净水技术 | 杨敏：没有颜色、没有味道的水就安全吗？可能健康危害更大

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我们的这些技术，

已经在全国100多个城市得到应用，

涉及人口接近2亿。

能够为全国人民服务，

我们也感到非常荣幸。

杨敏· 中国科学院生态环境研究中心研究员

格致论道第80期 | 2022年4月23日 北京

大家好，我是杨敏，来自中科院生态环境研究中心。今天给大家讲一讲这些年我们团队在饮用水安全保障方面，为国家、为社会做的一些事。

寻找自来水异味的来源

大家对饮用水都很敏感，尤其是我们对水的颜色和味道非常敏感。

▲ “声名远扬”的上海自来水异味

我记得在上海读书的时候，就对上海饮用水难闻的味道刻骨铭心。大家可能不知道，在很多年前，上海饮用水的水源来自黄浦江。那黄浦江的水是一个什么样的味道呢？当时不要说泡茶了，连啤酒和可乐都带有黄浦江的味道，大家想想那水有多难喝。

所以我当时就想，到底是什么样的物质，导致这样一种非常强烈的异味呢？如果有机会，我一定要把这个原因给找出来。

▲ 味觉和嗅觉，量极大不同

要想把饮用水中的嗅味物质找出来，其实非常不容易，为什么这么说呢？

当我们喝到一口水，觉得这个水有点咸味的时候，它的钠离子基本上是200毫克/升以上。但是如果我们闻到这个水它有点味道，那么这个物质的含量可能是多少呢？可能就是10或者是几十纳克/升。也就是说，我们的嗅觉比我们的味觉可能要灵敏100万倍以上。可想而知，要想把这种低浓度的物质从水里面那些大量共存的物质里找出来是非常不容易的。

▲ 嗅觉层次分析法（左）与培训人员现场（右）

而且我们说人对嗅味很敏感，但当你真正去客观描述一种嗅味的时候，又很难准确地去描述它。因此，我们就建立了一种叫嗅觉层次分析的方法，对嗅味类型描述进行了规范化，并通过培训人员，让他们对嗅味有一个深刻的记忆。这样一来，他们就能把嗅味物质的浓度和嗅味的强度之间的关系建立起来，实现对于嗅味的半定量测定。

▲ 感官气相色谱法

当然，光靠鼻子还是闻不出嗅味物质的。我们采用感官气相色谱法，首先用分离柱把水中这些可能有异味的物质分离出来，然后把物质分成两路进入仪器。一路我们用鼻子来闻，这样就得到上图右下的嗅觉峰，然后我们再把另一路送进质谱，它就给出一个物质峰。最后我们把物质峰和嗅味峰对起来，就能找到嗅味物质。

2007年的时候，无锡发生了一次非常严重的水嗅味事件，叫无锡水危机。当时有多严重呢？全市200多万人停水一周，没有自来水用，所以大家可以看到超市里面水都卖空了。这么大的事件引起了社会强烈的关注。到底这样一个嗅味是什么导致的呢？大家都找不到原因。

我们就利用刚刚说的感官气相色谱法，把这个嗅味物质找出来了。它主要是硫醚类物质。这样，我们就解开了这次无锡自来水嗅味之谜。

黄浦江水的异味从哪儿来？

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那我就想，能不能用这个技术来回答我学生时候提出的问题呢？我们就拿这个技术，来做了黄浦江的嗅味分析。我们也得到了十几个嗅味峰，主要的可能有土霉味、就是我们常说的土味，然后还有些腥臭味，同时也得到一些质谱峰了。

▲ 嗅味峰及色谱图（上）与产生土霉味的藻类（下）

但是当我们把这两个峰合起来看的时候，我们只能找到两种土霉味致嗅物，也就是2-甲基异莰醇（MIB）和一个叫土臭素的物质（Geosmin）。它们主要是藻类产生的，而且是国际上广泛关注的问题。所以测到这两种物质一点儿都不稀奇，也不需要用高超的技术，我们就可以测得出来。但是对于腥臭味这种嗅味类型，我们还是不知道它的来源，也不知道它含有什么物质。

▲ 全二维气相色谱质谱法

为什么找不到这个物质呢？就是因为黄浦江的水，它的物质构成特别复杂，用常规的色谱技术不能把里面的物质有效地分离开。所以我们就采用另外一种分辨率比较高的全二维气相色谱质谱的技术。这个全二维有什么好处呢？它可以把这个物质进行两次分离，分离一次以后，又进行第二次分离。这样一来，就可以把很复杂的物质给分开。

▲ 黄浦江水的嗅味物质，其中红色框内为土霉味致嗅物，橙色框内为腥臭味致嗅物

我们把这个全二维气相色谱质谱技术和刚刚说的感官气相色谱技术联合起来使用。一边拿嗅味的峰，一边拿物质的峰，把它们对应起来。我们终于从上海黄浦江水源里面找到十几种嗅味物质，发现主要是由硫醚类和其他的一些微量物质联合作用产生的嗅味。

▲ 活性炭对大多数致嗅物都有较好的去除效果

把这个嗅味物质搞清楚了之后，那我们就想，什么方法能最有效地去除这些嗅味物质呢？我们知道，活性炭是一种在全球范围内用来做嗅味去除的材料，它对有些嗅味物质是有效的，但是对于硫醚它的去除效果很差，那用什么方法好呢？

▲ 臭氧可以氧化去除几乎所有的致嗅物

我们后来就发现，像硫醚类是一种还原性比较强的物质，用氧化方法可以有效地去除。但是要想把这些十几种物质都同时去掉，真正有效的方法就是用臭氧。因为大家知道，臭氧的氧化能力很强，它可以把很多的有机物都有效地去除。

▲ 上海饮用水嗅味合格率变化图

因此，我们和上海自来水界的同事们一起，终于把嗅味的原因物质基本上搞清了，同时也找到了一个有效的解决方案，让上海人民喝到了更加可口的水。但是事情到此并没有结束，新的问题又出来了。

有时候，水太清也成了问题

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2010年，上海市政府为了解决饮用水水源的水质问题，他们决定在上海青草沙，也就是在江心建了一个水库，叫青草沙水库。

▲ 青草沙水库

这个水库容量非常大，它建成以后，能够作为上海市60%以上的饮用水水源，这是一个皆大欢喜的事。但是随着这个水源的使用，从2010年启用开始，就发现新的问题出来了：饮用水又产生了嗅味。

▲ 卷土重来的土霉味

这个味道就是刚刚说的2-甲基异莰醇，它是一股土霉味，主要是由藻产生的。

那什么样的藻会产生这种味道呢？我们经过藻种的分离和鉴定，发现了假鱼腥藻是主要的产嗅藻。这种藻它是一种丝状藻，比我们常见的微囊藻和小球藻大得多。它的体积大，所以主要是在水底下生长。那我们就想，这个藻主要在这个水库的什么区域来生长的？

上图就是青草沙水库，这个白色的柱子就是它的嗅味物质浓度。大家可以看到，它主要在水库的北边出现。为什么在北边呢？因为我们知道长江的水很浑，它进入水库的时候还是浑浊的，但是慢慢进入水库以后，随着流速的降低，那些浑浊的物质会沉下去，导致水变清。

在北边因为水比较浅，所以水流速就慢，这样一来就变得更加清了，这就给在底部生长的这些藻创造了很好的水下光照的条件，这些藻就长起来了。因此我们要想控制它，就必须要改变北边水底下的光照条件。

那怎么改变呢？我们就提出来了一个方法，加大水库排水闸的开度，让排水排得更快。这样一来整个水库的流速就快了，北边这一块的浊度也会提升。整个水库浊度分布的调整，就会导致这些藻类高发的区域的光照条件变差，这样藻的生长就会受到抑制。

当我们把这个水库流量提升50%的时候，藻的生长就得到了有效的控制。相比于2019年没有控制的时候，2020年嗅味物质浓度就能降低80%以上，这样就大大地降低了水厂的压力和使用的活性炭的量。

这个问题解决以后我们很开心。但是因为水库是一个开放型的水体，它是一个生态系统，你今天控制它了，明天可能又有新的问题出来。所以跟产嗅藻的斗智斗勇也不是一朝一夕的事，这是一个长期的任务。所以我们现在还在跟上海供水界的朋友们、同事们一起在合作，在继续关注水库会发生一些什么样的新情况。

自来水变黄了怎么办？

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接下来，我讲讲和水的颜色有关的事。当时，北京还沉浸在成功举办08年奥运会的喜庆氛围，突然部分小区出现了黄水，而且出现黄水的小区面积越来越大。这种黄水跟我们日常生活中间遇到的偶尔发生的黄水不一样，它是你放几分钟、放几个小时都放不干净的水，即使今天放干净了，明天还会有。它会持续很长时间，所以这就导致了社会上广泛的关注。

▲ 2008年10月，北京市从河北应急调水遭遇“黄水”

这是什么原因导致的呢？其实当时北京的水源已经非常紧张，所以从河北买了3亿吨的优质饮用水。但进了北京以后，就发生了河北的水和北京的管网“水土不服”的现象。

为什么会出黄水？其实就是因为我们的管网都是用的金属材质，尤其是铁质的、钢质的这种管道。这些管道在长期使用的过程中间，它的内部会产生一些腐蚀，这些腐蚀产物我们叫管垢。这个管垢它平时可能没问题，但是一旦有水质变动的时候，它会不适应，这些管垢可能就释放出来，导致产生黄水。

那为什么有的地方出黄水，有的地方不出黄水呢？后来我们就跟自来水的同事们一起开展了大量的分析。我们把管网挖出来，然后来分析它的管垢成分。

我们就发现，当管网是通地表水的时候，管道它本身就能产生一个比较致密的管垢。这种致密的管垢比较稳定，即使是河北水来，它也不会释放出黄水。但是以前用的是地下水的管道，它的管垢比较稀薄，不能形成致密的管垢，也就不能形成保护。所以通地下水的管道，是导致黄水产生的一个主要的原因。

当然了，从河北借的3亿吨水很快就没了，我们更严峻的考验在后面。因为当时国家正在实施南水北调工程，北京市过几年就要大量地接收丹江口来的水，就是从长江流域来的水。如果南水北调的水来了以后再产生这种黄水的话，就会造成极大的影响。

所以为了能够安全地利用好千里迢迢运来的丹江口的水，我们一定要做好预案，所以我们北京自来水的同事们就想，应该提前把北京管道和丹江口的水源进行对接。

▲ 从北京市管网挖取管道

因此，我们在北京的很多供水区挖了大量的管子。

▲ 管网模拟装置

挖了以后把它们送到丹江口，在丹江口市建了一个管网模拟实验基地。然后就看丹江口的水到底对哪些管道是稳定的，对于哪些管道是不稳定的，我们要对它进行一个全面的评估。

这个评估的结果，我们把它画成了一张北京管网黄水敏感区的分布图。图片里面绿色的部分就是低敏感区，所以大部分地方对于丹江口的水来说是低敏感度的，也就是说不太容易发生黄水。因此，在2014年丹江口的水进京的时候，我们的方案就是优先地把丹江口的水用在这些低敏感区，其他地方慢慢地提高它的比例，这样一来就避免了出现大面积的黄水。

至今为止，北京已经接收来自丹江口大概是40亿方水，接收过程中间基本上没有发生大面积的黄水。这个也就是我们通过大量的基础研究，支撑了国家重大工程实施的案例。

没有颜色、没有味道的水就安全吗？

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刚刚说的是颜色、味道这种我们都能感知到的东西，我们觉得有问题就不会愿意喝。但实际上如果水没有颜色、没有味道，水就安全吗？我们看不见的东西，有可能健康危害更大。

最典型的例子，就是饮用水的砷和氟的问题。砷和氟是在全球都广泛存在的一个问题，在我们国家，主要在一些边远的农村有一些地下水高砷高氟的现象。

▲ 砷中毒（左 ）、 氟骨症（中）、 氟斑牙（右）

它有什么危害呢？比如说氟，轻一点的叫氟斑牙。我们看有些人他牙质发黄，是抽烟了吗？其实跟抽烟没关系，就是因为他以前饮用的水里面氟超标了，所以就导致产生氟斑牙。然后严重一点的那就是氟骨症，会导致骨骼变形。砷大家知道它的危害更大，它是毒物，严重的话可以导致你得癌症。

所以砷和氟是全球关注的饮用水的危害污染物，也是我们一直在做技术研发的重要对象，国际上也做了大量工作，但它们一直是个难题。

为什么难呢？我举个例子，比如砷的去除。传统上，我们首先要把地下水里面的三价砷，先把它氧化成五价砷，五价砷才比较容易被吸附剂吸附。吸附饱和以后，还得用再生液剂再生，那再生过程中间又会产生一些砷的废液。所以这个过程不仅工艺复杂，而且操作也很繁琐，成本也很高，这导致传统的除砷技术很难推广应用。

我们曲久辉院士带领的团队，发明了这个叫一步除砷的方法，就是氧化和吸附同步发生。同时我们不用再生液，而是用原位包裹再生的方法。就是说饱和了以后，我在外面再加一层活性的物质，让它在上面吸附，这样就不产生再生液。

▲ 除砷反应装置（左）、 除氟反应装置（右）

这个方法既简便又安全，而且成本低。我们把这个低成本的技术变成设备，在全国进行了推广应用。

▲ 左：除砷除氟技术用于农村扶贫工程

右：饮用水除砷援外项目（尼泊尔）

比如说在内蒙古，解决了贫困地区农村饮用水安全的问题，在扶贫工程中发挥了重要的作用。同时我们也把这个技术向“一带一路”国家，像尼泊尔也在进行一些推广。

制定中国饮用水标准

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我们知道，饮用水的水质标准是非常重要的，因为它是保障我们饮用水安全的一个重要的依据，饮用水达标不达标，是跟饮用水的安全不安全是挂钩的。由于我们国家缺乏一些基础数据，所以国家标准的制定以往都是参照像美国、日本他们的标准，然后我们借鉴过来，这样就形成中国的标准。

▲ 全国水质调查

但中国作为这么一个大国，我们国家有这么多特殊的条件，我们不能永远借鉴别人的标准，必须有自己的标准，那首先就要有我们自己的基础数据。所以在国家水专项这一个大计划的支持下，我们从“十一五”开始就在全国进行水质基础数据的调查。我们跑了全国大小河流水源地，在大小城市都做了大量的调查，把全国的水质数据进行了搜集整理。

▲ 全国范围高氯酸盐浓度示意图

我们就发现，像一些叫高氯酸盐、乙草胺的这样的物质，以前我们的标准里没有提到，但是在我们的水源里面存在，并且在部分水源里面浓度是偏高的。那这样的物质对人体健康有没有风险？

▲ 健康风险评价结果示意图

所以我们也开发了一些健康风险评价方法，用这个方法来评价某种物质对我们健康危害到底有多大。通过这种方法，我们发现这两种物质确实是风险偏高的，因此在新的国标修订的时候，我们就把这两种物质纳入到我们的国标里去了，这也是世界上第一个包含了高氯酸盐标准的标准。

这个新的标准今年已经发布了，将来就要执行。也就是说，我们中国终于有了第一次依据自己的数据来制定的标准，这个标准能更好地根据我们国家实际的水质条件来进行水质的管控。

当然，水质标准可以把我们日常的、一般情况下的水质安全管理好，但是我们也知道，水源有时候还有些突发事故。

▲ 生物预警系统原理示意图

那应对突发事件的时候，我们怎么办呢？我们也开发了一个生物预警系统。它的主要原理是利用小鱼，一种体积非常小的，名叫稀有鮈鲫的一种中国的特有鱼种。我们把它放到小池子里，利用鱼对一些有害化学物质的回避行为来判断，并把它的行为通过信号记录下来。当行为发生异常的时候，我们就认为水里可能有毒物，就要发出预警。我们把它做成了设备，然后在全国进行推广应用。

为人类命运共同体服务

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到目前为止，我们的这些包括水源修复、嗅味控制、除砷除氟以及生物预警等等技术，已经在全国100多个城市得到应用，涉及人口接近2亿。能够为全国人民服务，我们也感到非常荣幸。

▲ 多 项 技术应用示意图

在服务国家的同时，我们也想这些技术正好也是“一带一路”沿线国家需要的技术，我们也要为他们、为人类命运共同体做出贡献，所以我们也在斯里兰卡等国家开展了一些技术的推广应用。

▲ 斯里兰卡不明原因肾病地形图

比如说斯里兰卡有一种病，叫不明原因肾病。关于这个病世界卫生组织（WHO）也做了专门的调查，但是没有查出原因。后来他们找到我们，我们就组织了多学科的，包括医学的、公共卫生的、环境科学的专家一起来开展大量的研究。我们初步发现，这些发病区地下水里面的氟和钙的含量比较高，这个联合作用可能是导致肾病高发的一个原因。

▲ 电渗析技术装置

这个原因找到以后，我们又开发了把钙和氟同步去除的这种叫大通量电渗析技术。把这个技术在当地进行了示范应用，当地老百姓很欢迎，政府也很高兴。因为使用成本很低，他们就把这个技术列为应对肾病的一个优选技术，准备在斯里兰卡进行推广。

▲ 2019年，缅甸工程现场勘测

同时，缅甸农村卫生条件比较差，缺乏比较清洁的水源，所以我们国家驻缅甸大使馆就找到我们，说能不能帮他们解决这个问题。因此，我们也把我们实验室建立、开发出来的生态水源地构建技术用在缅甸的皎漂地区，做农村饮用水水源地的一个示范工程。

▲ 水源地塘净化技术示范工程设计图

这个工程我们已经把方案做好了，然后我们正在跟当地的央企一起合作，委托他们来帮我们做工程的实施，可能今年年底就能通水。

我们希望今后这样一些类似的工作，能够更多地向“一带一路”沿线国家推广，服务人类命运共同体，也支持我们的一些技术、一些标准走出去。

我的报告就到此结束，非常感谢大家能听我的报告，也非常荣幸我能从事饮用水安全这样一个研究，能为我们国家的饮用水安全、为我们老百姓的饮用水安全贡献自己的一点力量。

谢谢大家！

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排版：西贝

审核：阮辰旼

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