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侯立安院士:飲用水源新污染物防控發展方向的思考

2022-04-18  來自: 環保水圈 瀏覽次數:67

近年來,水體中頻繁檢出的抗生素、全氟化合物和微塑料等化學品已經成為一類不可忽視的新污染,給飲用水帶來潛在風險和巨大挑戰。“十四五規劃”中已明確提出了“重視新污染物治理”的工作部署,而新污染物治理作為飲用水源污染防控的重要新領域,目前缺乏切實有效的防控技術與治理手段。通過梳理國內外涉及飲用水新污染物的政策與行動計劃發展情況,分析新污染物相關研究和技術的發展態勢,總結本領域的發展目標和任務,提煉出前沿科學問題和關鍵技術,為應對新污染物所帶來的飲用水保障新挑戰提供參考。


院士


《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中明確提出了“重視新污染物治理”的工作部署。新污染物(Emerging contaminants, ECs)是指新近發現或被關注,對生態環境或人體健康存在風險,尚未納入管理或者現有管理措施不足以有效防控其風險的各類污染物。新污染物由于其生物毒性和生物累積性明顯,在環境中即使濃度較低,也可能具有顯著的環境與健康風險,其危害具有潛在性和隱蔽性,因此,這類污染物一旦進入飲用水源,將會給人民群眾健康帶來較大風險。

由于飲用水是關系人民群眾健康的重要問題,我國政府高度重視傳統水源污染帶來的飲用水問題,從政策規劃、標準制定以及關鍵技術研發等方面多舉措并行,構建飲用水源污染防治與保障體系。經過持續不斷的努力,我國飲用水現狀得到了改善。但近年來,國內外諸多水體中頻繁檢出的微塑料、內分泌干擾物、藥物及個人護理品等新污染物給飲用水保障帶來了新挑戰,成為飲用水領域的研究熱點。

這些新污染物存在類別多、濃度低、環境遷移轉化路徑不清晰、健康風險不明確、常規處理技術效率不高以及相關法規標準不完善等問題,導致對飲用水源中出現的新污染物尚缺乏切實有效的防控技術與治理手段。本文將梳理國內外涉及飲用水新污染物的政策與行動計劃發展情況,分析新污染物相關研究和技術的發展態勢,總結本領域的發展目標和任務,提煉出前沿科學問題和關鍵技術,為應對新污染物所帶來的飲用水保障新挑戰提供參考。

 

一、 新污染物的來源與環境遷移情況

水體是新污染物在環境中分布的主要載體,地表水、地下水、暴雨廢水、飲用水和各類污廢水等水環境中都有檢測到新污染物的相關報道。目前,水環境中比較受關注的新污染物主要包括:內分泌干擾物、藥物及個人護理品、人工納米材料、全氟化合物、溴化阻燃劑和多環芳烴等,其主要來源包括:

生活污水;

農藥排放污水;

制藥企業排放污水;

養殖業廢水;

農業廢水;

醫院廢水等。

新污染物在水循環系統中,通過徑流、擴散、滲濾等多種途徑進入地表水和地下水,造成飲用水源的污染,對水生生物、生態和人身健康構成了潛在威脅。其中,污水處理廠是新污染物的重要匯聚地和發散地,因為大部分新污染物具有親水特性,在傳統處理過程中難以完全去除,在二級出水甚至三級出水中仍能夠檢測到這些新污染物,導致污水處理廠出水成為新污染物進入自然水生環境的關鍵節點,進一步通過環境遷移和轉化擴散到其他水源中。

雖然“源輸入-河流-水庫”的新污染物遷移與轉化模式具有一定的普遍性,但是綠化等環境因素、降雨量等季節性差異和人口密度等社會經濟狀況也會影響新污染物的轉移路徑,例如我國西部大范圍的綠化面積能夠有效攔截微塑料類新污染物經過地表徑流進入污水處理廠。目前,飲用水源新污染物轉移過程中存在的問題在于對轉移路徑缺乏自動監控,尚難以繪出較為準確的新污染水環境分布與遷移路徑圖。

 

二、飲用水源中新污染物防控研發現狀

1、政策與行動計劃概況

近年來,很多地區飲用水源中新污染物防控與去除提出了相關政策和行動方案,以保障飲用水、維護人們生命和健康。我國、歐盟和美國有關水環境中新污染防控以及飲用水中涉及新污染物的相關政策和行動計劃情況。

美國自20世紀90年代中期開始關注水環境中鄰苯二甲酸酯(PAEs)和多氯聯苯(PCBs)等新污染物;20062013年期間先后出臺《地表水水質標準》《關于直接飲用再利用系統的公共衛生標準的報告》等水質標準,對地表水及直飲水回用二級出水中部分藥物及個人護理用品(PPCPs)、內分泌干擾素(EDCs)等設置濃度限值,并頒布了《飲用水法(Safe Drinking Water Act)》,完善了飲用水中新污染物的監測指標,對多種EDCs、全氟化合物(PFAS)、PCBs、多環芳香烴(PAHs)等設置濃度限值。2019年,美國環保署出臺了針對全氟辛烷基磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)的行動方案,此項舉措進一步推動了對飲用水中該類物質的有效監管。

歐盟對水環境中新污染物防控出臺了有關政策和行動方案。2000年,歐盟理事會和歐洲議會發布了歐洲水框架指令(Water Frame Directive, WFD),以改善水資源狀態。該指令開發了基于計分排序的優先污染物篩選方法,為歐盟各國在水資源管理和保護領域提供了重要指導。隨著對新污染物認知的深入,于2006年和2011年又對WFD進行修正,完善了EDCs、PPCPs、PFOS等的地表水質量標準。近年來,歐盟設立的“Modelkey”計劃對毒性評估項目進行了支持,促進了效應導向分析法(Effect-directed Analysis,EDA)的發展,為新污染物監測標準的制定提供了科學基礎。隨著數字革命的發展,歐盟進一步啟動了旨在支持水務信息化發展,實現智慧水務的一系列項目,整合科研力量,成立 “Ctrl+SWAN”(Cloud Technologies and Real Time Monitoring+ Smart Water Network)行動組,為新污染物在線監測研究提供了支撐。

我國對水環境中新污染物的防控也給予了高度關注,并采取了一系列相關措施(圖1中深藍色框)。20世紀90年代以來,以環境保護總局發布的《污水綜合排放標準(1996年)》《城鎮污水處理廠污染物排放標準(2002年)》《地表水環境質量標準(2002年)》《生活飲用水水質衛生規范(2006年)》等為引導,從源頭到末端不斷完善對新污染物的控制要求。部分新污染物在飲用水中的限值濃度已低于美國環境保護署和世界衛生組織規定的限值。“十三五”規劃(2016-2020年)期間,為順應智慧城市的發展潮流,推進水務信息化建設,先后在上海浦東新區和深圳建立區域智慧水務平臺,為新污染物的智慧監測提供平臺。202110生態環境部組織編制了《新污染物治理行動方案(征求意見稿)》,提出了6個方面共25條具體措施。

2、飲用水源中新污染物防控研究現狀

新污染物的概念是2003PETROVI等提出,通過分析以“Emerging contaminants”為作者關鍵詞檢索web of science核心集收錄論文情況(如圖2所示),可以發現雖然新污染物的概念提出時間不長,但迅速受到廣泛關注,近年來的論文發表數量幾乎呈指數級增長,成為環境領域的研究熱點。

通過分析2003-2021web of science核心集收錄論文涉及的研究領域和熱點,可以確定新污染物領域密切相關的學科和領域。如圖3所示,文獻檢索的高頻率關鍵詞是"water",進一步說明以水體為載體的分布形式是新污染物的主要分布形式。同時可以看出,新污染物領域研究熱點主要集中在藥物及個人護理品等污染物、毒性評估、去除技術等方面。這些研究顯示出新污染物的研究主要屬于環境科學和環境工程的學科范疇,但除此之外,密切相關的則是水資源、化學工程、分析化學和毒理學,表明水環境中新污染物的去除、檢測和毒理風險是關注的方向。

 

3、飲用水源中新污染物防控面臨的挑戰

水環境中的新污染物的主要特征是濃度低、種類多、物化性質復雜,由此給飲用水源中新污染物的防控帶來了一系列的挑戰,存在新污染物的來源、區域污染特征、影響其多介質分布的遷移轉化行為等環境地球化學屬性不明;新污染物的暴露途徑復雜,其環境生態與健康毒性的認識不一;現有技術處理、處置新污染物時效率不高等問題。具體包括如下幾個方面:

1)新興污染物一般濃度較低、成分未知,定性和定量分析難度大,目前的檢測技術常包含萃取、凈化、濃縮富集等多個前處理步驟,操作較為繁瑣,傳統隨機采樣以及實驗室分析技術容易產生時間差,存在滯后性。

2)由于監測難,使得新污染物分布狀況和區域特征污染的系統研究缺乏,因此,對我國飲用水源的新污染物污染狀況認識存在分化:過分渲染和完全無視的現象并存。

3)飲用水源新污染物的檢測和控制未納入工廠排放標準和廢水監測標準,缺乏分類治理、全過程環境風險管控的依據和基礎。

4)在健康與風險評價方面,缺乏對新污染物健康風險分子水平的認識,和長期低水平暴露對健康的影響,另外,當前風險評價多基于單一新污染物,缺乏多污染物復合評價。

5)新污染物的物化性質、生態風險和毒理毒性與傳統污染物有本質區別,傳統的分析方法、研究手段和處置措施難以簡單地移植到新污染物防控領域,而新技術大多停留在試驗階段,中試或實際運行規模的尚未廣泛應用。

 

三、飲用水源新污染物防控關鍵技術的發展方向

 

針對我國飲用水源中新污染物防控的上述挑戰,應以有效防范新污染物環境與健康風險為核心,以構建新污染物的風險評價與控制技術體系,建立完善風險評價方法學,識別風險源為目標,開展一系列基礎理論和關鍵技術的研發。

為此,需要大力發展靈敏的新污染物檢測技術實現污染物識別和清單研究,開展新污染物生物毒性和健康風險評價體系研究,發展綠色新污染物實用去除技術,研發并構建大數據分析的新污染物轉化遷移體系的智慧化水網;通過攻克上述關鍵支撐技術,研發具有自主知識產權和競爭力的新污染物防控技術裝備,掌握一批關鍵核心技術,實現新污染物防控體系的標準化;基于上述實用型去除技術和智能化供水系統對水廠進行升級改造,建立相互關聯和依托的示范工程,如圖4所示。實現飲用水源新污染物防控從基礎理論到關鍵技術再到工程應用的整體提升。


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