星空体育app·2023年水污染控制与水资源利用热点回眸 科技导报

　　本文从常规水资源治理和非常规水资源开发角度，回顾了2023年地表水中新污染物防控、地下水资源保护、饮用水安全保障、污水处理降碳增效、废水资源化利用、非常规水源开发及中国水资源保护与利用等方面的全球科技研究热点及亮点工作。分析表明：地表水新污染物防控体系建设聚焦于环境质量标准、污染治理技术的研究，借助现代水文地质学有望提升地下水资源保护水平，新膜技术有助于饮用水安全保障，增效降碳协同发展成为污水处理行业面临的新挑战，农村污水处理与资源化领域在技术的革新、管理的优化和污水的资源化等多个方面取得了实质性成效和研究成果，碳基纳米材料等在环境放射性核素分离领域得到广泛关注，结晶技术是高盐废水零排放的关键技术，新型膜蒸馏技术助推海水淡化技术与工程建设稳步发展，中国治水成就为世界贡献中国智慧、中国方案。

　　近年来，地表水源水中频繁检出持久性有机污染物（如全氟化合物等）、内分泌干扰物（EDCs）、抗生素、微塑料等4类新污染物，对公众饮水健康和水生态安全带来新的挑战。瓦格宁根大学Strokal团队联合荷兰公共工程和水资源管理总局Vriend团队通过模型统计全球河流排入海洋微塑料的含量，结果显示：在欧洲、北美州和大洋洲，微塑料在近40%的流域中占主体。纽约大学格罗斯曼医学院Trasande团队提出应重视EDCs在食物链中积累和水环境中的迁移转化，且需尽快建立地表水EDCs的监测系统、制定和完善地表水EDCs的环境质量标准，地表水源水中的新污染物防控刻不容缓。因此，侯立安团队围绕饮用水源中新污染物赋存特征，针对饮用水源新污染物防控体系建设标准化、绿色化、优质化的发展目标，提出面向2035年的饮用水源新污染物防控技术路线。学史薇团队通过收集过去10年中国地表水中所有报告的新污染物，揭示中国地表水的风险状况，提出采用多层次风险特征分析方法对中国地表水中的新污染物进行深度管控。贵州大学李江团队针对城市污水处理厂作为新污染物重要的“源”和“汇”，提出污水中新污染物“微生物共代谢-催化氧化”深度去除工艺并开展技术示范。

　　2023年7月10日至11日，2023年国际地下水会议提出了现代水文地质学学科内涵与外延、学科“核心”科学问题，展示了地下水领域的最新科研成果和相关新技术，对中国地下水科学与技术的发展起到了巨大的推动作用。

　　以往的全球水文模型（如PCR-GLOBWB模型）预测地下水主要是基于地下水抽取减补给（通量法），忽略了地下水和地表水之间的关系。2023年美国德克萨斯大学Scanlon团队将地下水和地表水视为一种资源，对当前和历史淡水供应进行全面估计。地下水监测显示：印度西北部、巴基斯坦中部和美国西北部的储水量增加，而美国高平原和中央山谷的储水量下降。气候多变性导致储水发生一些变化，但人为干预，特别是灌溉，是一个主要的驱动因素（图1）。通过多样化的管理战略，可以提高水资源的复原力。中国水利部在2023年编制完成了《“十四五”重点区域地下水超采综合治理方案》和《地下水保护利用管理办法》，推进地下水储备布局，划定储备范围，明确储备量，推动地下水资源的保护与合理利用。

　　地下水中的氟化物一直备受关注。2023年瑞士联邦水产科学与技术研究所Podgorski等基于机器学习和40多万个氟化物测量值，提出了一个最先进的全球氟化物危害图，然后用于估计风险人群。地下水氟化物危害图显示的热点包括澳大利亚中部、北美西部、巴西东部以及非洲和亚洲的许多地区。其中在较温暖的地区，由于用水需求增加，饮用水中氟化物的下限可能是可取的，这表明受影响的热带和带地区（如中非和南亚地区）的健康风险可能更大。应对这些当前和未来挑战的关键解决方案包括在易氟化物地区测试水井和泉水，并在必要时实施纠正措施。

　　水厂传统净化工艺对水中超标离子及新污染物去除效果有限，越来越多的给水厂选择反渗透、纳滤等膜处理工艺，新型膜材料在饮用水资源开发及净化方面展现出巨大的应用前景。水和盐在反渗透膜中的传输一直被认为符合溶解-扩散模型，美国耶鲁大学Elimelech团队基于非平衡分子动力学模拟和溶剂渗透实验，发现反渗透膜中的水是以团簇的形式通过短暂连接的孔隙网络，证实反渗透膜水-盐传输机制符合孔流模型。因此采用表面更加光滑的新型反渗透膜，可以提高水的传输效率，降低运行能耗。哈尔滨工业大学邵路团队采用“冰限域”界面聚合（IC-IP）技术成功制备出高度离子化聚酰胺纳滤膜（图2）。该纳滤膜具有独特的高度离子化三维准层状褶皱结构，具有优异的盐分离效果和一/二价阴离子筛分性能，可高效过滤纳米/亚纳米级小分子和离子物质，打破了传统的渗透-选择权衡效应（trade-off）效应。侯立安团队采用尿素辅助一步热处理法获得g-C3N4复合光催化陶瓷膜，将金属有机框架材料应用于g-C3N4陶瓷膜的改性，Co3O4/g-C3N4复合陶瓷膜在过一硫酸盐（PMS）辅助下实现了光催化降解性能的极大提升，实现了对EDCs的高效降解；同时也发明了纳滤饮水净化和以预处理—纳滤膜—后处理组合工艺处理特种污染水的方法和系列装备，有效去除水体中“致癌、致畸、致突变”物质和核生化污染物，实现了特种污染水的快速灵活处理，可为饮水安全保障提供实用技术和系列装备。

　　饮用水处理工艺的构建及优化应从供水全流程的视角进行系统性分析。传统的“加法”技术因化学药剂添加带来了新的慢性毒性问题。佐治亚理工学院陈勇生团队提出“减法”技术，将微生物和其他污染物先从原水中分离出来，更侧重于采用河（湖）岸过滤、生物过滤、吸附、以及膜技术等物理和生物处理方法，在关键位置采用较小剂量的紫外和化学消毒以最大程度地减少微生物再生风险。此外，还可以将量子化学计算以及机器学习等方法应用到工艺过程，便于预测目标化合物的降解途径和毒理学特性，该技术可以带来更安全的饮用水，更低的处理成本，以及更高的可持续发展绩效。

　　传统污水处理多采用“以能消能”的除“污”模式，违背资源能源回收、碳中和等可持续发展目标。从实现“双碳目标”“能量自给”和“资源回收”等角度出发，城镇污水处理厂正逐步向增效降碳方向发展。普林斯顿大学Ren团队采用文献挖掘的方法，定量分析水资源回收设施中不同下水道系统和处理工艺的甲烷（CH4）排放，确定了主要的CH4排放源和潜在减缓CH4排放的方法，提供了一个全面且具有代表性的排放清单，并详细比较了不同处理工艺和相关排放源的CH4排放强度。结果表明，CH4排放范围为0.01~110g CH4/m3，美国城镇污水集中处理的CH4年排放量约为（10.9±7.0）MMT，CO2-eq约为2019年排放量（4.3~6.1MMT CO2-eq）的2倍。

　　大多数情况下，寡碳缺氧区对营养物质的去除贡献亟待提升。北京工业大学彭永臻团队在处理城市污水的连续流中试装置中（55m3/d），于寡碳缺氧区中引入原生生物载体。在517d的监测过程中，发现厌氧氨氧化菌在生物膜内高度自我富集，并在氮代谢中占主导地位，对脱氮的贡献率为92.5%。寡碳缺氧区对总氮去除的贡献比例由（9.2±4.1）%提高到（19.2±4.2）%，同时其N2O排放通量降低了84.5%。该研究进一步揭示了被忽视的寡碳缺氧区的脱氮潜力（图3）。

　　中山大学陈绍晴团队系统分析了中国300余个地级市的城镇污水处理厂运行和再生水的分布式数据，量化了城镇污水厂的全生命周期温室气体排放，发现中国城镇污水处理温室气体排放强度下降且水资源压力缓解显著，进一步提出了统筹推动低碳处理技术集成等“水-碳”协同优化政策建议。

　　农村污水具有水量小、水质不稳定等特点，污染分散且难以收集处理，因此加快农村污水的处理与资源化进程刻不容缓。2023年农村污水处理与资源化领域在技术的革新、设备的试点、管理的优化和污水的资源化等多个方面取得了实质性成效和研究成果。（1）在技术的革新方面，东南大学吕锡武团队采用碳毡厌氧折流板反应器在室温下处理黑水，对有机物有较好的处理效果，并能回收高纯度沼气。贵州大学李江团队研究了“厌氧折板反应器+一体化人工湿地（ABR-CWs）”对农村污水中氧氟沙星的处理效果（图4），为今后农村污水中新污染物的控制提供了技术支撑。在设备的试点方面，南开大学周明华团队开发了一种用于处理分散农村污水的中试规模太阳能电化学综合污水处理设备，集成了类Fenton氧化、电氧化和UV/H2O2，以及Fe(OH)3为主的絮凝，可以有效地去除废水中的各种污染物。（2）在管理的优化方面，海南大学李艳团队提出了利用地理信息系统（GIS）技术改进农村污水处理设施的方法，通过群体选址多目标优化模型来确定设备的最优化选址。智利圣地亚哥大学Gaggero团队发现不同农村污水处理技术能降低SARS-CoV-2、NoVGI和NoVGII的病毒浓度，进而提出需加强对废水中病毒的感染能力的研究，有助于农村地区流行病学的监测管理。西安交通大学金鹏康团队结合西安76个农村污水处理站1年的观测，发现由于明显间歇断流影响了处理效果，并开发了间歇运行及溶解氧调控策略。（3）在农村污水资源化方面，南京水利研究所李伟团队采用由简易生物滤池、人工湿地和营养生物塘组成的新型近自然系统（BCT系统）对农村生活污水进行原位处理并灌溉农田。上海市政工程设计研究总院黄开团队对农村污水中的资源化利用提出了“相邻联治、分类分治、资源利用、因地制宜”治理模式。

　　日本福岛核污水排海事件引发全球对核废水安全处置的热切关注和担忧，亟需发展相应的分离技术从复杂环境体系中选择性去除核素离子，助力核能安全使用并减轻公众和环境健康危害。具有高比表面积、丰富活性位点以及结构可设计的新型纳米材料如石墨烯（GO）、MXene材料、有机共价框架材料（COFs）以及其他碳基纳米材料等在环境放射性核素分离领域得到广泛关注。

　　中国原子能科学研究院叶国安团队设计了离子COF-Py-TFImI-25，利用钍-骨架N配位相互作用实现对放射性核素钍（Th）的特异性吸附。美国北德克萨斯大学马胜前团队通过在骨架结构上嫁接不同基团实现了光生电子-空穴的高效分。