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饮用水科技前沿热点与发展趋势
更新时间:2020-12-31 来源:净水技术

  水是保障人类生存和社会正常运转的不可或缺的生命资源,获得安全的饮用水是公民的一项基本权利。保障我国人民的饮水安全是关系到国计民生的重要问题,也是全面建设小康社会的重要考量指标。

  然而,随着人口增长和环境污染的日益严峻,水源污染、淡水资源短缺已经成为限制我国经济发展的主要因素,甚至成为了全球性问题。

  根据达沃斯世界经济论坛2018年发布的《全球风险报告》,水危机在风险影响程度上已经超越了网络攻击、非自愿移民以及传染病,被列为世界第五大最具影响力的危机问题,成为影响人群健康、可持续发展和社会稳定的重要风险因素。

  在此背景下,联合国将水治理上升到全球层面,并在2015年将水治理纳入《2030年可持续发展议程》,增强了获得安全饮用水的普适性要求,保护水资源、呵护水生态已经成为世界各国的共同关。对于保障饮用水安全而言,发展创新饮用水科技始终至关重要。在近几年的国际水协(IWA)水大会上,数字水务、可持续发展、水处理技术创新、水资源管理和水务政策等问题被频繁地提及和研讨。

  当前,饮用水科技创新领域的研究热点包括:新兴污染物的识别和控制、饮用水综合健康风险评估、融合前沿科技的水质净化工艺和智慧化供水系统等。全球饮用水科技正朝着智能高效和绿色低耗的方向不断发展,进而推动着供水行业的巨大变革。本文从4个方面阐述饮用水科技前沿技术热点,进而明确行业科技发展趋势。

  1、新兴污染物

  2003年,Petrovic等最早提出了新兴污染物(emerging contaminants,ECs)的概念,该类污染物一般尚未受到相关环境管理政策或标准管制,但能够对人类健康和生态环境产生潜在或实质性危害。

  由图1可知,虽然ECs的概念已经提出近20年,但针对ECs的环境行为、风险及其污染防治技术的研究仍是近年来环境研究领域的热点。

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  图1 ECs相关文章发表情况(来源数据库:Scopus)

  目前,世界各国对化学品的管控均提出了更高的要求,一些欧美国家已经为部分ECs制定了相关的环境标准。

  1.1 新兴污染物的种类

  在各类ECs中,PPCPs、EDCs和PFCs被关注较多。根据现有研究,饮用水中PFCs所造成的健康风险有限,但其在水中的长期暴露仍然引起了各界的广泛担忧。

  近些年,一些新的或刚被关注的化学品也被纳入了ECs的范畴,比如水处理过程中产生的新兴消毒副产物和微塑料等。

  除了化学品,新兴的病原微生物,例如耐氯或抗紫外的病毒和原生动物、具有抗生素耐药性的细菌等,极大地威胁着供水安全,也被纳入了新兴污染物的研究范畴。

  1.2 新兴污染物的检测

  ECs的检测技术,特别是对ECs转化产物以及非目标性未知污染物的检测,始终是行业关注的重要问题。天然水体中的ECs检出浓度一般仅在ng/L~μg/L,因此,在分析时需对水样进行前处理,以一定程度上分离纯化和富集待测组分。

  1.3新兴污染物的控制

  近些年,针对饮用水环境中ECs控制技术的报道也日益增多,这些技术包括化学/高级氧化、颗粒活性炭(GAC)或粉末活性炭(PAC)吸附以及膜技术等。

  值得注意的是,对于ECs控制技术的研究多在实验室规模下开展,尚缺乏大规模的实际应用,这些新技术的落地仍存在需要进一步研究解决的问题。

  2、水质综合健康风险评价

  一直以来,我们对饮用水水质的评价往往只关注于各项指标是否达到了相关水质标准所规定的限值,而忽略了这些指标是否会对人体健康产生影响。目前,暴露在饮用水环境中的化学品种类繁多,饮用水污染问题已经变得日趋复杂。

  在此背景下,整合分析化学和生物学检测的环境分析方法,成为了今后饮用水风险因子识别和健康风险评估的发展方向,其中,以USEPA的毒性鉴定评价(toxicity identification evaluation,TIE)方法和欧盟的效应导向分析(effect-directed analysis,EDA)方法最为突出,如图2所示。同时,近年来引入的有害结局路径(adverse outcome pathway,AOP)方法也为污染物健康风险评估提供了新思路。

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  图2 TIE方法(左)和EDA方法(右)

  2.1 TIE和EDA方法

  TIE方法由USEPA于20世纪80年代开始研究并建立,最早应用于污废水的毒性物质鉴别与评估,近些年也逐渐开始用于常规水体。

  EDA方法则是以某种特定的生物毒性检测为导向,指导相应的活性组分的分离、纯化和分析,从而最终实现样品的生物效应评价和其中主要效应污染物的鉴别。

  2.2 有害结局路径

  AOP方法于2012年由经济合作与发展组织(OECD)提出。随后,OECD又于2013年推出AOP指南,并于2014年发布新的AOP网络平台。AOP方法基于现有的化学污染物信息,将分子启动事件与生物风险效应连接起来,形成概念性框架。其中,分子启动事件即化学污染物与特定的生物分子之间的反应。

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  图3 有害结局路径(AOP)结构图

  3、水质净化新工艺

  创新的水质净化工艺始终是推动饮用水科技进步和供水行业发展的巨大驱动力。一方面,随着水源水质愈趋复杂,净水工艺也变得愈加细化复杂,存在流程长、药耗高和反应控制不精准等问题;另一方面,水质指标与生态效应也开始协同约束水质净化工艺,对技术创新提出了更高要求。

  3.1 绿色低耗的净水技术

  创新理念上,绿色化、低能耗正成为新一代水质净化工艺的发展趋势。绿色净水工艺在优化生产效率的同时,能够降低能耗和物耗,且不产生危害健康的有毒有害物质。目前,可再生/清洁能源的开发利用为绿色化净水工艺提供了巨大推力,例如太阳能消毒技术和可再生能源驱动的膜技术等。

  除了利用清洁/可再生能源,基于自然过程的净水工艺也因绿色低耗的特点受到日益广泛的关注,例如河岸过滤技术。

  3.2 与前沿科技交叉融合的净水技术

  当前,新一轮的科技革命和产业变革正在孕育兴起。在科学领域,学科交叉融合的态势日趋明显,新兴学科正在被不断催生,科技前沿领域不断延伸。这一科技发展趋势也使得水质净化技术开始与现代生物技术、新材料和人工智能等领域交叉融合,这些前沿科技推动着水质净化技术朝着绿色且高效的方向发展。其中,新材料技术很可能成为未来净水处理的支柱型产业,例如,纳米材料和纳米技术已为开发高性能膜提供了巨大的技术支持。

  此外,新材料技术也促进了清洁能源在净水工艺中的应用。太阳能可作为能量来源驱动水质净化或脱盐系统,例如太阳能驱动多级闪蒸技术、太阳能驱动多效蒸馏技术和太阳能驱动RO技术等。

  除了新材料技术,其他领域的新兴科技也在为净水工艺提供新的动力。例如,对于净水工艺中使用的生物滤池,现代生物技术如宏基因组学、元转录组学和元蛋白质组学等可为生物滤池提供各种水质和运行条件下的微生物群落结构/功能数据,这些丰富的信息可用于优化运行条件,从而富集和维持功能性微生物。

  4、供水系统的智慧运维

  目前,数字革命已经深入到我们日常生活中的方方面面,蓬勃发展的ICT技术(information and communications technology)和大数据为城市的基础建设和服务提供了智慧化的解决方案,这些变革同样对饮用水科技产生了巨大影响。IWA将2020年世界水大会的主题定为“Smart Liveable Cities”,并在2019年发布了数字水务白皮书报告(DigitalWater: Industry Leaders Chart the Transformation Journey)。

  当前,融合了水科学、数据科学和计算机科学的水信息科学正在推动着水务行业的数字革命,使得水务信息化得以迅速发展。水务信息化发展的最终目标是实现智慧水务,供水系统的智慧化则贯穿于水资源配置、水环境保护和水管理服务等的方方面面。综合利用自控、感知、智能等技术手段建设智慧水网已经成为各国水务行业发展的共识。

  5、饮用水科技发展趋势

  新兴科技正在不断推动饮用水的科技创新。目前,国际饮用水科技正在不断向可持续发展(绿色发展)方向延伸。同时,水环境问题的复杂化和系统化也对饮用水科技创新提出了新的挑战。综合以上对饮用水科技前沿热点的论述,对饮用水科技的主要发展趋势总结如下。

  (1)构建现代化的饮用水评价指标体系

  (2)研发绿色高效的水质净化处理技术

  (3)增进饮用水科技与其他相关前沿领域的融合

  (4)建设智慧化的供水系统


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