清华蒋展鹏小组：打造饮用水安全防护网
饮用水是人类生存的基本需求。直接关系广大人民群众身体健康和生命安全，关系正常的生产生活秩序，饮用水安全及保障被放在社会发展和城市建设管理的重要位置。近年来，我国城市供水水源、净水厂、供水管网的建设和改造取得较大进展，污染源治理和饮用水监督管理力度不断加大。但饮用水不安全问题仍然存在，一些城市存在水源地水质不合格、水源地污染和水量不足等问题，还有的地方供水管网建设落后，导致二次污染，有的水质监测和检测能力不足，非安全饮水仍是目前人类疾病的诱因之一。因此，研究水质安全与净化新技术的科学原理具有重大科学意义和实际意义。
在国家自然科学基金的资助下，清华大学环境科学与工程系教授蒋展鹏及其课题组根据我国饮用水源状况与特点，对饮用水中的微生物、有机污染物、无机污染物对水质安全的影响及其在水净化工艺过程中的迁移转化规律和控制原理，及输送过程中水质的稳定性进行了深入研究。他们建立了物质分子结构和分子生物学水平上新的水质安全科学理论体系；阐明了污染物在水处理过程中的迁移转化规律和控制原理；建立了新的输配水水质稳定和水质控制理论；构建了水质安全评价指标体系并建立了基于中国国情的水质安全评价体系。为安全饮用水的生产、输配、管理技术的开发和完善提供了科学依据，打造了一张严密的饮用水安全防护网。
全面解析原水中的典型污染物
原水是指来自水源地尚未经过处理的水。饮用水原水中的污染物可分为无机物、有机物两大类。项目参与人、清华大学环境科学与工程系杨宏伟告诉记者，课题组在对饮用水污染物进行研究时，根据我国的特殊情况选择了一些典型污染物作为研究对象。
藻毒素、内分泌干扰物（EDCs）和持久性有机污染物（POPs）是蒋展鹏课题组主要研究的有机污染物。
目前我国大部分湖泊、水库受到不同程度的有机污染，富营养化现象严重。在适宜的温度和充足的阳光下，藻类大量繁殖，而藻毒素就是某些藻类所产生的毒素，这已成为备受关注的饮用水水源污染问题之一。课题组通过对水源地的藻和藻毒素关联关系的调查，发现藻毒素与藻的生长周期有非常强的相关性，且藻毒素的浓度受环境因素影响很大，日光辐照和微生物降解是主要影响因素。
内分泌干扰物和持久性有机污染物是近年来国内外研究的热点和重点，这类物质已广泛地存在于空气、水体、土壤、食物和生物体中。杨宏伟介绍说：“现在仪器分析已经能够准确地检测出饮用水中的EDCs和POPs含量，但是仪器分析成本高、样品测试周期长，不适合对大量样品的快速检测分析。课题组创造性地采用了生物酶酶标测定的方法，并不直接测定有机物浓度，而是测定整个污染物质的内分泌干扰特性，得出一个具体的干扰当量，大大减少了工作量。”
亚硝酸盐和铝盐絮凝剂则是课题组主要研究的饮用水中的无机污染物。
“混凝沉淀是水处理过程中的重要单元，铝盐絮凝剂因具有良好的混凝效果而得到广泛应用，但往往会引起水中出现残余铝的问题。而铝的毒性日益受到人们的关注与重视。”杨宏伟说：“在研究过程中发现铝的形态在整个供水过程中不断变化，而且对人体健康影响较大的是以单体态存在的铝。在这种情况下，建议我国现行的有关铝的饮用水标准应当作出适当改变。”
杨宏伟指出，针对目前传统处理手段难以对饮用水污染进行有效处理的现状，他们还专门对活性炭、光催化氧化和膜处理技术等工艺和技术的处理效果进行了相关研究，结果也令人乐观。
此外，蒋展鹏课题组提出，影响水质好坏的因素应包括水中杂质和水本身两大方面。而过去采用的水处理技术只关注如何消除杂质和将杂质与水分离，没有关注水本身的分子缔合结构，但后者也会影响水质。因此，他们采用核磁共振和拉曼光谱初步建立了水分子缔合结构的表征方法，并研究了不同离子对水分子缔合结构的影响。
寻找更安全有效的消毒方法
目前，我国自来水厂几乎全部采用传统的液氯、漂白粉进行消毒。氯消毒效果好，具有持续消毒作用(管网余氯)，且费用较其他消毒方法低。但是，氯在消毒过程中常与水中的有机物作用，发生一系列反应，产生三卤甲烷、卤乙酸等多种消毒副产物，对人体可能产生极大的危害。
为实现对消毒副产物的控制，课题组研究了7种不同的水处理工艺和2种消毒工艺对消毒副产物的控制作用，开发了全新短时游离氯加氨消毒工艺。
“从表面上看这个工艺相当简单，以往也有过氯、氨联合消毒工艺，但是多为氯、氨同时使用。而我们新开发的顺序氯化消毒大大优化了工艺参数。目前，这项工艺已经投入了商业运营。从天津芥园水厂的实际运营情况来看，与传统的氯消毒工艺相比，该消毒工艺可以有效减少消毒副产物的生成量。其中，三卤甲烷减少35%～77%，卤乙酸减少36%～55%。”杨宏伟说：“希望这种高效、简便，适合采用传统消毒工艺水厂使用的方法，能够得到更大规模的推广。”
揭示管网二次污染的原因
杨宏伟指出，目前，铸铁管和镀锌钢管仍大量存在于我国给水管网中。由于其容易发生腐蚀，而且腐蚀产物长时间在管内部沉积会形成管垢。这些管垢不但造成输水能耗的增加，而且与管网水发生化学反应，引起管网水中铁含量增加以及余氯和溶解氧的衰减；此外其还为微生物提供了良好的栖息地，使管内壁易于生长生物膜，增加管网水的生物不稳定性。这样就可能出现出厂水达标，但到达用户端后水质却不合格的情况。
为此，蒋展鹏课题组对管网系统的化学稳定性和生物稳定性进行了相关研究。
化学稳定性研究主要是对管网中铁离子的溶出机理以及控制机理的剖析。杨宏伟告诉记者，他们意外地发现，与设想相反，在高氯的环境中，铁溶出反而相对减少。因为在高氯的环境下管道内部会形成致密的氧化膜，反而抑制了铁溶出。
在生物稳定性研究方面，课题组开创性地采用了分子生物学方法来分析和鉴别饮用水中悬浮微生物以及管道生物膜菌类的种群和数量。另外，他们还对管网中的余氯水平以及总余氯、生物可同化有机碳（AOC）以及悬浮微生物之间的相互联系进行了解析。
建立饮用水风险评估系统
尽管饮用水也被很多人看作是一种食品，但与普通食品行业相比，其生产和供应方式都具有特殊性。城市供水系统从取水、处理到配水的各个环节都是连续运行的，其产品供应具有连续性。由于水质检测结果的时间滞后，一旦发现质量问题，即使及时采取纠偏措施也无法撤回已供应的水，并且这些有质量问题的饮用水可能已经被用户使用。因此，预防性措施在城市给水系统中更为重要。
我国饮用水源污染形势严峻，水质检测能力发展滞后，迫切需要城市供水系统建立一套涵盖取水、输水、处理、贮存、配水全过程的识别和预防危害的系统方法，提高城市供水系统的过程控制和风险管理能力，保障饮用水水质安全。
蒋展鹏课题组建立了稀缺数据条件下的给水系统水质风险评价与管理研究的方法学及指标体系，开发了给水系统单元集成模型，利用研制的软件对饮用水原水水质状况和水厂的处理工艺进行综合分析，由此来判断水厂出水是否存在水质超标的风险，为水厂水质的风险管理和城市供水安全预警提供了有力的决策支持。
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