自來(lái)水有味道怎么辦？搞清楚原因以后，我們決定讓水庫變得更加渾濁一些。
我們的這些技術(shù)，
已經(jīng)在全國100多個(gè)城市得到應用，
楊敏 · 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員大家好，我是楊敏，來(lái)自中科院生態(tài)環(huán)境研究中心。今天給大家講一講這些年我們團隊在飲用水安全保障方面，為國家、為社會(huì )做的一些事。大家對飲用水都很敏感，尤其是我們對水的顏色和味道非常敏感。我記得在上海讀書(shū)的時(shí)候，就對上海飲用水難聞的味道刻骨銘心。大家可能不知道，在很多年前，上海飲用水的水源來(lái)自黃浦江。那黃浦江的水是一個(gè)什么樣的味道呢？當時(shí)不要說(shuō)泡茶了，連啤酒和可樂(lè )都帶有黃浦江的味道，大家想想那水有多難喝。所以我當時(shí)就想，到底是什么樣的物質(zhì)，導致這樣一種非常強烈的異味呢？如果有機會(huì )，我一定要把這個(gè)原因給找出來(lái)。要想把飲用水中的嗅味物質(zhì)找出來(lái)，其實(shí)非常不容易，為什么這么說(shuō)呢？當我們喝到一口水，覺(jué)得這個(gè)水有點(diǎn)咸味的時(shí)候，它的鈉離子基本上是200毫克/升以上。但是如果我們聞到這個(gè)水它有點(diǎn)味道，那么這個(gè)物質(zhì)的含量可能是多少呢？可能就是10或者是幾十納克/升。也就是說(shuō)，我們的嗅覺(jué)比我們的味覺(jué)可能要靈敏100萬(wàn)倍以上?？上攵?，要想把這種低濃度的物質(zhì)從水里面那些大量共存的物質(zhì)里找出來(lái)是非常不容易的。 ▲ 嗅覺(jué)層次分析法（左）與培訓人員現場(chǎng)（右） 而且我們說(shuō)人對嗅味很敏感，但當你真正去客觀(guān)描述一種嗅味的時(shí)候，又很難準確地去描述它。因此，我們就建立了一種叫嗅覺(jué)層次分析的方法，對嗅味類(lèi)型描述進(jìn)行了規范化，并通過(guò)培訓人員，讓他們對嗅味有一個(gè)深刻的記憶。這樣一來(lái)，他們就能把嗅味物質(zhì)的濃度和嗅味的強度之間的關(guān)系建立起來(lái)，實(shí)現對于嗅味的半定量測定。當然，光靠鼻子還是聞不出嗅味物質(zhì)的。我們采用感官氣相色譜法，首先用分離柱把水中這些可能有異味的物質(zhì)分離出來(lái)，然后把物質(zhì)分成兩路進(jìn)入儀器。一路我們用鼻子來(lái)聞，這樣就得到上圖右下的嗅覺(jué)峰，然后我們再把另一路送進(jìn)質(zhì)譜，它就給出一個(gè)物質(zhì)峰。最后我們把物質(zhì)峰和嗅味峰對起來(lái)，就能找到嗅味物質(zhì)。2007年的時(shí)候，無(wú)錫發(fā)生了一次非常嚴重的水嗅味事件，叫無(wú)錫水危機。當時(shí)有多嚴重呢？全市200多萬(wàn)人停水一周，沒(méi)有自來(lái)水用，所以大家可以看到超市里面水都賣(mài)空了。這么大的事件引起了社會(huì )強烈的關(guān)注。到底這樣一個(gè)嗅味是什么導致的呢？大家都找不到原因。我們就利用剛剛說(shuō)的感官氣相色譜法，把這個(gè)嗅味物質(zhì)找出來(lái)了。它主要是硫醚類(lèi)物質(zhì)。這樣，我們就解開(kāi)了這次無(wú)錫自來(lái)水嗅味之謎。那我就想，能不能用這個(gè)技術(shù)來(lái)回答我學(xué)生時(shí)候提出的問(wèn)題呢？我們就拿這個(gè)技術(shù)，來(lái)做了黃浦江的嗅味分析。我們也得到了十幾個(gè)嗅味峰，主要的可能有土霉味、就是我們常說(shuō)的土味，然后還有些腥臭味，同時(shí)也得到一些質(zhì)譜峰了。▲ 嗅味峰及色譜圖（上）與產(chǎn)生土霉味的藻類(lèi)（下）但是當我們把這兩個(gè)峰合起來(lái)看的時(shí)候，我們只能找到兩種土霉味致嗅物，也就是2-甲基異莰醇（MIB）和一個(gè)叫土臭素的物質(zhì)（Geosmin）。它們主要是藻類(lèi)產(chǎn)生的，而且是國際上廣泛關(guān)注的問(wèn)題。所以測到這兩種物質(zhì)一點(diǎn)兒都不稀奇，也不需要用高超的技術(shù)，我們就可以測得出來(lái)。但是對于腥臭味這種嗅味類(lèi)型，我們還是不知道它的來(lái)源，也不知道它含有什么物質(zhì)。為什么找不到這個(gè)物質(zhì)呢？就是因為黃浦江的水，它的物質(zhì)構成特別復雜，用常規的色譜技術(shù)不能把里面的物質(zhì)有效地分離開(kāi)。所以我們就采用另外一種分辨率比較高的全二維氣相色譜質(zhì)譜的技術(shù)。這個(gè)全二維有什么好處呢？它可以把這個(gè)物質(zhì)進(jìn)行兩次分離，分離一次以后，又進(jìn)行第二次分離。這樣一來(lái)，就可以把很復雜的物質(zhì)給分開(kāi)。▲ 黃浦江水的嗅味物質(zhì)，其中紅色框內為土霉味致嗅物，橙色框內為腥臭味致嗅物我們把這個(gè)全二維氣相色譜質(zhì)譜技術(shù)和剛剛說(shuō)的感官氣相色譜技術(shù)聯(lián)合起來(lái)使用。一邊拿嗅味的峰，一邊拿物質(zhì)的峰，把它們對應起來(lái)。我們終于從上海黃浦江水源里面找到十幾種嗅味物質(zhì)，發(fā)現主要是由硫醚類(lèi)和其他的一些微量物質(zhì)聯(lián)合作用產(chǎn)生的嗅味。把這個(gè)嗅味物質(zhì)搞清楚了之后，那我們就想，什么方法能最有效地去除這些嗅味物質(zhì)呢？我們知道，活性炭是一種在全球范圍內用來(lái)做嗅味去除的材料，它對有些嗅味物質(zhì)是有效的，但是對于硫醚它的去除效果很差，那用什么方法好呢？我們后來(lái)就發(fā)現，像硫醚類(lèi)是一種還原性比較強的物質(zhì)，用氧化方法可以有效地去除。但是要想把這些十幾種物質(zhì)都同時(shí)去掉，真正有效的方法就是用臭氧。因為大家知道，臭氧的氧化能力很強，它可以把很多的有機物都有效地去除。因此，我們和上海自來(lái)水界的同事們一起，終于把嗅味的原因物質(zhì)基本上搞清了，同時(shí)也找到了一個(gè)有效的解決方案，讓上海人民喝到了更加可口的水。但是事情到此并沒(méi)有結束，新的問(wèn)題又出來(lái)了。2010年，上海市政府為了解決飲用水水源的水質(zhì)問(wèn)題，他們決定在上海青草沙，也就是在江心建了一個(gè)水庫，叫青草沙水庫。這個(gè)水庫容量非常大，它建成以后，能夠作為上海市60%以上的飲用水水源，這是一個(gè)皆大歡喜的事。但是隨著(zhù)這個(gè)水源的使用，從2010年啟用開(kāi)始，就發(fā)現新的問(wèn)題出來(lái)了：飲用水又產(chǎn)生了嗅味。這個(gè)味道就是剛剛說(shuō)的2-甲基異莰醇，它是一股土霉味，主要是由藻產(chǎn)生的。那什么樣的藻會(huì )產(chǎn)生這種味道呢？我們經(jīng)過(guò)藻種的分離和鑒定，發(fā)現了假魚(yú)腥藻是主要的產(chǎn)嗅藻。這種藻它是一種絲狀藻，比我們常見(jiàn)的微囊藻和小球藻大得多。它的體積大，所以主要是在水底下生長(cháng)。那我們就想，這個(gè)藻主要在這個(gè)水庫的什么區域來(lái)生長(cháng)的？上圖就是青草沙水庫，這個(gè)白色的柱子就是它的嗅味物質(zhì)濃度。大家可以看到，它主要在水庫的北邊出現。為什么在北邊呢？因為我們知道長(cháng)江的水很渾，它進(jìn)入水庫的時(shí)候還是渾濁的，但是慢慢進(jìn)入水庫以后，隨著(zhù)流速的降低，那些渾濁的物質(zhì)會(huì )沉下去，導致水變清。在北邊因為水比較淺，所以水流速就慢，這樣一來(lái)就變得更加清了，這就給在底部生長(cháng)的這些藻創(chuàng )造了很好的水下光照的條件，這些藻就長(cháng)起來(lái)了。因此我們要想控制它，就必須要改變北邊水底下的光照條件。那怎么改變呢？我們就提出來(lái)了一個(gè)方法，加大水庫排水閘的開(kāi)度，讓排水排得更快。這樣一來(lái)整個(gè)水庫的流速就快了，北邊這一塊的濁度也會(huì )提升。整個(gè)水庫濁度分布的調整，就會(huì )導致這些藻類(lèi)高發(fā)的區域的光照條件變差，這樣藻的生長(cháng)就會(huì )受到抑制。當我們把這個(gè)水庫流量提升50%的時(shí)候，藻的生長(cháng)就得到了有效的控制。相比于2019年沒(méi)有控制的時(shí)候，2020年嗅味物質(zhì)濃度就能降低80%以上，這樣就大大地降低了水廠(chǎng)的壓力和使用的活性炭的量。這個(gè)問(wèn)題解決以后我們很開(kāi)心。但是因為水庫是一個(gè)開(kāi)放型的水體，它是一個(gè)生態(tài)系統，你今天控制它了，明天可能又有新的問(wèn)題出來(lái)。所以跟產(chǎn)嗅藻的斗智斗勇也不是一朝一夕的事，這是一個(gè)長(cháng)期的任務(wù)。所以我們現在還在跟上海供水界的朋友們、同事們一起在合作，在繼續關(guān)注水庫會(huì )發(fā)生一些什么樣的新情況。接下來(lái)，我講講和水的顏色有關(guān)的事。當時(shí)，北京還沉浸在成功舉辦08年奧運會(huì )的喜慶氛圍，突然部分小區出現了黃水，而且出現黃水的小區面積越來(lái)越大。這種黃水跟我們日常生活中間遇到的偶爾發(fā)生的黃水不一樣，它是你放幾分鐘、放幾個(gè)小時(shí)都放不干凈的水，即使今天放干凈了，明天還會(huì )有。它會(huì )持續很長(cháng)時(shí)間，所以這就導致了社會(huì )上廣泛的關(guān)注。▲ 2008年10月，北京市從河北應急調水遭遇“黃水”這是什么原因導致的呢？其實(shí)當時(shí)北京的水源已經(jīng)非常緊張，所以從河北買(mǎi)了3億噸的優(yōu)質(zhì)飲用水。但進(jìn)了北京以后，就發(fā)生了河北的水和北京的管網(wǎng)“水土不服”的現象。為什么會(huì )出黃水？其實(shí)就是因為我們的管網(wǎng)都是用的金屬材質(zhì)，尤其是鐵質(zhì)的、鋼質(zhì)的這種管道。這些管道在長(cháng)期使用的過(guò)程中間，它的內部會(huì )產(chǎn)生一些腐蝕，這些腐蝕產(chǎn)物我們叫管垢。這個(gè)管垢它平時(shí)可能沒(méi)問(wèn)題，但是一旦有水質(zhì)變動(dòng)的時(shí)候，它會(huì )不適應，這些管垢可能就釋放出來(lái)，導致產(chǎn)生黃水。那為什么有的地方出黃水，有的地方不出黃水呢？后來(lái)我們就跟自來(lái)水的同事們一起開(kāi)展了大量的分析。我們把管網(wǎng)挖出來(lái)，然后來(lái)分析它的管垢成分。我們就發(fā)現，當管網(wǎng)是通地表水的時(shí)候，管道它本身就能產(chǎn)生一個(gè)比較致密的管垢。這種致密的管垢比較穩定，即使是河北水來(lái)，它也不會(huì )釋放出黃水。但是以前用的是地下水的管道，它的管垢比較稀薄，不能形成致密的管垢，也就不能形成保護。所以通地下水的管道，是導致黃水產(chǎn)生的一個(gè)主要的原因。當然了，從河北借的3億噸水很快就沒(méi)了，我們更嚴峻的考驗在后面。因為當時(shí)國家正在實(shí)施南水北調工程，北京市過(guò)幾年就要大量地接收丹江口來(lái)的水，就是從長(cháng)江流域來(lái)的水。如果南水北調的水來(lái)了以后再產(chǎn)生這種黃水的話(huà)，就會(huì )造成極大的影響。所以為了能夠安全地利用好千里迢迢運來(lái)的丹江口的水，我們一定要做好預案，所以我們北京自來(lái)水的同事們就想，應該提前把北京管道和丹江口的水源進(jìn)行對接。挖了以后把它們送到丹江口，在丹江口市建了一個(gè)管網(wǎng)模擬實(shí)驗基地。然后就看丹江口的水到底對哪些管道是穩定的，對于哪些管道是不穩定的，我們要對它進(jìn)行一個(gè)全面的評估。這個(gè)評估的結果，我們把它畫(huà)成了一張北京管網(wǎng)黃水敏感區的分布圖。圖片里面綠色的部分就是低敏感區，所以大部分地方對于丹江口的水來(lái)說(shuō)是低敏感度的，也就是說(shuō)不太容易發(fā)生黃水。因此，在2014年丹江口的水進(jìn)京的時(shí)候，我們的方案就是優(yōu)先地把丹江口的水用在這些低敏感區，其他地方慢慢地提高它的比例，這樣一來(lái)就避免了出現大面積的黃水。至今為止，北京已經(jīng)接收來(lái)自丹江口大概是40億方水，接收過(guò)程中間基本上沒(méi)有發(fā)生大面積的黃水。這個(gè)也就是我們通過(guò)大量的基礎研究，支撐了國家重大工程實(shí)施的案例。 沒(méi)有顏色、沒(méi)有味道的水
就安全嗎？
剛剛說(shuō)的是顏色、味道這種我們都能感知到的東西，我們覺(jué)得有問(wèn)題就不會(huì )愿意喝。但實(shí)際上如果水沒(méi)有顏色、沒(méi)有味道，水就安全嗎？我們看不見(jiàn)的東西，有可能健康危害更大。最典型的例子，就是飲用水的砷和氟的問(wèn)題。砷和氟是在全球都廣泛存在的一個(gè)問(wèn)題，在我們國家，主要在一些邊遠的農村有一些地下水高砷高氟的現象。它有什么危害呢？比如說(shuō)氟，輕一點(diǎn)的叫氟斑牙。我們看有些人他牙質(zhì)發(fā)黃，是抽煙了嗎？其實(shí)跟抽煙沒(méi)關(guān)系，就是因為他以前飲用的水里面氟超標了，所以就導致產(chǎn)生氟斑牙。然后嚴重一點(diǎn)的那就是氟骨癥，會(huì )導致骨骼變形。砷大家知道它的危害更大，它是毒物，嚴重的話(huà)可以導致你得癌癥。所以砷和氟是全球關(guān)注的飲用水的危害污染物，也是我們一直在做技術(shù)研發(fā)的重要對象，國際上也做了大量工作，但它們一直是個(gè)難題。為什么難呢？我舉個(gè)例子，比如砷的去除。傳統上，我們首先要把地下水里面的三價(jià)砷，先把它氧化成五價(jià)砷，五價(jià)砷才比較容易被吸附劑吸附。吸附飽和以后，還得用再生液劑再生，那再生過(guò)程中間又會(huì )產(chǎn)生一些砷的廢液。所以這個(gè)過(guò)程不僅工藝復雜，而且操作也很繁瑣，成本也很高，這導致傳統的除砷技術(shù)很難推廣應用。我們曲久輝院士帶領(lǐng)的團隊，發(fā)明了這個(gè)叫一步除砷的方法，就是氧化和吸附同步發(fā)生。同時(shí)我們不用再生液，而是用原位包裹再生的方法。就是說(shuō)飽和了以后，我在外面再加一層活性的物質(zhì)，讓它在上面吸附，這樣就不產(chǎn)生再生液。這個(gè)方法既簡(jiǎn)便又安全，而且成本低。我們把這個(gè)低成本的技術(shù)變成設備，在全國進(jìn)行了推廣應用。
比如說(shuō)在內蒙古，解決了貧困地區農村飲用水安全的問(wèn)題，在扶貧工程中發(fā)揮了重要的作用。同時(shí)我們也把這個(gè)技術(shù)向“一帶一路”國家，像尼泊爾也在進(jìn)行一些推廣。
我們知道，飲用水的水質(zhì)標準是非常重要的，因為它是保障我們飲用水安全的一個(gè)重要的依據，飲用水達標不達標，是跟飲用水的安全不安全是掛鉤的。由于我們國家缺乏一些基礎數據，所以國家標準的制定以往都是參照像美國、日本他們的標準，然后我們借鑒過(guò)來(lái)，這樣就形成中國的標準。但中國作為這么一個(gè)大國，我們國家有這么多特殊的條件，我們不能永遠借鑒別人的標準，必須有自己的標準，那首先就要有我們自己的基礎數據。所以在國家水專(zhuān)項這一個(gè)大計劃的支持下，我們從“十一五”開(kāi)始就在全國進(jìn)行水質(zhì)基礎數據的調查。我們跑了全國大小河流水源地，在大小城市都做了大量的調查，把全國的水質(zhì)數據進(jìn)行了搜集整理。我們就發(fā)現，像一些叫高氯酸鹽、乙草胺的這樣的物質(zhì)，以前我們的標準里沒(méi)有提到，但是在我們的水源里面存在，并且在部分水源里面濃度是偏高的。那這樣的物質(zhì)對人體健康有沒(méi)有風(fēng)險？
所以我們也開(kāi)發(fā)了一些健康風(fēng)險評價(jià)方法，用這個(gè)方法來(lái)評價(jià)某種物質(zhì)對我們健康危害到底有多大。通過(guò)這種方法，我們發(fā)現這兩種物質(zhì)確實(shí)是風(fēng)險偏高的，因此在新的國標修訂的時(shí)候，我們就把這兩種物質(zhì)納入到我們的國標里去了，這也是世界上第一個(gè)包含了高氯酸鹽標準的標準。這個(gè)新的標準今年已經(jīng)發(fā)布了，將來(lái)就要執行。也就是說(shuō)，我們中國終于有了第一次依據自己的數據來(lái)制定的標準，這個(gè)標準能更好地根據我們國家實(shí)際的水質(zhì)條件來(lái)進(jìn)行水質(zhì)的管控。當然，水質(zhì)標準可以把我們日常的、一般情況下的水質(zhì)安全管理好，但是我們也知道，水源有時(shí)候還有些突發(fā)事故。那應對突發(fā)事件的時(shí)候，我們怎么辦呢？我們也開(kāi)發(fā)了一個(gè)生物預警系統。它的主要原理是利用小魚(yú)，一種體積非常小的，名叫稀有鮈鯽的一種中國的特有魚(yú)種。我們把它放到小池子里，利用魚(yú)對一些有害化學(xué)物質(zhì)的回避行為來(lái)判斷，并把它的行為通過(guò)信號記錄下來(lái)。當行為發(fā)生異常的時(shí)候，我們就認為水里可能有毒物，就要發(fā)出預警。我們把它做成了設備，然后在全國進(jìn)行推廣應用。到目前為止，我們的這些包括水源修復、嗅味控制、除砷除氟以及生物預警等等技術(shù)，已經(jīng)在全國100多個(gè)城市得到應用，涉及人口接近2億。能夠為全國人民服務(wù)，我們也感到非常榮幸。在服務(wù)國家的同時(shí)，我們也想這些技術(shù)正好也是“一帶一路”沿線(xiàn)國家需要的技術(shù)，我們也要為他們、為人類(lèi)命運共同體做出貢獻，所以我們也在斯里蘭卡等國家開(kāi)展了一些技術(shù)的推廣應用。比如說(shuō)斯里蘭卡有一種病，叫不明原因腎病。關(guān)于這個(gè)病世界衛生組織（WHO）也做了專(zhuān)門(mén)的調查，但是沒(méi)有查出原因。后來(lái)他們找到我們，我們就組織了多學(xué)科的，包括醫學(xué)的、公共衛生的、環(huán)境科學(xué)的專(zhuān)家一起來(lái)開(kāi)展大量的研究。我們初步發(fā)現，這些發(fā)病區地下水里面的氟和鈣的含量比較高，這個(gè)聯(lián)合作用可能是導致腎病高發(fā)的一個(gè)原因。這個(gè)原因找到以后，我們又開(kāi)發(fā)了把鈣和氟同步去除的這種叫大通量電滲析技術(shù)。把這個(gè)技術(shù)在當地進(jìn)行了示范應用，當地老百姓很歡迎，政府也很高興。因為使用成本很低，他們就把這個(gè)技術(shù)列為應對腎病的一個(gè)優(yōu)選技術(shù)，準備在斯里蘭卡進(jìn)行推廣。同時(shí)，緬甸農村衛生條件比較差，缺乏比較清潔的水源，所以我們國家駐緬甸大使館就找到我們，說(shuō)能不能幫他們解決這個(gè)問(wèn)題。因此，我們也把我們實(shí)驗室建立、開(kāi)發(fā)出來(lái)的生態(tài)水源地構建技術(shù)用在緬甸的皎漂地區，做農村飲用水水源地的一個(gè)示范工程。這個(gè)工程我們已經(jīng)把方案做好了，然后我們正在跟當地的央企一起合作，委托他們來(lái)幫我們做工程的實(shí)施，可能今年年底就能通水。我們希望今后這樣一些類(lèi)似的工作，能夠更多地向“一帶一路”沿線(xiàn)國家推廣，服務(wù)人類(lèi)命運共同體，也支持我們的一些技術(shù)、一些標準走出去。我的報告就到此結束，非常感謝大家能聽(tīng)我的報告，也非常榮幸我能從事飲用水安全這樣一個(gè)研究，能為我們國家的飲用水安全、為我們老百姓的飲用水安全貢獻自己的一點(diǎn)力量。
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