水答案——尋找一杯幹淨的水

（新加坡）《聯合早報》  (2012-05-14)

　　藍偉光博士/水之篇之三

　　（聯合早報專稿）本係列開篇的“水歎息”提醒大家中國麵臨水資源短缺、水汙染嚴重、水生態惡化三大問題；第二篇“水隱私”則告訴公眾自來水麵臨水源汙染無法避免、傳統的水處理工藝不但無法有效去除汙染物，反而會產生致癌的加氯消毒副產物、管網與高樓水箱供水引發二次汙染三大難題。看過前述兩篇科普的讀者一定憂心忡忡，很自然地會發問，既然事態如此嚴重，政府應當采取怎樣的補救措施？公眾又該怎麽應對？這就是作者要直麵回答的問題，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、不再汙染，恢複到原始的水生態狀況。我說這感情好，但生態破壞到今天這種程度，即使不再有新的汙染（何況這並不可能），要想使其恢複原狀，已經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）雜誌報道，在全球範圍內，有12億人缺少安全飲用水，每天約3900個兒童死於飲水不潔而產生的疾病。報道還預言，依據目前的發展趨勢，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，有無數專家學者、新聞媒體、政協委員等不斷提出水安全問題，揭示水汙染真相，但遺憾的是，卻很少有人能對症下藥，正麵提出保障水安全的具體措施。因此，本篇就是告訴老百姓怎麽才能獲得一杯安全的飲用水。

一、水質淨化要做到什麽？

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

　　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，當一些傳染性病原體被傳統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生，因此飲用水的消毒已經變得越來越有挑戰性。傳統的四步法常規自來水處理工藝中的加氯消毒方法，不但會產生致癌的消毒副產物，而且遊離氯對控製水生病原體，如隱孢子蟲和鳥分枝杆菌是無能為力的。文章指出飲用水服務行業應使用新興的技術替換使用多年的加氯消毒技術。

　　針對自來水的臭氧消毒，文章也指出其明顯的缺陷。盡管臭氧與氯結合的方法，相較於自由氯在控製隱孢子蟲卵方麵非常有效，水中的病毒能被臭氧有效控製，但臭氧消毒會產生其他的消毒副產物，如致癌因子溴酸鹽，且結合氯能夠形成其他不規則的毒副產物，如鹵乙腈和碘已酸，相較於傳統的三氯乙烷等消毒副產物，它們具有更大毒性和更強的致癌效應。

　　因此，文章提出，未來水質淨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。那麽水中到底那些有害物質需要去除呢？除了前麵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法去除水中的化學汙染物，特別是微汙染水中的有機物。大多數有毒有害的汙染物不僅難以降解，而且具有生物富集性和致癌、致畸、致突變效應，對公眾的健康危害很大。此外，必須設法避免因為消毒產生致癌的消毒副產物。

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都會返回到環境中。自然雜誌的文章稱，未來水資源的回收和再利用的首要目標是直接從非傳統水源獲取水，並使其達到飲用水的質量。膜技術因其小的占地麵積、不需要添加化學試劑、靈活的設計以及自動化操作使其成為水質淨化的最佳選擇。

　　那麽，什麽是膜技術呢？講膜技術之前，我們先得搞清楚膜的概念。膜是在仿生學的基礎上發展起來的新興技術，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複合材料。膜技術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。

　　膜技術是綠色、節能的新興產業技術。它代表著一種新興的分離技術，自索裏拉金在美國製備出全世界第一張有商業潛能的膜至今不過五十二年的時間，但膜應用的足跡已印記到人類生產生活活動的各個角落。膜技術與傳統的分離、提純技術比較，具有效率高、能耗低、汙染少、自動化、設備簡單、結構緊湊、易於維修等優點，因此，在製藥、化工、石油、染料、紡織、印染、造紙、電子、食品、飲料、冶金等領域得到越來越廣泛的應用。盡管膜技術的應用範圍很廣，但它最大的巿場仍然是在水質淨化領域，無論是自來水生產、超純水製備、海水淡化，還是汙水處理、廢水資源化，膜技術均能發揮重要的作用。

　　水質淨化時應用的膜技術主要是超濾（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，但水中溶解的有機物與重金屬等化學汙染物均不能被截留。因此，盡管超濾在汙水處理中被廣泛采用，但在飲用水的製備卻有很大的局限性。反滲透隻能透過水與溶解性的氣體，其他所有的溶質都被截留，因此製備的是純淨水，由於純淨水不含礦物質且呈一定的弱酸性，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為就飲用水製備而言，超濾水不安全，反滲透水不健康。

　　納濾是納米技術與過濾技術交叉滲透而創新發明的介於超濾與反滲透之間的一種新興分離技術，它的分離性能依賴於其活性分離層中的納米級微孔結構，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，使濃縮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和水透過，其他的物質被截留。

　　Nanofiltration這一英文詞上世紀八十年代中期才在美國出現, 盡管比此更早的時侯以色列科學家已經合成了具有選擇性透濾一價離子的反滲透膜。我於1992年率先把Nanofiltration引進中國，並創造了納濾這一新興的中文詞匯，隨後受到中國科學、技術與工業界的廣泛認同與普遍采用。二十年來，我所領導的團隊一直致力於納濾技術的發明與創新，世界各地特別是中國的製藥、食品、化工、冶金、環保等領域都留下了我們開發與應用納濾技術的印記，我也因此被人戲稱為中國的“納濾之父”。

　　國內對應用納濾處理飲用水的研究雖然起步較晩，但非常活躍。不過研究的方向主要集中在對水中總汙染物的處理，如化學需氧量、總有機碳、三氯甲烷前驅物等的去除效率等等。而國外則已經用納濾處理地表水進行飲用水的生產。

　　世界上第一個大規模應用納濾生產飲用水的項目是1999年在法國巴黎北郊梅裏奧塞建設的日產14萬噸飲用水的項目，經納濾處理的飲用水產水品質相當高，已經檢測不到有機物的含量，生物可降解的物質遠遠低於分析儀器的下限。當時巴黎巿政當局選擇納濾的原因是水源地奧塞河遭遇了農藥、殺蟲劑等有機物的微汙染，跟當今中國各地水源地遭遇的情形極其相似，在此情形下，納濾是飲用水淨化的最佳選擇。世界水資源專家認為，沒有微汙染、含有礦物質的納濾水是21世紀的最佳飲用水。

三、自來水廠應該怎樣升級改造？

　　自來水處理工藝經過一百多年的發展，目前國外已曆經四代工藝：

　　第一代是傳統的混凝、沉澱、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。這一工藝發明至今已有一百多年的曆史了，它對早年處理以病原菌為主要對象的水質淨化廠而言是適用的，一旦水源被汙染，則會導致處理效果欠佳。

　　第二代是以臭氧、活性炭為核心的深度氧化技術，起源於上世紀七十年代，它是在第一代去除效果的基礎上，解決了有毒微量有機物及加氯消毒副產物的危害問題。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物的溫床，藻類死亡後分解的具有致癌效應的藻毒素可能殘留水中，因此飲用水的安全性仍然受到質疑。

　　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用，在第一代工藝去除效果的基礎上，能有效減少氯代前驅物，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狀，這一工藝仍存在極大的局限性。

　　第四代是以納濾技術為核心的新興工藝。納濾是納米技術與過濾技術交叉滲透而創新發明的介於超濾與反滲透之間的新興技術。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。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淨化技術。

　　然而，現在中國的情況是，一方麵，國內97%的自來水采用第一代的四步法工藝，另一方麵，中國的江河湖泊，幾乎所有的水源地有機物汙染不斷加重，四步法工藝不但難以去除有機汙染物，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物，從而加氯消毒後會増加致癌的加氯消毒副產物。上述二方麵因素的交互作用，是導致目前中國自來水質無法達標的根本原因。

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

　　很多自來水廠不願意改造，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，在當前的物價條件下，相信大家都可以接受。

　　從我們作為技術公司的角度看，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，真正體現出稅收“取之於民、用之於民”的特征；所以，現有自來水直接升級換代到第四代的納濾技術是完全可行的。而且工期很短，改造方便，難度沒有想象那麽大。

　　下表是一個簡略的測算。

　　城鎮人口　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

　　我想反複表達的是，自來水直接升級換代到第四代的納濾工藝，隻要當地政府願意做，技術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的改造範本，讓大家了解自來水改造的可行性與現實性。當然，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：回轉式隔板反應斜管沉澱池+雙閥濾池+液氯消毒+清水池+二級泵房。到目前形成的主要設施為：三座絮凝沉澱池、一座雙閥濾池、兩座清水池、一座綜合加藥間、一座二級泵房。製水能力達到5.0萬m3/d規模。

　　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，清水池上設置壓力式膜車間，采用納濾組件後的總工藝如下：回轉式隔板反應斜管沉澱池+雙閥濾池+（納濾係統） +液氯消毒+清水池+二級泵房。

　　3.出水水質：采用納濾技術處理沉澱池或濾池出水，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，出廠水質將高於最新頒布的城市供水行業水質標準，達到去除微汙染，保留礦物質的目的。

　　考慮到國內的自來水淨化工藝老化，檢測手段落後，已經無法剔除水體中的有害微汙染，我在此呼籲國家通過政府補貼、BOT等方式，逐步而漸進地在自來水廠推廣納濾技術，改造水網，解決城鎮的飲水安全問題。

四、為什麽需要安裝家用淨水機？

　　對於普通市民而言，在現階段水源汙染未能改善、自來水消毒方法沒有升級、管網汙染問題不能解決的情況下，唯一能夠自我保護的措施就是—安裝家用淨水機。從技術的成熟度和穩定性上講，無論是水體中的化學有機物汙染，還是重金屬汙染，以及細菌、病毒等，均可通過小型的家用淨水設備完全過濾掉，其核心技術就是膜技術。膜技術在家庭淨水上的費用並不高，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，後期的濾芯更換花費也並不高，平均下來每天僅需1元錢左右，普通家庭均可承擔。

　　市麵上的家庭淨水機，一般采用微濾、超濾、反滲透、納濾等多種技術，品牌繁多、雜亂，市民在選擇購買的時候眼花繚亂，難以取舍。他們之間有什麽區別呢？

　　微濾（一般是PP棉）：可去除濁度等感觀狀物理汙染物，也就是看得見的汙染物。微濾在淨水機中，一般用於預處理，如PP棉，能直接阻擋泥沙、鐵鏽等。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髒的濾芯恐嚇消費者，說水汙染多嚴重，他家的淨水機過濾效果多好。其實，PP棉過濾雖然恐怖，但隻能證明水髒。水很髒跟水有毒是兩回事，家庭終端淨水機，不但要去髒，更要去毒。所以，如果有商家的淨水機隻有PP棉這個環節，那肯定是不合格的。

　　超濾淨水器（主要表現為管道機）：目前巿麵上銷售的淨水（非純水）器多為微濾或超濾產品，它們在改善水的感觀或去除致病菌方麵是有效的，可去除細菌、病毒等微生物汙染物，價格便宜，水通量大，無需用電、不浪費水，缺點是隻能去除物理與微生物汙染，對引發疾病的化學汙染物束手無策。超濾無法截留化學汙染物而導致濾水中仍含有致癌的加氯消毒副產物、環境激素、農藥、重金屬等微汙染，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，而有機汙染物的分子量通常都小於1000，所以要用超濾膜來截留有機汙染物是不可能的，需要提醒的是，市場上超濾淨水機所用的中空纖維膜其截留分子量都是幾十萬，絕對不能截留有機汙染物。30年的工農業汙染，主要矛盾是150-1000分子量之間的激素、抗生素、農藥汙染嚴重；常規的砂濾、加氯、超濾、臭氧均無法解決。

　　反滲透純水機（RO淨水機，又叫純水機）：反滲透淨水機可以剔除水中的所有雜質，缺點是必須接通電源才能工作，而且浪費水，淨化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汙染物，但猶如潑盆中髒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也去除了，淨化後的水呈微酸性，對人體健康不利。

　　納濾水機（去除微汙染，保留礦物質）：那麽有沒可能找到一個既可以擁有超濾與反滲透的優點又能克服兩者缺點的淨水技術呢？應用納濾技術可以克服這一難題。

　　在飲用水淨化處理中，根據原水水質及淨水要求的不同，有多種不同性能的納濾膜可供選擇。多數的商品納濾膜雖然在截留有機物與重金屬方麵性能卓越，但在透濾二價的鈣、鎂礦物質方麵卻有缺陷，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，因此其應用受到一定的限製。

　　針對上述問題，我們開發出分離性能獨特的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，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、鎂礦物質透濾性好。

　　納濾技術還是一個節能技術，無論是終端淨水方式，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，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，目前的家庭淨水機品牌繁多、雜亂，其關鍵的一點，就是淨水機行業尚未有一個國家標準，淨水行業還沒得到有效的規範。建議中國國家相關部門盡快行動起來，推動製定淨水方麵的國家標準，對淨水市場進行規範，有意識地培育幾個技術過硬、服務規範、有實力的大品牌。

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