飲用水科技前沿熱點與發(fā)展趨勢

敖秀瑋，孫文俊,*，林明利，郝 天

(1.清華大學環(huán)境學院，北京 100084；2.中國城市規(guī)劃設計研究院，北京 100044)

水是保障人類生存和社會正常運轉(zhuǎn)的不可或缺的生命資源，獲得安全的飲用水是公民的一項基本權(quán)利。保障我國人民的飲水安全是關(guān)系到國計民生的重要問題，也是全面建設小康社會的重要考量指標。然而，隨著人口增長和環(huán)境污染的日益嚴峻，水源污染、淡水資源短缺已經(jīng)成為限制我國經(jīng)濟發(fā)展的主要因素，甚至成為了全球性問題。根據(jù)達沃斯世界經(jīng)濟論壇2018年發(fā)布的《全球風險報告》，水危機在風險影響程度上已經(jīng)超越了網(wǎng)絡攻擊、非自愿移民以及傳染病，被列為世界第五大最具影響力的危機問題，成為影響人群健康、可持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定的重要風險因素[1]。在此背景下，聯(lián)合國將水治理上升到全球?qū)用妫⒃?015年將水治理納入《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》，增強了獲得安全飲用水的普適性要求，保護水資源、呵護水生態(tài)已經(jīng)成為世界各國的共同關(guān)切[2]。對于保障飲用水安全而言，發(fā)展創(chuàng)新飲用水科技始終至關(guān)重要。在近幾年的國際水協(xié)(IWA)水大會上，數(shù)字水務、可持續(xù)發(fā)展、水處理技術(shù)創(chuàng)新、水資源管理和水務政策等問題被頻繁地提及和研討。當前，飲用水科技創(chuàng)新領(lǐng)域的研究熱點包括：新興污染物的識別和控制、飲用水綜合健康風險評估、融合前沿科技的水質(zhì)凈化工藝和智慧化供水系統(tǒng)等。全球飲用水科技正朝著智能高效和綠色低耗的方向不斷發(fā)展，進而推動著供水行業(yè)的巨大變革。本文從4個方面闡述飲用水科技前沿技術(shù)熱點，進而明確行業(yè)科技發(fā)展趨勢。

1 新興污染物

圖1 ECs相關(guān)文章發(fā)表情況(來源數(shù)據(jù)庫：Scopus)Fig.1 Published Articles Related to ECs (Data Source: Scopus)

目前，世界各國對化學品的管控均提出了更高的要求，一些歐美國家已經(jīng)為部分ECs制定了相關(guān)的環(huán)境標準。例如，歐盟提出的的水框架指令(Water Framework Directive，WFD)已經(jīng)將一些PPCPs、EDCs和全氟辛烷磺酸(PFOS)列入淡水中優(yōu)先控制的污染物清單，并為其制定了相應的排放標準[8]。同樣地，美國環(huán)保署(US EPA)所指定的優(yōu)先控制污染物清單中，也出現(xiàn)了多氯聯(lián)苯(PCBs)、鄰苯二甲酸酯類(PAEs)等ECs。特別地，在2019年，美國EPA更是出臺了針對全氟烷基物質(zhì)和多氟烷基物質(zhì)(PFAS)的行動方案，旨在推動其安全飲用水法案(Safe Drinking Water Act，SDWA)中對PFOS和全氟辛酸(PFOA)排放限值的制定，并實現(xiàn)對該類污染物的有效監(jiān)管。

1.1 新興污染物的種類

在各類ECs中，PPCPs、EDCs和PFCs被關(guān)注較多。在PPCPs中，藥物類污染物的占比十分大[9]，包括抗生素、消炎止痛藥、避孕藥、顯影劑和人工合成麝香等。經(jīng)常在飲用水中發(fā)現(xiàn)的藥物有阿替洛爾、卡馬西平、萘普生、磺胺甲惡唑、甲氧芐啶和布洛芬等[10-11]。由于藥物的長期低水平暴露對人類健康的影響尚不明確，飲用水中的藥物存賦問題引起了科學界的特別關(guān)注[5]。EDCs類污染物是能夠改變?nèi)祟惢騽游镎?nèi)分泌功能的外源性物質(zhì)[12]。同樣地，由于當前研究條件的限制，科學界仍尚未充分闡明接觸EDCs對人類健康所產(chǎn)生的影響[13]。研究指出[14-15]，暴露水平在ng/L或更低濃度的EDCs可能會對人類健康產(chǎn)生負面效應，這使得飲用水中的EDCs成為了業(yè)界關(guān)注的重要問題。PFCs中應用最為廣泛的是PFOS和PFOA，其化學性質(zhì)十分穩(wěn)定且具有生物累積性和毒性。目前，地表水、地下水和自來水中均有PFCs被檢出的報道[16-18]。根據(jù)現(xiàn)有研究[19-20]，飲用水中PFCs所造成的健康風險有限，但其在水中的長期暴露仍然引起了各界的廣泛擔憂[21]。

近些年，一些新的或剛被關(guān)注的化學品也被納入了ECs的范疇，比如水處理過程中產(chǎn)生的新興消毒副產(chǎn)物和微塑料等。自20世紀70年代消毒副產(chǎn)物(DBPs)的問題被首次提出，至今飲用水中可檢測到的DBPs已經(jīng)達到700多種，然而，這些已知的DBPs卻只是冰山一角[22]。因此，對新興DBPs的表征仍然是研究領(lǐng)域的重要命題。一些新興DBPs，如鹵代酪氨酰[23]、鹵代硝基甲烷[24]、鹵代丙烷[24]、鹵代苯醌[22]和亞硝胺類DBPs[25]等，已經(jīng)被證實具有生物毒性，其中，亞硝胺類和碘代DBPs一般毒性更高。自2014年知名期刊《Nature》連續(xù)兩期報道了海洋微塑料的污染問題后[26-27]，針對微塑料顆粒污染的研究也成為了近些年廣受關(guān)注的熱點。微塑料的尺寸一般小于5 mm，其中粒徑在1～100 nm的微塑料則又被叫做納米級微塑料。而近幾年的研究表明，除了海洋環(huán)境，微塑料也廣泛存在于湖泊、河流等淡水水體及處理過的飲用水中，威脅著飲用水的安全[28]。目前，一些歐美發(fā)達國家和WHO等國際組織都紛紛開始了針對飲用水環(huán)境中微塑料污染的相關(guān)研究[29-30]。然而，微塑料的檢測方法目前尚未形成標準，其環(huán)境行為和健康風險都有待進一步探究[28]。

除了化學品，新興的病原微生物，例如耐氯或抗紫外的病毒和原生動物、具有抗生素耐藥性的細菌等，極大地威脅著供水安全，也被納入了新興污染物的研究范疇。一般認為，供水管網(wǎng)中95%的微生物均附著在管壁生物膜上生長，這種附著生長同時也為耐氯微生物的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件。軍團菌、分枝桿菌和銅綠色假單胞桿菌等常見耐氯菌同時也是致病菌，其進入供水系統(tǒng)可能會導致介水傳染病的暴發(fā)。同時，一些新的耐氯細菌也在不斷被發(fā)現(xiàn)，如近些年報道的爛泥假單胞菌和鞘氨醇單胞菌TS001等[31]。另外，一些病毒，如腸病毒中的柯薩奇病毒B5，也被發(fā)現(xiàn)具有較強的耐氯性[32]。如前所述，抗生素除了本身屬于一類ECs，其大量使用還造成了抗生素抗性細菌和抗基因的產(chǎn)生。水環(huán)境中的細菌在抗生素的選擇壓力下逐漸獲得耐藥性，其抗性基因可以發(fā)生垂直或水平轉(zhuǎn)移，使得抗性不斷擴散，甚至可導致多重耐藥菌的出現(xiàn)，對人類健康和生態(tài)安全造成極大威脅。2006年，抗生素抗性基因作為一類ECs被首次提出[33]。至今，國內(nèi)外供水系統(tǒng)中抗生素抗性細菌和抗性基因被檢出的報道頻發(fā)，對現(xiàn)有凈水工藝形成了新的挑戰(zhàn)[34]。

1.2 新興污染物的檢測

ECs的檢測技術(shù)，特別是對ECs轉(zhuǎn)化產(chǎn)物以及非目標性未知污染物的檢測，始終是行業(yè)關(guān)注的重要問題。天然水體中的ECs檢出濃度一般僅在ng/L～μg/L，因此，在分析時需對水樣進行前處理，以一定程度上分離純化和富集待測組分。液液萃取(LLE)和固相萃取(SPE)是最常見和傳統(tǒng)的水樣前處理手段。隨著分析檢測技術(shù)的進步，以及環(huán)境樣品復雜化背景下對前處理提出的高選擇性、高回收率和低溶劑使用量的要求，近些年涌現(xiàn)出多種新型前處理手段。固相微萃取(SPME)最早于20世紀90年代被提出[35]，該技術(shù)高效、簡單、快速且無溶劑，當與色譜聯(lián)用時，可以將采樣、萃取、富集、進樣整合于一體[36]。SPME目前已有攪拌棒吸附萃取、填充劑吸附萃取、薄膜固相微萃取、毛細管微萃取和纖維固相微萃取等多種形式[37]。SPME在飲用水中抗生素、激素、農(nóng)藥和阻燃劑等多種ECs的分析中均得到了成功應用[36]。同樣，在LLE基礎(chǔ)上還發(fā)展了液相微萃取(LPME)。LPME于1996年被引入，相對于傳統(tǒng)LLE，LPME具備更強的預濃縮能力和更短的提取時間，且溶劑消耗低、操作簡單[38]。LPME至今已經(jīng)發(fā)展出超聲輔助乳化液液微萃取、單滴液相微萃取、分散液液微萃取和中空纖維液液微萃取等多種技術(shù)[39]。目前，LPME已被逐漸用于水中農(nóng)藥、消毒副產(chǎn)物、藥物的檢測[40-42]。

在分離復雜基質(zhì)并富集樣品后，可開始對ECs進行識別與表征。ECs的檢測目前主要基于氣相色譜(GC)、液相色譜(LC)以及質(zhì)譜(MS)。近年來，采用LC-MS/MS分析ECs的報道日益增多[43]。為提高復雜樣品中對ECs目標組分的分離，最近開始有研究者采用多維色譜技術(shù)，如二維GC系統(tǒng)(GC×GC)[44]。MS方面，高分辨率質(zhì)譜(HRMS)和質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫的發(fā)展為ECs及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的識別提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)[36]。HRMS具有高分辨率、高精確度和高全掃靈敏度的特點，可實現(xiàn)對未知污染物的鑒別。常見的HMRS儀包括飛行時間質(zhì)譜儀(TOF)、離子阱以及混合系統(tǒng)如四級桿/TOF、線性離子阱/靜電場軌道阱和四極桿/靜電場軌道阱質(zhì)譜儀等[5]。色譜與HRMS聯(lián)用的技術(shù)已經(jīng)被越來越廣泛地用于非目標ECs的篩選和目標ECs的定量分析[43]。為了更準確地鑒別未知物，一些輔助技術(shù)也開始與色譜-HRMS系統(tǒng)結(jié)合，如核磁共振(NMR)和傅里葉紅外(FTIR)等技術(shù)[45-46]。另外，值得一提的是，新的MS分析技術(shù)在近些年仍在不斷涌現(xiàn)，特別是最新的離子淌度質(zhì)譜[47]和前體離子排斥分析法[48]，前者為ECs檢測提供了新的分析維度(化合物的橫截面信息等)，后者則可驅(qū)動質(zhì)譜識別豐度較小的未知化合物峰。基于色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的方法雖然能獲得比較理想的檢測結(jié)果，但所使用的分析儀器一般較為昂貴，同時樣品預處理過程也較為復雜。為此，熒光光譜法[49]、免疫分析法[50]、表面增強拉曼光譜法[51]和電化學傳感器[52]等手段在近些年得以快速發(fā)展，為水中ECs的快速檢測提供了新思路。

以上所述檢測方法一般針對的是水中化學品ECs的檢測，對于新興微生物污染的鑒定和檢測則尤其依靠現(xiàn)代生物技術(shù)手段。目前，在生化水平、基因水平和蛋白質(zhì)水平上發(fā)展出了許多微生物檢測新技術(shù)，如基于生化反應開發(fā)的VITEK? 2 Compact全自動微生物鑒定系統(tǒng)[53]、基于基因水平的PCR技術(shù)[54]、高通量測序[55]、宏基因組學[56]和宏轉(zhuǎn)錄組學[57]等手段，同時還有基于蛋白質(zhì)水平的基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜(MALDI-TOF MS)技術(shù)[58]等。

值得關(guān)注的是，ECs雖然在天然水體中的暴露濃度較低，但該類物質(zhì)普遍理化性質(zhì)穩(wěn)定且可在生物體中積累，其潛在的生物風險不可忽視。近些年，針對ECs毒性的檢測技術(shù)也逐漸發(fā)展起來。一般針對化學品的毒性檢測，根據(jù)測試原理，可將表征指標分為個體水平、細胞水平和分子水平3類[59]。個體水平指標有半數(shù)致死濃度(LC50)和致畸率等[59]。細胞水平上有發(fā)光度、細胞活力和電流強度等表征指標，測試手段則有相應的發(fā)光細菌毒性試驗法[60]、細胞活性電化學檢測法[61]等。分子水平指標一般表征蛋白質(zhì)、DNA等生物大分子的變化，最典型的如微核率/染色體畸變度，其檢測方法有Ames試驗[62]、彗星試驗[63]和生物芯片技術(shù)[64]等。一般生物毒性檢測對試驗條件的要求較高，且檢測時間長、操作比較復雜。因此，目前污染物毒性檢測的一個主要發(fā)展方向就是開發(fā)快速在線毒性檢測設備，從而實現(xiàn)毒性檢測的便攜化、提高測試效率，其中，開發(fā)以菌類為受試生物的電化學傳感器在該領(lǐng)域受到了重點關(guān)注[65]。

1.3 新興污染物的控制

近些年，針對飲用水環(huán)境中ECs控制技術(shù)的報道也日益增多，這些技術(shù)包括化學/高級氧化、顆粒活性炭(GAC)或粉末活性炭(PAC)吸附以及膜技術(shù)等[6,66]。高級氧化技術(shù)采用具有強氧化性的自由基來降解ECs，并被認為是去除ECs的最有希望的技術(shù)策略[67]。然而，高級氧化工藝也可能在降解ECs時產(chǎn)生具有健康風險的未知產(chǎn)物[68]。臭氧化、光化學氧化、光催化和Fenton等多種高級氧化技術(shù)已被用于去除飲用水中的ECs[68]。同時，研究者還在探索電化學氧化、基于硫酸根自由基的高級氧化和基于新型納米材料的高級氧化等新技術(shù)用于ECs降解的可行性[69-71]。對于吸附工藝而言，以活性炭為代表的碳基材料是最為常用的吸附劑。供水技術(shù)中常用的GAC和PAC都是出色的吸附劑，可以有效去除多種ECs，但其一般只對疏水性、低分子量和不帶電荷的化合物具有更高的選擇性[66]。為了提高活性炭的吸附能力，學者開始對活性炭進行改性，如涂覆二氧化鈦等[72]。同時，新的碳基吸附材料也在不斷被開發(fā)和應用，如碳納米管等[73]。膜分離技術(shù)，包括正滲透、反滲透、納濾和超濾膜等技術(shù)，已被證實能有效處理多種ECs[74]。近些年，新材料技術(shù)，特別是納米材料的發(fā)展迅速，這也推動著新型水處理功能膜的開發(fā)，更為飲用水中ECs的去除提供了新的技術(shù)選擇。研究者將新型納米材料用以修飾膜，從而改善膜通量，實現(xiàn)疏水性調(diào)節(jié)，并提高膜的選擇性和防污能力。目前，用于膜改性的納米材料有碳納米管、石墨烯、氮化碳和碳量子點等[75]。

值得注意的是，對于ECs控制技術(shù)的研究多在實驗室規(guī)模下開展，尚缺乏大規(guī)模的實際應用，這些新技術(shù)的落地仍存在需要進一步研究解決的問題。

2 水質(zhì)綜合健康風險評價

一直以來，我們對飲用水水質(zhì)的評價往往只關(guān)注于各項指標是否達到了相關(guān)水質(zhì)標準所規(guī)定的限值，而忽略了這些指標是否會對人體健康產(chǎn)生影響。目前，暴露在飲用水環(huán)境中的化學品種類繁多，飲用水污染問題已經(jīng)變得日趨復雜。研究表明，多種人類疾病的發(fā)生與這些化學品在水中的長期存在直接相關(guān)[76]。 飲用水環(huán)境中的化學品多以混合物形式存在，對混合物進行健康風險評估，并識別高風險污染物是一項重要且極富挑戰(zhàn)性的工作。我們知道，通過定量化學分析可以檢測出環(huán)境中的化學品濃度，結(jié)合該化學品的毒性當量并利用模型，亦可估算其健康效應。然而，由于各污染物間的相互作用以及環(huán)境過程對化合物的影響，套用模型對化合物總體活性進行的預測會出現(xiàn)較大偏差。另外，樣品中的非目標組分或可能存在的未知化合物也很難被納入現(xiàn)有的分析檢測范疇。在此背景下，整合分析化學和生物學檢測的環(huán)境分析方法，成為了今后飲用水風險因子識別和健康風險評估的發(fā)展方向，其中，以USEPA的毒性鑒定評價(toxicity identification evaluation，TIE)方法[77]和歐盟的效應導向分析(effect-directed analysis，EDA)方法[78-79]最為突出，如圖2所示。同時，近年來引入的有害結(jié)局路徑(adverse outcome pathway，AOP)方法也為污染物健康風險評估提供了新思路[80]。

圖2 TIE方法(左)和EDA方法(右)Fig.2 Schematic Diagram of TIE (Left) and EDA (Right) Methods

2.1 TIE和EDA方法

TIE方法由USEPA于20世紀80年代開始研究并建立，最早應用于污廢水的毒性物質(zhì)鑒別與評估，近些年也逐漸開始用于常規(guī)水體[81]。TIE對污染物的鑒別結(jié)合了化學和生物分析手段，先根據(jù)化學品的理化性質(zhì)對其進行分級分離，接下來采用生物測試方法分析不同組分的毒性水平，最后采用計算手段鑒別不同物質(zhì)/組分的毒性貢獻。總體來說，可將TIE方法分為3個階段：(1)毒性表征；(2)毒性鑒定；(3)毒性確認[82]。TIE方法的適用范圍已經(jīng)涵蓋了各類有機物和包括重金屬等在內(nèi)的無機物。傳統(tǒng)的TIE方法主要采用活體生物測試，以急性毒性為評估終點。近年來，TIE方法也在被逐漸優(yōu)化，例如將基因表達手段加入到TIE過程中的基于分子效應的毒性鑒別評估(molecular toxicity identification evaluation，mTIE)[83]。mTIE方法將傳統(tǒng)毒理學中的毒性終點與基因表達相聯(lián)系，完成了急、慢性毒性的統(tǒng)一表征，使得毒性評價體系更加完整。

EDA方法則是以某種特定的生物毒性檢測為導向，指導相應的活性組分的分離、純化和分析，從而最終實現(xiàn)樣品的生物效應評價和其中主要效應污染物的鑒別[84]。EDA方法中的生物檢測和化學分析連續(xù)交替進行。EDA的一般流程可總結(jié)為：(1)污染物的提取；(2)樣品和組分的生物檢測；(3)色譜分離；(4)效應污染物的鑒定；(5)效應污染物的確認。早在20世紀80年代，EDA的方法即被提出[85]。直到近年來，在歐盟委“Modelkey”項目的支持下，EDA方法得到了較快發(fā)展，并成為了一種有效的致毒污染物篩選手段[86]。同時，傳統(tǒng)EDA方法也存在一定的局限，因此，對該方法的優(yōu)化也成為了近些年的研究熱點。例如：新的化學表征手段與分析方法應用于EDA，可以提高化合物鑒定的成功率[87]；高通量的自動化EDA平臺大大提高了方法的工作效率[88]。

2.2 有害結(jié)局路徑

AOP方法于2012年由經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)提出。隨后，OECD又于2013年推出AOP指南，并于2014年發(fā)布新的AOP網(wǎng)絡平臺。AOP方法基于現(xiàn)有的化學污染物信息，將分子啟動事件與生物風險效應連接起來，形成概念性框架。其中，分子啟動事件即化學污染物與特定的生物分子之間的反應[89]。AOP方法融合了TIE和EDA這2種鑒別手段，基于外源化學品的性質(zhì)，從生物學水平上分析了化學品所誘導的負效應，概括了在該分子響應水平上細胞、組織、器官的毒性效應，從而推導出該化學污染物在個體和種群上所導致的有害結(jié)果。AOP的分析一般借助計算機模擬和已有的生物化學信息來獲知污染物的行為和風險效應，使用更少的動物試驗和資源來對更多的化學污染物進行風險評估[90]。目前，已經(jīng)被開發(fā)出的AOP有20個，例如性激素相關(guān)的內(nèi)分泌干擾AOP。AOP方法的建立有助于更高效地獲得污染物的制毒機制，為污染物的監(jiān)控管理提供了基礎(chǔ)。

圖3 有害結(jié)局路徑(AOP)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of Adverse Outcome Pathway (AOP)

3 水質(zhì)凈化新工藝

創(chuàng)新的水質(zhì)凈化工藝始終是推動飲用水科技進步和供水行業(yè)發(fā)展的巨大驅(qū)動力。一方面，隨著水源水質(zhì)愈趨復雜，凈水工藝也變得愈加細化復雜，存在流程長、藥耗高和反應控制不精準等問題；另一方面，水質(zhì)指標與生態(tài)效應也開始協(xié)同約束水質(zhì)凈化工藝，對技術(shù)創(chuàng)新提出了更高要求。

3.1 綠色低耗的凈水技術(shù)

創(chuàng)新理念上，綠色化、低能耗正成為新一代水質(zhì)凈化工藝的發(fā)展趨勢。綠色凈水工藝在優(yōu)化生產(chǎn)效率的同時，能夠降低能耗和物耗，且不產(chǎn)生危害健康的有毒有害物質(zhì)。目前，可再生/清潔能源的開發(fā)利用為綠色化凈水工藝提供了巨大推力，例如太陽能消毒技術(shù)和可再生能源驅(qū)動的膜技術(shù)等。其中，太陽能消毒技術(shù)低耗、綠色、無藥劑，尤其為貧困地區(qū)及發(fā)展中國家提供了一種安全可靠的消毒方案。2001年，世界衛(wèi)生組織(WHO)推薦將太陽能消毒技術(shù)用于家庭用水凈化系統(tǒng)[91]。目前，太陽能消毒技術(shù)已經(jīng)在非洲、拉丁美洲和亞洲的50多個國家和地區(qū)得以成功應用[92]。然而，可用于殺菌的光譜僅占太陽光譜的一小部分，為了提高太陽能消毒的效率，一些基于太陽能驅(qū)動的新型消毒技術(shù)應運而生，例如太陽能光催化消毒技術(shù)[93]。太陽能光催化消毒技術(shù)依靠催化過程中產(chǎn)生的自由基滅活致病微生物，其中最常見的催化材料為TiO2。最近，一些基于TiO2的新型改性材料和其他新型催化材料也開始用于太陽能催化消毒技術(shù)中，如二氧化鈦-還原氧化石墨烯(TiO2-RGO)復合材料、TiO2納米球、TiO2納米管、Ag-BiVO4復合材料和碳納米顆粒等[94]。

除了利用清潔/可再生能源，基于自然過程的凈水工藝也因綠色低耗的特點受到日益廣泛的關(guān)注，例如河岸過濾技術(shù)。河岸過濾技術(shù)通過取水井抽水，促使地表徑流向含水層補給并流向取水井，在河水自然滲透到地下含水層的過程中，地表水質(zhì)通過截留、吸附、生物降解等作用得到不同程度的凈化[95]。目前，河岸過濾技術(shù)已經(jīng)受到了德國和荷蘭等歐盟國家的廣泛推崇[96-97]。依靠自然處理的河岸過濾不使用藥劑、成本低、出水水質(zhì)穩(wěn)定，同時能夠有效控制致病微生物、重金屬和有機污染物，但是河岸過濾易受到工業(yè)和市政廢水排放的影響，同時水中的ECs污染問題也使得水質(zhì)變得復雜，單純依靠河岸過濾可能難以去除所有污染物。在此背景下，研究者提出將河岸過濾與反滲透(RO)工藝聯(lián)用，再通過礦化調(diào)節(jié)將出水供給用戶[98]。河岸過濾-RO系統(tǒng)中，僅有RO一步耗能，在優(yōu)化出水水質(zhì)的同時，還實現(xiàn)了處理工藝的“短流程”。

3.2 與前沿科技交叉融合的凈水技術(shù)

當前，新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在孕育興起。在科學領(lǐng)域，學科交叉融合的態(tài)勢日趨明顯，新興學科正在被不斷催生，科技前沿領(lǐng)域不斷延伸。這一科技發(fā)展趨勢也使得水質(zhì)凈化技術(shù)開始與現(xiàn)代生物技術(shù)、新材料和人工智能等領(lǐng)域交叉融合，這些前沿科技推動著水質(zhì)凈化技術(shù)朝著綠色且高效的方向發(fā)展。其中，新材料技術(shù)很可能成為未來凈水處理的支柱型產(chǎn)業(yè)，例如，納米材料和納米技術(shù)已為開發(fā)高性能膜提供了巨大的技術(shù)支持。雖然常規(guī)材料的水處理膜仍然占據(jù)市場的主導地位，但幾乎每種類型的膜都會受到通量、選擇性、抗污染性和穩(wěn)定性等一個或多個方面的限制，難以全面堅固。納米技術(shù)和納米材料目前已經(jīng)用于膜改性和新型膜材料的開發(fā)。用于膜改性的納米顆粒有金屬/金屬氧化物、石墨烯和碳納米管等[99]。例如，聚醚砜樹脂(PES)是超濾膜制備中的常用材料，但因其具有的疏水性，膜通量較低且抗污性能差。為此，研究者將碳納米管摻入PES，制備出了混合基質(zhì)膜，提高了膜的親水性和抗污染性能[100]。銀納米顆粒具有良好的殺菌性能，研究者將氧化石墨烯-銀納米顆粒摻入聚偏二氟乙烯(PVDF)膜中，所制備出的分離膜不但親水性得到提高，更具備了抗菌性[101]。此外，將納米材料直接作為原料制備出的分離膜，更易調(diào)控膜結(jié)構(gòu)和膜表面性質(zhì)，從而實現(xiàn)通量、選擇性和抗污染性的最優(yōu)化。目前，納米材料膜已經(jīng)有自組裝納米顆粒膜、自組裝納米纖維膜和二維納米薄膜等[102]。例如，研究者采用源自蠶絲的絲素納米纖維制備了納米纖維膜，該膜可以實現(xiàn)對染料、蛋白質(zhì)和納米顆粒膠體的有效分離，同時其水通量是多種商用膜的1 000倍[103]。石墨烯是目前用于制備二維納米薄膜采用最多的材料之一，研究者將α,β,γ,δ-四(1-甲基吡啶嗡-4-基)卟啉對甲苯磺酸鹽(TMPyP)與氧化石墨烯共混，以增強氧化石墨烯疊層膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和分離性能，該膜可用于脫鹽或水質(zhì)凈化[104]。

此外，新材料技術(shù)也促進了清潔能源在凈水工藝中的應用。太陽能可作為能量來源驅(qū)動水質(zhì)凈化或脫鹽系統(tǒng)，例如太陽能驅(qū)動多級閃蒸技術(shù)、太陽能驅(qū)動多效蒸餾技術(shù)和太陽能驅(qū)動RO技術(shù)等。研究者采用納米材料石墨烯以吸收太陽光，從而誘導流體發(fā)熱，為蒸餾系統(tǒng)提供能量驅(qū)動[105]。同樣，新材料技術(shù)還為水消毒、吸附、催化氧化等凈水工藝帶來了技術(shù)變革[62]。納米材料及其復合物可作為高效選擇性的吸附劑，用以去除水中重金屬、PPCPs和EDCs等難降解污染物。最近，不少研究開始采用有機材料和氧化鐵對氧化石墨烯改性，制備出了有機功能化磁性氧化石墨烯復合材料，并用該新型吸附劑去除水中的重金屬，取得了可觀的效果[106]。還有學者發(fā)現(xiàn)，用二維MoS2納米材料作為吸附劑可有效去除水中的多西環(huán)素[107]。納米材料及其復合物還可作為抗菌材料進行水消毒，例如碳納米管、殼聚糖修飾納米顆粒和銀修飾納米顆粒等[108]。研究發(fā)現(xiàn)，太陽光輻照MoS2納米材料可快速產(chǎn)生活性自由基以進行水消毒[109]。還有學者開發(fā)了嵌入納米銀顆粒的新型黏土基多孔陶瓷過濾片，該過濾片長期將少量銀離子釋放到水中以滅活致病微生物[110]。

除了新材料技術(shù)，其他領(lǐng)域的新興科技也在為凈水工藝提供新的動力。例如，對于凈水工藝中使用的生物濾池，現(xiàn)代生物技術(shù)如宏基因組學、元轉(zhuǎn)錄組學和元蛋白質(zhì)組學等可為生物濾池提供各種水質(zhì)和運行條件下的微生物群落結(jié)構(gòu)/功能數(shù)據(jù)，這些豐富的信息可用于優(yōu)化運行條件，從而富集和維持功能性微生物[111]。近些年，前沿的3D打印技術(shù)也開始應用于水質(zhì)凈化領(lǐng)域，其可被用于水處理分離膜、吸附劑和催化劑等凈水材料的制備，為行業(yè)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)[112]。

4 供水系統(tǒng)的智慧運維

目前，數(shù)字革命已經(jīng)深入到我們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妫畈l(fā)展的ICT技術(shù)(information and communications technology)和大數(shù)據(jù)為城市的基礎(chǔ)建設和服務提供了智慧化的解決方案，這些變革同樣對飲用水科技產(chǎn)生了巨大影響。IWA將2020年世界水大會的主題定為“Smart Liveable Cities”，并在2019年發(fā)布了數(shù)字水務白皮書報告(DigitalWater:IndustryLeadersCharttheTransformationJourney)。當前，融合了水科學、數(shù)據(jù)科學和計算機科學的水信息科學正在推動著水務行業(yè)的數(shù)字革命，使得水務信息化得以迅速發(fā)展。水務信息化發(fā)展的最終目標是實現(xiàn)智慧水務，供水系統(tǒng)的智慧化則貫穿于水資源配置、水環(huán)境保護和水管理服務等的方方面面。綜合利用自控、感知、智能等技術(shù)手段建設智慧水網(wǎng)已經(jīng)成為各國水務行業(yè)發(fā)展的共識。

智慧水網(wǎng)首先需實現(xiàn)“感知”的智慧，即充分利用物聯(lián)網(wǎng)、自動控制等技術(shù)，通過在線監(jiān)測和傳輸設備實時感知供水全流程的信息，實現(xiàn)對供水系統(tǒng)的精準監(jiān)測。其中，實時收集和傳輸有關(guān)水系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳感設備是智能管網(wǎng)的基礎(chǔ)，包括智能水表(測量壓力或流量)和用于污染物監(jiān)測的污染物傳感器和生物傳感器等。歐洲國家在智慧水網(wǎng)的建設中比較重視前端數(shù)據(jù)的智能收集。歐盟在“歐洲水資源創(chuàng)新伙伴關(guān)系”[European Innovation Partnership (EIP) on Water]框架下成立了“Ctrl+SWAN”(Cloud Technologies & Real time Monitoring+Smart Water Network)行動小組，該小組整合了大約100所高校、研究院所和水務公司的研究力量，致力于推動服務于智慧水網(wǎng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)新，為水行業(yè)提供更多的智能解決方案[113]。在此背景下，法國、西班牙和荷蘭計劃推出了1 100萬智能水表，為建設智慧水網(wǎng)提供基礎(chǔ)設施支撐。

另外，智慧水網(wǎng)還需實現(xiàn)運營的智慧化，即充分利用云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)對供水系統(tǒng)進行智慧化管理。智慧水網(wǎng)前端獲取的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需進行有效的處理轉(zhuǎn)化后才能為供水系統(tǒng)的運維提供數(shù)據(jù)支撐，因此，建設高效智能的城市水務信息數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)運營平臺等也成為了建設智慧水網(wǎng)的關(guān)鍵性技術(shù)。歐美等先進國家在供水管網(wǎng)的數(shù)字化管理領(lǐng)域研究較早，已經(jīng)推出了不少成熟的可服務于智慧水務的數(shù)據(jù)管理軟件平臺，如OSIsoft公司的PI(plant information system)系統(tǒng)、Innovyze公司的Innovyze Smart Water Network智慧水系統(tǒng)以及GE公司推出的SaaS(software-as-a-service)軟件服務等。近年來，云計算、人工智能(AI)和大數(shù)據(jù)等均為管網(wǎng)智能數(shù)據(jù)平臺的建設提供了巨大助力。英國大型供水公司聯(lián)合水務于2018年與加拿大科技公司EMAGIN達成合作，在英國本土推廣EMAGIN公司開發(fā)的AI平臺HARVI。該平臺基于氣象信息、需水量和水泵運行數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)信息，通過AI技術(shù)優(yōu)化水泵運行參數(shù)并實現(xiàn)對管網(wǎng)漏損的監(jiān)管。

相對于歐美國家，我國水務行業(yè)對智慧化運維的探索開展較晚，但目前大部分城市都紛紛開展了水務信息化的建設。根據(jù)《全國城市市政基礎(chǔ)設施規(guī)劃建設“十三五”規(guī)劃》，構(gòu)建智慧城市，推進市政基礎(chǔ)設施智慧化是現(xiàn)階段我國市政領(lǐng)域發(fā)展的一大目標。目前，深圳、上海等地都在水務信息化建設方面取得了不錯的成果。例如，2018年建成的上海浦東新區(qū)水務信息共享服務云平臺(一期)已成為該地水務管理工作的重要工具；在深圳，水務行業(yè)則形成了“1+3+N”(1個大數(shù)據(jù)中心+專題業(yè)務、政務服務和工程管理3類業(yè)務+N個智慧應用系統(tǒng))的智慧水務構(gòu)架；2020年初，“灣區(qū)智慧水務環(huán)保創(chuàng)新聯(lián)盟(WEIU)”在深圳成立，以推動智慧水務在粵港澳大灣區(qū)的應用實踐。

5 飲用水科技發(fā)展趨勢

新興科技正在不斷推動飲用水的科技創(chuàng)新。目前，國際飲用水科技正在不斷向可持續(xù)發(fā)展(綠色發(fā)展)方向延伸。同時，水環(huán)境問題的復雜化和系統(tǒng)化也對飲用水科技創(chuàng)新提出了新的挑戰(zhàn)。綜合以上對飲用水科技前沿熱點的論述，對飲用水科技的主要發(fā)展趨勢總結(jié)如下。

(1)構(gòu)建現(xiàn)代化的飲用水評價指標體系

新世紀以來，隨著公眾對飲用水質(zhì)量要求的日趨嚴格，復合型污染、人群健康風險和生態(tài)安全等一直是飲用水科技領(lǐng)域的研究熱點。對此，需要攻克一批與飲用水標準密切相關(guān)的高風險污染物篩選、毒性測試等關(guān)鍵支撐技術(shù)，建立污染物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)復合污染水質(zhì)健康風險評價技術(shù)，并最終逐步形成完善的飲用水水質(zhì)基準理論、技術(shù)與方法學和支撐平臺。

(2)研發(fā)綠色高效的水質(zhì)凈化處理技術(shù)

高效一直是飲用水科技發(fā)展的重要需求，在今后，供水技術(shù)的高效將更體現(xiàn)在凈水工藝對高風險因子的精準控制以及實現(xiàn)供水系統(tǒng)的智能化等方面。同時，綜合評估科技的環(huán)境-經(jīng)濟效益也成為了飲用水科技發(fā)展的新需求，可持續(xù)發(fā)展更是全球水治理的發(fā)展目標。因此，低能耗、能源化和綠色化的供水技術(shù)將成為飲用水科技創(chuàng)新的重要方向。

(3)增進飲用水科技與其他相關(guān)前沿領(lǐng)域的融合

全球科技革命使得現(xiàn)代生物技術(shù)、新材料、信息技術(shù)等在供水領(lǐng)域的應用不斷拓展和深入，推動了一批飲用水科技關(guān)鍵技術(shù)的突破，特別是使得膜處理工藝、光催化工藝等凈水技術(shù)有了長足的發(fā)展。飲用水科技發(fā)展與其他領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的不斷融合將進一步推動供水行業(yè)的大發(fā)展，為水質(zhì)凈化常規(guī)處理技術(shù)和深度處理技術(shù)帶來革新。

(4)建設智慧化的供水系統(tǒng)

“智慧水務”將水源地、凈水廠、供水管網(wǎng)以及供水社區(qū)進行有效連接，是建設“智慧城市”的重要一環(huán)。今后，需進一步攻克集成傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡、高精度實時管網(wǎng)水力水質(zhì)模型、智能化供水管網(wǎng)漏損控制和基于大數(shù)據(jù)分析的管網(wǎng)健康評估體系等關(guān)鍵技術(shù)，建立“監(jiān)測-模擬-評估-預測-決策”一體的智能水網(wǎng)，使供水系統(tǒng)更加科學化、精細化和智能化。