断面的水质已接近完全混合. 在村野取水口下游不远处, 有3条小河从左岸汇入, 这些小河流量很小, 但污染较严重.
图1 淀川示意图图2 水质管理对策方案
Fig. 2 A lt ernativ es for river quality management F ig. 1 M ap of the Y odo R iver
目前村野取水口附近的BOD 平均浓度约为2mg /L, 柴岛取水口附近则约为3mg /L. 从饮用水的安全性来说, 原水的污染越严重, 净水处理时需注入的氯气就越多, 生成的TH M 也就越多. 考虑到这一点, 有关部门提出3个旨在改善取水口水质的方案, 如图2所示. 方案1是将目前排入宇治川的洛南污水处理厂的排放水引到桂川去排放, 利用淀川的横向扩散特性改善村野的水质, 但对柴岛的水质改善起不到作用. 方案2是将3条小河的污水截流后排往柴岛的下游, 此举可改善柴岛的水质, 但对上游的村野并无作用. 方案3是将柴岛取水口转移到流量大、水质较好的宇治川, 一举改变其目前的困境.
2 负荷量及取水口水质计算
2. 1 负荷量
根据大阪市水道局连续两年对水源中的THM P 进行每月1次的调查结果[4], 发现汇流了河流的T HM P 负荷量L 与流量Q 之间的关系可以用以下的幂函数来表示:
L =a ・Q
利用L 和Q 的实测数据进回归分析,
求得各河流的回归系数a , b 值及相关
系数 , 结果如表1所示. 各河流的
值均在0. 9以上, 说明相关程度是相
当高的.
从回归分析结果可知, 3条河流
的T HM P 负荷量都是随流量增大而河流木津川宇治川桂 川b (1) 表1 回归系数与相关系数T ab. 1 Reg ressio n and cor relation coefficients a 1. 9440. 70116. 315b 1. 2491. 3400. 823r 0. 9790. 9420. 901
第4期 李适宇等:水源河流水质管理中的环境风险评价113增加. 这个结果印证了一个事实, 即T HMP 不仅存在于生活污水和工业废水那样的人为污染排放水中, 而且也存在于天然水体中, 可以看成是背景浓度. 河流流量增大时, 虽然人为污染负荷量不变, 但源自背景浓度的负荷量却增加了, 而且降雨冲刷引起地表的有机质流出亦会导致负荷量增加. 在3条河流中, 木津川和宇治川受人为污染影响较小, 其T HMP 负荷量中天然背景成分所占比例较多, 因此负荷量随流量增加的倾向较明显, 回归分析的结果是b 值较大. 相比之下, 受人为污染影响较大的桂川的b 值就较小.
小河流的THM P 实测数据较少, 难以求出负荷量与流量之间的关系, 故以平均负荷量作代表, 为71. 11kg /d. 另外, 洛南污水处理厂的排出负荷量为38. 40kg /d.
2. 2 水质模型
由于村野取水口附近的水质受到横向扩散的影响, 所以淀川的浓度用描述二维移流扩散的累积流量模型来计算:
2 =c (m x h u E Z c ) x q q q c =z
0[5](2) (3) m z hu d z
式中, x 与z 分别为河流纵向与横向坐标; c 为浓度; h 为水深; u 为垂向平均流速; E Z 为横向扩散系数; m x 与m z 分别为曲线坐标在x 与z 方向的度量系数.
2. 3 取水口处的T HMP 浓度
利用上述水质模型进行计算机模拟计算, 分别求出村野和柴岛两个取水口处在现状及3个水质管理方案的情况下的THM P 浓度, 其累积频率如图3所示. 计算时的流量是根据过去5a 每日实测的汇流3河流的流量数据进行聚点分析, 用非阶层方法求出有代表性的50个流量组合, 然后就每种组合分别进行水质浓度计算并求出相应的频率[6].
图3 取水口T HM P 浓度的累积频率
Fig . 3 Cumulat ive fr equency o f T HM P co ncentr atio n at w ater intakes
3 饮用水中T HM 的环境风险评价
3. 1 T HM 致癌率
由于无法从事人体试验, T HM 对人体的致癌率只能通过对动物试验的结果进行内插来推算. 住友[7]根据美国国立癌症研究所(N CI ) 对老鼠投喂三氯甲烷(THM 的一种) 引发癌症的试验结果, 用最小二乘法求出T HM 致癌率公式: P
(
114中山大学学报(自然科学版) 第35卷式中, P c 为致癌率(人/a) ; C 为饮用水中THM 浓度( g/L) . 在推求上式时, 假定人体重60kg, 每天饮用自来水2L. 此外, 美国EPA 提出的指南认为, 对应于三氯甲烷浓度为
-60. 19 g /L 的饮用水, 其致癌率为P c =10人/70a , 即每100万人中, 一生(70岁) 有1人得
癌症.
3. 2 致癌风险的估算
环境风险的定义是有害事件的发生频率与其造成损失的大小之乘积. 据此, 饮用水中的TH M 所引起的致癌风险R THM 可用下式来计算:
R THM =+∞
0[8]f (C ) ・P c (C ) d C (5)
式中, f (C ) 是饮用水中THM 浓度的概率密度, 可由概率分布求出.
村野和柴岛两取水口的T HM P 概率分布已于前节求得. 由于通常的净水处理过程可除去原水中THM P 的10%～40%, 在此为简便计, 假定原水中30%的T HM P 在净水中被除去, 其余70%与氯气反应生成T HM. 据此, 可按式(5) 用数值积分计算出饮用水中T HM 的致癌风险, 乘以供水人口后的致癌风险如表2所示.
表2 饮用水中THM 的致癌风险
T ab. 2 Car cinog enic risk o f T HM in drinking w ater 人/a
方 案
水 厂内插依据现状
村野住友公式
EPA 指南
住友公式
EPA 指南2. 2610. 542. 039. 50方案12. 2010. 292. 059. 60方案22. 2610. 541. 908. 87方案32. 2810. 641. 456. 73柴岛
3. 3 T HM 致癌风险评价
从表2的结果可知, EPA 的数据内插风险值是住友公式估算风险值的5倍左右. 现状条件下用住友公式估算的村野和柴岛的致癌风险分别为2. 26人/a 和2. 03人/a. 考虑到供水人口, 这个数值不算高. 方案1只能使村野的风险稍有降低, 而使柴岛的风险略有增加. 方案2可使柴岛的风险降低6. 5%, 比方案1效果好些, 但仍不显著. 方案3则可使柴岛的风险降低29%左右, 是效果较好的方案, 但由于取水后使宇治川流量减少, 使得污染较严重的桂川河水容易扩散至村野取水口, 令该处风险略为上升.
4 T HM 的环境风险控制和管理
THM 的环境风险控制和管理主要有三个途径. 一个是在净水处理中减少、抑制或防止TH M 的产生, 这包括在传统的净水处理流程前增加一个生物预处理工序, 部分除去原水中的T HM P ; 或设置电脑程序对氯气添加量进行严格实时控制, 防止过量注入而导致T HM 生成量增加; 或在砂过滤之后再作活性炭过滤以除去生成的T HM ; 或改变传统的净水工艺流程, 以臭氧代替氯气作杀菌消毒剂, 达到完全避免THM 生成的目的. 另一个途径是降低水源水体中的T HMP 含量, 包括通过对生活污水和工业废水的治理来削减THM P 排出量, T ,
第4期 李适宇等:水源河流水质管理中的环境风险评价115将取水口转移到较清洁的河流. 由于改变传统的净水工艺流程和取水口转移花费巨大, 且往往受到客观条件的制约而不易实施, 因此, 当THM 污染问题不太严重时, 应从加强净水处理效率, 严格控制氯气添加量以及实施以削减污染物排放量为主的流域水环境综合治理这几方面着手, 控制和降低由T HM 引起的环境风险.
参 考 文 献
1 Roo k J J. F or mation of halo for ms during chlo rination of natural wat er. W ater T r eatment and Ex-am inatio n, 1974, 23:234
2 丹保宪仁. 水道与T HM . 东京:技报堂出版社, 1983
3 日本土木学会水质研究小委员会. 公共用水域的有机氯化合物发生机理及除去研究报告书. 东京:
土木学会, 1981
4 大阪市水道局水质试验所. 水源中的T HM P 调查, 大阪市水道局水质试验所调查报告及试验结
果, 1983, 33:249
5 Y otsukura N , Say re W W. T r ansv erse mix ing in natur al Channels. W ater Reso ur ces Resear ch,
1976, 12(4) :695
6 李适宇, 八木俊策, 末石富太郎. 淀川的水质扩散及其对饮用水源的影响. 第31次水理讲演会论文
集, 1987, 311
7 住友恒. 上水道氯气消毒的安全性评价. 水道协会杂志, 1983, 52(3) :11
8 U S EP A. Statement of basis and purpose for an am endment to the natio nal-inter im pr ima ry
dr inking wat er r egulatio ns o n t rihalo methanes . Washing ton D C :Office o f Wat er Supply , 1978Environm ent al Risk A ssessment in River Q uality M anag ement
L i Shiy u T ohru M orioka
Abstract T hree management alternatives are pr opo sed for the pur pose o f improv ing the w ater quality of drinking water supply so urces in the Yodo Riv er , Japan. THM P lev els at tw o m ajo r intakes are calculated w ith the Cum ulative Discharge Mo del . Car cinogenic r isk of T HM in dr inking w ater w hich forms in the chlor ination pr ocess o f w ater purification is estimated by employ ing two different interpolation metho ds. The risk is evaluated and the effect of alternatives is discussed.
Keywords r iv er quality management , T HM , risk assessment
G