原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025年第6期 《2024年飲用水新污染物防控?zé)狳c(diǎn)回眸 》
2024年，在飲用水新污染物防控領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請(qǐng)侯立安院士團(tuán)隊(duì)撰文，系統(tǒng)回顧和分析飲用水新污染物組成特征、新污染物環(huán)境效應(yīng)及人體健康風(fēng)險(xiǎn)、飲用水處理工藝對(duì)新污染物的去除，以及新污染物去除領(lǐng)域的新技術(shù)與新材料研究進(jìn)展，并提出了飲用水中新污染物防控策略與建議。
01
飲用水新污染物組成特征
新污染物核心類(lèi)別主要包括持久性有機(jī)污染物（POPs）、內(nèi)分泌干擾物（EDCs）、抗生素、微塑料和消毒副產(chǎn)物。這些新污染物在多種環(huán)境中廣泛分布，如工業(yè)排放源、農(nóng)田徑流、廢水排放等（圖1）。一旦被釋放到環(huán)境中，它們將經(jīng)歷降解、揮發(fā)和生物積累等一系列復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過(guò)程，從而影響在飲用水水源中的分布。
圖1 新污染物進(jìn)入環(huán)境的途徑及其遷移轉(zhuǎn)化
全氟和多氟烷基化合物（PFASs）作為POPs的代表，因其潛在的毒性和在環(huán)境中的廣泛分布，已成為監(jiān)管焦點(diǎn)。研究顯示，全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）在瓶裝水中最為常見(jiàn)且占主導(dǎo)地位。盡管自來(lái)水中PFASs暴露量高于瓶裝水，但總體風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。煮沸和活性炭過(guò)濾能有效降低水中PFASs的濃度，且活性炭過(guò)濾的去除效率隨碳鏈長(zhǎng)度增加而提升。
據(jù)全國(guó)抗生素排放量調(diào)查顯示，長(zhǎng)江流域的抗生素排放量在全國(guó)排名前3，地表水的抗生素污染狀況堪憂。據(jù)報(bào)道，黃河中游無(wú)定河表層水和沉積物中的微塑料平均豐度分別為0.69±0.38個(gè)/L和608±255個(gè)/kg，以纖維狀微塑料為主。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)8個(gè)飲用水處理廠中22種內(nèi)分泌干擾物，其中18種物質(zhì)濃度最高達(dá)142.8 ng/L。此外，近期一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)消毒劑氯胺分解的最終產(chǎn)物氯硝酰胺陰離子，美國(guó)40個(gè)經(jīng)過(guò)氯胺處理的飲用水樣本均含該物質(zhì)，中位濃度約為23 μg/L，這提示需重新評(píng)估氯胺處理水體的安全性。
02
飲用水新污染物環(huán)境效應(yīng)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)
2024年，The Innovation發(fā)表的一篇綜述，從“One Health”（同一健康）的宏觀視角出發(fā)，全面剖析了新污染物對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)健康的影響，并強(qiáng)調(diào)采用“同一健康”策略來(lái)應(yīng)對(duì)這些污染物的重要性。
研究表明，雙酚A類(lèi)似物（BPs）能釋放到水環(huán)境并被水生植物吸收轉(zhuǎn)化，影響植物生長(zhǎng)、光合作用及結(jié)構(gòu)完整性。PFASs可干擾藻類(lèi)光合作用及基因表達(dá)，影響其正常生長(zhǎng)，并與病人認(rèn)知功能障礙有著潛在聯(lián)系。此外，新污染物具有遷移性，可通過(guò)生物累積作用對(duì)人體健康產(chǎn)生潛在影響（圖2）。
圖2 新污染物通過(guò)食物鏈對(duì)人類(lèi)健康造成多重潛在危害
聚乳酸微納米塑料暴露可能導(dǎo)致小鼠肝功能損害、血清抗氧化活性破壞及肝肺病理變化。研究報(bào)道，在人體動(dòng)脈中檢測(cè)到微塑料，平均濃度約為118μg/g，表明微塑料可能與人類(lèi)動(dòng)脈粥樣硬化有關(guān)（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，新污染物暴露與人體高脂血癥、肥胖、代謝綜合征和高尿酸血癥等存在一定關(guān)聯(lián)。
圖3 不同動(dòng)脈樣本中檢測(cè)到的微塑料含量及塑料種類(lèi)與可能來(lái)源
03
飲用水處理工藝對(duì)新污染物的削減
中國(guó)主流凈水工藝為混凝-沉淀-過(guò)濾-消毒，對(duì)新污染物控制效果尚未達(dá)到理想水平，氯消毒工藝還會(huì)生成消毒副產(chǎn)物，影響人體健康。因此，增加深度處理單元成為提升河網(wǎng)地區(qū)飲用水水質(zhì)的重要措施。耦合工藝如傳統(tǒng)工藝與高級(jí)氧化、膜技術(shù)等組合，具有高氧化效率、氧化劑余量可直接利用、去除率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為飲用水深度處理工藝的重要選擇。然而，這些工藝往往伴隨著“增碳”過(guò)程，需開(kāi)發(fā)更高效的深度處理工藝，實(shí)現(xiàn)低碳再生與水質(zhì)安全協(xié)同。
生物離子交換（BIEX）工藝通過(guò)吸附、離子交換及生物作用去除水中污染物，樹(shù)脂吸附保留作用延長(zhǎng)污染物停留時(shí)間，為生物降解提供了條件。樹(shù)脂上生物膜展現(xiàn)良好的生物活性和豐富的菌群結(jié)構(gòu)，對(duì)污染物降解效果顯著。飲用水處理能耗和碳排放取決于水量、水質(zhì)及處理要求等，將傳統(tǒng)能源與可再生能源耦合使用，是緩解傳統(tǒng)能源消耗和污染物去除的有力方式（圖4）。膜系統(tǒng)作為能源密集過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。若優(yōu)化能源輸送系統(tǒng)可節(jié)省高達(dá)20%的能源消耗并有效去除污染物。此外，借助人工智能（AI）系統(tǒng)，對(duì)工藝流程和多目標(biāo)控制進(jìn)行系統(tǒng)化梳理和優(yōu)化，能提高處理效率。
圖4 飲用水處理廠的能耗和碳排放管理
04
飲用水新污染物去除新技術(shù)與新材料
傳統(tǒng)飲用水處理技術(shù)對(duì)新污染物去除效能存在明顯局限性，深度處理工藝包括臭氧-活性炭、膜分離、高級(jí)氧化技術(shù)及其組合工藝，使用前需評(píng)估對(duì)人體健康和環(huán)境安全的風(fēng)險(xiǎn)。
通過(guò)球磨處理活性炭（PAC）可顯著提高其對(duì)新污染物的吸附效率，將PAC粒徑從38 μm減小到1 μm時(shí)，其對(duì)疏水農(nóng)藥的吸附率可提高20倍。與傳統(tǒng)臭氧-生物活性炭（BAC）工藝相比，臭氧/過(guò)氧單硫酸鹽-BAC工藝（O?/PMS-BAC）降低了抗生素耐藥性風(fēng)險(xiǎn)，且新污染物去除效果更佳。
膜分離技術(shù)在新污染物分離和去除中展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力，但膜材料存在選擇權(quán)衡效應(yīng)和膜污堵問(wèn)題。將二維（2D）層狀材料引入聚合物膜結(jié)構(gòu)制備的二維材料改性聚合物膜（2DNMPMs），能提升膜的滲透通量、抗污染能力和機(jī)械能力。新膜工藝的構(gòu)建旨在實(shí)現(xiàn)各工藝優(yōu)勢(shì)的最大化。例如，侯立安團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種疏松納濾膜后接臭氧高級(jí)氧化或者活性炭的組合工藝，該工藝能夠高效去除飲用水中的新污染物，同時(shí)保留鈣鎂等有益礦物離子，為生產(chǎn)高品質(zhì)飲用水提供了新的工藝思路（圖5）。
圖5 疏松納濾后接臭氧氧化/活性炭吸附的工藝原理
光催化技術(shù)在降解含氟化合物方面效果顯著，微納米氣泡（MNBs）技術(shù)輔助高級(jí)氧化具有高效便捷、無(wú)二次污染物引入優(yōu)勢(shì)。紫外線高級(jí)氧化技術(shù)可有效去除飲用水新污染物。KrCl準(zhǔn)分子燈（UV222）對(duì)氧化劑活化效果優(yōu)于低壓汞燈（UV254），對(duì)部分新污染物去除率略高（圖6）。
圖 6 有機(jī)光催化劑的設(shè)計(jì)及對(duì)含氟化合物的活化
機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)用于預(yù)測(cè)新污染物濃度、識(shí)別污染物類(lèi)型和優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，提高處理效率（圖7）。
圖 7 機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)微塑料污染豐度變化規(guī)律
05
飲用水源新污染物防控策略與建議
1）建立智能一體化高效監(jiān)測(cè)平臺(tái)，構(gòu)建飲用水源新污染物動(dòng)態(tài)篩查體系。利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，發(fā)展多功能一體化的水質(zhì)在線智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)新污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與篩查。針對(duì)中國(guó)重要飲用水水源地，梳理新污染物動(dòng)態(tài)清單，構(gòu)建實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)耦合動(dòng)態(tài)篩查的方法體系。
2）推進(jìn)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)新污染物高效去除工藝與裝備?；诩{米材料、新膜、吸附/高級(jí)氧化耦合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)飲用水中新污染物精準(zhǔn)控制與礦物質(zhì)保留。結(jié)合新建-已建工程工藝特點(diǎn)，試點(diǎn)新工藝-原工藝融合，全面提升水廠新污染物削減能力。綜合評(píng)估最優(yōu)工藝路徑性能-成本，加快建立飲用水源新污染物防治技術(shù)體系。
3）提升新污染物風(fēng)險(xiǎn)管控水平，建立環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。開(kāi)展新污染物生物毒性和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系研究，深化新污染物健康風(fēng)險(xiǎn)分子水平深度認(rèn)知，研究長(zhǎng)期低水平暴露對(duì)健康的影響機(jī)制。持續(xù)研究新污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，開(kāi)展新污染物與常規(guī)污染物復(fù)合的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法學(xué)研究；結(jié)合多模型聯(lián)動(dòng)和耦合方法，建立飲用水源中多污染物復(fù)合的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。
4）加快出臺(tái)相關(guān)政策與法律法規(guī)，完善飲用水源新污染物標(biāo)準(zhǔn)體系。目前新污染物的檢測(cè)和控制未納入企業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)和廢水監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏分類(lèi)治理、全過(guò)程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控的依據(jù)和基礎(chǔ)?，F(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2022）尚未包含微塑料、抗生素等重點(diǎn)管控新污染物，亟需加快出臺(tái)和完善飲用水源新污染物標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)農(nóng)村地區(qū)飲用水新污染物的防治，建立保障農(nóng)村飲用水安全的規(guī)范制度。發(fā)揮政府和相關(guān)行業(yè)主導(dǎo)性，參考國(guó)際飲用水新污染物標(biāo)準(zhǔn)與限值，建立適宜中國(guó)國(guó)情的飲用水源新污染物標(biāo)準(zhǔn)體系。
本文作者：李江、張婷、王晶、李媛、潘章斌、王濤、王斌、侯立安
作者簡(jiǎn)介：李江，貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，教授，研究方向?yàn)橛袡C(jī)固廢資源化和新污染物治理；侯立安（通信作者），中國(guó)工程院院士，研究方向?yàn)轱嬘盟踩Ｕ?、分散點(diǎn)源生活污水處理和人居環(huán)境空氣凈化等。
文章來(lái)源：李江, 張婷, 王晶, 李媛, 潘章斌, 王濤, 王斌, 侯立安. 2024年飲用水新污染物防控?zé)狳c(diǎn)回眸[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(6): 21-28.
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