院士觀點：在城市飲水凈化中采用綠色工藝的思考
關于在城市飲水凈化中采用綠色工藝的一些思考
李圭白 瞿芳術 梁恒
(哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090)
1 什么水最適合人類飲用
人類發(fā)展史（從猿到人）經歷了約500萬年。我們的祖先——現(xiàn)代人種約于10萬年前離開非洲向世界各地遷徙，到2或3萬年前已遍布世界各地。人類都是傍水而居，直接飲用天然地面水（河水、湖水、由地面水補給的淺層地下水），直到工業(yè)革命后特別是近百年來才有了改變，為了控制城市水介傳染病的大流行，提高飲水的生物安全性和化學安全性，開始了對城市飲水進行集中處理（物理方法、化學方法、生物方法等）。人類在這種天然環(huán)境中經歷上百萬年進化發(fā)展形成的人類基因，對地面水應該是最適應的，即天然地面水對人體健康是最有利的，不會因百年來水處理對飲用水水質帶來的影響而有所改變。
天然水的性質，包括物理的、化學的和生態(tài)的性質，是十分復雜的。僅就化學性質而言，原則上說地球上92種元素都應該在水中出現(xiàn)，只是含量有所不同。含量多的稱為常量元素，含量少的稱為微量元素。完全不溶于水的元素理論上是不存在的，只是含量極微，現(xiàn)代檢測技術也無法測量出來罷了。人體是非常復雜的�，F(xiàn)代生物學和醫(yī)學的基礎——細胞學說的建立才不過一百多年，所以迄今人們對人體的認識是比較有限的。至于飲水對健康的影響，人們的認識更是有限的了。
20世紀90年代，由于引進了國外的反滲透膜濾技術，出現(xiàn)了喝純水（又稱蒸餾水、去離子水、太空水等）之風，稱飲水主要是補充人體對水的需求，而水中被除去的各種元素都可以通過食物得到補充。但國內外公共衛(wèi)生學的調研證實水中的各種元素對人體是很重要的，長期飲用純水對人體健康不利，從而使喝純水之風得到制止。安全健康的飲用水，是指終身（70年以上）飲用不會對人體健康造成危害和影響的水，純水是不符合這一要求的。純水作為一種飲料（而非飲用水）是可以的，在外出旅游、會議等場合短期飲用是無害的。Via《給水排水》雜志
喝磁化水曾經風行一時，稱磁化水能增強生命活力，能消解體內結石等等，最終磁化水的功能都沒有被醫(yī)學界證實，喝磁化水也不再流行。
水分子（H2O）是一種極性分子，其相互作用可形成不同團聚形態(tài)，有時能形成小分子團（數(shù)個水分子），有時能形成大分子團（數(shù)十個水分子）。有人認為，能結成小分子團的水對人體健康有利，但若干年過去了，這迄今仍是一個有待探討的課題。
現(xiàn)今社會上流行著一種說法，稱喝弱堿性（pH>7）水對人體健康有利，從而出現(xiàn)了許多弱堿性水的產品和廣告�，F(xiàn)代天然水化學已經明確，對于中性的天然淡水，水的酸堿性主要由CO2（碳酸）和HCO3-（水的堿度）的比值決定。例如水的堿度為50 mg/L(以CaCO3計)，水的pH=6.9（弱酸性水）時CO2含量約為18 mg/L；pH=7.1（弱堿性水）時CO2含量約為10 mg/L。如酸性水對人體健康不利，那就是其多含的8 mg/L CO2的影響了。迄今未見有關水中CO2對人體健康有害的研究報告，相反地，學術界一般認為CO2對健康無害，多年來含碳酸的飲料隨處可見，如汽水、可口可樂、啤酒、香檳酒等。其實碳酸也是人體代謝的一種產物，每天人們呼吸就排出大量CO2，其量可達飲水中含量的上千倍。水中少量的CO2顯然不應對人體健康有什么影響。喝弱堿性水對健康有利的觀點，可能源自一種理論，即認為具有堿性體質的人健康，酸性體質者不健康，并由此引申出將食物、肉類等也分為酸性的和堿性的，對水亦然。將人體分為酸性體質和堿性體質，并未得到醫(yī)學界的承認，所以喝弱堿性水對人體健康有利也是缺乏科學依據的。
天然水中最常見的硬度（主要是鈣和鎂）對人體健康的影響，國內外已有多個公共衛(wèi)生學調研報告，認為飲用軟水（鈣、鎂含量<70 mg/L，按CaCO3 計）的人心血管病死亡率要高于飲用硬水的人，但對此也尚有不同看法。
人們對微量元素與人體健康的關系的認識更是有限。例如，20世紀六、七十年代，人們認為硒是一種有毒元素，在水質標準中對其含量有嚴格限制，后來發(fā)現(xiàn)缺硒也能致病，結果現(xiàn)市場上出現(xiàn)了多種補硒保健品。Via《給水排水》雜志
任何一種元素在水中都有多種存在形態(tài)。例如，任何一種元素在水中與水分子都有多種結合形態(tài)，既包括水分子自身的相互結合，也包括元素自身的相互結合，以及元素與水分子的結合。水中元素與其他物質（無機的和有機的）能結合成更多更復雜的形態(tài)，原則上每種不同形態(tài)的元素對人體健康的影響都是不同的。那么多元素各自都在水中有多種存在形態(tài)，其對人體健康的影響都是不同的，再加上多種物質對健康的復合作用，對其將是一個有待探索的長期任務，其中許多尚處于空白狀態(tài)。
2 綠色工藝及其評價
人類長期生活的自然環(huán)境，本身就是一個生態(tài)系統(tǒng)。人是這個自然生態(tài)系統(tǒng)的一個組成部分，人們在此生態(tài)系統(tǒng)中吸收養(yǎng)分和水，吸入空氣，參與生態(tài)系統(tǒng)的物質（C、N、S、P…）循環(huán)和能量循環(huán)，并在其中進化和發(fā)展了數(shù)百萬年，完全適應了這個環(huán)境，其中也包括水環(huán)境。對人生存的這個生態(tài)系統(tǒng)的干擾和破壞，對人的生存都是不利的。人們?yōu)樘岣叱鞘酗嬎纳锇踩院突瘜W安全性而對水源水采用了多種處理方法，有必要從對水的天然屬性的影響和干擾最少的角度來評價這些處理方法。Via《給水排水》雜志
百年來4次重大城市飲水安全問題催生了三代城市飲用水凈化工藝。上述三代凈化工藝中采用的處理方法主要有物理方法：自然沉淀、慢砂濾、膜濾、紫外線殺菌等；物理化學方法：活性炭吸附等；化學方法：藥劑混凝及絮凝、藥劑消毒、藥劑氧化、藥劑調pH等；生物方法：慢濾、生物預處理、生物活性炭等。物理法、物理化學法、生物法由于對水的化學性質影響較小，一般認為應屬綠色工藝。化學方法由于向水中投加多種化學藥劑，會影響水中原有化學成分的含量及存在形態(tài)，會帶進新的化學物質，會產生許多副產物，特別是對人體有毒害的副產物等等，一般認為不是綠色工藝。
由于環(huán)境污染，每年都有若干新的人工合成化學物質進入水中，也由于檢測技術的進步，不斷發(fā)現(xiàn)水中更多的有毒有害微量和超微量的有機污染物，如除檢出更多的“三致物”和氯化消毒副產物外，更檢出多種持久性有機污染物、內分泌干擾物、藥物、化妝品等等。每發(fā)現(xiàn)一類或者一種有機污染物，都要開發(fā)相應的處理方法，其中也包括化學方法，結果向水中投加的化學藥劑愈來愈多，而每一種藥劑又會產生相應的副產物和殘留物，其對人體健康的影響也越來越大，即走上了一條惡性循環(huán)的道路。惡性循環(huán)的出現(xiàn)，是由于采用了一種“末端治理”的路線，即水源水中出現(xiàn)什么污染物，就不得不采取相應的化學處理方法，污染物層出不窮，向水中投加的化學藥劑也會無窮無盡。
改變城市飲水凈化中的惡性循環(huán)，是一個有待探討的重大課題。筆者認為，可從水源和水處理兩個方面進行考慮。改“末端治理”為“源頭治理”，從改變水源水質入手，其可行途徑包括以下幾個方面：首先，加強對現(xiàn)有水源的保護；其次，源水優(yōu)質優(yōu)用，在每個城市周圍都有一些水質較好的水源，有的被用于農田灌溉或其他用途，應加強規(guī)劃，將優(yōu)質水源優(yōu)先用于城市供水；第三，遠距離引水，遠距離取用水質較好的源水；第四，興建水庫，有的城市具有修建水庫的條件，有的地區(qū)有興建農用水庫的規(guī)劃，將兩者結合起來，并加強水庫水源的保護，為城市提供較好的水源水。上述措施都需要一定投資。現(xiàn)我國已是世界第二大經濟體，不少城市具備投資能力，特別是十八大提出將“民生”放到首位，而供應城市居民安全優(yōu)質的飲用水是最大的民生，應能得到政府和社會的支持。Via《給水排水》雜志
消毒是幾乎所有城市飲水凈化都需要采用的，并且絕大多數(shù)使用藥劑消毒，其中我國迄今仍以氯消毒為主，此外還有采用臭氧、二氧化氯的。這些藥劑消毒方法都能產生有毒害的消毒副產物，雖然消毒后水的生物安全性提高了，但化學安全性降低了，不是綠色工藝。藥劑混凝是幾乎所有以地面水為水源的城市飲水凈化都采用的方法�；炷巹┲饕腔瘜W藥劑，其種類繁多，對健康的影響各不相同，其對水質天然屬性的影響不小，也不是綠色工藝。由混凝沉淀、砂濾、藥劑消毒組成的第一代工藝（常規(guī)工藝），迄今仍為我國90%以上水廠所采用。在第二代工藝和第三代工藝中，為降低水的濁度和殺滅致病微生物，也都采用藥劑混凝和藥劑消毒。所以藥劑消毒和藥劑混凝是城市飲水凈化工藝中應用最廣泛的方法。
3 以超濾為核心的組合綠色工藝
超濾膜是21世紀材料科學發(fā)展的新成果，它依靠機械截留作用來去除水中的顆粒物，所以是一種綠色工藝�，F(xiàn)代的超濾膜孔徑已可做到小于20 nm，即比水中最小的微生物——病毒還小，所以超濾可以將水中幾乎所有微生物包括致病微生物除去，從而大大提高水的生物安全性，而不需要向水中投加任何消毒藥劑。超濾能將水的濁度降至0.1 NTU以下，而不需要向水中投加任何混凝藥劑。超濾是取代藥劑消毒和藥劑混凝最有效的綠色工藝，所以它應能成為城市飲水凈化中應用最廣泛的工藝技術。Via《給水排水》雜志
我國受東南亞季風氣候的影響，夏季多暴雨，使地面水濁度可升至幾百NTU甚至上千NTU。原水濁度過高會影響超濾的經濟性，所以一般在超濾前用混凝沉淀的方法降低濁度。可用以下的綠色工藝來取代混凝沉淀：
（1）使用貯水庫進行自然沉淀。在許多地區(qū)，因河水流量波動很大，常建貯水庫進行調節(jié)，如黃河中、下游的許多城市。河水在貯水庫中經數(shù)日甚至數(shù)十日的自然沉淀，可獲低濁度的源水。
（2）由湖、庫取水。我國以地面水為水源的城市，有超過四分之一是由湖、庫取水，源水濁度很低。
（3）采用無藥劑過濾�，F(xiàn)已有多種過濾技術可用于河水的無藥劑過濾，如連續(xù)過濾、纖維過濾等，可去除80~90%的濁度。
（4）開發(fā)新的綠色混凝劑。
我國受污染的城市水源，主要為有機污染以及氨氮超標�，F(xiàn)行除有機物的方法，主要有氧化法、吸附法、強化混凝、生物法等。其中活性炭吸附、生物處理等為綠色工藝。Via《給水排水》雜志
超濾可去除水中具有膠體和顆粒形態(tài)的有機物，以及相對分子質量數(shù)萬的有機物。納濾膜的孔徑約為1 nm，以物理截留的方式可去除相對分子質量低至數(shù)百的有機物，是去除有機物的有效綠色工藝。納濾膜目前國內尚不能大量生產，不具備規(guī)�；糜谒畯S凈化的條件，但隨著膜材料和技術等的發(fā)展，將超濾和納濾用于受污染水源有機物去除將指日可待，那將是綠色工藝的又一重大進展。
生物法除有機物主要采用生物氧化的方法，可去除水中能為生物降解的相對分子質量為數(shù)百的有機物。天然地面水本身就是一個生態(tài)系統(tǒng)，所以生物法除有機物對原水的天然屬性的影響會很小，是一種綠色工藝。生物法還是去除水中氨氮的有效技術，是目前可以規(guī)�；糜谒畯S的唯一方法�；钚蕴磕苋コ邢鄬Ψ肿淤|量為數(shù)千的有機物，特別是生物法難以降解的人工合成有機污染物，并對水的化學性質影響不大，是一種綠色工藝�；钚蕴繛V池投產一段時間后，在炭粒表面能生成生物膜，對水中有機物有生物降解作用，稱為“生物活性炭”技術。粉末活性炭在反應器中停留相當時間，炭表面也能生成生物膜，由于粉末活性炭表面積很大，生物量大，能提高生物氧化作用，特別是對氨氮去除效果顯著，稱為“超濾膜—粉末活性炭生物反應器”技術。
4 綠色工藝——城市飲水凈化工藝的發(fā)展方向
對于適宜采用第一代工藝（常規(guī)工藝）的未受污染或僅受極微污染的水源水，采用直接超濾或超濾加上膜前預處理的綠色除濁技術，可取代第一代工藝，實現(xiàn)城市飲水凈化的綠色工藝目標。超濾、生物處理和活性炭吸附三者在去除水中有機物上有互補性，因原水水質不同，將超濾與生物處理進行組合，或將超濾與活性炭吸附組合，或將三者進行組合，形成以超濾為核心技術的綠色組合工藝，以對受輕度污染的水源水進行凈化。這可能是目前在納濾尚未大量用于水廠前可行的城市飲水凈化綠色工藝。
綠色工藝對水的性質，特別是水的天然化學屬性的干擾和影響最少，所以應是優(yōu)先選擇的工藝。水的化學處理方法，即向水中投加化學藥劑，會對水的天然化學屬性產生干擾和影響，但是針對水中許多污染物，采用化學處理方法有時是難以避免的。在采用化學處理方法時，宜優(yōu)先采用對水的天然化學屬性影響最小的化學藥劑，例如，對于混凝劑，在人工合成有機高分子絮凝劑和無機混凝劑之間，優(yōu)先選用無機混凝劑。又如，對于消毒方法：在藥劑消毒和紫外線消毒之間，優(yōu)先選用紫外線消毒；在藥劑氧化中，優(yōu)先選用高錳酸鉀及其與其他藥劑復合的氧化方法，等等。Via《給水排水》雜志
以對水的天然化學屬性的影響最小為方向，對現(xiàn)有工藝進行優(yōu)化和改革，將會發(fā)展出多種不僅比現(xiàn)有工藝更綠色，并且與現(xiàn)有工藝同樣經濟有效的凈水工藝。
將超濾用于城市飲水凈化是凈化工藝的一大進步，它是利用21世紀材料科學的最新發(fā)展來改造和提高城市飲水凈化技術的重要成果。超濾為城市飲水凈化綠色工藝的發(fā)展奠定了技術基礎。以超濾為核心技術的綠色組合工藝，對天然水源水的天然屬性的影響和干擾最小，制出的水最適宜于人們飲用，更有利于人體健康，將之推廣將是具有重大意義的民生工程。
綠色工藝將引起城市飲水凈化工藝的重大變革，綠色工藝將成為城市飲水凈化科學研究的一個新領域。綠色工藝應成為城市飲水凈化工藝的發(fā)展方向。
本文刊登于《給水排水》雜志2014年8月刊。
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