一杯好水的科学密码 ——从源头到龙头的健康守护战

2026-07-08 09:31:39 来源：太阳信息网

水是生命之源。每一杯看似普通的饮用水，都与慢性疾病防控紧密相连。面向关乎人民生命健康的国家重大需求，一场关于饮用水安全的科学守护战早已悄然打响。中国科学院生态环境研究中心俞文正团队通过多年的学术深耕与技术创新，构建起从生物慢滤、混凝工艺到纳滤技术的全链条防护体系，让每一滴抵达百姓水杯的水，都承载着科学的重量与健康的承诺。

随着健康意识的觉醒，国人对饮用水的要求早已超越“解渴”的基本需求，转而追求健康、高品质的饮用水。为了解决这一国家重大需求，团队深耕饮用水安全领域，构建起从源头水质调控到终端净水保障的全链条解决方案。

水质安全：健康时代的重大挑战

2015 年，联合国儿童基金会与世界卫生组织联合发布的报告显示，中国已完成饮用水和卫生方面的联合国千年发展目标，95%人口的饮用水问题得到改善。党的十八大以来，农村供水工程更是解决了 2.8 亿农村居民的饮水安全问题，3.4 亿农村人口的供水保障水平得到巩固提升，城市饮用水水质也在持续改善。

但光鲜数据背后，仍隐藏着不容忽视的挑战。我国地域辽阔，不同地区的水质差距较大，这种差异与慢性疾病的地域聚集性有着微妙的联系。研究发现，很多慢性疾病的发病率在特定地区明显偏高，而这些地区的饮用水中往往存在某些特定物质。饮用水中的哪些物质会影响健康？它们如何诱发慢性疾病？怎样才能有效去除这些潜在威胁？这些问题，正是团队全力破解的核心难题。

生物慢滤：大自然的净化智慧

在云南大理的农村地区，团队研发的生物慢滤技术正守护着当地居民的饮水安全。这种绿色低能耗的工艺，能有效去除水中的天然有机物（NOM）。

天然有机物是水体中广泛存在的污染物，虽然本身毒性不大，但会在自来水厂加氯消毒时与氯气反应，生成具有致畸、致癌风险的卤代消毒副产物。传统的混凝 - 沉淀工艺对这类物质的去除率较低，而生物慢滤工艺则能巧妙解决这一难题（见图 1）。

图1 基于生物活性炭中速生物过滤技术在大理水源的应用

团队发现，在生物慢滤池中填充的活性炭表面，会逐渐形成一层薄薄的生物膜，这层膜里住着大量微生物。当水流缓慢通过滤池时，这些微生物会将水中的天然有机物分解转化。更令人惊喜的是，从土壤中接种的多种微生物协同作用时，去除效果会更加显著。

为了让这一技术更高效，团队还进行了创新升级：用 FeNC等物质修饰活性炭表面，这种改良后的填料导电性更好，能加速微生物代谢过程中电子的传递，让难降解有机物的分解速率大幅提升。在相同条件下，改良后的工艺对有机物的去除率从传统的 80% 提高到了 90% 以上。

针对传统生物慢滤池中溶解氧不足的问题，团队又开发了无泡曝气技术。这种技术能像给鱼缸增氧一样，持续、均匀地为滤池提供充足氧气，同时不会扰动活性炭表面的生物膜。在 300 天的连续运行中，这项技术让出水有机物含量进一步降低了 30% 以上，尤其擅长去除那些结构复杂、难以降解的有机物。

这些创新让生物慢滤技术成为农村中小型水厂的理想选择，且相关成果被编写成团体标准，指导更多地区的水质提升实践。这项技术已经从实验室 6 年的连续运行真正走向了实际工程。

混凝工艺：微观世界的“聚沙成塔”

如果说生物慢滤是饮用水处理的前哨兵，那么混凝工艺就是水厂中的主力军。这种应用广泛的水处理技术，就是让水中微小的污染物聚集成大颗粒，从而更容易被过滤去除。这看似简单的过程，背后却藏着复杂的科学原理。

团队通过精密仪器观察发现，混凝过程对不同类型的有机物“偏好”明显。分子量较大、氧碳比高而氢碳比低的有机物更容易被去除，比如腐殖酸类物质就比蛋白质类物质更容易通过混凝去除。这一发现为水厂提供了重要参考：可以根据水源中有机物的种类，预判混凝工艺的效果，必要时还可搭配其他技术提高处理效率。

更深入的研究揭示了混凝效率的关键密码——有机物中的官能团。有机物中的羟基、羧基、苯环等官能团与混凝剂形成的絮体之间，存在着不同的亲和能力。羟基与絮体表面的结合能力最强，容易被去除；低浓度下的苯环会通过特殊的化学键促进混凝；电离后的羧基则很难被混凝去除。这是科研人员首次从有机物而不是混凝剂的角度解释混凝效率，为优化工艺提供了新的思路。

在探索絮体形成机制的过程中，团队还发现，絮体表面的“活性位点”是决定其生长的关键因素。就像拼图需要找到正确的接口才能拼接成完整图案，絮体颗粒也需要通过这些活性位点相互连接。如果絮体在水流中破碎，这些活性位点会被消耗，导致其难以再生。不过，通过添加少量混凝剂或助凝剂，就能让破碎的絮体恢复再生能力，解决了实际工程中有机物去除效率下降的难题。

这些理论创新很快转化为实际应用。在山西永鑫煤化工企业，科研人员采用铁铝复配混凝剂，成功解决了焦化废水中有机物和氟离子同时去除的难题；在杭州盾构污泥脱水工程和亚运会水上运动项目的河道治理中，一种掺杂木质素的脱水药剂发挥了重要作用，在成本不变的情况下实现了更优的处理效果。这些案例证明，混凝工艺的微观创新能带来实实在在的环境效益和社会效益。

纳滤技术：终端守护的最后防线

即便经过生物慢滤和混凝处理，水中仍可能残留少量有机物。这些物质在消毒过程中会形成消毒副产物，而它们与人体健康的关系，一直是科研人员关注的焦点。通过对全国 100 多个重点城市自来水的检测和分析，团队发现了一个重要规律：自来水中消毒副产物的浓度与膀胱癌发病率之间存在显著的正相关性。

这一发现填补了此前研究的空白。早在20 世纪 70 年代，就有研究怀疑消毒副产物可能增加膀胱癌风险，但由于样本量和检测技术的限制，统计结果并不显著。而这项基于中国 50 个重点城市、超过 4 亿人口数据的研究，首次从空间分布上证实了两者的关联，为饮用水安全敲响了警钟。

如何应对这一风险？团队将目光投向了纳滤膜技术。这种技术就像一张精密的过滤网，能有效拦截水中的消毒副产物，同时保留对人体有益的矿物质离子，比传统的反渗透技术更适合作为家庭终端净水方案。但膜污染问题一直困扰着这项技术的推广——长时间运行后，微生物会在膜表面形成生物膜，导致过滤效率下降。

团队发现，水中的某些生物大分子有机物能减缓膜污染。这些分子量在 30~90 kDa的生物聚合物，会在纳滤膜表面形成一层特殊的保护膜，不仅能减少膜孔堵塞，还能协同提高有机物的去除率。这一发现打破了“污染物有百害而无一利”的固有认知，为净水工艺优化提供了新思路。

基于这些研究，团队开发了一种多级协同过滤强化纳滤膜抗污染能力的方法，并获得了国家发明专利。团队在北京密云水库周边建立了日处理量 24 吨的中试示范工程（见图 2），证实微滤 - 纳滤组合工艺比传统的超滤 - 纳滤工艺效果更好。相关技术还被编写成团体标准，与企业合作开发的社区小型纳滤净水设备，已经在河南、北京等地的小区和学校推广使用，让更多人喝上了更安全的饮用水。这些成果不仅获得了行业奖项认可，更实实在在地守护着百姓的健康。