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院士观点:在城市饮水净化中采用绿色工艺的思考
作者:源于网络 时间:2014/8/27 15:08:40 浏览数:

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。

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。

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. 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。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。