第1章 绪论
1.1 水质研究的重要性和意义
水是人类社会和经济发展的重战略资源，是“生命之源、生产之要、生态之基”。和能源不同，水资源具有不可替代性，但具有可循环利用性。水的质量即水质是决定水的性状、性能（可利用性）和安全性的根本因素（图1.1），水质污染会显著影响水的利用价值和用途。保障水质安全是关系到人类健康、生态安全和社会经济可持续健康发展的重大课题。深入开展水质研究，科学、客观评价和系统掌握水中的化学组分和生物组分的基本特征及其浓度水平和转化特性，是保障水质安全的前提和基础。
图1.1 水的性状、性能和安全性与水质的关系示例
根据性质和属性不同，水中的化学组分可分为污染物（如重金属、有毒有害有机污染物等）、天然组分和功能组分（有益组分）等。根据不同的情景、不同的用途和不同的水质要求，这三种组分之间的属性会发生转化。本书主要关注水中的污染物及其不良效应和毒害作用。
特定条件下的水中有益组分，在条件发生变化时就会成为污染物。当饮料、粥、汤中的有机营养物质进入下水道、池塘或河流之后就变成了有机污染物，在日常生活中应避免这类事情的发生，以免造成污染。另外，有益组分或物质的浓度超过一定水平之后就成为污染物。氮、磷是植物营养物质，在水体中保持一定的浓度有利于浮游植物的生长和鱼类的繁殖，浓度过低会导致水体生产力下降，不利于生态系统的维系，但是其浓度超过一定水平之后，就会导致水体富营养化，成为污染物。
对于不同的用途，水质标准的制定原则和标准限值也不尽相同。对于某些指标，饮用水的标准不一定是*严格的标准。例如，我国的饮用水标准中，硝酸氮的标准限值是10 mg/L，但此浓度水平在湖泊中就会引起富营养化，因此在湖泊水质标准中，氮的浓度标准应比饮用水更严格。
近年来，水质污染类型日益复杂，对水质评价不断提出新要求，水质评价方法发展迅速，研究不断深入。在常规水质指标的基础上，系统梳理和凝练水质研究的新理念、新指标、新方法和新技术等研究成果，并将其推广应用到水质研究实践，对不断深化水质研究、深入认识水的“质量属性”、“水质安全性”和“水质转化特性”具有十分重要的理论意义、学术价值和实用价值。
1.2 污染物种类
水中的污染物包括微生物、化学污染物和放射性物质。热也是一种污染形式，但不是本书讨论的重点。根据目的和视角的不同，水中污染物的分类也不尽相同（图1.2）。
水中的污染物微生物病原微生物（致病性微生物）一般微生物（非致病性微生物）化学污染物有机物常规有机污染物可生物降解性污染物难生物降解性污染物微量有毒有害有机污染物（高毒性有机物）无机物一般盐类（TDS等）植物营养元素（N、P、K等）重金属放射性物质
图1.2 水中的污染物分类示例
水中的微生物，根据其是否具有致病性，可以分为致病性（包括条件致病性）微生物和非致病性微生物。水中的细菌，根据是否对抗生素具有抗性，可分为抗性菌和非抗性菌等。
水中的化学污染物，根据其分子结构，可分为无机污染物和有机污染物。有机污染物，根据其浓度和生物毒性，可分为常规有机污染物和微量有毒有害有机污染物；根据生物降解难易程度，又可分为可生物降解性污染物和难生物降解性污染物；根据能否被活性炭吸附等又可分为易吸附污染物和难吸附污染物等。总之，可以根据需要和特定的目的，对污染物进行分类。有机污染物中还包括微生物细胞、非溶解性物质等。
根据物理形态，水中的污染物可分为悬浮固体(SS)、胶体性物质和溶解性物质(图1.3)。值得注意的是，关于溶解性物质，根据定义和测定方法的不同，其覆盖范围也不同。例如，在污水处理领域，一般将通过微孔直径为0.45μum过滤膜的物质视为溶解性物质，但是有时也会使用微孔直径为0.22μm的过滤膜。悬浮固体中常包含微生物细胞等。
图1.3 水中污染物的物理形态
1.3 水中污染物的复杂特征
水中特别是污水中的污染物具有种类多、理化性质复杂，污染物浓度分布广、赋存形态复杂，水质效应多样、产生机制复杂，组分间相互作用多样，水质转化机制复杂等特点。
1. 种类多，理化性质复杂
水中的污染物是一种混合物，具有不同理化性质的多种污染物共存是其*基本的特点，在水质研究中应特别注意这一特点。水的性状、性能和安全性是这些污染物和组分共同作用的结果，测定单一或有限的污染物往往不能掌握水质状况。
2. 污染物浓度分布广，赋存形态复杂
无论是饮用水还是污水，不同污染物的浓度水平会有显著的差异。这种差异， 也是水质研究中需要特别关注的问题。特别是常量组分对微量污染物的毒理学特性、吸附特性、生物利用性和化学分解性的影响不容忽视。
图1.4为城市污水处理厂二级出水中不同污染物的浓度分布及其生态风险水平。从图中可以看出，不同的污染物或组分，其浓度在几ng/L到数千mg/L之间，分布跨度达9个数量级。溶解性总固体(TDS)的浓度*高可达数千mg/L，内分泌干扰物(EDCs)的浓度水平在ng/L量级。
图1.4所示的生态风险主要是指该污染物对水生生物的毒性效应，某些浓度低的有机污染物，其生态风险往往比浓度高的COD还要大。因此，近年来，微量有毒有害有机污染物的生态安全及其控制备受关注，成为环境领域的研究热点。在微量有毒有害污染物的毒性效应、氧化分解、吸附去除特性等研究中，应特别注意高浓度常规污染组分的影响。
图1.4城市污水二级出水中污染物的浓度分布及其生态风险水平另外，特别值得一提的是，氨磷等植物营养物质本身对水生生物的毒性效应并不高，但是这些营养物质超过一定浓度时会引起藻类的大量生长繁殖，导致水华暴发，带来生态破坏。这种情况下，其生态风险水平显著升高。水体中氮磷浓度水平的要求等见本书第5章和第6章。
图1.5为城市污水处理厂二级出水中典型微生物的浓度分布及其健康风险水平。从图中可以看出，二级出水中不同微生物的浓度跨度达每升10个数量级。细菌总数的浓度*高，达107个/L水平，其健康风险不高，但是对水质稳定性以及浊度、色度、嗅味等感官指标的影响不容忽视。轮状病毒、肠道病毒和隐孢子虫的浓度水平很低，但其感染性和致病性很高，属于值得高度关注的高风险病原微生物。
图1.5 城市污水二级出水中微生物的浓度分布及其健康风险水平
另外，污染物特别是微量污染物在水中可能以溶解态，也可能以附着态(吸附在ss上或微生物细胞中)存在；可能以自由态存在，也有可能以结合态存在。污染物的赋存形态不同，其毒理学特性和去除特性也会不同。
3. 水质效应多样，产生机制复杂
水质效应包括物理效应、化学效应、生物效应和生态效应等多种效应。这些效应都是多种污染物共同作用的结果，不同污染物间会存在拮抗作用、协同作用等复杂的相互作用现象。因此，在水质毒性研究中，生物毒性测定结果与水中某一个(类)化学指标或有限数量的污染物浓度之间往往不存在相关性。这种现象，在水和污水消毒副产物的研究中非常普遍。
水中典型消毒副产物，如三氯甲烷、卤乙酸等的浓度，与水的遗传毒性、内分泌干扰性等的测定结果之间并不存在相关性。也就是说，典型消毒副产物的减少，并不意味着生物毒性的降低。很容易理解，测定水中特定消毒副产物的浓度，难以预测水的综合生物毒性。低浓度的NH、Br-和I-等对消毒副产物的影响有时会很大。
4. 组分间相互作用多样，水质转化机制复杂
水中不同组分之间存在复杂的相互作用关系，这种现象在消毒、化学氧化处理和储存、输配过程中更为突出。水中不同组分之间的相互作用会影响消毒效果和消毒副产物的生成、化学氧化的效果和产物的种类以及水质稳定性。
1.4 水质指标
水质指标(water quality index)是表征水的物理性状或水中除了水分子之外的杂质浓度的物理量。水质指标种类繁多，目前还没有统一的分类标准，在实践中往往根据实际需要和使用方便，对水质指标进行分类。水质指标的分类不是绝对的，也不是一成不变的。不同分类方法和指标之间也常存在交叉、相互覆盖现象。
1.4.1 物理指标和化学指标
物理指标主要是指水的物理性状，主要包括浊度、色度、透明度、臭味等感官指标以及温度、密度、黏度等。
化学指标是指水的化学性状和水中化学物质浓度，如pH值、重金属浓度、COD、TDS等。
1.4.2 单一成分指标和综合指标
单一成分指标是指水中某一特定成分(污染物)的浓度，如苯酚、三氯甲烷、六价铬、粪大肠杆菌等。单一成分指标是*为常用的水质指标之一。
水中的化学物质种类成千上万，微生物的种类也十分可观，目前的分析技术仅能测定其中的极少部分，在实践上不可能测定水中所有的组分。也就是说单一成分指标只能针对特定的组分或污染物，其数量会受到限制。例如，我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中，基本控制项目包括常规污染物和一部分有毒有害污染物共19项，选择控制项目(包括对环境有较长期影响或毒性较大的污染物)共43项。
我国2022年3月15日发布，2023年4月1日起实施的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749- -2022)中，水质指标由**个标准(1985年发布，GB 5749-1985)的35项增加到97项，但仍是非常有限的数量。
综合指标是表征某一类或具有同一性质的成分的指标，如TDS、COD、BOD、TOC、TON、总大肠菌群、总异养菌群等。水中有机污染物总数量、单一成分指标和有机物综合指标之间的关系如图1.6所示。
图1.6 有机污染物数量与单一成分指标和有机物综合指标的关系
1.4.3 综合生物毒性
综合生物毒性是水中化学污染物整体表现出来的对生物的毒性效应，是评价水质安全的*直接指标。
水质安全风险是由种类多、浓度低的有毒化学物质共同产生的，难以仅根据特定化学指标来判定。与化学指标测定相比，综合生物毒性测试能够更直接表征水
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