我們的這些技術，已經在全國100多個城市得到應用，涉及人口接近2億。能夠為全國人民服務，我們也感到非常榮幸。

楊敏· 中國科學院生態環境研究中心研究員

格致論道第80期 | 2022年4月23日 北京

大家好，我是楊敏，來自中國科學院生態環境研究中心。今天給大家講一講這些年我們團隊在飲用水安全保障方面，為國家、為社會做的一些事。

尋找自來水異味的來源

大家對飲用水都很敏感，尤其是我們對水的顏色和味道非常敏感。

“聲名遠揚”的上海自來水異味

我記得在上海讀書的時候，就對上海飲用水難聞的味道刻骨銘心。大家可能不知道，在很多年前，上海飲用水的水源來自黃浦江。那黃浦江的水是一個什么樣的味道呢？當時不要說泡茶了，連啤酒和可樂都帶有黃浦江的味道，大家想想那水有多難喝。

所以我當時就想，到底是什么樣的物質，導致這樣一種非常強烈的異味呢？如果有機會，我一定要把這個原因給找出來。

味覺和嗅覺，量極大不同

要想把飲用水中的嗅味物質找出來，其實非常不容易，為什么這么說呢？

當我們喝到一口水，覺得這個水有點咸味的時候，它的鈉離子基本上是200毫克/升以上。但是如果我們聞到這個水它有點味道，那么這個物質的含量可能是多少呢？可能就是10或者是幾十納克/升。

也就是說，我們的嗅覺比我們的味覺可能要靈敏100萬倍以上。可想而知，要想把這種低濃度的物質從水里面那些大量共存的物質里找出來是非常不容易的。

左：嗅覺層次分析法

右：培訓人員現場

而且我們說人對嗅味很敏感，但當你真正去客觀描述一種嗅味的時候，又很難準確地去描述它。因此，我們就建立了一種叫嗅覺層次分析的方法，對嗅味類型描述進行了規范化，并通過培訓人員，讓他們對嗅味有一個深刻的記憶。這樣一來，他們就能把嗅味物質的濃度和嗅味的強度之間的關系建立起來，實現對于嗅味的半定量測定。

感官氣相色譜法

當然，光靠鼻子還是聞不出嗅味物質的。我們采用感官氣相色譜法，首先用分離柱把水中這些可能有異味的物質分離出來，然后把物質分成兩路進入儀器。一路我們用鼻子來聞，這樣就得到上圖右下的嗅覺峰，然后我們再把另一路送進質譜，它就給出一個物質峰。最后我們把物質峰和嗅味峰對起來，就能找到嗅味物質。

2007年的時候，無錫發生了一次非常嚴重的水嗅味事件，叫無錫水危機。當時有多嚴重呢？全市200多萬人停水一周，沒有自來水用，所以大家可以看到超市里面水都賣空了。這么大的事件引起了社會強烈的關注。到底這樣一個嗅味是什么導致的呢？大家都找不到原因。

我們就利用剛剛說的感官氣相色譜法，把這個嗅味物質找出來了。它主要是硫醚類物質。這樣，我們就解開了這次無錫自來水嗅味之謎。

黃浦江水的異味從哪兒來？

那我就想，能不能用這個技術來回答我學生時候提出的問題呢？我們就拿這個技術，來做了黃浦江的嗅味分析。我們也得到了十幾個嗅味峰，主要的可能有土霉味、就是我們常說的土味，然后還有些腥臭味，同時也得到一些質譜峰了。

上：嗅味峰及色譜圖

下：產生土霉味的藻類

但是當我們把這兩個峰合起來看的時候，我們只能找到兩種土霉味致嗅物，也就是2-甲基異莰醇（MIB）和一個叫土臭素的物質（Geosmin）。它們主要是藻類產生的，而且是國際上廣泛關注的問題。所以測到這兩種物質一點兒都不稀奇，也不需要用高超的技術，我們就可以測得出來。但是對于腥臭味這種嗅味類型，我們還是不知道它的來源，也不知道它含有什么物質。

全二維氣相色譜質譜法

為什么找不到這個物質呢？就是因為黃浦江的水，它的物質構成特別復雜，用常規的色譜技術不能把里面的物質有效地分離開。所以我們就采用另外一種分辨率比較高的全二維氣相色譜質譜的技術。

這個全二維有什么好處呢？它可以把這個物質進行兩次分離，分離一次以后，又進行第二次分離。這樣一來，就可以把很復雜的物質給分開。

黃浦江水的嗅味物質，其中紅色框內為土霉味致嗅物，橙色框內為腥臭味致嗅物

我們把這個全二維氣相色譜質譜技術和剛剛說的感官氣相色譜技術聯合起來使用。一邊拿嗅味的峰，一邊拿物質的峰，把它們對應起來。我們終于從上海黃浦江水源里面找到十幾種嗅味物質，發現主要是由硫醚類和其他的一些微量物質聯合作用產生的嗅味。

活性炭對大多數致嗅物都有較好的去除效果

把這個嗅味物質搞清楚了之后，那我們就想，什么方法能最有效地去除這些嗅味物質呢？我們知道，活性炭是一種在全球范圍內用來做嗅味去除的材料，它對有些嗅味物質是有效的，但是對于硫醚它的去除效果很差，那用什么方法好呢？

臭氧可以氧化去除幾乎所有的致嗅物

我們后來就發現，像硫醚類是一種還原性比較強的物質，用氧化方法可以有效地去除。但是要想把這些十幾種物質都同時去掉，真正有效的方法就是用臭氧。因為大家知道，臭氧的氧化能力很強，它可以把很多的有機物都有效地去除。

上海飲用水嗅味合格率變化圖

因此，我們和上海自來水界的同事們一起，終于把嗅味的原因物質基本上搞清了，同時也找到了一個有效的解決方案，讓上海人民喝到了更加可口的水。但是事情到此并沒有結束，新的問題又出來了。

有時候，水太清也成了問題

2010年，上海市政府為了解決飲用水水源的水質問題，他們決定在上海青草沙，也就是在江心建了一個水庫，叫青草沙水庫。

青草沙水庫

這個水庫容量非常大，它建成以后，能夠作為上海市60%以上的飲用水水源，這是一個皆大歡喜的事。但是隨著這個水源的使用，從2010年啟用開始，就發現新的問題出來了：飲用水又產生了嗅味。

卷土重來的土霉味

這個味道就是剛剛說的2-甲基異莰醇，它是一股土霉味，主要是由藻類產生的。

那什么樣的藻會產生這種味道呢？我們經過藻種的分離和鑒定，發現了假魚腥藻是主要的產嗅藻。這種藻它是一種絲狀藻，比我們常見的微囊藻和小球藻大得多。它的體積大，所以主要是在水底下生長。那我們就想，這個藻主要在這個水庫的什么區域來生長的？

上圖就是青草沙水庫，這個白色的柱子就是它的嗅味物質濃度。大家可以看到，它主要在水庫的北邊出現。

為什么在北邊呢？因為我們知道長江的水很渾，它進入水庫的時候還是渾濁的，但是慢慢進入水庫以后，隨著流速的降低，那些渾濁的物質會沉下去，導致水變清。

在北邊因為水比較淺，所以水流速就慢，這樣一來就變得更加清了，這就給在底部生長的這些藻創造了很好的水下光照的條件，這些藻就長起來了。因此我們要想控制它，就必須要改變北邊水底下的光照條件。

那怎么改變呢？我們就提出來了一個方法，加大水庫排水閘的開度，讓排水排得更快。這樣一來整個水庫的流速就快了，北邊這一塊的濁度也會提升。整個水庫濁度分布的調整，就會導致這些藻類高發的區域的光照條件變差，這樣藻的生長就會受到抑制。

當我們把這個水庫流量提升50%的時候，藻的生長就得到了有效的控制。相比于2019年沒有控制的時候，2020年嗅味物質濃度就能降低80%以上，這樣就大大地降低了水廠的壓力和使用的活性炭的量。

這個問題解決以后我們很開心。但是因為水庫是一個開放型的水體，它是一個生態系統，你今天控制它了，明天可能又有新的問題出來。所以跟產嗅藻的斗智斗勇也不是一朝一夕的事，這是一個長期的任務。所以我們現在還在跟上海供水界的朋友們、同事們一起在合作，在繼續關注水庫會發生一些什么樣的新情況。

自來水變黃了怎么辦？

接下來，我講講和水的顏色有關的事。當時，北京還沉浸在成功舉辦08年奧運會的喜慶氛圍，突然部分小區出現了黃水，而且出現黃水的小區面積越來越大。

這種黃水跟我們日常生活中間遇到的偶爾發生的黃水不一樣，它是你放幾分鐘、放幾個小時都放不干凈的水，即使今天放干凈了，明天還會有。它會持續很長時間，所以這就導致了社會上廣泛的關注。

2008年10月，北京市從河北應急調水遭遇“黃水”

這是什么原因導致的呢？其實當時北京的水源已經非常緊張，所以從河北買了3億噸的優質飲用水。但進了北京以后，就發生了河北的水和北京的管網“水土不服”的現象。

為什么會出黃水？其實就是因為我們的管網都是用的金屬材質，尤其是鐵質的、鋼質的這種管道。這些管道在長期使用的過程中間，它的內部會產生一些腐蝕，這些腐蝕產物我們叫管垢。這個管垢它平時可能沒問題，但是一旦有水質變動的時候，它會不適應，這些管垢可能就釋放出來，導致產生黃水。

那為什么有的地方出黃水，有的地方不出黃水呢？后來我們就跟自來水的同事們一起開展了大量的分析。我們把管網挖出來，然后來分析它的管垢成分。

我們就發現，當管網是通地表水的時候，管道它本身就能產生一個比較致密的管垢。這種致密的管垢比較穩定，即使是河北水來，它也不會釋放出黃水。但是以前用的是地下水的管道，它的管垢比較稀薄，不能形成致密的管垢，也就不能形成保護。所以通地下水的管道，是導致黃水產生的一個主要的原因。

當然了，從河北借的3億噸水很快就沒了，我們更嚴峻的考驗在后面。因為當時國家正在實施南水北調工程，北京市過幾年就要大量地接收丹江口來的水，就是從長江流域來的水。如果南水北調的水來了以后再產生這種黃水的話，就會造成極大的影響。

所以為了能夠安全地利用好千里迢迢運來的丹江口的水，我們一定要做好預案，所以我們北京自來水的同事們就想，應該提前把北京管道和丹江口的水源進行對接。

從北京市管網挖取管道

因此，我們在北京的很多供水區挖了大量的管子。

管網模擬裝置

挖了以后把它們送到丹江口，在丹江口市建了一個管網模擬實驗基地。然后就看丹江口的水到底對哪些管道是穩定的，對于哪些管道是不穩定的，我們要對它進行一個全面的評估。

這個評估的結果，我們把它畫成了一張北京管網黃水敏感區的分布圖。圖片里面綠色的部分就是低敏感區，所以大部分地方對于丹江口的水來說是低敏感度的，也就是說不太容易發生黃水。

因此，在2014年丹江口的水進京的時候，我們的方案就是優先地把丹江口的水用在這些低敏感區，其他地方慢慢地提高它的比例，這樣一來就避免了出現大面積的黃水。

至今為止（2022年），北京已經接收來自丹江口大概是40億方水，接收過程中間基本上沒有發生大面積的黃水。這個也就是我們通過大量的基礎研究，支撐了國家重大工程實施的案例。

沒有顏色、沒有味道的水就安全嗎？

剛剛說的是顏色、味道這種我們都能感知到的東西，我們覺得有問題就不會愿意喝。但實際上如果水沒有顏色、沒有味道，水就安全嗎？我們看不見的東西，有可能健康危害更大。

最典型的例子，就是飲用水的砷和氟的問題。砷和氟是在全球都廣泛存在的一個問題，在我們國家，主要在一些邊遠的農村有一些地下水高砷高氟的現象。

砷中毒（左）、氟骨癥（中）、氟斑牙（右）

它有什么危害呢？比如說氟，輕一點的叫氟斑牙。我們看有些人他牙質發黃，是抽煙了嗎？其實跟抽煙沒關系，就是因為他以前飲用的水里面氟超標了，所以就導致產生氟斑牙。然后嚴重一點的那就是氟骨癥，會導致骨骼變形。砷大家知道它的危害更大，它是毒物，嚴重的話可以導致你得癌癥。

所以砷和氟是全球關注的飲用水的危害污染物，也是我們一直在做技術研發的重要對象，國際上也做了大量工作，但它們一直是個難題。

為什么難呢？我舉個例子，比如砷的去除。傳統上，我們首先要把地下水里面的三價砷，先把它氧化成五價砷，五價砷才比較容易被吸附劑吸附。吸附飽和以后，還得用再生液劑再生，那再生過程中間又會產生一些砷的廢液。所以這個過程不僅工藝復雜，而且操作也很繁瑣，成本也很高，這導致傳統的除砷技術很難推廣應用。

我們曲久輝院士帶領的團隊，發明了這個叫“一步除砷”的方法，就是氧化和吸附同步發生。同時我們不用再生液，而是用原位包裹再生的方法。就是說飽和了以后，我在外面再加一層活性的物質，讓它在上面吸附，這樣就不產生再生液。

左：除砷反應裝置

右：除氟反應裝置

這個方法既簡便又安全，而且成本低。我們把這個低成本的技術變成設備，在全國進行了推廣應用。

左：除砷除氟技術用于農村扶貧工程

右：飲用水除砷援外項目（尼泊爾）

比如說在內蒙古，解決了貧困地區農村飲用水安全的問題，在扶貧工程中發揮了重要的作用。同時我們也把這個技術向“一帶一路”國家，像尼泊爾也在進行一些推廣。

制定中國飲用水標準

我們知道，飲用水的水質標準是非常重要的，因為它是保障我們飲用水安全的一個重要的依據，飲用水達標不達標，是跟飲用水的安全不安全是掛鉤的。由于我們國家缺乏一些基礎數據，所以國家標準的制定以往都是參照像美國、日本他們的標準，然后我們借鑒過來，這樣就形成中國的標準。

全國水質調查

但中國作為這么一個大國，我們國家有這么多特殊的條件，我們不能永遠借鑒別人的標準，必須有自己的標準，那首先就要有我們自己的基礎數據。

所以在國家水專項這一個大計劃的支持下，我們從“十一五”開始就在全國進行水質基礎數據的調查。我們跑了全國大小河流水源地，在大小城市都做了大量的調查，把全國的水質數據進行了搜集整理。

全國范圍高氯酸鹽濃度示意圖

我們就發現，像一些叫高氯酸鹽、乙草胺的這樣的物質，以前我們的標準里沒有提到，但是在我們的水源里面存在，并且在部分水源里面濃度是偏高的。那這樣的物質對人體健康有沒有風險？

健康風險評價結果示意圖

所以我們也開發了一些健康風險評價方法，用這個方法來評價某種物質對我們健康危害到底有多大。通過這種方法，我們發現這兩種物質確實是風險偏高的，因此在新的國標修訂的時候，我們就把這兩種物質納入到我們的國標里去了，這也是世界上第一個包含了高氯酸鹽標準的標準。

這個新的標準今年（2022年）已經發布了，將來就要執行。也就是說，我們中國終于有了第一次依據自己的數據來制定的標準，這個標準能更好地根據我們國家實際的水質條件來進行水質的管控。

當然，水質標準可以把我們日常的、一般情況下的水質安全管理好，但是我們也知道，水源有時候還有些突發事故。

生物預警系統原理示意圖

那應對突發事件的時候，我們怎么辦呢？我們也開發了一個生物預警系統。它的主要原理是利用小魚，一種體積非常小的，名叫“稀有鮈鯽”的一種中國的特有魚種。

我們把它放到小池子里，利用魚對一些有害化學物質的回避行為來判斷，并把它的行為通過信號記錄下來。當它行為發生異常的時候，我們就認為水里可能有毒物，就要發出預警。我們把它做成了設備，然后在全國進行推廣應用。

為人類命運共同體服務

到目前為止，我們的這些包括水源修復、嗅味控制、除砷除氟以及生物預警等等技術，已經在全國100多個城市得到應用，涉及人口接近2億。能夠為全國人民服務，我們也感到非常榮幸。

多項技術應用示意圖

在服務國家的同時，我們也想這些技術正好也是“一帶一路”沿線國家需要的技術，我們也要為他們、為人類命運共同體做出貢獻，所以我們也在斯里蘭卡等國家開展了一些技術的推廣應用。

斯里蘭卡不明原因腎病地形圖

比如說斯里蘭卡有一種病，叫“不明原因腎病”。關于這個病世界衛生組織（WHO）也做了專門的調查，但是沒有查出原因。后來他們找到我們，我們就組織了多學科的，包括醫學的、公共衛生的、環境科學的專家一起來開展大量的研究。

我們初步發現，這些發病區地下水里面的氟和鈣的含量比較高，這個聯合作用可能是導致腎病高發的一個原因。

電滲析技術裝置

這個原因找到以后，我們又開發了把鈣和氟同步去除的這種叫大通量電滲析技術。把這個技術在當地進行了示范應用，當地老百姓很歡迎，政府也很高興。因為使用成本很低，他們就把這個技術列為應對腎病的一個優選技術，準備在斯里蘭卡進行推廣。

2019年，緬甸工程現場勘測

同時，緬甸農村衛生條件比較差，缺乏比較清潔的水源，所以我們國家駐緬甸大使館就找到我們，說能不能幫他們解決這個問題。因此，我們也把我們實驗室建立、開發出來的生態水源地構建技術用在緬甸的皎漂地區，做農村飲用水水源地的一個示范工程。

水源地塘凈化技術示范工程設計圖

這個工程我們已經把方案做好了，然后我們正在跟當地的央企一起合作，委托他們來幫我們做工程的實施，可能今年年底就能通水。

我們希望今后這樣一些類似的工作，能夠更多地向“一帶一路”沿線國家推廣，服務人類命運共同體，也支持我們的一些技術、一些標準走出去。

我的報告就到此結束，非常感謝大家能聽我的報告，也非常榮幸我能從事飲用水安全這樣一個研究，能為我們國家的飲用水安全、為我們老百姓的飲用水安全貢獻自己的一點力量。

謝謝大家！

本文經授權轉載自格致論道講壇（ID：SELFtalks），如需二次轉載請聯系原作者。歡迎轉發到朋友圈。

Guokr

7月29日晚19點，果殼x計客 聰明玩具專場來啦！

十幾款聰明玩具任你選！新品：超級翻轉棋、密碼機，經典款：超級積木、井字棋、華容道。

這次暑假專場福利拉滿！全場滿2件減20，滿3件減30，滿4件減40！還有滿贈、抽獎發不停！

暑假還沒選到心儀玩具的朋友一定要鎖定這場直播！3-99歲的朋友都能選到你喜歡的！

一定一定要預約！！