【院士谈水】李圭白：在城市饮水净化中采用绿色工艺的思考

1 什么水最适合人类饮用

人类发展史(从猿到人)经历了约500万年。我们的祖先——现代人种约于10万年前离开非洲向世界各地迁徙，到2或3万年前已遍布世界各地。人类都是傍水而居，直接饮用天然地面水(河水、湖水、由地面水补给的浅层地下水)，直到工业革命后特别是近百年来才有了改变，为了控制城市水介传染病的大流行，提高饮水的生物安全性和化学安全性，开始了对城市饮水进行集中处理(物理方法、化学方法、生物方法等)。人类在这种天然环境中经历上百万年进化发展形成的人类基因，对地面水应该是最适应的，即天然地面水对人体健康是最有利的，不会因百年来水处理对饮用水水质带来的影响而有所改变。

天然水的性质，包括物理的、化学的和生态的性质，是十分复杂的。仅就化学性质而言，原则上说地球上92种元素都应该在水中出现，只是含量有所不同。含量多的称为常量元素，含量少的称为微量元素。完全不溶于水的元素理论上是不存在的，只是含量极微，现代检测技术也无法测量出来罢了。人体是非常复杂的。现代生物学和医学的基础——细胞学说的建立才不过一百多年，所以迄今人们对人体的认识是比较有限的。至于饮水对健康的影响，人们的认识更是有限的了。

20世纪90年代，由于引进了国外的反渗透膜滤技术，出现了喝纯水(又称蒸馏水、去离子水、太空水等)之风，称饮水主要是补充人体对水的需求，而水中被除去的各种元素都可以通过食物得到补充。但国内外公共卫生学的调研证实水中的各种元素对人体是很重要的，长期饮用纯水对人体健康不利，从而使喝纯水之风得到制止。安全健康的饮用水，是指终身(70年以上)饮用不会对人体健康造成危害和影响的水，纯水是不符合这一要求的。纯水作为一种饮料(而非饮用水)是可以的，在外出旅游、会议等场合短期饮用是无害的。Via《给水排水》杂志

喝磁化水曾经风行一时，称磁化水能增强生命活力，能消解体内结石等等，最终磁化水的功能都没有被医学界证实，喝磁化水也不再流行。

水分子(H2O)是一种极性分子，其相互作用可形成不同团聚形态，有时能形成小分子团(数个水分子)，有时能形成大分子团(数十个水分子)。有人认为，能结成小分子团的水对人体健康有利，但若干年过去了，这迄今仍是一个有待探讨的课题。

现今社会上流行着一种说法，称喝弱碱性(pH>7)水对人体健康有利，从而出现了许多弱碱性水的产品和广告。现代天然水化学已经明确，对于中性的天然淡水，水的酸碱性主要由CO2(碳酸)和HCO3-(水的碱度)的比值决定。例如水的碱度为50 mg/L(以CaCO3计)，水的pH=6.9(弱酸性水)时CO2含量约为18 mg/L;pH=7.1(弱碱性水)时CO2含量约为10 mg/L。如酸性水对人体健康不利，那就是其多含的8 mg/L CO2的影响了。迄今未见有关水中CO2对人体健康有害的研究报告，相反地，学术界一般认为CO2对健康无害，多年来含碳酸的饮料随处可见，如汽水、可口可乐、啤酒、香槟酒等。其实碳酸也是人体代谢的一种产物，每天人们呼吸就排出大量CO2，其量可达饮水中含量的上千倍。水中少量的CO2显然不应对人体健康有什么影响。喝弱碱性水对健康有利的观点，可能源自一种理论，即认为具有碱性体质的人健康，酸性体质者不健康，并由此引申出将食物、肉类等也分为酸性的和碱性的，对水亦然。将人体分为酸性体质和碱性体质，并未得到医学界的承认，所以喝弱碱性水对人体健康有利也是缺乏科学依据的。

天然水中最常见的硬度(主要是钙和镁)对人体健康的影响，国内外已有多个公共卫生学调研报告，认为饮用软水(钙、镁含量<70 mg/L，按CaCO3 计)的人心血管病死亡率要高于饮用硬水的人，但对此也尚有不同看法。

人们对微量元素与人体健康的关系的认识更是有限。例如，20世纪六、七十年代，人们认为硒是一种有毒元素，在水质标准中对其含量有严格限制，后来发现缺硒也能致病，结果现市场上出现了多种补硒保健品。Via《给水排水》杂志

任何一种元素在水中都有多种存在形态。例如，任何一种元素在水中与水分子都有多种结合形态，既包括水分子自身的相互结合，也包括元素自身的相互结合，以及元素与水分子的结合。水中元素与其他物质(无机的和有机的)能结合成更多更复杂的形态，原则上每种不同形态的元素对人体健康的影响都是不同的。那么多元素各自都在水中有多种存在形态，其对人体健康的影响都是不同的，再加上多种物质对健康的复合作用，对其将是一个有待探索的长期任务，其中许多尚处于空白状态。

2 绿色工艺及其评价

人类长期生活的自然环境，本身就是一个生态系统。人是这个自然生态系统的一个组成部分，人们在此生态系统中吸收养分和水，吸入空气，参与生态系统的物质(C、N、S、P…)循环和能量循环，并在其中进化和发展了数百万年，完全适应了这个环境，其中也包括水环境。对人生存的这个生态系统的干扰和破坏，对人的生存都是不利的。人们为提高城市饮水的生物安全性和化学安全性而对水源水采用了多种处理方法，有必要从对水的天然属性的影响和干扰最少的角度来评价这些处理方法。Via《给水排水》杂志

百年来4次重大城市饮水安全问题催生了三代城市饮用水净化工艺。上述三代净化工艺中采用的处理方法主要有物理方法：自然沉淀、慢砂滤、膜滤、紫外线杀菌等;物理化学方法：活性炭吸附等;化学方法：药剂混凝及絮凝、药剂消毒、药剂氧化、药剂调pH等;生物方法：慢滤、生物预处理、生物活性炭等。物理法、物理化学法、生物法由于对水的化学性质影响较小，一般认为应属绿色工艺。化学方法由于向水中投加多种化学药剂，会影响水中原有化学成分的含量及存在形态，会带进新的化学物质，会产生许多副产物，特别是对人体有毒害的副产物等等，一般认为不是绿色工艺。

由于环境污染，每年都有若干新的人工合成化学物质进入水中，也由于检测技术的进步，不断发现水中更多的有毒有害微量和超微量的有机污染物，如除检出更多的“三致物”和氯化消毒副产物外，更检出多种持久性有机污染物、内分泌干扰物、药物、化妆品等等。每发现一类或者一种有机污染物，都要开发相应的处理方法，其中也包括化学方法，结果向水中投加的化学药剂愈来愈多，而每一种药剂又会产生相应的副产物和残留物，其对人体健康的影响也越来越大，即走上了一条恶性循环的道路。恶性循环的出现，是由于采用了一种“末端治理”的路线，即水源水中出现什么污染物，就不得不采取相应的化学处理方法，污染物层出不穷，向水中投加的化学药剂也会无穷无尽。

改变城市饮水净化中的恶性循环，是一个有待探讨的重大课题。笔者认为，可从水源和水处理两个方面进行考虑。改“末端治理”为“源头治理”，从改变水源水质入手，其可行途径包括以下几个方面：首先，加强对现有水源的保护;其次，源水优质优用，在每个城市周围都有一些水质较好的水源，有的被用于农田灌溉或其他用途，应加强规划，将优质水源优先用于城市供水;第三，远距离引水，远距离取用水质较好的源水;第四，兴建水库，有的城市具有修建水库的条件，有的地区有兴建农用水库的规划，将两者结合起来，并加强水库水源的保护，为城市提供较好的水源水。上述措施都需要一定投资。现我国已是世界第二大经济体，不少城市具备投资能力，特别是十八大提出将“民生”放到首位，而供应城市居民安全优质的饮用水是最大的民生，应能得到政府和社会的支持。Via《给水排水》杂志

消毒是几乎所有城市饮水净化都需要采用的，并且绝大多数使用药剂消毒，其中我国迄今仍以氯消毒为主，此外还有采用臭氧、二氧化氯的。这些药剂消毒方法都能产生有毒害的消毒副产物，虽然消毒后水的生物安全性提高了，但化学安全性降低了，不是绿色工艺。药剂混凝是几乎所有以地面水为水源的城市饮水净化都采用的方法。混凝药剂主要是化学药剂，其种类繁多，对健康的影响各不相同，其对水质天然属性的影响不小，也不是绿色工艺。由混凝沉淀、砂滤、药剂消毒组成的第一代工艺(常规工艺)，迄今仍为我国90%以上水厂所采用。在第二代工艺和第三代工艺中，为降低水的浊度和杀灭致病微生物，也都采用药剂混凝和药剂消毒。所以药剂消毒和药剂混凝是城市饮水净化工艺中应用最广泛的方法。

3 以超滤为核心的组合绿色工艺

超滤膜是21世纪材料科学发展的新成果，它依靠机械截留作用来去除水中的颗粒物，所以是一种绿色工艺。现代的超滤膜孔径已可做到小于20 nm，即比水中最小的微生物——病毒还小，所以超滤可以将水中几乎所有微生物包括致病微生物除去，从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药剂。超滤能将水的浊度降至0.1 NTU以下，而不需要向水中投加任何混凝药剂。超滤是取代药剂消毒和药剂混凝最有效的绿色工艺，所以它应能成为城市饮水净化中应用最广泛的工艺技术。Via《给水排水》杂志

我国受东南亚季风气候的影响，夏季多暴雨，使地面水浊度可升至几百NTU甚至上千NTU。原水浊度过高会影响超滤的经济性，所以一般在超滤前用混凝沉淀的方法降低浊度。可用以下的绿色工艺来取代混凝沉淀：

(1)使用贮水库进行自然沉淀。在许多地区，因河水流量波动很大，常建贮水库进行调节，如黄河中、下游的许多城市。河水在贮水库中经数日甚至数十日的自然沉淀，可获低浊度的源水。

(2)由湖、库取水。我国以地面水为水源的城市，有超过四分之一是由湖、库取水，源水浊度很低。

(3)采用无药剂过滤。现已有多种过滤技术可用于河水的无药剂过滤，如连续过滤、纤维过滤等，可去除80~90%的浊度。

(4)开发新的绿色混凝剂。

我国受污染的城市水源，主要为有机污染以及氨氮超标。现行除有机物的方法，主要有氧化法、吸附法、强化混凝、生物法等。其中活性炭吸附、生物处理等为绿色工艺。Via《给水排水》杂志

超滤可去除水中具有胶体和颗粒形态的有机物，以及相对分子质量数万的有机物。纳滤膜的孔径约为1 nm，以物理截留的方式可去除相对分子质量低至数百的有机物，是去除有机物的有效绿色工艺。纳滤膜目前国内尚不能大量生产，不具备规模化用于水厂净化的条件，但随着膜材料和技术等的发展，将超滤和纳滤用于受污染水源有机物去除将指日可待，那将是绿色工艺的又一重大进展。

生物法除有机物主要采用生物氧化的方法，可去除水中能为生物降解的相对分子质量为数百的有机物。天然地面水本身就是一个生态系统，所以生物法除有机物对原水的天然属性的影响会很小，是一种绿色工艺。生物法还是去除水中氨氮的有效技术，是目前可以规模化用于水厂的唯一方法。活性炭能去除水中相对分子质量为数千的有机物，特别是生物法难以降解的人工合成有机污染物，并对水的化学性质影响不大，是一种绿色工艺。活性炭滤池投产一段时间后，在炭粒表面能生成生物膜，对水中有机物有生物降解作用，称为“生物活性炭”技术。粉末活性炭在反应器中停留相当时间，炭表面也能生成生物膜，由于粉末活性炭表面积很大，生物量大，能提高生物氧化作用，特别是对氨氮去除效果显著，称为“超滤膜—粉末活性炭生物反应器”技术。

4 绿色工艺——城市饮水净化工艺的发展方向

对于适宜采用第一代工艺(常规工艺)的未受污染或仅受极微污染的水源水，采用直接超滤或超滤加上膜前预处理的绿色除浊技术，可取代第一代工艺，实现城市饮水净化的绿色工艺目标。超滤、生物处理和活性炭吸附三者在去除水中有机物上有互补性，因原水水质不同，将超滤与生物处理进行组合，或将超滤与活性炭吸附组合，或将三者进行组合，形成以超滤为核心技术的绿色组合工艺，以对受轻度污染的水源水进行净化。这可能是目前在纳滤尚未大量用于水厂前可行的城市饮水净化绿色工艺。

绿色工艺对水的性质，特别是水的天然化学属性的干扰和影响最少，所以应是优先选择的工艺。水的化学处理方法，即向水中投加化学药剂，会对水的天然化学属性产生干扰和影响，但是针对水中许多污染物，采用化学处理方法有时是难以避免的。在采用化学处理方法时，宜优先采用对水的天然化学属性影响最小的化学药剂，例如，对于混凝剂，在人工合成有机高分子絮凝剂和无机混凝剂之间，优先选用无机混凝剂。又如，对于消毒方法：在药剂消毒和紫外线消毒之间，优先选用紫外线消毒;在药剂氧化中，优先选用高锰酸钾及其与其他药剂复合的氧化方法，等等。Via《给水排水》杂志

以对水的天然化学属性的影响最小为方向，对现有工艺进行优化和改革，将会发展出多种不仅比现有工艺更绿色，并且与现有工艺同样经济有效的净水工艺。

将超滤用于城市饮水净化是净化工艺的一大进步，它是利用21世纪材料科学的最新发展来改造和提高城市饮水净化技术的重要成果。超滤为城市饮水净化绿色工艺的发展奠定了技术基础。以超滤为核心技术的绿色组合工艺，对天然水源水的天然属性的影响和干扰最小，制出的水最适宜于人们饮用，更有利于人体健康，将之推广将是具有重大意义的民生工程。

绿色工艺将引起城市饮水净化工艺的重大变革，绿色工艺将成为城市饮水净化科学研究的一个新领域。绿色工艺应成为城市饮水净化工艺的发展方向。