清華蔣展鵬小組：打造飲用水安全防護網
飲用水是人類生存的基本需求。直接關系廣大人民群眾身體健康和生命安全，關系正常的生產生活秩序，飲用水安全及保障被放在社會發展和城市建設管理的重要位置。近年來，我國城市供水水源、凈水廠、供水管網的建設和改造取得較大進展，污染源治理和飲用水監督管理力度不斷加大。但飲用水不安全問題仍然存在，一些城市存在水源地水質不合格、水源地污染和水量不足等問題，還有的地方供水管網建設落后，導致二次污染，有的水質監測和檢測能力不足，非安全飲水仍是目前人類疾病的誘因之一。因此，研究水質安全與凈化新技術的科學原理具有重大科學意義和實際意義。
在國家自然科學基金的資助下，清華大學環境科學與工程系教授蔣展鵬及其課題組根據我國飲用水源狀況與特點，對飲用水中的微生物、有機污染物、無機污染物對水質安全的影響及其在水凈化工藝過程中的遷移轉化規律和控制原理，及輸送過程中水質的穩定性進行了深入研究。他們建立了物質分子結構和分子生物學水平上新的水質安全科學理論體系；闡明了污染物在水處理過程中的遷移轉化規律和控制原理；建立了新的輸配水水質穩定和水質控制理論；構建了水質安全評價指標體系并建立了基于中國國情的水質安全評價體系。為安全飲用水的生產、輸配、管理技術的開發和完善提供了科學依據，打造了一張嚴密的飲用水安全防護網。
全面解析原水中的典型污染物
原水是指來自水源地尚未經過處理的水。飲用水原水中的污染物可分為無機物、有機物兩大類。項目參與人、清華大學環境科學與工程系楊宏偉告訴記者，課題組在對飲用水污染物進行研究時，根據我國的特殊情況選擇了一些典型污染物作為研究對象。
藻毒素、內分泌干擾物（EDCs）和持久性有機污染物（POPs）是蔣展鵬課題組主要研究的有機污染物。
目前我國大部分湖泊、水庫受到不同程度的有機污染，富營養化現象嚴重。在適宜的溫度和充足的陽光下，藻類大量繁殖，而藻毒素就是某些藻類所產生的毒素，這已成為備受關注的飲用水水源污染問題之一。課題組通過對水源地的藻和藻毒素關聯關系的調查，發現藻毒素與藻的生長周期有非常強的相關性，且藻毒素的濃度受環境因素影響很大，日光輻照和微生物降解是主要影響因素。
內分泌干擾物和持久性有機污染物是近年來國內外研究的熱點和重點，這類物質已廣泛地存在于空氣、水體、土壤、食物和生物體中。楊宏偉介紹說：“現在儀器分析已經能夠準確地檢測出飲用水中的EDCs和POPs含量，但是儀器分析成本高、樣品測試周期長，不適合對大量樣品的快速檢測分析。課題組創造性地采用了生物酶酶標測定的方法，并不直接測定有機物濃度，而是測定整個污染物質的內分泌干擾特性，得出一個具體的干擾當量，大大減少了工作量。”
亞硝酸鹽和鋁鹽絮凝劑則是課題組主要研究的飲用水中的無機污染物。
“混凝沉淀是水處理過程中的重要單元，鋁鹽絮凝劑因具有良好的混凝效果而得到廣泛應用，但往往會引起水中出現殘余鋁的問題。而鋁的毒性日益受到人們的關注與重視。”楊宏偉說：“在研究過程中發現鋁的形態在整個供水過程中不斷變化，而且對人體健康影響較大的是以單體態存在的鋁。在這種情況下，建議我國現行的有關鋁的飲用水標準應當作出適當改變。”
楊宏偉指出，針對目前傳統處理手段難以對飲用水污染進行有效處理的現狀，他們還專門對活性炭、光催化氧化和膜處理技術等工藝和技術的處理效果進行了相關研究，結果也令人樂觀。
此外，蔣展鵬課題組提出，影響水質好壞的因素應包括水中雜質和水本身兩大方面。而過去采用的水處理技術只關注如何消除雜質和將雜質與水分離，沒有關注水本身的分子締合結構，但后者也會影響水質。因此，他們采用核磁共振和拉曼光譜初步建立了水分子締合結構的表征方法，并研究了不同離子對水分子締合結構的影響。
尋找更安全有效的消毒方法
目前，我國自來水廠幾乎全部采用傳統的液氯、漂白粉進行消毒。氯消毒效果好，具有持續消毒作用(管網余氯)，且費用較其他消毒方法低。但是，氯在消毒過程中常與水中的有機物作用，發生一系列反應，產生三鹵甲烷、鹵乙酸等多種消毒副產物，對人體可能產生極大的危害。
為實現對消毒副產物的控制，課題組研究了7種不同的水處理工藝和2種消毒工藝對消毒副產物的控制作用，開發了全新短時游離氯加氨消毒工藝。
“從表面上看這個工藝相當簡單，以往也有過氯、氨聯合消毒工藝，但是多為氯、氨同時使用。而我們新開發的順序氯化消毒大大優化了工藝參數。目前，這項工藝已經投入了商業運營。從天津芥園水廠的實際運營情況來看，與傳統的氯消毒工藝相比，該消毒工藝可以有效減少消毒副產物的生成量。其中，三鹵甲烷減少35%～77%，鹵乙酸減少36%～55%。”楊宏偉說：“希望這種高效、簡便，適合采用傳統消毒工藝水廠使用的方法，能夠得到更大規模的推廣。”
揭示管網二次污染的原因
楊宏偉指出，目前，鑄鐵管和鍍鋅鋼管仍大量存在于我國給水管網中。由于其容易發生腐蝕，而且腐蝕產物長時間在管內部沉積會形成管垢。這些管垢不但造成輸水能耗的增加，而且與管網水發生化學反應，引起管網水中鐵含量增加以及余氯和溶解氧的衰減；此外其還為微生物提供了良好的棲息地，使管內壁易于生長生物膜，增加管網水的生物不穩定性。這樣就可能出現出廠水達標，但到達用戶端后水質卻不合格的情況。
為此，蔣展鵬課題組對管網系統的化學穩定性和生物穩定性進行了相關研究。
化學穩定性研究主要是對管網中鐵離子的溶出機理以及控制機理的剖析。楊宏偉告訴記者，他們意外地發現，與設想相反，在高氯的環境中，鐵溶出反而相對減少。因為在高氯的環境下管道內部會形成致密的氧化膜，反而抑制了鐵溶出。
在生物穩定性研究方面，課題組開創性地采用了分子生物學方法來分析和鑒別飲用水中懸浮微生物以及管道生物膜菌類的種群和數量。另外，他們還對管網中的余氯水平以及總余氯、生物可同化有機碳（AOC）以及懸浮微生物之間的相互聯系進行了解析。
建立飲用水風險評估系統
盡管飲用水也被很多人看作是一種食品，但與普通食品行業相比，其生產和供應方式都具有特殊性。城市供水系統從取水、處理到配水的各個環節都是連續運行的，其產品供應具有連續性。由于水質檢測結果的時間滯后，一旦發現質量問題，即使及時采取糾偏措施也無法撤回已供應的水，并且這些有質量問題的飲用水可能已經被用戶使用。因此，預防性措施在城市給水系統中更為重要。
我國飲用水源污染形勢嚴峻，水質檢測能力發展滯后，迫切需要城市供水系統建立一套涵蓋取水、輸水、處理、貯存、配水全過程的識別和預防危害的系統方法，提高城市供水系統的過程控制和風險管理能力，保障飲用水水質安全。
蔣展鵬課題組建立了稀缺數據條件下的給水系統水質風險評價與管理研究的方法學及指標體系，開發了給水系統單元集成模型，利用研制的軟件對飲用水原水水質狀況和水廠的處理工藝進行綜合分析，由此來判斷水廠出水是否存在水質超標的風險，為水廠水質的風險管理和城市供水安全預警提供了有力的決策支持。
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