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侯立安院士:饮用水源新污染物防控发展方向的思考

时间:2022-04-12 13:46

来源:给水排水

作者:侯立安等

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近年来,水体中频繁检出的抗生素、全氟化合物和微塑料等化学品已经成为一类不可忽视的新污染,给饮用水安全带来潜在风险和巨大挑战。国家“十四五规划”中已明确提出了“重视新污染物治理”的工作部署,而新污染物治理作为饮用水源污染防控的重要新领域,目前缺乏切实有效的防控技术与治理手段。通过梳理国内外涉及饮用水新污染物的政策与行动计划发展情况,分析新污染物相关研究和技术的发展态势,总结本领域的发展目标和重点任务,提炼出前沿科学问题和关键技术,为应对新污染物所带来的饮用水安全保障新挑战提供参考。

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《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中明确提出了“重视新污染物治理”的工作部署。新污染物(Emerging contaminants, ECs)是指新近发现或被关注,对生态环境或人体健康存在风险,尚未纳入管理或者现有管理措施不足以有效防控其风险的各类污染物。新污染物由于其生物毒性、环境持久性和生物累积性明显,在环境中即使浓度较低,也可能具有显著的环境与健康风险,其危害具有潜在性和隐蔽性,因此,这类污染物一旦进入饮用水源,将会给人民群众健康带来较大风险。

由于饮用水安全是关系人民群众健康的重要问题,我国政府高度重视传统水源污染带来的饮用水安全问题,从政策规划、标准制定以及关键技术研发等方面多举措并行,构建饮用水源污染防治与安全保障体系。经过持续不断的努力,我国饮用水安全现状得到了显著改善。但近年来,国内外诸多水体中频繁检出的微塑料、内分泌干扰物、药物及个人护理品等新污染物给饮用水安全保障带来了新挑战,成为国际上饮用水领域的研究热点。

这些新污染物存在类别多、浓度低、环境迁移转化路径不清晰、健康风险不明确、常规处理技术效率不高以及相关法规标准不完善等问题,导致对饮用水源中出现的新污染物尚缺乏切实有效的防控技术与治理手段。本文将梳理国内外涉及饮用水新污染物的政策与行动计划发展情况,分析新污染物相关研究和技术的发展态势,总结本领域的发展目标和重点任务,提炼出前沿科学问题和关键技术,为应对新污染物所带来的饮用水安全保障新挑战提供参考。

01 新污染物的来源与环境迁移情况

水体是新污染物在环境中分布的主要载体,地表水、地下水、暴雨废水、饮用水和各类污废水等水环境中都有检测到新污染物的相关报道。目前,水环境中比较受关注的新污染物主要包括:内分泌干扰物、药物及个人护理品、人工纳米材料、全氟化合物、溴化阻燃剂和多环芳烃等,其主要来源包括:

生活污水;

农药排放污水;

制药企业排放污水;

养殖业废水;

农业废水;

医院废水等

新污染物在水循环系统中,通过径流、扩散、渗滤等多种途径进入地表水和地下水,造成饮用水源的污染,对水生生物、生态安全和人身健康构成了潜在威胁。其中,污水处理厂是新污染物的重要汇聚地和发散地,因为大部分新污染物具有亲水特性,在传统处理过程中难以完全去除,在二级出水甚至三级出水中仍能够检测到这些新污染物,导致污水处理厂出水成为新污染物进入自然水生环境的关键节点,进一步通过环境迁移和转化扩散到其他水源中。

虽然“源输入-河流-水库”的新污染物迁移与转化模式具有一定的普遍性,但是绿化等环境因素、降雨量等季节性差异和人口密度等社会经济状况也会影响新污染物的转移路径,例如我国西部大范围的绿化面积能够有效拦截微塑料类新污染物经过地表径流进入污水处理厂。目前,饮用水源新污染物转移过程中存在的问题在于对转移路径缺乏自动监控,尚难以绘出较为准确的新污染水环境分布与迁移路径图。

02 饮用水源中新污染物防控研发现状

2.1 全球政策与行动计划概况

近年来,全球很多国家对饮用水源中新污染物防控与去除提出了相关政策和行动方案,以保障饮用水安全、维护人们生命安全和健康。图1给出了我国、欧盟和美国有关水环境中新污染防控以及饮用水中涉及新污染物的相关政策和行动计划情况。

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如图1中灰色框所示,美国自20世纪90年代中期开始关注水环境中邻苯二甲酸酯(PAEs)和多氯联苯(PCBs)等新污染物;2006至2013年期间先后出台《地表水水质标准》《关于直接饮用再利用系统的公共卫生标准的报告》等水质标准,对地表水及直饮水回用二级出水中部分药物及个人护理用品(PPCPs)、内分泌干扰素(EDCs)等设置浓度限值,并颁布了《饮用水安全法(Safe Drinking Water Act)》,完善了饮用水中新污染物的监测指标,对多种EDCs、全氟化合物(PFAS)、PCBs、多环芳香烃(PAHs)等设置浓度限值。2019年,美国环保署出台了针对全氟辛烷基磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)的行动方案,此项举措进一步推动了对饮用水中该类物质的有效监管。

图1中浅蓝色框给出了欧盟对水环境中新污染物防控的有关政策和行动方案。2000年,欧盟理事会和欧洲议会发布了欧洲水框架指令(Water Frame Directive, WFD),以改善水资源状态。该指令开发了基于计分排序的优先污染物筛选方法,为欧盟各国在水资源管理和保护领域提供了重要指导。随着对新污染物认知的深入,于2006年和2011年又对WFD进行修正,完善了EDCs、PPCPs、PFOS等的地表水质量标准。近年来,欧盟设立的“Modelkey”计划对毒性评估项目进行了支持,促进了效应导向分析法(Effect-directed Analysis,EDA)的发展,为新污染物监测标准的制定提供了科学基础。随着数字革命的发展,欧盟进一步启动了旨在支持水务信息化发展,实现智慧水务的一系列项目,整合科研力量,成立 “Ctrl+SWAN”(Cloud Technologies and Real Time Monitoring+ Smart Water Network)行动组,为新污染物在线监测研究提供了支撑。

我国对水环境中新污染物的防控也给予了高度关注,并采取了一系列相关措施(图1中深蓝色框)。20世纪90年代以来,以国家环境保护总局发布的《污水综合排放标准(1996年)》《城镇污水处理厂污染物排放标准(2002年)》《地表水环境质量标准(2002年)》《生活饮用水水质卫生规范(2006年)》等为引导,从源头到末端不断完善对新污染物的控制要求。部分新污染物在饮用水中的限值浓度已低于美国环境保护署和世界卫生组织规定的限值。“十三五”规划(2016-2020年)期间,为顺应智慧城市的发展潮流,推进水务信息化建设,先后在上海浦东新区和深圳建立区域智慧水务平台,为新污染物的智慧监测提供平台[10]。2021年10月生态环境部组织编制了《新污染物治理行动方案(征求意见稿)》,提出了6个方面共25条具体措施。

2.2 饮用水源中新污染物防控研究现状

新污染物的概念是2003年PETROVI等首次提出,通过分析以“Emerging contaminants”为作者关键词检索web of science核心集收录论文情况(如图2所示),可以发现虽然新污染物的概念提出时间不长,但迅速受到广泛关注,近年来的论文发表数量几乎呈指数级增长,成为环境领域的研究热点。

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通过分析2003-2021年web of science核心集收录论文涉及的研究领域和热点,可以确定新污染物领域密切相关的学科和领域。如图3所示,文献检索的高频率关键词是"water",进一步说明以水体为载体的分布形式是新污染物的主要分布形式。同时可以看出,全球新污染物领域研究热点主要集中在药物及个人护理品等污染物、毒性评估、去除技术等方面。这些研究显示出新污染物的研究主要属于环境科学和环境工程的学科范畴,但除此之外,最密切相关的则是水资源、化学工程、分析化学和毒理学,表明水环境中新污染物的去除、检测和毒理风险是最为关注的方向。

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2.3 饮用水源中新污染物防控面临的挑战

水环境中的新污染物的主要特征是浓度低、种类多、物化性质复杂,由此给饮用水源中新污染物的防控带来了一系列的挑战,存在新污染物的来源、区域污染特征、影响其多介质分布的迁移转化行为等环境地球化学属性不明;新污染物的暴露途径复杂,其环境生态与健康毒性的认识不一;现有技术处理、处置新污染物时效率不高等问题。具体包括如下几个方面:

(1)新兴污染物一般浓度较低、成分未知,定性和定量分析难度大,目前的检测技术常包含萃取、净化、浓缩富集等多个前处理步骤,操作较为繁琐,传统随机采样以及实验室分析技术容易产生时间差,存在滞后性。

(2)由于监测难,使得新污染物分布状况和区域特征污染的系统研究缺乏,因此,对我国饮用水源的新污染物污染状况认识存在两极分化:过分渲染和完全无视的现象并存。

(3)饮用水源新污染物的检测和控制未纳入工厂排放标准和废水监测标准,缺乏分类治理、全过程环境风险管控的依据和基础。

(4)在健康与风险评价方面,缺乏对新污染物健康风险分子水平的认识,和长期低水平暴露对健康的影响,另外,当前风险评价多基于单一新污染物,缺乏多污染物复合评价。

(5)新污染物的物化性质、生态风险和毒理毒性与传统污染物有本质区别,传统的分析方法、研究手段和处置措施难以简单地移植到新污染物防控领域,而新技术大多停留在试验阶段,中试或实际运行规模的尚未广泛应用。

03 饮用水源新污染物防控关键技术的发展方向

针对我国饮用水源中新污染物防控的上述挑战,应以有效防范新污染物环境与健康风险为核心,以构建新污染物的风险评价与控制技术体系,建立完善风险评价方法学,识别重点风险源为目标,开展一系列基础理论和关键技术的研发。

为此,需要大力发展高效、灵敏的新污染物检测技术实现污染物识别和清单研究,开展新污染物生物毒性和健康风险评价体系研究,发展绿色、高效的新污染物实用去除技术,研发并构建大数据分析的新污染物转化迁移体系的智慧化水网;通过攻克上述关键支撑技术,研发具有自主知识产权和国际竞争力的新污染物防控技术装备,掌握一批世界领先的关键核心技术,实现新污染物防控体系的标准化、优质化;基于上述实用型去除技术和智能化供水系统对水厂进行升级改造,建立相互关联和依托的示范工程,如图4所示。最终实现饮用水源新污染物防控从基础理论到关键技术再到工程应用的整体提升。

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编辑:赵凡

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