水答案——尋找一杯干凈的水

本系列開篇的“水嘆息”提醒大家中國面臨水資源短缺、水污染嚴重、水生態(tài)惡化三大問題；第二篇“水隱私”則告訴公眾自來水面臨水源污染無法避免、傳統(tǒng)的水處理工藝不但無法有效去除污染物，反而會產(chǎn)生致癌的加氯消毒副產(chǎn)物、管網(wǎng)與高樓水箱供水引發(fā)二次污染三大難題。看過前述兩篇科普的讀者一定憂心忡忡，很自然地會發(fā)問，既然事態(tài)如此嚴重，政府應(yīng)當(dāng)采取怎樣的補救措施？公眾又該怎么應(yīng)對？這就是作者要直面回答的問題，因此本篇的題目直奔主題“水答案”。

看到上述題目，會有個別讀者條件反射地要求政府盡快改善水源、不再污染，恢復(fù)到原始的水生態(tài)狀況。我說這感情好，但生態(tài)破壞到今天這種程度，即使不再有新的污染（何況這并不可能），要想使其恢復(fù)原狀，已經(jīng)不是我們這代人有希望看到的了。事實上，世界最頂級的刊物《Nature》（自然）雜志報道，在全球范圍內(nèi)，有12億人缺少安全飲用水，每天約3900個兒童死于飲水不潔而產(chǎn)生的疾病。報道還預(yù)言，依據(jù)目前的發(fā)展趨勢，水問題在未來幾十年中會變得越來越糟糕。

中國的實際情況是，有無數(shù)專家學(xué)者、新聞媒體、政協(xié)委員等不斷提出水安全問題，揭示水污染真相，但遺憾的是，卻很少有人能對癥下藥，正面提出保障水安全的具體措施。因此，本篇就是告訴老百姓怎么才能獲得一杯安全的飲用水。

一、水質(zhì)凈化要做到什么？

2008年3月20日出版的《Nature》（自然）雜志，罕見的用10頁的篇幅發(fā)表美國耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院等四所頂尖大學(xué)的包括美國工程院院士在內(nèi)的多名科學(xué)家聯(lián)合撰寫的一篇題為“Science and technology for water purification in the coming decades”（未來幾十年水凈化的科學(xué)與技術(shù)）的著名論文，震驚了全球的科學(xué)界。只要從事過科研工作的人都明白，世界頂級的自然雜志用如此大的篇幅發(fā)表頂尖科學(xué)家的這樣一篇文章意味著什么。

文章指出，水中的傳染性病原體包括各種寄生蟲、原生動物、真菌、細菌、立克次氏體、病毒和朊病毒，當(dāng)一些傳染性病原體被傳統(tǒng)的自來水消毒工藝去除或減少，但新的變異病毒與細菌卻隨之產(chǎn)生，因此飲用水的消毒已經(jīng)變得越來越有挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的四步法常規(guī)自來水處理工藝中的加氯消毒方法，不但會產(chǎn)生致癌的消毒副產(chǎn)物，而且游離氯對控制水生病原體，如隱孢子蟲和鳥分枝桿菌是無能為力的。文章指出飲用水服務(wù)行業(yè)應(yīng)使用新興的技術(shù)替換使用多年的加氯消毒技術(shù)。

針對自來水的臭氧消毒，文章也指出其明顯的缺陷。盡管臭氧與氯結(jié)合的方法，相較于自由氯在控制隱孢子蟲卵方面非常有效，水中的病毒能被臭氧有效控制，但臭氧消毒會產(chǎn)生其他的消毒副產(chǎn)物，如致癌因子溴酸鹽，且結(jié)合氯能夠形成其他不規(guī)則的毒副產(chǎn)物，如鹵乙腈和碘已酸，相較于傳統(tǒng)的三氯乙烷等消毒副產(chǎn)物，它們具有更大毒性和更強的致癌效應(yīng)。

因此，文章提出，未來水質(zhì)凈化的首要目標是能夠廉價和高效地檢測和去除水中的有害物質(zhì)。那么水中到底那些有害物質(zhì)需要去除呢？除了前面提到的水中的微生物指標，中國的水源目前最大的問題還是要設(shè)法去除水中的化學(xué)污染物，特別是微污染水中的有機物。大多數(shù)有毒有害的污染物不僅難以降解，而且具有生物富集性和致癌、致畸、致突變效應(yīng)，對公眾的健康危害很大。此外，必須設(shè)法避免因為消毒產(chǎn)生致癌的消毒副產(chǎn)物。

二、如何保障水安全？

所有來自河流、湖泊和含水土層的水大多數(shù)都會返回到環(huán)境中。自然雜志的文章稱，未來水資源的回收和再利用的首要目標是直接從非傳統(tǒng)水源獲取水，并使其達到飲用水的質(zhì)量。膜技術(shù)因其小的占地面積、不需要添加化學(xué)試劑、靈活的設(shè)計以及自動化操作使其成為水質(zhì)凈化的最佳選擇。

那么，什么是膜技術(shù)呢？講膜技術(shù)之前，我們先得搞清楚膜的概念。膜是在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù)，它是模仿細胞膜的功能人工合成的具有選擇性分離特征的復(fù)合材料。膜技術(shù)則是利用膜的分離特性在溶液中去除或獲得某些組分的分離過程。

膜技術(shù)是綠色、節(jié)能的新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)。它代表著一種新興的分離技術(shù)，自索里拉金在美國制備出全世界第一張有商業(yè)潛能的膜至今不過五十二年的時間，但膜應(yīng)用的足跡已印記到人類生產(chǎn)生活活動的各個角落。膜技術(shù)與傳統(tǒng)的分離、提純技術(shù)比較，具有效率高、能耗低、污染少、自動化、設(shè)備簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、易于維修等優(yōu)點，因此，在制藥、化工、石油、染料、紡織、印染、造紙、電子、食品、飲料、冶金等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。盡管膜技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，但它最大的巿場仍然是在水質(zhì)凈化領(lǐng)域，無論是自來水生產(chǎn)、超純水制備、海水淡化，還是污水處理、廢水資源化，膜技術(shù)均能發(fā)揮重要的作用。

水質(zhì)凈化時應(yīng)用的膜技術(shù)主要是超濾（Ultrafiltration）、反滲透（Reverse Osmosis)，納濾（Nanofiltration) 三種膜分離過程。超濾可以截留所有的病原菌，大分子的蛋白、熱原等雜質(zhì)，但水中溶解的有機物與重金屬等化學(xué)污染物均不能被截留。因此，盡管超濾在污水處理中被廣泛采用，但在飲用水的制備卻有很大的局限性。反滲透只能透過水與溶解性的氣體，其他所有的溶質(zhì)都被截留，因此制備的是純凈水，由于純凈水不含礦物質(zhì)且呈一定的弱酸性，所以長期飲用對人體的健康不利。綜上所述，我把它們簡單地總結(jié)為就飲用水制備而言，超濾水不安全，反滲透水不健康。

納濾是納米技術(shù)與過濾技術(shù)交叉滲透而創(chuàng)新發(fā)明的介于超濾與反滲透之間的一種新興分離技術(shù)，它的分離性能依賴于其活性分離層中的納米級微孔結(jié)構(gòu)，其分離機理遵循吸附-溶解-擴散-透濾模型。納濾最顯著的特點是它在截留那些能透過超濾的有機物及重金屬的同時又能透濾部分被反滲透截留的礦物質(zhì)，使?jié)饪s與透鹽的過程同步進行，從而達到特定的分離純化要求。通俗的說就是讓小分子的溶解礦物質(zhì)和水透過，其他的物質(zhì)被截留。

Nanofiltration這一英文詞上世紀八十年代中期才在美國出現(xiàn), 盡管比此更早的時侯以色列科學(xué)家已經(jīng)合成了具有選擇性透濾一價離子的反滲透膜。我于1992年率先把Nanofiltration引進中國，并創(chuàng)造了納濾這一新興的中文詞匯，隨后受到中國科學(xué)、技術(shù)與工業(yè)界的廣泛認同與普遍采用。二十年來，我所領(lǐng)導(dǎo)的團隊一直致力于納濾技術(shù)的發(fā)明與創(chuàng)新，世界各地特別是中國的制藥、食品、化工、冶金、環(huán)保等領(lǐng)域都留下了我們開發(fā)與應(yīng)用納濾技術(shù)的印記，我也因此被人戲稱為中國的“納濾之父”。

國內(nèi)對應(yīng)用納濾處理飲用水的研究雖然起步較晩，但非?；钴S。不過研究的方向主要集中在對水中總污染物的處理，如化學(xué)需氧量、總有機碳、三氯甲烷前驅(qū)物等的去除效率等等。而國外則已經(jīng)用納濾處理地表水進行飲用水的生產(chǎn)。

世界上第一個大規(guī)模應(yīng)用納濾生產(chǎn)飲用水的項目是1999年在法國巴黎北郊梅里奧塞建設(shè)的日產(chǎn)14萬噸飲用水的項目，經(jīng)納濾處理的飲用水產(chǎn)水品質(zhì)相當(dāng)高，已經(jīng)檢測不到有機物的含量，生物可降解的物質(zhì)遠遠低于分析儀器的下限。當(dāng)時巴黎巿政當(dāng)局選擇納濾的原因是水源地奧塞河遭遇了農(nóng)藥、殺蟲劑等有機物的微污染，跟當(dāng)今中國各地水源地遭遇的情形極其相似，在此情形下，納濾是飲用水凈化的最佳選擇。世界水資源專家認為，沒有微污染、含有礦物質(zhì)的納濾水是21世紀的最佳飲用水。

三、自來水廠應(yīng)該怎樣升級改造？

自來水處理工藝經(jīng)過一百多年的發(fā)展，目前國外已歷經(jīng)四代工藝：

第一代是傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過濾、加氯消毒四步法工藝，主要以去除原水中的懸浮物、濁度、色度和病原菌為主，對溶解性有機物去除能力極其有限。這一工藝發(fā)明至今已有一百多年的歷史了，它對早年處理以病原菌為主要對象的水質(zhì)凈化廠而言是適用的，一旦水源被污染，則會導(dǎo)致處理效果欠佳。

第二代是以臭氧、活性炭為核心的深度氧化技術(shù)，起源于上世紀七十年代，它是在第一代去除效果的基礎(chǔ)上，解決了有毒微量有機物及加氯消毒副產(chǎn)物的危害問題。但它的缺點是吸附了有機物的活性碳為病原菌、藻類等生長提供了富含營養(yǎng)物的溫床，藻類死亡后分解的具有致癌效應(yīng)的藻毒素可能殘留水中，因此飲用水的安全性仍然受到質(zhì)疑。

第三代是以超濾膜為核心的組合工藝，它是在上世紀九十年代開始應(yīng)用，在第一代工藝去除效果的基礎(chǔ)上，能有效減少氯代前驅(qū)物，且出水的濁度始終保持在極低的水平，對細菌、兩蟲（隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲）、藻類等水生生物的去除率可達到100%, 但它的致命缺點是對有機物的去除幾乎沒有幫助，因此針對目前中國各自來水水源有機物含量超標是主要矛盾的現(xiàn)狀，這一工藝仍存在極大的局限性。

第四代是以納濾技術(shù)為核心的新興工藝。納濾是納米技術(shù)與過濾技術(shù)交叉滲透而創(chuàng)新發(fā)明的介于超濾與反滲透之間的新興技術(shù)。它最顯著的特點就是在截留那些能透過超濾的有機物及重金屬的同時又能透濾被反滲透截留的部分礦物質(zhì)。因此納濾能耗比反滲透低，截留效果比超濾好，被譽為21世紀最有前途的水質(zhì)凈化技術(shù)。

然而，現(xiàn)在中國的情況是，一方面，國內(nèi)97%的自來水采用第一代的四步法工藝，另一方面，中國的江河湖泊，幾乎所有的水源地有機物污染不斷加重，四步法工藝不但難以去除有機污染物，反而在處理過程中因混凝劑的作用可能増加氯化消毒的前驅(qū)物，從而加氯消毒后會増加致癌的加氯消毒副產(chǎn)物。上述二方面因素的交互作用，是導(dǎo)致目前中國自來水質(zhì)無法達標的根本原因。

綜上所述，針對目前中國水源微污染的現(xiàn)狀以及大量水廠仍然采用傳統(tǒng)的第一代四步法工藝的現(xiàn)實，筆者建議中國借鑒國外成功的經(jīng)驗與應(yīng)用實踐，直接把自來水的處理工藝升級到第四代的納濾技術(shù)。

很多自來水廠不愿意改造，除了怕麻煩，另外一個理由是害怕改造成本太高，會造成水價猛漲。其實，我們測算過，在國家不補貼的情況下，將現(xiàn)有自來水處理工藝從第一代直接升級到第四代，每噸成本最高才增加0.7元，一個三口之家，按毎月用水20噸計算，即使財政不予任何補貼，每月増加15元的成本，在當(dāng)前的物價條件下，相信大家都可以接受。

從我們作為技術(shù)公司的角度看，各種不能改造自來水廠的理由都不能成立。因為作為公共事業(yè)的一部分，自來水改造可動用財政等公共資金支持，真正體現(xiàn)出稅收“取之于民、用之于民”的特征；所以，現(xiàn)有自來水直接升級換代到第四代的納濾技術(shù)是完全可行的。而且工期很短，改造方便，難度沒有想象那么大。

下表是一個簡略的測算。

城鎮(zhèn)人口　供水量　　改造成本　改造工期　每噸水增加費用　每戶增加費用（按每月20噸水計算）
10萬人　　2萬噸/日　1000萬元　6-8個月　　0.7元　　　　　14元
50萬人　　10萬噸/日 4500萬元　6-8個月　　0.6元　　　　　12元
100萬人　 30萬噸/日 1.2億元　 6-8個月　　0.5元　　　　　10元

我想反復(fù)表達的是，自來水直接升級換代到第四代的納濾工藝，只要當(dāng)?shù)卣敢庾觯夹g(shù)與工程完全沒有問題，投資也完全沒有問題。

在此，我們提供一個日處理5萬噸自來水的第四代納濾技術(shù)的改造范本，讓大家了解自來水改造的可行性與現(xiàn)實性。當(dāng)然，更精細要求更高的膜改造方法還很多，不一一列舉：

1.自來水廠原工藝流程為：回轉(zhuǎn)式隔板反應(yīng)斜管沉淀池+雙閥濾池+液氯消毒+清水池+二級泵房。到目前形成的主要設(shè)施為：三座絮凝沉淀池、一座雙閥濾池、兩座清水池、一座綜合加藥間、一座二級泵房。制水能力達到5.0萬m3/d規(guī)模。

2.改造方案：保留前處理流程，拆除清水池，在此塊地板上新建清水池，清水池上設(shè)置壓力式膜車間，采用納濾組件后的總工藝如下：回轉(zhuǎn)式隔板反應(yīng)斜管沉淀池+雙閥濾池+（納濾系統(tǒng)） +液氯消毒+清水池+二級泵房。

3.出水水質(zhì)：采用納濾技術(shù)處理沉淀池或濾池出水，其最大的特點是對水中微粒、膠體、細菌、病毒、臭味、色度、DBPs前體物及其他有機物質(zhì)能徹底去除，還可以有效的保留礦物資，受進水波動的影響小，出廠水質(zhì)將高于最新頒布的城市供水行業(yè)水質(zhì)標準，達到去除微污染，保留礦物質(zhì)的目的。

考慮到國內(nèi)的自來水凈化工藝老化，檢測手段落后，已經(jīng)無法剔除水體中的有害微污染，我在此呼吁國家通過政府補貼、BOT等方式，逐步而漸進地在自來水廠推廣納濾技術(shù)，改造水網(wǎng)，解決城鎮(zhèn)的飲水安全問題。

四、為什么需要安裝家用凈水機？

對于普通市民而言，在現(xiàn)階段水源污染未能改善、自來水消毒方法沒有升級、管網(wǎng)污染問題不能解決的情況下，唯一能夠自我保護的措施就是—安裝家用凈水機。從技術(shù)的成熟度和穩(wěn)定性上講，無論是水體中的化學(xué)有機物污染，還是重金屬污染，以及細菌、病毒等，均可通過小型的家用凈水設(shè)備完全過濾掉，其核心技術(shù)就是膜技術(shù)。膜技術(shù)在家庭凈水上的費用并不高，一般兩三千元就可購置一套，解決一家3-5口人的飲用水需求，后期的濾芯更換花費也并不高，平均下來每天僅需1元錢左右，普通家庭均可承擔(dān)。

市面上的家庭凈水機，一般采用微濾、超濾、反滲透、納濾等多種技術(shù)，品牌繁多、雜亂，市民在選擇購買的時候眼花繚亂，難以取舍。他們之間有什么區(qū)別呢？

微濾（一般是PP棉）：可去除濁度等感觀狀物理污染物，也就是看得見的污染物。微濾在凈水機中，一般用于預(yù)處理，如PP棉，能直接阻擋泥沙、鐵銹等。PP棉一般3個月一換，最初是純白色的，換的時候看上去最恐怖，往往呈黃色或深褐色。有些商家就會用這個臟的濾芯恐嚇消費者，說水污染多嚴重，他家的凈水機過濾效果多好。其實，PP棉過濾雖然恐怖，但只能證明水臟。水很臟跟水有毒是兩回事，家庭終端凈水機，不但要去臟，更要去毒。所以，如果有商家的凈水機只有PP棉這個環(huán)節(jié)，那肯定是不合格的。

超濾凈水器（主要表現(xiàn)為管道機）：目前巿面上銷售的凈水（非純水）器多為微濾或超濾產(chǎn)品，它們在改善水的感觀或去除致病菌方面是有效的，可去除細菌、病毒等微生物污染物，價格便宜，水通量大，無需用電、不浪費水，缺點是只能去除物理與微生物污染，對引發(fā)疾病的化學(xué)污染物束手無策。超濾無法截留化學(xué)污染物而導(dǎo)致濾水中仍含有致癌的加氯消毒副產(chǎn)物、環(huán)境激素、農(nóng)藥、重金屬等微污染，因此超濾水作為生活用水勉強可以接受，作為飲水卻有硬傷。

超濾哪怕最小孔徑的其截留分子量都不可能小過1000，而有機污染物的分子量通常都小于1000，所以要用超濾膜來截留有機污染物是不可能的，需要提醒的是，市場上超濾凈水機所用的中空纖維膜其截留分子量都是幾十萬，絕對不能截留有機污染物。30年的工農(nóng)業(yè)污染，主要矛盾是150-1000分子量之間的激素、抗生素、農(nóng)藥污染嚴重；常規(guī)的砂濾、加氯、超濾、臭氧均無法解決。

反滲透純水機（RO凈水機，又叫純水機）：反滲透凈水機可以剔除水中的所有雜質(zhì)，缺點是必須接通電源才能工作，而且浪費水，凈化1杯水，大體需要2杯水直接從下水道排走，很浪費。反滲透雖然去除了各種化學(xué)污染物，但猶如潑盆中臟水時連小孩也一起沷掉一樣，它把水中天然存在且人體需要的礦物質(zhì)也去除了，凈化后的水呈微酸性，對人體健康不利。

納濾水機（去除微污染，保留礦物質(zhì)）：那么有沒可能找到一個既可以擁有超濾與反滲透的優(yōu)點又能克服兩者缺點的凈水技術(shù)呢？應(yīng)用納濾技術(shù)可以克服這一難題。

在飲用水凈化處理中，根據(jù)原水水質(zhì)及凈水要求的不同，有多種不同性能的納濾膜可供選擇。多數(shù)的商品納濾膜雖然在截留有機物與重金屬方面性能卓越，但在透濾二價的鈣、鎂礦物質(zhì)方面卻有缺陷，通常僅能透過一價離子，而人體需要的一些礦物質(zhì)如二價的鈣、鎂等元素則會與重金屬一起被截留，而且商品納濾膜與反滲透一樣需耗電、浪費水，因此其應(yīng)用受到一定的限制。

針對上述問題，我們開發(fā)出分離性能獨特的NF-CORE納濾芯，它在截留有機物與重金屬的同時，可透濾人體所需的二價的鈣、鎂礦物質(zhì)，從而彌補了商品納濾膜的缺陷。更值得介紹的是，這一新型的NF-CORE納濾芯水通量大，對有機物與重金屬的截留率高，人體所需的二價的鈣、鎂礦物質(zhì)透濾性好。

納濾技術(shù)還是一個節(jié)能技術(shù)，無論是終端凈水方式，還是自來水廠的整體解決方案都是非常適用的。自來水廠哪天能用上納濾技術(shù)，我不太樂觀，但終端用上納濾水機確實可以保證居民的飲水安全。針對家庭不同的需求情況，還可以做組合安裝，比如，一般用水安裝超濾機，飲用水安裝納濾機。

另外，目前的家庭凈水機品牌繁多、雜亂，其關(guān)鍵的一點，就是凈水機行業(yè)尚未有一個國家標準，凈水行業(yè)還沒得到有效的規(guī)范。建議中國國家相關(guān)部門盡快行動起來，推動制定凈水方面的國家標準，對凈水市場進行規(guī)范，有意識地培育幾個技術(shù)過硬、服務(wù)規(guī)范、有實力的大品牌。

（作者是新加坡國立大學(xué)教授、中國膜工業(yè)協(xié)會副理事長、新加坡三達Suntar國際集團董事局主席。本文僅代表個人觀點）