世界水資源專家認為：納濾水是21世紀的最佳飲用水，在我國，納濾膜製備飲用水的研究已被列入“十五”863計劃。

    水凈化技術的發展歷程

    飲用水的凈化技術與工程設施，是在人類與水源污染及由此引起的疾病所做的長期鬥爭中産生和發展起來的，它的發展稱之為飲用水革命。回顧從1804年在英國的佩斯利（ P aisley）建成世界上第一座城市慢砂濾池水廠至今190餘年來，飲用水革命可以分成二個顯著不同的階段。

    第一階段：19世紀，歐美一些國家由於排出的污水、糞便和垃圾等使地表和地下水源受到污染，造成霍亂、痢疾、傷寒等水傳染病的多次大規模的爆發和蔓延，奪去成千上萬人的生命。這些慘痛教訓，促進了飲用水的第一階段革命。從19世紀初到20世紀60年代，飲用水的凈化主要是以除去原水中的濁度和殺滅水傳染病原菌為目的，其代表的處理流程是混凝沉澱→砂濾→投氯消毒，稱為普通凈水技術。它基本上消除了上述水傳染病的爆發。

    第二階段：自20世紀60年代以來，隨著工業和城市的迅速發展，飲用水源不僅受到越來越多的城市污水和工業廢水等點污染源的污染，而且還受到更難控制的非點污染源的污染，給水中帶來了難以或不能生物降解的有機物。例如，美國環保局從自來水中分析出的154種有機污染物中有80％是難以或不能生物降解的。尤為嚴重的是由於水中有機物的增多，通用的氯化消毒會産生多種有機鹵化物，這些有機鹵化物往往比其先質毒性更大。因此，第二階段的飲用水革命的任務不僅是除去濁度和病原菌，而且還要除去多種多樣的有機和無機微量污染物，稱為深度凈化技術。

    我國不僅是一個水資源貧乏的國家，而且是一個水資源受污染嚴重的國家，78％的城市河段不適宜作飲用水源，50％的城市地下水受到污染，傳統的城市給水處理技術已遠遠不能滿足處理微污染水體的要求。生活飲用水水質標準如世界衛生組織 W HO有133項（其中有機物佔89項），歐共體（ E C）有61項，美國現行飲用水水質基本標準有88項，其中二級標準有15項，執行新標準的日本也有80項，我國衛生部2001年頒布了生活飲用水衛生規範，其中生活飲用水水質衛生規範中有96項指標，其中常規檢驗34項指標，非常規檢驗62項指標。眾所週知，20世紀科技發展迅猛異常，八九十年代出現了大量合成有機物，還發現了各種有機物的新的有毒機理，這些不可能訂入十幾年前的水質標準。但是即使按現有的標準來衡量，全國共有9億人飲用不符合飲用水標準的水。中國預防醫學科學院對24個省、市、自治區的1534個監測點作長期調查，結果發現：20％的水樣的色度、濁度、鐵、錳、砷、氟超標，30％的水樣的有機物污染物超標，46．3％—66．2％的水樣的大腸桿菌超標。

    正是因為水與人體健康的密切相關性及我國飲用水存在一定的問題，在我國進行飲用水的第二階段革命——發展深度凈化技術是完全必要的。考慮到我國的經濟狀況及飲用水只佔城鎮供水的1％，把局部自來水進一步凈化處理成深度凈化水飲用，不僅在經濟上十分合理，操作上也完全合理。

    飲水現狀

    近幾年來，飲用什麼樣的水一直是人們關心的問題，自來水或將其燒開對健康是否有益，是否越純的水越好也成為人們關注的焦點，這就是本文將回答的問題。

    一、自來水自來水含有多種有機物，其來源主要為：

    1．水源受到有機污染。例如，某河水主要含有難揮發性有機物，有機物總峰數在100左右，1986—1990年共測出有機物216種，其中：腐殖酸0．4—0．9mg／L，葉綠素 a15．31—28．74mg／m3，COD

    Mn

    3．3—5．7mg／L。傳統工藝只對懸浮性有機物有較高的去除率，而對溶解性有機物的去除率不高，表現在濾前濁度往往大於3NTU，而濾後濁度很難小于1NTU。

    2．水廠凈化過程中産生。水廠沉澱池、濾池濾料層的含泥量中有機物的溶出與遷移會帶來有機物，更為嚴重的是由於採用傳統的加氯消毒工藝，尤其是水廠為了改進絮凝，提高濾池效率，保證殺菌效果，把加氯點放在混合井、濾前、濾後多點投氯，為氯與水中的有機物（如富裏酸、腐殖酸）反應生成 T HMs等消毒副産物創造了條件。根據美國及日本的檢測顯示，自來水中氯倣含量均比原水中氯倣含量增加五六十倍以上，而且自來水中氯倣絕對值也較高；氯化消毒副産物中鹵乙酸（ H AAS）是國外近幾年關注的重點，因為其“三致”作用較揮發性有機物強， H AAS的單位致癌風險也大大高於三鹵甲烷。

    3．自來水從水廠出來後，經過冗長的輸水管道及水塔、水箱等設施，由於管網腐蝕、泄漏、接觸污染，加上余氯與水中的有機物有時間進一步反應，會生成更多的 T HMs，這些會二次污染自來水，惡化了自來水水質。據北京市衛生防疫站的檢測，由於二次污染，有15％的自來水超過飲用水標準。

    由以上分析可知，自來水不能完全滿足健康的要求。

    二、開水

    將自來水煮開可以殺滅其中的細菌，同時可以將大多數揮發性有機物（如三鹵甲烷）在煮沸後除去，但是也將産生下列影響：

    1．對於水中的重金屬，砷化物，氰化物，亞硝酸鹽等有害物質，特別是非揮發性有機污染物（如 H AAS、農藥、合成洗滌劑等）會由於煮開後使水濃縮而使各種有害有毒物質的濃度增加，致突變性增加。

    2．水經煮沸後，細菌雖被殺死，但其屍體仍在水中，並成為“熱源”（一種過敏性物質），飲用後仍會對人體産生不良作用。

    3．水燒開後，水中含氧量急劇下降，不利於人體的新陳代謝。

    4．破壞水分子的六邊形環狀結構，不利於人體細胞吸收。水分子有三種結構：鏈狀、五邊形環狀、六邊形環狀，而六邊形環狀結構的水分子與人體細胞最具親和力，也最利於健康，生水中六邊形環狀結構的水分子含量較多。

    因此，將水燒開並不能完全獲得健康有益的水。

    三、純凈水

    飲用純凈水的定義是：使用符合生活飲用水衛生標準的水為原水，採用蒸餾法、去離子法、離子交換法、反滲透及其他適當加工方法，去除水中的礦物質、有機成分、有害雜質及微生物等，加工制得的，並且沒有任何添加物（臭氧除外）可以直接飲用的水。

    但是，通過蒸餾、反滲透技術來凈化原水，在去除水中有害雜質的同時，也去除了幾乎所有對人體有益的微量元素和礦物質。這種水不僅不能對人體補充有益的微量元素和礦物質，而且因其具有極強的溶解各種微量元素、化合物、營養物質的能力，飲用後將迅速溶解體內的微量元素，並排出體外，使體內物質失去平衡，若不及時加以補充可能致病。因此，飲用水並非越純越好。

    美國水專家 M artin Fox博士對當今健康飲用水方面的研究成果進行了概括和總結，指出：喝含 T DS即礦物質和微量元素含量高的水的人，死於心臟病、癌症和慢性病的幾率比喝含 T DS低的水低些；喝被污染的水和除鹽水都會對健康造成傷害；人體需要從食物和飲水中補充微量元素和礦物質，人體從食物中獲得的微量元素和礦物質通常不夠，而水中的微量元素和礦物質要比食物中的更易、更好地被人體吸收、利用。結論中明確指出，健康的飲用水，應符合下列指標：硬度（理想的指標170mg／L左右）、TDS（理想的指標是300mg／L左右）和 pH（偏鹼性）。因此，反滲透、離子交換等方法制得的純水以及蒸餾水不是健康理想的飲用水。

    所以，所謂健康有益的水是指最大可能地去除了耗水中的有毒有害的物質，特別是有機污染物，同時又在一定程度上保留了人體健康所必須的各種微量元素和礦物質、美味可口的水。這是人們飲水崇尚自然，追求健康的要求，也是作者課題要達到的目標。

    飲用水的深度凈化技術

    目前，針對水源的微污染及給水廠的氯化消毒所引起的 T HMs增多的問題，國內外採取了許多措施，大致可分為二種：一是對氯化消毒副産物（ D BP）的前驅物（ T HMFP）加以控制，從而減少 D BP的生成，如通過生物預處理法、臭氧—活性炭法、空氣吹脫法等方法處理後再進行氯化消毒〔20〕；二是對傳統的給水處理的出水———自來水進行深度凈化，減少 D BP的含量，如採用分質供水（管道或桶裝）、家用凈水器凈水等方法。

    對自來水的深度凈化的工藝也是多種多樣的：多級蒸餾法、膜分離法、離子交換法、活性炭吸附等。下面對它們進行比較。

    一、多級蒸餾法

    多級蒸餾法一般採用多臺塔、多臺換熱器和一台冷凝器組成。其出水純度高———從理論上説，可以除去水中微細物質（即大於1μ m的所有不揮發物質和大部分0．09－1μ m的可溶性小分子無機鹽類）；一般可去除不揮發的有機、無機物，包括懸浮體、膠體、細菌、病毒、熱源等，以往在醫藥行業被較廣泛地應用於針劑、輸液的設備。但是蒸餾法由於有相的變化，它的能耗大———每噸水耗電15－16度，很不經濟，而且它對進水水質要求高，對揮發性有機物去除率不高，因而對 T HMs等物質的去除率不高；同時其産水不含氧，純度高，去除了水中對人體有益的成分，達不到健康有益的水的標準。

    二、離子交換法

    離子交換法是利用陰陽樹脂對陰陽離子的選擇性吸附來達到對水中陰陽離子去除的目的。離子交換樹脂交換飽和後必須用酸鹼再生，酸鹼的使用不僅惡化環境，而且運作費用大、操作麻煩。它不能去除水中的溶解性有機物、細菌、熱源和懸浮物等，但是去除了水中的礦物質和微量元素———它幾乎能完全除去水中溶解的0．2－0．8nm大小的無機鹽類，其産水不是健康有益的水。

    三、活性炭吸附

    由於溶質對水的疏水特性或者溶質對固體顆粒的高度親和力産生了吸附現象。活性炭的吸附主要是物質化學吸附，它對水中許多有機污染物質包括溶解性有機物都具有很強的吸附能力。活性炭的比表面積達到500—1000m2／g，這種物理特性是對有機物吸附容量大的一個原因。

    用於飲用水處理，活性炭可除嗅去色，並去除水中微量有害物質，如有機物、膠體物質、部隊重金屬、余氯等。因此活性炭被廣泛地應用於家用凈水器。活性炭凈水器對自來水中色度、 T HMs、耗氧量、 D OC、余氯、 A mes致突變物質有一定的去除效果。但是其不足有三：出水細菌總數明顯升高；亞硝酸鹽濃度升高；炭的失效點不易判定。因此活性炭不宜單獨用於飲用水處理，可以和其他方法結合使用，如活性炭—膜分離法。

    四、膜分離技術

    人們對水質的嚴格要求，促使人們對應用膜工藝産生興趣。膜工藝能從砂濾、活性炭吸附處理的水質不再依據源水水質，而是依據選用膜截留尺寸。所以膜過濾是一生中嚴格的物質分離技術，它有以下特點：它是一種物理作用，不需要加注藥劑；分離過程中不發生相變，和其他方法相比能耗較低，又稱省能技術；膜分離過程中，一種物質得到分離，一種物質被濃縮，不産生副産品，且不改變物質的屬性；膜工藝操作容易，易實現自動化；它在常溫下操作，適用範圍廣。

    人們對膜技術研製、開發的沿革，基本上是針對被處理對象來開發不同類型膜而發展起來的。利用膜技術處理飲用水，在世界上已建成70多個水廠，其中第一個水廠是在1987年美國的 K ey stone colo建成的微濾（ M F）膜地面水處理廠，能力為105m3／d；目前規模最大的是1992年美國佛羅裏達半島建成，3．6萬 m3／d，1992年法國的 B iarritz地面水處理廠，其能力為4800m3／d和Fongombauit地下水處理廠，其能力為4800m3／d；至於小型水處理裝置就美國已達數百家，這種小型水處理裝置首先是用於航空航太和高層人物的飲用水，現已普及到百姓。若從膜技術處理凈化水和小型裝置正式投入市場算起，中國至少落後發達國家25年以上；若從利用膜技術建立第一個凈水廠算起約落後10年的時間。

    五、納濾水———21世紀的健康飲水

    用於飲用水處理的膜工藝主要是壓力驅動的膜，按照膜能有效地去除的污染物的大小來分類，可分為微濾（ M F）、超濾（ U F）、反滲透（ R O）和納濾（ N F）等，它們的分離特點見下表。可見， M F、 UF的産水還不能將水中的有害小分子有機物質去除，因而不能單獨用於純凈水製造；而 R O，它在分離過程中良莠不分，它可以去除水中全部溶解性物質，其産水亦不能符合人們健康的要求，而且其每産水一噸耗電3．5－4．5度。 NF膜早期稱為鬆散反滲透膜，是80年代初繼典型的 R O複合膜之後開發出來的。 N F膜介於 RO與 U F膜之間，它主要去除直徑為1個奈米左右的溶質粒子，截留分子量為100—1000。例如， RO幾乎對所有的溶質都有很高的脫除率， U F對幾乎所有的離子都沒有脫除作用，而 N F只對特定的溶質具有較高的脫除率。 N F膜由於其本身的特點———膜本體帶有電荷性，這是使它在很低壓力下仍具有較高脫鹽性能和作為截留分子量為數百的膜也能脫除無機鹽的重要原國，因此它十分適用於飲用水的深度凈化。（見下表）

    值得注意的是，美國從1992—1996年的4年中，納濾膜裝置增加500％，大大高於其他方法。而且對各種脫鹽方法的經濟成本進行的統計比較表明：無論是一次投資，還是運作、維修費用均以納濾膜為最低。美國環保局（ E PA）曾用大型裝置證實了 N F脫除有機物及合成化學物的實際效果。日本在1994—1996年中重點開發以納濾膜為核心，以脫除砂濾法不能脫除的溶解性微量有機物為目的的飲用水深度凈化系統（“ MAC21”）。目前巴黎市郊的一座2800m3／d的生産納濾膜水處理廠已成功地運轉了1年多，其出水完全能滿足歐共體新近頒布的有關消毒副産物的指標要求，出水 T OC低於0．2－0．3mg／L，生物穩定性好，能有效地防止輸水管理網中細菌的繁殖。

    在1994年馬尼拉亞太地區國際水協會會議和1995年在巴黎召開的國際供水協會會議上，以美國奧蘭多佛羅裏達中心大學被譽為膜技術鼻祖的泰勒教授為首有25個國家300多位專家參加了膜處理技術專題研討會。他們預測當水源具備一定的潔凈條件，由 P AC（粉末活性炭）＋微濾或超濾＋納濾即可取代全部水處理設施；未來的幾年，低壓膜技術在飲用水處理中有著廣闊的前景。

    因此，在我國，發展以納濾膜為核心的飲用水深度凈化系統，以去除自來水中有毒有害的物質，同時盡可能保留自來水中有益的成分，是非常有意義的，也是非常必要的。

    結束語

    水質的好壞關係到人類生存，引起了人們的廣泛注意。

    我國的水資源匱乏，每人平均淡水佔有量大大低於世界平均水準，而且污染嚴重，而水質的好壞關係到人類生存，加上自來水消毒副産物的發現，引起了人們的普遍關注，所以發展飲用水深度凈化技術勢在必行。但是這些經驗只適合當地的水，且有一些工藝比較複雜，費用較高，並不適合我國的國情，因此不能對其照抄搬用。

     （中國電子學會高純水委員會主任安鼎年 天津市衛生防病中心主任醫師董善亨）

    《科技日報》2002年1月21日