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[導讀] 可以從四個維度來分析人們獲取水質指標數據的目的：了解雜質濃度;預測水質變化;控制和優(yōu)化水處理工藝;評估水質安全。目的清楚了，接下來讓我們看看目前具體有哪些水質指標：物理指標、成分指標、 評估性綜合指標、水質轉化潛能指標、工藝指標、替代指標。

　　按照維基百科的定義， “水質是指水的化學、物理、生物和放射性特性，它是和一種或多種生物物種的需求或任何人類的需要或目的有關的水的狀況的衡量?！?/span>

　　( 抱歉，第二句是直接從英文“It's a measure of the condition of water relative to the requirements of one or more biotic species and or to any human need or purpose”. 翻譯的，有點拗口。)

　　個人認為： 這個定義反映了人類自古以來對待自然資源的態(tài)度，那就是“對人有什么用?” (在今天，相信沒有人會對 “水是地球上最寶貴的資源” 這個說法有異議了)

　　就目前的認知而言，水是地球生物生長、繁衍的源泉;也是滿足人類生活、生產、游戲等活動，乃至精神層面的高級需求(腦中閃過“逝者如斯乎”等等若干歌詠水的詩詞)的要素;當然，還是這個星球生態(tài)環(huán)境安全的基礎。

　　(不好意思，不小心似乎成了白話版的“水是生命之源、生產之要、生態(tài)之基”)

　　水的優(yōu)劣是依據不同的水質指標來進行衡量的。

　　不同用途的水有著不同的水質指標要求。

　　自然界中的水，是由水分子和其他物質(雜質)組成的混合物質。(重點來了：人們常說的水，其實并不只是化學課本里的那個分子式是H₂O，被稱作水分子的物質。)

　　完全不含雜質的水，在地球的自然狀態(tài)下是不存在的。而且，就算費了九牛二虎之力生產出雜質含量極低的純水，除了昂貴，也是不適合地球生物直接飲用的。(有一則網上流傳的故事：美國IBM公司伯靈頓水廠的環(huán)保部門經理埃里克·伯利納，忍不住嘗試喝了一小口IBM半導體工廠中經過18道工序制備的，去除了雜質的“超純水”，評價是：“根本不好喝。味道很沖、很苦，太難喝了”)

　　正是由于水中雜質的存在，才使得人們日常接觸到的水表現(xiàn)出各種不同的物理、化學、生物學特性。

　　水質指標就是表征水的這些不同特性的參數，又或者是水中除水分子之外的其他物質(雜質)濃度的量

　　水質指標的種類和數量是伴隨著人類社會的發(fā)展，尤其是人口增加帶來的水使用范圍的擴大、水處理工業(yè)的發(fā)展以及分析技術的進步不斷增加的。

　　在農耕時代，水的用途主要是飲用、灌溉、洗滌等;那時候的飲用水，基本都是直接取自河流、湖泊或者居住地附近的井水、泉水?；静挥锰幚砘蛘咧恍枰唵蔚某恋?、過濾就能滿足人們使用的要求。先民們用來判斷水是否可以喝(書面語是“直接飲用”)的那些水質指標，都是諸如嗅味、顏色、透明度、肉眼可見雜質等少數幾個物理指標;

　　PS： 古人已經會根據水質的差異來決定水的不同用途，有詩為證：“滄浪之水清兮，可以濯吾纓;滄浪之水濁兮、可以濯吾足?！卑自捑褪牵骸昂铀迩逑疵崩t;河水渾濁可洗腳”

　　特別要感謝我們聰明的祖先，不知從什么時候開始讓中國人養(yǎng)成了喝白開水的好習慣。雖然可能那時候的人們還沒有一丁點兒水源性疾病的概念，但是燒開水確實能殺死水中的致病微生物。這個習慣保持至今，讓不少中國人免受了由喝生水帶來的疾病折磨。(熱水是好的，那些讓生病的女友多喝熱水的男朋友們，就算你們常常被吐槽，對的事情，還是要堅持的)

　　科學技術的進步，帶動了各種分析設備的發(fā)明，從而發(fā)現(xiàn)了許多原來一直在水中存在，但是卻不為人知的其他物質(不管你知不知道，它都一直在那兒)，水質指標的數量開始有了增加。最著名的例子有：直到17世紀，荷蘭人列文虎克才用自己發(fā)明的顯微鏡第一次觀察到雨水中存在的大量微生物。

　　進入工業(yè)化時代以來，現(xiàn)代城市也開始出現(xiàn)，城市里的場景是：隨著越來越多的人們聚居在城市中，不能再像以前住在鄉(xiāng)下那樣能隨便打水了，就出現(xiàn)了自來水廠(小時候聽我爺爺講，我老家在嘉陵江邊，在沒有自來水以前，城里人除了用井水，還要靠買江水。我太爺爺年輕時就做過挑水工人，每天清早都會去到江邊，用水桶打上江水，然后擔著水爬好幾百級臺階，到城里叫賣);后來，人們日常生活產生的污水也不能隨意亂排了，建起了污水處理廠;在大型工廠里，也必須對水進行處理，才能用于生產;用過的水，也必須處理以后才能排放到環(huán)境中。

　　這個時期，一方面由于化學工業(yè)等重工業(yè)的飛速發(fā)展，新的化學物質不斷產生，最終都會經過各種不同的途徑進入到水中。另一方面由于伴隨著發(fā)達國家城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展起來的飲用水、污水處理、工業(yè)水處理工業(yè)的快速成長(大型工廠，像采用蒸汽發(fā)電的火電廠，必須對水進行處理、凈化，才能進入鍋爐，防止造成水在鍋爐里結垢)，出現(xiàn)了大批水處理工藝參數、綜合指標等新型水質指標;同時，各種水處理化學品被普遍應用于水處理過程，最終都會有殘留在水中。所有這些因素，導致水質指標的數量出現(xiàn)了爆炸式的增長。

　　第二句話信息量有點大，舉個例子：

　　在現(xiàn)代飲用水廠，在除藻、絮凝、消毒等工藝，會有各種不同的水處理化學品被加入水中，以保證到達居民家中的自來水達到可飲用的衛(wèi)生標準，其中最著名的就是用來殺滅細菌、病毒等微生物的液氯。

　　氯進入水中以后，會和水分子以及水中其他的雜質發(fā)生一系列的化學反應，除了生成具有殺菌功能的次氯酸以外，還會和水中的有機物反應生成一系列新的被稱作消毒副產物的含氯有機化合物(據說有致癌風險，消毒副產物在當今的飲用水界不小心就成了網紅)。

　　自來水中溶解的氯氣以及次氯酸等具有殺菌功能的化學物質，被統(tǒng)稱為余氯;由于余氯的量關系到水中微生物的滋生情況，有時也被作為微生物指標。

　　那些死去的細菌和藻類，還會釋放內毒素或藻毒素等物質到水中。

　　上面提到這些化學物質，幾乎都成為了重要的飲用水水質指標。

　　另外，在紫外消毒工藝出現(xiàn)以前，氯消毒也是城市污水(包括醫(yī)院廢水)主要的消毒工藝。消毒過程產生的副產物自然也會隨著經過處理的污水進入到環(huán)境水體中;城市污水的排放標準中也有了對相應水質指標，如三氯甲烷和可吸附鹵素(AOX)濃度的最高值要求。

　　隨著水的利用日益增加，人類對水的認知也不斷深入，作為一門應用科學的水質學應運而生，其研究的主要目的就是為了解決水環(huán)境保護和水利用過程中諸多涉及水質的實際問題(當然，相信也有某些科學家只是單純的為了滿足好奇心而從事水質研究的)。

　　從實用角度來看，可以從四個維度來分析人們獲取水質指標數據的目的：

　　了解雜質濃度;預測水質變化;控制和優(yōu)化水處理工藝;評估水質安全。

　　分別說明一下：

　　了解雜質(污染物)濃度，很容易理解，主要就是獲得水中雜質(尤其是有害成分)的濃度數據，根據這些數據進行管理，現(xiàn)在各國的污染物排放監(jiān)管法規(guī)越來越嚴格(例如：中國將在2018年1月1日正式實施的“環(huán)境保護稅法“明確了以排放水中的污染物當量來征收環(huán)境稅);或者指導水的分級使用(灌溉、游戲、作為飲用水水源、景觀、各種工業(yè)用途等等);或者諸如水中污染物濃度超過標準值報警等等作用。

　　預測水質變化：環(huán)境中天然狀態(tài)下水，會隨著外部環(huán)境條件的改變而發(fā)生變化;而人工處理的水，在處理、儲存、輸送、使用過程中也會發(fā)生變化，需要基于水質指標數據，對水質變化做出預測，降低水質安全風險。

　　控制和優(yōu)化水處理工藝：控制和優(yōu)化水處理工藝的目的是保證處理后的水質達到標準要求，節(jié)約處理過程的能耗，節(jié)省水處理化學藥品的消耗。所有的控制和優(yōu)化都離不開水質數據的支持。

　　評估水質安全： 重要的內容最后講。其實前面所做的一切都是為了水安全(水安全包括充足的水量和水質安全兩個方面的內容，這里我們只討論水質安全問題)。

　　狹義的水質安全是主要指飲用水以及和人體直接接觸的各種水(泳池、醫(yī)療用水等)-這是人們最關心的;現(xiàn)在還加上了生態(tài)安全的問題，人們已經認識到了，環(huán)境水質的惡化將會嚴重影響生態(tài)安全。

　　廣義的水質安全還包括生產安全，對工業(yè)生產來說，水質會影響到工業(yè)企業(yè)生產裝置和設備的運行安全(如鍋爐、汽輪機、加熱管線等等);以及最終產品的品質(前面說過的IBM半導體工廠的用水必須是經過若干工序嚴格處理的超純水，否則，根本做不出合格的芯片-(按照電子工業(yè)的術語叫“良品率”低)。污染水體對種植、水產養(yǎng)殖等農業(yè)生產的危害更是眾人皆知，這里不再啰嗦。

　　目的清楚了，接下來讓我們看看目前具體有哪些水質指標：

　　1、 先說簡單的物理指標，最早的物理指標大多是通過人的感官就能觀察到的一些性質，如：透明度、嗅味，渾濁度、顏色(色度)、溫度等等。古人的經驗已經告訴我們，這些指標在評估水質安全方面的價值了;發(fā)展到今天，濁度、透明度、色度等好些水質指標已經得以量化，可以通過分析儀器準確測量了。

　　2、 成分指標： 天然水體中包括重金屬離子、無機陰離子(氯離子、硫酸根等)、溶解氣體(氧、二氧化碳等)、溶解性有機物等在內的各種天然雜質;微生物、藻類及其代謝產物，以及經過各種途徑(雨水、土壤流失、人和動物的排泄物等等)進入水體的人工合成化合物，乃至這些物質在自然界的反應產物或者通過生物體代謝的產物。這些物質隨著分析技術的發(fā)展而逐漸被發(fā)現(xiàn)，就像前面提到的列文虎克發(fā)現(xiàn)水中微生物的故事，許多水質指標都是這樣出現(xiàn)的。

　　成分指標也包括在飲用水、工業(yè)用水，凈化后的污水以及再生水等經過人工處理的水中，人為添加的水處理化學品及其反應產物，如飲用水中的余氯和消毒副產物等。(飲用水中最具代表性的一類消毒副產物是三鹵甲烷;由于三鹵甲烷的含量很低，直到20世紀六十年代一種叫做“電子捕獲器(ECD)“的分析設備的出現(xiàn)，才被人們所知)

　　成分指標分為單一成分指標和綜合成分指標。綜合指標是指具有相同或者相似化學、生物學特性的一類物質的量。比如：總有機碳、總磷、總氮、PH值、細菌總數等等。

　　成分指標是數量最為龐大的一類水質指標，目前各種水質標準中提到的化學指標、重金屬指標、微生物指標等一般都屬于成分指標范疇，由于新的化學物質的研制、生產和使用，一直都不斷在出現(xiàn)新的成分指標。

　　3、 評估性綜合指標：這類指標不是指水中某種已知雜質的濃度，而是表征在水中的化學生物成分和物理特性的共同作用下，水會表現(xiàn)出某些特定的化學或生物學屬性或能力。評估及綜合性指標往往通過人為設定實驗條件得到結果，這類指標中最有代表性就是大家耳熟能詳的COD(化學耗氧量)，表示在特定條件下，水中能被強氧化劑氧化的物質需要的氧的量;

　　COD現(xiàn)在是評估水有機污染程度最重要的指標。其他常用的評估性綜合指標還有硬度(最初表示水中離子沉淀肥皂的能力)、堿度、BOD(生化需氧量)等等。

　　生物毒性指標，生物毒性表示水中的化學雜質整體所表現(xiàn)出來的對某種生物的毒性效應。主要分為急性毒性指標和遺傳毒性指標，是快速評價未知成分的水是否安全的非常有價值的指標(現(xiàn)實中，受制于技術水平、分析成本等諸多因素，現(xiàn)在的分析技術無法做到分析窮盡水中所有的成分)。

　　在實際應用中，“生物毒性“作為一類特殊的評價性指標，常用來直接評估飲用水水質安全性。具體方法是選用某種生物(如發(fā)光細菌或者大型蚤、藻類等等)作為標準樣品生物，用儀器檢測這些生物接觸待測水樣后的反應。

　　4、 水質轉化潛能指標，反應水質在諸如處理、儲存、輸配過程中隨時間發(fā)生變化的趨勢或者評估加入某種化學物質以后水質的變化潛能;主要分為水質穩(wěn)定性(生物穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性)和水處理特性兩類;

　　例如，“消毒副產物生成勢“這個指標就是在水處理過程中，用來衡量水源加入氯氣(或其他消毒劑)消毒以后消毒副產物的生成潛力的。

　　“同化有機碳(AOC)”，則用來評估飲用水在輸配管網中微生物的最大生長潛力(在輸配管網中，水中的余氯、鈣鎂離子、硫酸鹽等化學物質、微生物，以及管道自身的材質、管壁附著的微生物、水垢以及水流速等的相互作用，形成了一個十分復雜的系統(tǒng)，AOC作為生物穩(wěn)定性指標，和其他的生物和化學穩(wěn)定性指標是評估和預測飲用水經過管網輸配，到達居民家中時水質狀況的重要指標;例如：打開水龍頭，出現(xiàn)“黃水”，往往是因為水的化學穩(wěn)定性出了狀況，輸水管道被腐蝕，鐵溶解到了水中。

　　廣義上講，水質評價常常用到的BOD也是衡量廢水可生化性能的一個非常有用的指標(BOD本身還是評價水有機污染的水質指標和廢水生物處理工藝中重要的工藝指標)。

　　另外，現(xiàn)在常常出現(xiàn)某地湖泊水庫藻類爆發(fā)的新聞，主要就是因為水體中的氮磷等物質濃度超過一定水平(常說的“富營養(yǎng)化”)，在適宜的環(huán)境條件下(溫度、日照、水流速度等)發(fā)生的。藻類爆發(fā)的危害很大(藍綠藻中釋放的微囊藻毒素是迄今發(fā)現(xiàn)的最強的肝腫瘤促進劑)，如果能根據獲得的水質數據(中國用于水體富營養(yǎng)化評估的水質指標分別是：葉綠素、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(CODMn)和透明度)和環(huán)境、氣象數據提前預測，提早介入，可以有效降低爆發(fā)的風險?，F(xiàn)在，對于環(huán)境水體中由于水質變化引起的藻類生長潛力變化也屬于廣義的水質轉化潛能研究范疇。

　　5、 工藝指標，是指在水處理工藝中用來調整或者控制后續(xù)工藝的水質指標。這些工藝指標的變化是水中多種物理、化學、生物特性綜合作用的結果。

　　例如，污水生物處理工藝常用的污泥體積指數(SVI)，就是衡量活性污泥法工藝中污泥沉降性能的指標;

　　流動電流是原水凈化過程中的絮凝沉淀工藝時常用的工藝指標;

　　而最近十分紅火的膜處理工藝中，最受關注的一個指標就是污染指數(SDI)，SDI代表了水中膠體、固體顆粒等能造成膜堵塞的物質的量;其大小關系到膜的運行壽命和維護費用

　　有一些物理指標和成分指標，也是工藝指標;比如：濁度和余氯是飲用水處理的關鍵性工藝指標。而BOD和COD則是污水處理的重要工藝指標;

　　隨著水處理新工藝的不斷出現(xiàn)，還會產生更多的工藝指標。

　　6、 替代指標：對于某些測量起來很困難，或耗時間太長，或成本太高;或者沒有辦法實現(xiàn)連續(xù)測量的水質指標，選擇和該指標相關，而且能夠反應該指標變化的其他參數進行測量。

　　應用最為廣泛的替代指標是UV254(水樣在254nm波長的吸光度)。UV254的數值和水中的腐殖質等有機物濃度具有很高的關聯(lián)性，實踐中，常常用UV254的值來衡量水中有機污染物的情況。

　　再舉一個例子，飲用水中兩蟲(隱孢子蟲和甲第鞭毛蟲)的去除和濁度或者水中顆粒物數量的降低具有相關性，通過濁度值或者顆粒物數量的監(jiān)測，就可以間接確認兩蟲去除率。

　　關于替代指標，多說兩句：

　　不同于直接測量，通過間接測量方式。替代指標的出現(xiàn)為實現(xiàn)水質在線監(jiān)測提供了廣泛的應用空間。

　　當下，各種新的分析技術(如全光譜掃描、三維熒光、流式細胞術等等)都開始應用到了水行業(yè)，提供了數量巨大的水質信息，同時，隨著計算能力的指數級增長，許多以前無法處理的信息得以數字化，得到分析和處理，帶動了更多的替代指標出現(xiàn)。

　　舉例，荷蘭科學家最近開發(fā)了基于馬赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉原理的飲用水水質安全預警儀器，其原理是：污染物進入水體以后，會改變水的折射率，通過干涉光可以測量到這種變化，可以實現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測，其能夠響應的污染物濃度可以低至百萬分之一(ppm)水平

　　需要說明的是，上面幾種水質指標的劃分并非基于嚴格科學的方法，有些指標的界限也比較模糊，彼此之間還有許多重疊的部分;不過，這樣可以幫助我們從不同角度來了解水質指標的來源，用途等等。

　　今天，地球上已知的化學物質已經超過700萬種;而且，人類的化學工業(yè)和實驗室每天都還在制造出新的化學物質，其中的大部分通過各種渠道最終都會進入到水中。(由于樣品富集和質譜等微量污染物分析技術的快速發(fā)展，近來，水中的抗生素和環(huán)境激素等低濃度化合物引起了很多關注)

　　可以預見：隨著分析技術、數據挖掘和處理技術，以及新型水處理工藝的應用，在三種技術的共同推動下，未來水質指標的數量還將不斷增加。

　　最后，送福利，回答一個熱門問題：面對數量越來越多的水質指標，在評估水質安全時，如何選擇哪些有用的指標呢?

　　答案很簡單： 根據水的用途來確定需要的水質指標。

　　具體做法是：針對不同用途的水，選擇不同的水質指標，提出不同的水質指標限定值要求。一般而言，對于涉及人體健康和環(huán)境安全的水，水質指標的數量就比較多;而對于生產或者實驗用水，就主要是幾個為數不多的關鍵性成分指標。

　　舉例：大家都很關心的中國《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)，由于涉及到公眾健康，規(guī)定了包括感官指標、微生物指標、一般性化學指標、毒理指標和放射性指標等幾大類水質指標下的總計106項具體指標。

　　GB3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》中也有109項水質指標。

　　而去年剛發(fā)布的分析儀器用水質標準GB/T 33087-2016《儀器分析用高純水規(guī)格及試驗方法》才只有區(qū)區(qū)6項指標。(重點是：即使只有6項，這些指標也涵蓋了物理指標和成分指標這兩類最基礎的水質指標：成分指標中的無機陰離子(氯離子)、無機陽離子(鈉離子)、弱電解質(硅酸根)、有機物(總有機碳或COD)和微生物(細菌總數)、以及物理指標的電阻率)，基本上能夠對實驗室用水水質進行全面評估了。

　　近來，政策和媒體都十分關注的“黑臭水體”(這可是網紅一枚)，由于主要涉及景觀方面的用途，更只是僅用4項水質指標就能完成評估和分級，它們分別是：溶解氧、ORP(氧化還原電位)、氨氮以及透明度。