我国给水现状与发展趋势

王占生

清华大学 环境学院

董丽华

清华大学 环境学院

1 中国环境保护现状

我国改革开放30余年来，GDP年均增长超过10%，已成为世界第二大经济体。但我国工、农业的增长基本上还是以牺牲环境得来的，从最原始的手工作坊到最先进的化工、石化企业，各种污染都有。虽然国家一贯重视环保，由国家计委下的三废治理办公室至建设部的环保局，继而成立城乡建设环境保护部，后又独立成国家环保局、环保总局直至现在环境保护部，环保部门为我国制定了一系列的法律（《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国水污染防治法》、《中华人民共和国大气污染防治法》等）与各项规章制度，对我国环境保护起到了应有的作用，但时至今日我国环保形势依然严峻，不容忽视！

《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）要求最高的是一级A，耗氧量（有机污染的一个代表性指标）限量是50mg/L，但国家规定的《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）最差的Ⅴ类水体的限量是40mg/L。也就是说建立一个工厂，它排出的废水水质要差于最低等级的水体水质，那么肯定会污染水体，建立工厂越多，污水处理厂越多则污染越多，环境遭到污染是必然的。除非排放标准还要进一步严格，才能保护好水体，可是这是需花大代价才能达到的。农村的分散农户，没有什么污染，但要将农户集中起来建设乡镇，有了给水、排水设施，有了抽水马桶，就要设处理设施，就要花钱。

发展与污染是一对矛盾，这在任何国家和地区也不可避免。问题是怎么解决这对矛盾，发展快一些，矛盾就突出，发展慢一些，污染就轻些。

污染严重的企业要改造，要实现产业结构的高级化和产业技术现代化，就需要付出更多资金。

我国农业用氮肥，效率不高，流失严重。农药用得多，则流失多，就要污染土壤、地下水、地表水。

我国是养猪大国，每年产4亿头猪，而一头猪的粪便污染相当于5～10人的污染，仅这一项就超过我国13亿人口的粪便污染。还有养鸡、养鸭、养鱼经常使用的两种造成污染的药：一是激素，让其快快长；二是抗生素，使其不得病，不死亡。

由上可见，即便城镇污水、工业废水全处理了，那么乡村的污染也要花费更多精力去治理。

根据世界经济合作与发展组织（OECD）研究，西方大部分发达国家人均GDP超过8000～10000美元时，环境污染才出现下降；具有后发优势的新兴工业国家，人均GDP达到2000～5000美元时，环境质量出现改善趋势。

我国人均才4000多美元，若以广州、深圳、上海、北京等地人均超过1万美元来说，应该能控制住污染，例如北京，城市污水厂处理设备达到100%处理污水的能力，但没接入的污水仍直接进入河流。何况就算收集了所有污废水，还有雨水。初期雨水污染严重，会毒死鱼类。

除了各种无机和有机污染以外，我国的事故污染近几年呈爆发趋势，总投资1万亿元的7555个化工石化建设项目中，81%布设在江河水域、人口密集区等环境敏感区域，45%为重大风险源。

由上可见，环保任务艰巨，清除污染是个长期的任务，没有30～50年是不可能恢复原有生态的。

2 我国的水源水质情况

我国由于发展很快环保滞后，因此水源的水质受到污染的程度比较严重。

我国第一次污染源普查结果显示，2007年我国主要污染物排放情况如下：各类源废水排放总量2092.81亿t，废水中化学需氧量3028.96万t（含农业源1324.09万t），氨氮172.91万t，重金属（镉、铬、砷、汞、铅）0.09万t，总磷42.323万t，总氮472.89万t。与2008年公报中所提废水量571.7亿t、化学需氧量1320.7万t相比，废水量多出1500亿t，化学需氧量多出一倍多。

水污染的来源主要包括以下几个方面。

工业污染：从最落后的化学作坊至最先进的化工企业，各种污染都有，大量有毒化学物品进入自然界。

农业污染：大量的牲畜养殖场的粪便，农田中的大量化肥、杀虫剂、除草剂等，其化学需氧量（COD）的污染占全国的40%（“十一五”的节能减排内容不包括农业面源污染）。

城市生活污染：城市人口激增，有的至今尚无污水处理厂，有的虽然有处理厂，但是管道不配套，无法运行，大量污水直接排入河道。

2.1 重金属离子污染

重金属离子污染在我国某些地区比较严重，如湘江、北江流域。重金属离子一般是开矿冶炼过程排放，小矿开采，土法冶炼危害更大。

日本曾发生汞引起的水俣病，当地的猫得病后狂躁不安，跑上山顶跳海自杀。还有金属引起的痛痛病，得病后人的骨骼会收缩，疼痛不已。

重金属离子污染一旦发现后，只要加强厂内处理，多数就能获得缓解。

应注意的是各冶炼厂如不认真处理，通过跑、冒、滴、漏使厂出水含有较高浓度，下游水厂又没有预警装置，没有采取措施（如调pH值，化学沉淀），也不便采取措施（要处理全部水量），长期饮用，积累在体内，到时就会反应得病。

2.2 有机物污染

近几十年人类合成生产了几百万种有机物，它们既造福于人类，也造成种种疾病祸害人类，如农药、杀虫剂、灭菌剂、除草剂、塑料添加剂等。

诸多污染物中有的是持久性有机污染物（POPs），有的可属内分泌干扰物（EDCs），有的可归为药品与个人防护用品（PPCPs）。它们带有普遍性，对水中动、植物会有效应，通过食物链的高度浓缩，可能有重要的生态学影响，最终影响人类健康。

2.2.1 持久性有机污染物（POPs）

持久性有机污染物（POPs）是指人类合成的能持久存在于环境中，通过生物食物链（网）累积并对人类健康及环境造成有害影响的化学物质。这些物质在环境中不易降解、存留时间较长，可以通过大气、水的输送而影响到区域和全球环境，并可通过食物链富集，最终严重影响人类健康。这些物质可能造成人体内分泌系统紊乱，生殖和免疫系统受到破坏，并诱发癌症和神经性疾病。2001年5月22～23日，联合国环境署在瑞典斯德哥尔摩组织召开了《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》外交全权代表会议，通过了《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》，同时公约开放供各方签署。我国政府于2001年5月23日在该次外交全权代表会议上签署了公约。至今，已有156个国家签署了该公约。

2.2.2 内分泌干扰物（EDCs）

内分泌干扰物（EDCs）一般具有类似于激素的结构或功能，可以模拟激素的作用与受体相结合，从而干扰生物体的正常生理功能。内分泌干扰物质主要是农药、除草剂、灭菌剂、涂料、塑料增固剂等。典型代表污染物包括雌二醇、双酚A、壬基酚、邻苯二甲酸酯类等。

进入生物体的内分泌干扰物与生物体本身的激素竞争靶细胞上的受体，产生阻碍作用，影响内分泌系统与其他系统的互动作用。内分泌干扰物的长期作用可导致野生动物种群减少甚至灭绝，导致人类生殖系统癌变率增加和不育夫妇增加（我国平均每8对夫妇有1对不育）。

内分泌干扰物的危害包括以下方面：①干扰生殖系统功能和生物体正常发育，生殖机能下降或出现异常生理现象；②干扰免疫系统正常功能，降低生物体的免疫力，具有致癌性，容易诱发肿瘤；③干扰神经系统正常功能与发育，损害神经系统导致行为失控等反常现象。

2.2.3 药品和个人护理用品（PPCPs）

药品和个人护理用品（PPCPs）作为一类新型的环境污染物于20世纪90年代开始引起公众关注。

PPCPs主要包括用于人类健康或化妆护理的各种处方药和非处方药，如抗生素、消炎药、解热药、镇痛药、抗惊厥和抗焦虑药、细胞生长抑制剂、消毒杀菌剂、激素和口服避孕药、脂类调节剂、香料、化妆品、防晒剂以及营养品等，也包括用于增强家畜生长或健康目的的类似产品等。

PPCPs会对活体组织或生物体有较强的生物活性，产生特定的生物学效应。长期暴露于水体，有可能使细菌病毒具有抗药性，这些微生物进入人体后将给人类带来潜在危险。因抗生素滥用导致抗生素无效使病人死亡的案例美国每年大约发生4万例，我国约8万例。

在水环境中PPCPs通常易溶于水，但很难被降解和转化。

国外在近20年中由于检测仪器的发展，一些国家污水处理厂出水、地表水、地下水中都检出PPCPs，在饮用水中也有PPCPs被检出，检出水平在ng/L级。我国也有相应的研究。

从目前国内外的研究结果分析，一些地区具有完善的给水深度处理工艺，出厂水受PPCPs污染可能性较小；而常规工艺出水不能有效去除PPCPs，其风险可能较大，更易产生问题。在深圳，对常规处理净水厂与具有深度处理的净水厂分别取样分析。原水分别检出了12种和5种PPCPs，各种物质的平均浓度范围分别为0.14～14.05ng/L和0.03～9.98ng/L。常规处理净水厂出水中检出5种PPCPs，其平均浓度范围为0.18～1.40ng/L，具有深度处理的净水厂在主臭氧技术后几乎所有PPCPs被去除，仅偶尔检出较微量的PPCPs，而经过活性炭技术的出水中未检测到任何种量的PPCPs。

3 我国自来水厂现有工艺的欠缺

表征水源中主要污染物的综合水质指标包括：代表各种有机污染物的耗氧量（COD_Mn）、氨氮以及由各种化学污染物组成的臭味。

水中臭味来源于自然界河道湖泊中藻类代谢产物、工业废水中未得到去除而剩余的致臭物质、城市污水中未得到去除的致臭物质、水中的氨氮、水处理过程加的氯等。臭味是这些物质的综合效应，让人口感不舒服，生理上产生反感，由于市民可以直接感觉到，因此也是投诉的重要原因。

我国现有的自来水厂95%以上仍然采用的是常规工艺（百年老店）：混凝沉淀—过滤—消毒老三套，主要应对浊度、细菌、病毒，但对于百年后的水源中出现的溶解性小分子有机污染物、大量的氨氮、臭味物质就无能为力了。常规工艺只能去除30%左右的COD_Mn。

《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）规定COD_Mn应小于3mg/L，而很多地区水源水中COD_Mn约在5～6mg/L，常规工艺无法达到标准要求。

常规工艺的不足：缺乏氧化与吸附技术。氧化可将大分子有机物降解到较小分子有机物，将小分子有机物降解到水与CO₂，吸附剂则可将非极性较小分子有机物吸附去除。

吸附技术最常用的是活性炭，可以有效吸附分子量在1000～3000的有机物，更小分子的有机物亲水，随水流走。吸附剂活性炭吸附饱和后可以再生，重复使用。

4 水厂工艺改造的技术

在水源水质不断恶化的条件下，要使自来水达到新的水质标准要求，必须将常规工艺改造成深度处理工艺，增加去除溶解性有机污染、臭味与氨氮的能力。深度处理首先应是强化常规处理，不用增加构筑物，然后再是增设活性炭吸附、生物预处理等构筑物。

深度处理技术可以分为以下几类。

4.1 投加氧化剂

加氯或投加高锰酸钾、臭氧、过氧化氢、二氧化氯等氧化剂取代氯，使氯的消毒副产物减少，可以改善水的混凝条件，将黏附在胶体表面的有机物氧化，使胶体容易凝聚下沉。

4.2 活性炭吸附

以往采用的活性炭以微孔占绝大多数，属于气相炭，而水处理用炭要吸附水中一定分子量的有机污染物，就要求炭的次微孔发达，平均孔径1.2～3.2nm，生物炭则要求大孔（孔径大于0.1μm）多一些，以便微生物进入。

原有的活性炭炭源只选择一种煤，因此它的孔径分布就有一定的局限性。应选择不同孔径的煤作炭源，混合、磨粉、压块成型、进炉炭化、活化，然后再破碎筛分，此类炭称为压块破碎炭，它具有合理的孔径（大孔、中孔、微孔）分布，将能高效地吸附水中污染物。

由中国土木工程学会水工业分会与中国工业经济联合会臭氧专业委员会组织修订与编写的《水处理用臭氧发生器》（CJ/T 322—2010）与《生活饮用水净水厂用煤质活性炭》（CJ/T 345—2010），经中华人民共和国住房和城乡建设部批准为城镇建设行业标准，分别于2010年6月1日和2011年5月1日起实行。同时还编写了《生活饮用水净化用臭氧系统设备选用指南》与《生活饮用水净水厂用煤质活性炭选用指南》，供给水界同行使用。

活性炭的使用方法：

（1）用粉末炭去除偶然水质超标时的有机污染或臭味。因不能再生回用，成本较高，加10mg/L需0.05元/m³水。

（2）采用炭砂滤池解决有机物超标现象（炭易吸附饱和）。

（3）有机物较少，但COD_Mn略高时设置炭吸附池（炭易饱和）。

（4）原水有机物含量多，增设臭氧-生物炭技术。

原水—混凝—沉淀—过滤—臭氧氧化—生物炭吸附—消毒

4.3 生物预处理

如原水中氨氮高，则采用生物预处理去除。

水中氨氮可在混凝沉淀过程中去除20%左右，在砂滤池中去除30%～50%（不预加氯时），在生物炭池中去除30%～50%，最后加氯过程还可部分去除。一般情况下，如有臭氧-生物炭技术，当氨氮小于3mg/L时，可不设生物预处理。

4.4 膜技术

微滤（孔径约0.1μm）和超滤（孔径约0.01μm，可截留分子量5万～100万）在给水厂可取代砂滤，超滤可去除细菌、病毒等颗粒污染物，但对溶解性小分子有机污染物和臭味物质不能去除，可去除COD_Mn约10%（主要去除1万以上分子量）。

表1为我国3个水源水的有机物分子量分布情况。

从表1可见，河水受污染较多，分子量大于10000的有机物占26%，湖泊、水库水则绝大多数有机物分子量小于10000。超滤膜截留分子量10万，去除的有机物量是有限的，大多数小分子有机物不能去除。

针对我国水源水微污染水质，无论是作为把关技术去除溶解性小分子有机污染物与臭味，还是从经济适用观点出发，臭氧-生物炭技术目前仍然是经济有效的深度处理技术。

参考文献

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