马 军  哈尔滨工业大学市政环境工程学院副院长、教授、博士生导师、教育部“长江学者奖励计划特聘教授”，国务院学科评议组成员，国家级有突出贡献的中青年专家。曾获中国青年科学家奖、国家杰出青年科学基金、中国青年科技奖、国际“居里夫人”一等博士后奖学金；首批入选国家百千万人才工程；入选国家教育部跨世纪优秀人才计划；被评为做出突出贡献的优秀留学回国人员；获得国氏博士后奖励基金和全国优秀博士后(称号)。国际IOA-EA3G理事，中国给水排水协会理事，教育部“城市水质保障与水资源可持续利用”创新团队学术带头人。带领的课题组针对饮用水源污染和水资源短缺等问题，研究出一系列具有自主知识产权、能经济高效地提高水质的给水处理与污水深度处理及资源化利用关键技术。发明了可高效分解高稳定性有机污染物的臭氧催化氧化方法；具有多功能除污染作用的高锰酸盐和高铁酸盐复合剂除污染技术。将新型高级氧化与吸附和生物有机结合，形成经济低耗的集成化深度处理技术。申报发明专利46项，授权发明专利23项；发表论文225篇，SCI他人引用140余次。主编及参编著作4部。获国家发明二等奖2项。获国家科技进步三等奖1项、获省重大效益奖和省部级科技一等奖4项。成果应用于几十座水厂、水站，在北江和松花江等重大水污染事件中被沿岸的二十二座水厂采用作为除污染关键技术之一，保障了沿岸居民的饮水安全。

    前 言

    古人云：水为万化之源，土为万物之母，饮资于水，食之于土，饮食者，人之命脉也，而营为赖之。世界上许多物质都可以找到它的替代品：用陶瓷或塑料代替钢；用一种金属代替另一种金属。但迄今为止，还没有一种物质可以取代水，水是不可替代的有限资源。地球上的水有97.2％是海水,淡水只占百分之二点几，而全世界可利用的淡水资源不足淡水总量的１％。但是长期以来，人们都认为水是取之不尽用之不竭的。尽管也知道水的重要和珍贵，但既然是取之不尽的，也就不会很珍惜。两个世纪前本杰明.富兰克林(Benjamin Frankalin)就曾经说过“只要水井不干，我们就不会了解水的真正价值”。在人类发展过程中，一方面消耗着越来越多的水；另一方面还忽视水资源的重要性，将水源作为废物的倾倒场所，向湖泊、河流和海洋中倾倒数十亿吨的化学品、金属与有机污染物。因此，目前不但全世界范围内很多水井的水位在下降，而且水体也被污染，有时达到不能饮用的程度。因此必须更多地了解水的性质、全球性的水危机状况及水质净化技术发展趋势，并且树立珍惜、节约水资源、保护饮用水源的正确观念。

    1 水分子结构与性质

    水分于由两个氢原子和一个氧原子所组成，三个原子排列成以两个氢原子为底，以氧原子为顶的等腰三角形。分子正负电荷中心相互分离，水分子具有很强的极性。在具有强极性的水分子之间，由于H-O之间的电子云强烈地偏向电负性很大的氧原子，使氢原子核裸露，产生剩余价键，能与另一个水分子中的氧原子相结合，形成氢键。由于水分子有很强的极性，分子之间又有氢键，因此水在许多方面表现出很特殊的性质。
   
    (1)水具有优良的分散溶解能力。强极性的水分子与离子型化合物或强极性化合物等强电解质分子接触时，水分子和它们的离子或极性分子相互吸引，并由于质点的热运动，使电解质分散、溶解或离解于水。溶解在水中并电离的离子，能与水分子结合，即发生水化作用，成为水合离子，分散于水中。水合过程是放热过程；可使溶解于水溶液中的离子稳定。因此，水是大多数无机酸、碱、盐等良好的清洗介质和溶解介质,其成本低廉、应用范围极广。

    水分子与具有极性的有机化合物之间也有强烈的相互作用，水分子与分子中有强电负性元素的有机化合物分子，如醇、胺、有机酸、蛋白质等也会形成氢键，十分有利于这些有机物在水中的溶解，因此，水也可用于清洗某些有机化合物。

    (2)水具有较大的气化热和比热容。水的气化热和比热容比许多其他溶剂大。温度每升高或降低 1℃，水所吸收或放出的热量此同质量的其他溶剂多，因此水常用作冷却、传热等方面的良好载体。

    (3)水具有不可燃烧性。这是大多数非水溶剂所不具备的。

    (4)水是无色、无毒、无臭、无味的液体。水的这些性质使其具有很宽广的应用领域。

    (5)水有特殊的体积-温度关系。一般液体的体积随温度升高而增加。但是，由于水分子间的氢键数和缔合水分子数随温度变化而变化，因此其体积在4℃时最小，密度最大；温度低于或高于4℃时密度变小。

    2 水在人体中的生理作用

   人体中含量最多的物质是水,其中肌肉重量约80%以及人脑组织约85%均是水,而血液中则含有高达约90%的水。总之，人体大约由25%的固体物质和75%的水组成，水是构成人类肌体的基础[1]。因此,水是人体的重要组成部分，是维持身体健康所必需的基本物质，与人体健康密切相关。水是输送养料和排泄物的媒介，是人体新陈代谢所发生的种种化学反应中不可缺少的物质，它在人体的血管、细胞之间川流不息，把氧气、营养物、激素等运送到组织细胞，又把各种代谢产物和有毒物质通过大小便、出汗及呼吸等途径排出体外。概括地讲，水在人体的生理作用主要有：

   （1）水参与人体内新陈代谢的全过程，水的溶解力甚强，并有较大的电离能力，可使人体内的水溶性物质以溶解状态和电解质离子状态存在；又由于水具有较大的流动性能，在人体消化、吸收、循环、排泄过程中可加速协助营养物质的运送和废物的排泄，使人体内新陈代谢和生理化学反应得以顺利进行。

   （2）水是细胞和体液的重要组成部分之一，人体的每个细胞及其基本单元均含有水份，人体的各种腺体分泌物均为液体。如果缺水，则分泌的消化液减少，食物消化受影响，食欲下降，血流减缓。体内废物积累，代谢活动降低，导致体内器官衰竭致病，并加重病情。

   （3）水保持着人体一定的血容量--人体的血液含水量约占90%，如果大量失水，则使血溶量减少而产生低血压，从而影响人体各种器官的发育，特别是心、脑、肾的机能活动，故血溶量与血液中水含量密切相关。

   （4）水对调节人体体温起着重要作用——首先水的比热数值高，每克水升高或降低10oC，就需要1000卡热值。由于人体含有大量的水，人体在代谢过程中所产生的热能被水所吸收，使体温不至于显著升高；其次是水的蒸发热数值大，每毫升水的蒸发热约为579.5千卡，故人体只要蒸发少量的水即可散发大量的热，以维持人体保持一定的体温。

    3 水中成分对健康的影响

    由于水分子良好的溶解能力，使水中可能含有各种有机化合物、矿物质、重金属和一些微生物等，这些成分的存在对人体健康有非常重要的影响。

   （1） 有机化合物

    由于水的强溶解作用，在水循环过程中会引入各种有机物。水中的有机物可分为天然有机物和人工合成有机污染物。天然有机物是动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的物质，虽然其本身无害，但常常是有害物质的载体和消毒副产物的前质。在水处理的消毒过程中，消毒剂与天然有机物作用会形成一系列消毒副产物（如三卤甲烷、卤乙酸、溴酸盐、亚硝基二甲胺、卤乙腈、卤代硝基甲烷、卤代醛、卤代酮等），它们对人体都具有不同程度的毒害作用，如三氯甲烷被证实与膀胱癌相关，卤乙酸可能导致基因水平毒性，溴酸盐已经被认为是致癌物，而亚硝基二甲胺已经被美国环保局归类为可疑致癌物[2]。随着社会的发展和工业化进程的加快，大量人工合成的有机物在工农业及日常生活中使用，如人们生活中经常接触到的蛋白质、脂类、糖类、核酸；工业生产中使用的各种化学物质如硝基苯、苯酚等和农业生产中使用的DDT、二恶英、六六六、2，4-D、有机锡等。在使用这些有机物的同时，它们也随着废水或其它途径被排入水体中，这些有机物通过饮用、呼吸和皮肤接触等多种途径进入人体，产生很大的副作用。其中苯、氯乙烯、二恶英已经被国际癌症研究会确定为致癌物质，还有一些物质被列为有可能致癌的物质。现在国内外专家都很关注内分泌干扰物的危害，例如类雌激素化合物-烷基酚，它是洗涤剂、化妆品、除草剂等的分解产物，被认为与近年来发生的隐睾症、尿道下裂、子宫内膜异位、阴阳人、发育不全、精子数目减少及活性下降等发病率的升高有关。随着药物和化妆品行业的发展，这些有机物在水中的浓度不断提高，引起人体各种病变，导致人体抵抗力下降、抗药性增加、内分泌紊乱等一系列危害。总之，水中的有机物对健康不利，在水处理中应当尽量设法去除。

   （2）矿物质及微量元素

    水在自然循环过程中溶解了大量的矿物质，主要包括：钠、钾、钙、镁、磷、锂、锶、锌、碘、硒、氟等元素。其中有些元素是构成人体结构的必备元素，有些元素在新陈代谢过程中起调节作用。如：钠、钾是体液的重要成分，对心脏的功能起着重要作用，同时在神经传输过程中起着无法取代的重要作用；钙和磷则是组成人体骨骼和牙齿的主要元素，同时钙还控制着人体肌肉的兴奋程度以及神经系统尤其是青少年神经系统的发育；碘是甲状腺激素的重要组成元素，能促进人体神经系统的发育。硒是抗癌物，而氟对防治牙的衰退和龋牙产生有重要作用。然而，水中矿物质含量不能太多，否则会对人体产生不利的影响。例如：当钙、镁离子浓度太高（硬度太高）时，则使洗衣粉起泡和去污能力下降，并且容易引起肾结石；当水中氟的浓度大于1mg/L时，长期饮用该水容易使牙齿变成黑褐色甚至黑色。因此，水中矿物质对身体健康是必备的，但浓度不能过高，而是应该在一定的范围内，具体浓度范围可以参考国家《生活饮用水卫生标准》。

    （3）重金属

    水在自然循环过程中可能会溶解一些矿物质或受到一些工业污水的污染，因此水中会含有铁、锰、铝、铜、铅、汞、镉、锌等重金属。铁、锰是人体必需的微量元素，饮用水标准规定它们在水中的浓度分别不能超过0.3 mg/L和0.1mg/L。但当铁浓度过高时，会引起神经抑制，昏迷，呼吸衰竭。锰含量过高会引起生殖功能变化，还会增加肿瘤的发生率。长期摄入大量的铝（>200μg/L）有可能导致老年痴呆症；大量的铜(>1.0 mg/L)会使水呈现颜色，并且食用后会引起呕吐、恶心、腹泻等症状；含铅的水可能引起肾脏损伤以及中枢和外周神经系统病变；水中有机汞主要造成人类神经系统损伤，无机汞则会造成肾脏损伤；水中镉人体吸收将会使骨骼上的钙置换下来，是骨痛病的病因。我国生活饮用水水质标准中还对饮用水中锌、砷、铬和铅等重金属的含量作了规定，在水处理的过程各种重金属都要去除。

    （4）微生物

     霍乱、痢疾、SARS、禽流感的流行都是水中存在致病微生物导致的后果。霍乱是最早发现的水致疾病，它是由霍乱弧菌引起的急性传染病。O157属于埃希氏大肠杆菌，该菌能释放出胞外毒素，能引起严重的出血性腹泻、肾功能衰竭。伤寒也是由沙门氏菌引起的腹泻。志贺氏菌被发现与所有的痢疾爆发有关。隐孢子虫，贾第虫均是原生动物，一般存在于被动物粪便污染的水中，会寄生在人的肠道内，引起消化道肿胀、排气和腹泻等。藻类也是饮用水水质的一大问题。小三毛金藻、微囊藻、大螺旋藻、拟项圈藻、多甲藻等有害藻类会分泌藻毒素，能使鱼中毒，重者会造成死亡。当然，也可能引起人的中毒。不难看出，病原微生物的存在严重地影响饮用水的安全。

    4  全球性水危机

    地球总水量约计1.4×109 km3，淡水仅占2.8%，而对人类生活最密切的湖泊、河流和浅层地下水等淡水资源，仅占总淡水储量的0.34%，其中能够开采利用的又只有0.2%。世界淡水资源在时间和空间分布上极不均衡，使有限的淡水资源不能被充分利用。而且随着人口与工农业生产的飞速发展，用水量剧增。19世纪以来，全世界工业用水量增长了20倍，农业用水量增加了7倍。

    联合国早在1977年2月就向全世界发出警告：“水不久将成为继石油危机之后的另一个更为严重的全球性危机”。1977年联合国在国际会议上进一步强调，“水，不久将成为一个深刻的社会危机。”1996年联合国《对世界淡水资源的全面评估报告》中第一次提出：缺水将严重制约下世纪的经济和社会发展，并可能导致国家间的冲突。1997年联合国再次呼吁“目前地区性水危机可能预示着全球危机的到来。”

    随着工业的快速发展和人口的迅速增长，排放的废污水量也相应急剧增加，致使许多江、河、湖、水库乃至地下水等都遭到不同程度的污染，使水资源短缺局面更加紧张。目前全世界每年排出污水约4.262×1011m3，已造成5.5×1012 m3水体的污染，约占全球径流总量的14%以上；另据联合国调查，全世界河流的稳定流量已有40%左右被污染，致使目前全世界60亿人口中约20％的人无法获得洁净饮水，每年有300-400万人死于与污染或恶劣卫生条件相关的疾病，2002年世界卫生组织指出“不洁饮水是人类健康的十大威胁之一”。到2025年世界上无法获得安全饮用水的人数将增加到23亿，到2050年底，全世界90亿总人口当中的大约70亿将可能面临用水短缺。在我国669多个城市中有400多个城市存在供水不足问题，其中110座城市严重缺水，全国城市总缺水量为60亿立方米，每年因水资源匮乏影响的工业产值高达2300亿元。水资源短缺已经成为制约21世纪中国社会经济持续发展的重要因素。

     5 水质净化技术

    人类很早就知道向水中投加某些矿石具有净水作用，采用明矾降低水中浊度最早的正式文字记载为明宋应星刻印的《天工开物》（公元1687年），后来逐渐发展到通过渗滤和慢滤等方法净水。随着用水规模的不断扩大，饮用水净化技术迅速发展，到上个世纪初已基本上形成了以混凝、沉淀、过滤、消毒为主的常规给水处理工艺。但常规给水处理主要以去除水源水中的悬浮物、胶体杂质和细菌为主要目标。水中的悬浮物和胶体颗粒在混凝剂作用下脱稳，并形成能够被沉淀工艺去除的絮体，剩余的细小颗粒和部分有机物可在过滤过程中被去除。为了保证饮水安全，过滤出水还必须进行消毒处理以灭活水中细菌、病原菌等。

    但是近年来由于大部分水厂的水源均受到不同程度的污染，水中检测出的污染物种类在逐渐提高，常规给水处理工艺对水中氨氮、有机污染物、藻类、藻毒素、色度、稳定性铁锰、氟、亚砷酸盐（As(Ⅲ)）、重金属等去除率低，导致出水安全性下降。因此，受污染水源经常规工艺处理后的出水可能对人体健康构成潜在威胁。我国即将颁布的国家生活饮用水卫生标准已将水质控制指标由原来的35项提高到106项，对饮用水水质要求将更加严格。水质净化是保障饮用水水质安全的关键环节，目前主要通过应用预处理技术、强化常规处理工艺与增加深度处理工艺等来改善饮用水水质。

    （1）预处理技术

    预处理技术主要是通过化学氧化或生物氧化强化常规处理工艺，提高出水水质。化学预氧化是通过在给水处理工艺前端投加氧化剂强化除污染的一类预处理措施。国外较多地采用臭氧预氧化技术，利用臭氧的强氧化性破坏水中胶体的稳定性，并强化去除水中藻类、嗅味和有机物，但该方法设备投资大、运行管理费用高、且会形成溴酸盐和溴代与碘代醛等氧化副产物。我国研制开发出具有多功能除污染作用的高锰酸盐和高铁酸盐复合剂除污染技术，能够有效地对现有水厂进行升级改造，取得除藻、除嗅味、除有机物、除重金属、除浊、控制消毒副产物等净水作用，已经在我国几十座水厂水站应用，可对现有水厂进行强化或升级改造。生物预处理是指在常规处理工艺之前增设生物处理设施，通过微生物群体新陈代谢活动对水中有机物及“三氮”进行初步去除，提高饮用水的安全性，能延长后续过滤和活性炭吸附等处理的使用周期，适合于在温度比较高的地区使用，目前已经应用于深圳等地区。

    （2）强化常规给水处理技术

    强化常规给水处理技术主要包括强化混凝、强化沉淀与气浮技术及强化过滤技术等。强化混凝是通过采取一定措施来提高混凝阶段的除污染作用，如：改善絮凝剂性能、研制高效絮凝设备、控制最佳混凝条件等。强化沉淀的措施包括优化斜板间距、优化沉淀区流态、优化排泥、拦截式沉淀技术等。强化气浮的措施主要包括优化气浮的接触区和分离区、优化进水和出水、优化各区流态等。此外，发展了预氧化与气浮结合技术、高速气浮与多功能气浮等，能够更好地强化气浮工艺对水中污染物的去除。强化过滤技术的关键是滤料，在于研制优于传统滤料的过滤介质。目前，国内外研制的各种新型滤料多数是朝着改善滤料表面特性的方向努力，用物理或化学方法对传统滤料进行改性，改善其表面结构和性能，来提高滤料的截污能力。

    （3）深度处理技术

    深度处理技术是在常规给水处理工艺基础上进一步强化去除水中各种微污染物。主要有吸附法、高级氧化法、生物法、膜分离法等。

    吸附法通常包括活性炭吸附、离子交换和金属氧化膜吸附（无机吸附剂）。吸附法使用范围广、适应性强，一般可以根据吸附剂使用粒度分为粉状和颗粒状两大类。粉末状吸附剂（如粉末活性炭）使用灵活方便、投资小，但吸附剂利用效率低，适合于应急污染控制；粒状吸附剂（如粒状活性炭）需要增设吸附滤池，投资较大，但吸附剂利用效率高，可再生重复利用。目前，吸附技术也从单一的吸附发展到吸附与其它技术（如氧化、生物等）联用及对吸附剂改性等，从而强化对水中污染物的去除。但吸附工艺对污染物的去除能力与污染物平衡浓度有关，当水中有害污染物浓度很低时（微克或纳克/升数量级），单纯的吸附工艺难以取得好的处理效果，有时被吸附的污染物还会逐渐地解吸出来，造成二次污染。

    高级氧化技术是通过在氧化过程中形成强氧化性的羟基自由基来分解水中污染物的一类方法，通常包括以下工艺：O3/H2O2，O3/UV，O3/催化剂，H2O2/Fe2+，H2O2/Fe3+，H2O2/Fe2+(Fe2+)/UV，H2O2/UV，O3/H2O2/UV，UV/TiO2等。我国在臭氧多相催化氧化方面开展了十几年时间的研究工作，形成了利用过渡金属表面特性引发具有强氧化性羟基自由基的高级氧化方法，目前已经应用于十几座水厂、水站，将受到严重污染的水源水（如VI-V类）水质净化达到国家生活饮用水卫生标准，该技术被列入《城镇供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》中。随着我国饮用水标准的不断提高，特别是对各种高稳定性有毒有害污染物在饮用水中的浓度限定越来越严格，高级氧化将逐渐地在饮用水水质提高中发挥重要作用。

    生物法一般与氧化工艺联用。通过氧化或高级氧化工艺，将水中高稳定性有机污染物分解破坏，随后被后续的生物处理工艺去除。给水处理中的生物处理工艺是要处理水中低浓度的有机污染物，多数采用生物膜技术。生物活性炭是应用最多的生物处理单元过程。目前臭氧/生物活性炭联用技术、臭氧催化氧化/生物活性炭联用技术和高锰酸盐预氧化/生物活性炭联用技术等各种组合工艺在各种不同污染程度的水质净化中均有应用。氧化与生物组合工艺发挥了各自的优势，对有机污染物的强化去除发挥了重要作用。

    膜在除污染中的作用是通过膜的很小孔径将污染物截留到膜的一侧，从而从水相中去除。膜滤技术具有良好的提高水质的能力，去除污染物范围广，运行稳定可靠。但膜更换费用较高，技术设备投资还很大。目前，膜技术向着研制抗污染、高通量、高强度、长寿命膜方向发展，膜将与其他工艺组合实现对水中多种污染物的强化去除。膜技术具有工艺流程短、功能强、占地面积小、副作用小、使用灵活方便、易于实现自控等优点，是二十一世纪很有发展前途的水处理技术。

     6 饮用水水质安全保障技术发展趋势

    饮用水水质的提高应该通过保护饮用水水源、强化水质净化和提高管网水质安全等多方面来保障。保障清洁优质的饮用水源是今后城镇供水安全保障的关键，要制定严格的政策法规保护饮用水源，确保饮用水源的水质安全。应通过设立饮用水源保护区、修复受污染水源和科学调度水资源等多方面来改善城市饮用水源。应重点发展适合我国国情、能经济低耗地提高饮用水水质的给水深度处理技术，结合不同地区的水资源状况，实现水资源的高效安全利用。随着饮用水源水质逐渐趋于复杂，饮用水水质安全保障技术需要跨学科研究和全过程控制，应由物理化学、生物、材料、机械、控制等多领域人才合作发展多级屏障工艺来全面提高饮用水水质。应从战略上发展节水、节能、安全、优质、长寿命的供水系统，从根本上保障饮用水水质安全， 保障居民的身体健康。

     7 结语

    水是人体的重要组成部分，是维持身体健康所必需的基本物质，与人体健康有着密切的关系。随着人们健康意识的加强，人们对饮用水水质也日益关注。喝上“健康水”，已成为越来越多人的希望。因此，必须保护饮用水水源，加强饮用水净化，保证饮用水在管网中不受到二次污染，积极发展各种净水高新技术，提高饮用水质量，保障饮用水安全。面向21世纪的水处理，需要以更佳的水质，更可靠的供水，更好的服务和更合理的用水来适应形势发展的要求。

    参考文献
   
    [1] 李勇,盖相花.饮用水水质与人体健康.化学教育.2002,(1):1-4.
[2] USEPA (2001) Record of Decision for the Western Groundwater Operable Unit OU-3, Aerojet Sacramento Site, July 20.

（出处：《科学中国人》2007年第六期）