哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室 李圭白，梁恒，瞿芳术

1.      现行城市饮水生物致病风险控制技术       

城市饮水安全性主要是指生物安全性和化学安全性两方面，而生物安全性是首先要保证的。为保证饮水的生物安全性，开发出了一系列生物致病风险控制技术。20世纪以前，城市饮水不洁，导致水介烈性细菌性传染病（霍乱、痢疾、伤寒等）的大流行，对城市居民的生命健康构成重大威胁。在此背景下，人类于1902年首先将氯用于生物致病风险控制，将其与前处理（慢滤、混凝、快滤等）相结合，组成所谓“常规工艺”，基本控制住了疾病的流行。20世纪中叶，发现水介病毒性传染病（肝炎、脊髓灰质炎等）的流行，采用投氯前深度除浊技术，也基本控制住了疾病的流行。因而，氯在保障人类的城市饮水的生物安全性的历史中，作出过重大的贡献。

20世纪70年代，首次在饮水中检出氯的消毒副产物—三氯甲烷。三氯甲烷被证明具有致癌作用。随后检出了更多对人体有毒害的氯化消毒副产物及微量的人工合成有机物，使人类面临新的重大饮水安全性—化学安全性问题。在此背景下，人们开发出所谓的“深度处理”工艺，即在常规工艺后增设臭氧—活性炭，该工艺能有效去除水中微量有机污染物，并使氯化消毒副产物的生成得到了一定程度的控制，故获得推广。但该工艺并没有完全解决氯化消毒副产物的问题，所以后来饮水生物致病风险控制技术的发展，基本沿着两个方向进行：一个是安全氯化技术—减少氯化消毒副产物的生成，如加强氯与水的混合，减少水在清水池中的短流，以提高消毒效果；采用氯胺消毒；提高去除氯仿前质的效率；采用复合消毒剂等。另一方向是寻找氯消毒的替代技术，如臭氧消毒、二氧化氯消毒、紫外线消毒等。

臭氧是于1906年在法国首先用于城市饮水生物致病风险的控制，其消毒效果好，随后在欧美等地推广；臭氧虽不生成氯化消毒副产物，但也能生成有毒害的消毒副产物，如有致癌作用的溴酸盐，以及醛、酮等。二氧化氯于1944年首先在美国用于城市饮水生物致病风险控制，消毒效果好，随后在欧美等地推广；二氧化氯虽不生成氯化消毒副产物，但其还原产物—次氯酸盐也是有毒害的消毒副产物。紫外线消毒于1910年首先在法国用于城市饮水生物致病风险控制，消毒效果好，几乎不产生消毒副产物，随后在欧美等地推广。尽管替代消毒技术近年来得到了迅速发展，但到目前为止，氯消毒在世界范围内仍然应用最广，这使氯化消毒副产物的问题远未得到解决。

20世纪末，又出现了以“两虫”（即贾第鞭毛虫和隐孢子虫致病原生生物）为代表的新的重大饮水生物安全性问题，其中包括藻类问题、红虫、剑水蚤以及生物稳定性等问题。贾第鞭毛虫的孢囊和隐孢子虫卵囊有很强的抗氯性，氯消毒难以将之灭活。红虫、剑水蚤也具有较强抗氯性。臭氧和紫外线对“两虫”虽有较好的灭活效果，但如遇到设备或前处理事故等情况发生时，消毒效果会下降，仍难于完全避免“两虫”疾病的爆发。

自来水厂出厂水中仍含有相当数量的微生物。现今《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求水中菌落总数不超过100CFU/mL；而据研究天然水中能生成菌落的微生物约为1%左右，这就意味着1mL水中可能存在约10000个微生物，这当中包括许多条件病原体。此外，据世界卫生组织发布的《饮用水水质准则—卫生标准及相关资料》（深圳市水务集团有限公司译，人民卫生出版社，2003）一书中的介绍，消毒后水中残存的微生物许多具有自我修复功能，有的能在水中继续存活相当长的时间，使之具有致病风险，如表1所示。

表1 消毒后水中残存微生物的致病风险

注：

？=不知道或无法确定；

^a. O=口腔 (摄入) ；I=吸入气溶胶；C=皮肤接触，IN=免疫缺陷病人摄入

^b. 20℃下的水体中检测感染性阶段的病原体；短=一星期；中等=一星期至一个月；长=超过一个月

^c. 当感染性阶段的病原体自由悬浮在水体中时，以常规剂量和接触时间处理，抗性中等表明病原体可能无法安全灭活；抗性低指病原体可完全消灭；

^d. 剂量以引发50%成年健康志愿者感染的数目计。

人类认识水介传染病原体是一个历史过程。笔者归纳了《给水处理理论》（许保玖著，中国建筑工业出版社，2000）和美国自来水厂协会出版的《水质与水处理—公共供水技术手册（第五版）》（刘文君，施周等译，中国建筑工业出版社，2008）中关于美国水传疾病的统计资料，发现美国1946—1996年51年间记录了1174次水介传染病的爆发（实际爆发次数远高于统计资料），其中有641次的病因得到确认，尚有533次的病因不明，占爆发总数的45%，表明现今尚有许多新的病原体有待人们去发现和认识，如表2和表3所示。

表2 1946-1980年美国水传疾病爆发次数

由美国水介传染病暴发的统计资料还可看出，1946—1980年的35年间爆发次数为672次，平均每年爆发19.2次，而1980—1996年的16年间爆发次数为402次，平均每年爆发25.1次，而在已知病因的爆发次数中，由病原体引起的水介传染病占80—85%，即仍然以高频次继续发生。

表3 1980-1996年美国水传疾病爆发次数

注：由于大多数胃肠疾病不求医，一些社区对疾病爆发不承认，或未上溯到饮水

水源，所以上表记载爆发数量远小于实际情况。

检测发现，出厂合格的饮用水在输送和贮存的过程中会出现微生物增殖的现象，称为生物不稳定的水。有的病原体能在消毒后的水中增殖，条件适宜时可达致病浓度，如军团菌。而只要饮水中有微生物的存在，就存在一定的生物致病风险，且水中微生物越多，饮水的生物致病风险就越高。所以可以认为符合饮水卫生标准的水从已知疾病的控制角度而言是安全的，但只是相对安全的。

氯、氯胺、臭氧、二氧化氯和紫外线等现行技术不能完全解决以“两虫”为代表的新出现的重大生物安全性问题，无法将水中微生物全部灭活，也不能完全控制住水介生物传染病的爆发，因而，现行城市饮水生物致病风险控制技术是有局限性的。

2.      城市饮水生物致病风险控制新技术----超滤

膜材料的发展是21世纪现代材料科学的重要成果。现已可制成纳滤膜（孔径为1nm）、超滤膜（约10nm），其孔径都比水中最小的微生物病毒（20nm）还小，可以将水中生物几乎全部去除。纳滤膜国内尚不能大量生产，需进口，价格贵，能耗也高。超滤膜国内已能大量生产，膜价格已降至可接受的水平，现为应用于自来水厂的主流产品。超滤能将水中生物（包括病毒、细菌、原生动物、藻类以及水生生物）几乎全部去除，使新出现的以“两虫”为代表的重大生物安全性问题得到基本解决，并使得饮水生物安全性由相对安全向绝对安全做了一次飞跃，这是在城市饮水生物致病风险控制领域的一个重大突破。

超滤能去除几乎全部微生物，出水已达到饮用水卫生标准，所以原则上不需再对膜后水进行消毒，但我国规定出厂水需含少量消毒剂以防止二次污染，故尚需向水中投加少量具有持续消毒能力的消毒剂（如氯、氯胺、二氧化氯等），从而构成一种新的城市饮水生物致病风险控制模式——“超滤—低剂量药剂消毒”，例如东营南郊水厂采用超滤—二氧化氯消毒，新加坡采用超滤—氯胺消毒等。由于投加的消毒剂显著减少，这样就使氯化消毒副产物生成量大大减少，使水的化学安全性得到提高，并使困扰水界的氯化消毒副产物问题得到初步解决，这是超滤的又一效能。但是，值得指出的是，超滤后的水虽然已基本不含微生物，但经过管网输送，管道中的微生物将会进入水中，如铁细菌、硫细菌、硝化细菌以及某些异养型细菌等，不过这些微生物不是来自人、畜的排泄物等致病污染源，所以其生物致病风险应该比较低，这是在城市水厂使用超滤的重要特点。

超滤作为城市饮水生物安全性的重要屏障，还可在多种突发情况下发挥特殊功效。如由于水厂运行操作失误，如投药中断或欠投药，砂滤池承托层破坏等，常致出水微生物和浊度等超标，超滤则可使出水稳定达标；水源突发致病微生物污染，常由洪水、地震、城市和工企污水污染水源以及细菌战等事件引起水中的细菌和病毒数量大增，这时，超滤将成为饮水生物安全性的可靠保障。

我国是世界上高层建筑最多的地区之一，高层建筑常需设置二次供水系统。由于对供水系统管理不善，会导致水量调节设施—水箱或水池受到污染，或由于贮存时间过长造成微生物超标，以及浊度等感官性状恶化。我国由于管理体制的分割，使二次供水缺乏专业人员监管，水质问题长期得不到解决。而在小区、楼宇或龙头前设置超滤装置，是保障二次供水水质生物安全性最有效的技术。

由于超滤在城市饮水生物致病（特别是“两虫”致病）风险控制方面的优异性能和难以替代性，世界各国近年来开始将超滤大量用于城市饮水净化。根据《中国水处理行业可持续发展战略研究报告—膜工业卷》（郑祥、魏源送主编，中国人民大学出版社，2013）关于全球和我国膜产业的发展统计，可知：2000年全球水处理市场中，传统设备占96%，超滤/微滤仅占1%，2010年传统设备所占份额减至72%，超滤/微滤增至22%，增加22倍，如图1所示。