利用水-环境-健康的关系来描述可持续的水净化解决方案

【字体: 时间:2025年02月03日 来源:Nature Communications

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  新出现的令人关注的化学品威胁健康和环境,因此必须进行有效的水处理。本研究阐明了水-健康-环境的关系,并提出了使饮用水与健康和可持续性目标保持一致的方法。

  

整合水 - 环境 - 健康关系,探寻可持续水净化方案 —— 哈工大深圳研究成果解读


哈尔滨工业大学(深圳)城市水资源与环境国家重点实验室的研究人员 Yu - Li Luo、Xu Wang 等人在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Leveraging the water - environment - health nexus to characterize sustainable water purification solutions” 的论文。该论文聚焦于饮用水中新兴关注化学物质(CECs)对公共健康和环境的威胁,通过多方面研究提出了可持续的水净化解决方案,对于保障饮用水安全、促进环境可持续发展具有重要的理论和实践意义。

一、研究背景


在过去几十年里,化学领域的进步使化学品的使用量和种类大幅增加。在美国和欧洲等有数据统计的地区,当前市场上约有 75,000 至 140,000 种化学品,2017 年全球化学品销售额超 5.6 万亿美元,预计到 2030 年可能翻倍。然而,这一发展也导致饮用水源受到复杂化学品混合物的污染,这些污染物在时空上存在差异,对公共健康和环境构成了严重威胁。

众多新兴关注化学物质,如农药、工业添加剂、药品、个人护理产品和消毒副产物等,越来越多地在饮用水和血清样本中被检测到。由于这些化学物质在极低浓度(从纳克到微克每升)下就能产生有害生物效应,人们对其暴露风险的担忧日益加剧。

随着饮用水水质的变异性和复杂性增加,需要采用多种水处理技术。传统处理方法包括曝气、快速砂滤、混凝、沉淀和过滤等,而先进技术则有碳过滤、高级氧化、脱盐和膜过滤等。但这些技术在实现可持续性方面存在诸多问题,如依赖化学添加剂、能耗高、环境排放量大、运行要求苛刻,且通常需要大型集中式基础设施、大量资金投入、专业工程技术和广泛的处理设施。此外,水处理过程中大量使用化学品还会加剧污染问题,例如形成有害的消毒副产物,增加健康风险和环境污染。

基于自然的解决方案,如河岸过滤(RBF),利用土壤过滤和生物降解等自然过程进行饮用水净化,具有减少对能源和化学密集型处理的依赖、提高可持续性和降低运营成本等优势。但地下水中大量存在的 CECs 往往需要额外处理才能满足饮用要求。反渗透(RO)能有效去除多种 CECs,已与 RBF 结合进行试点研究,显示出在不影响公众健康的情况下减少化学药剂用量和成本的潜力。然而,目前 RO 膜对目标污染物的选择性不足,导致能耗较高,特别是在去除低分子量中性带电化学污染物时。因此,全面了解这些水处理实践的系统影响对实现可持续性至关重要,但目前这方面的研究仍有限。

二、研究材料与方法


(一)模拟 CECs 的出现和去除


研究选取了荷兰 Kamerik 的一家饮用水生产厂,该厂采用两种并行的水处理工艺。通过广泛的文献综述,收集了 93 种 CECs(包括 41 种农药、19 种工业化学品、17 种药品、7 种抗生素、5 种消毒副产物和 4 种个人护理产品)在源水中的浓度数据。为估算一系列处理后的残留浓度,将初始浓度乘以累积去除率。该建模方法通过与大量基于实验的文献对比进行了严格评估,以增强研究结果的准确性和可靠性。

(二)模拟饮用水消费相关的人类健康风险


采用定量环境风险评估框架,运用添加剂模型估算饮用水中各种 CECs 的风险。由于缺乏 CECs 之间详细的相互作用数据,添加剂模型假设多种污染物的综合效应等于其个体效应之和,这种简单性使得在现有毒性信息基础上能更直接地进行风险评估。同时,将添加剂模型的混合物毒性估计结果与主导模型和乘法模型的结果进行比较。使用伤残调整生命年(DALYs)量化因饮用受污染水而导致的人类健康负担,DALYs 能综合衡量因过早死亡和残疾而损失的健康生命年数。具体计算使用基于电子表格的 USEtox 模型,该模型基于科学共识来表征化学品对人类和生态毒理学的影响,本研究仅关注通过饮用水直接摄入的情况。

(三)生命周期清单数据获取和影响评估


按照 ISO 14040 标准评估每个水生产系统的生命周期环境影响,功能单位定义为在 25 年运营期内生产 1 立方米饮用水。分析主要集中在运营阶段,排除设施建设和退役阶段,因为与长期运营相比,它们的影响较小。比较两种水生产系统时,纳入了前台过程(如水生产、RO 浓缩液处理和污泥处置)和后台过程(包括现场和非现场前台过程中能源、化学品和其他材料的使用)。运输相关影响被排除,假设所有系统的运输距离相同,且每个服务区约有 50 万居民。前台库存数据主要来源于文献,后台库存数据则取自 Ecoinvent 数据库,并根据研究地点选择反映当地电力结构和特定材料及能源输入的数据。利用 Hierarchist ReCiPe 2016 中点法版本 1.01 的特征因子,将生命周期清单输入和排放转化为 10 种环境影响类别进行分析。

(四)评估 RBF - RO 在其他国家的应用


分析 136 个国家和地区的能源结构,评估特定地点的电力结构对 RBF - RO 系统环境性能的潜在影响。这些国家覆盖了非洲、美洲、大洋洲和欧洲等地区,代表了全球 90% 以上的人口,确保了分析的代表性和全球相关性。每个国家的发电生命周期清单数据来自 Ecoinvent 数据库中的预定义单元过程,将其整合到 LCA 模型中,以便全面分析和比较不同发电结构对 RBF - RO 水处理系统环境结果的影响。

(五)变异性、不确定性和敏感性分析


采用蒙特卡罗(MC)模拟来量化输入的不确定性,探索每个水处理系统相关的健康疾病负担估计中的潜在变异性和不确定性。为每个输入参数分配概率分布,由于数据稀缺,部分参数采用三角分布。通过 10,000 次 MC 迭代得到的结果分布,比较中心趋势结果与第 5 和第 95 百分位数的变异性,使用均值及其 95% 置信区间反映估计中的固有不确定性。通过对关键模型参数进行敏感性分析,确定影响水净化实践中健康和环境效应趋势的关键因素。对于健康疾病负担,基于 MC 生成的模拟集,使用 Spearman 等级相关对癌症和非癌症疾病负担结果与输入参数(包括源水中 CECs 的流入浓度和 RBF 去除率)进行回归相关分析;对于环境影响评估,对 RBF - RO 系统的每个模型输入进行 ±20% 的系统变化,通过单因素敏感性分析观察对环境影响类别的影响,并制定敏感性系数。

三、研究结果


(一)水净化系统概述


荷兰 Kamerik 饮用水生产厂的 RBF - ET 系统包括生物除铁、干过滤、颗粒软化、离子交换、颗粒活性炭过滤和紫外线消毒等过程,处理来自莱克河附近井中的水。RBF - RO 系统则在 RBF 的基础上,利用 RO 过滤相同源水,并进行离子交换、再矿化、充氧和脱气等后处理以符合饮用水标准并改善口感。综合建模评估了这两种系统对 93 种 CECs 的去除效率,建立的分析框架有助于深入了解不同水处理技术在减轻各种污染物存在方面的功效。

(二)每个水生产系统中与 CECs 相关的模拟疾病负担


通过量化年度暴露于参考 CECs 的伤残调整生命年(DALYs),评估替代处理系统饮用水中 CECs 相关的癌症和非癌症疾病负担。世界卫生组织设定饮用水中可容忍的健康风险上限为 DALYs person year 。分析表明,源水的癌症风险 MC 模拟中 0%、非癌症风险中 11% 的结果符合该标准,凸显水处理的必要性。RBF - ET 系统的癌症风险模拟中 0%、非癌症风险中 100% 符合标准,说明其对非致癌风险有有效缓解作用。而 RBF - RO 系统在癌症和非癌症风险的所有 MC 模拟中,疾病负担均 DALYs person year 。从 RBF - ET 系统转换到 RBF - RO 系统,100% 的癌症疾病和 85% 的非癌症疾病的 MC 模拟显示出健康益处,表明从公共卫生角度看,采用 RBF - RO 系统可能更具优势。

(三)系统组件在降低疾病负担中的作用


研究评估了 RBF、ET 和 RO 三个基本系统组件对降低源水中 CECs 相关癌症和非癌症疾病负担的影响。结果显示,农药是导致非癌症疾病负担显著降低的主要 CEC 类别,随着处理过程的推进,其中位非癌症负担逐渐下降。而消毒副产物(DBPs)是导致癌症负担中位数下降的主要类别,其初始浓度较高,经过处理后癌症负担明显降低。尽管三个系统组件都有助于降低处理后水中 CECs 相关的疾病负担,但 RBF - RO 配置表现更优,其中位癌症和非癌症负担分别为 DALYs person year DALYs person year

(四)CECs 的暴露浓度、人体毒性因子和疾病负担


以 RBF - RO 系统处理后的饮用水为例,分析发现 CECs 的残留浓度与癌症疾病负担呈正相关,如氯仿和萘等,浓度较高时疾病负担也相对较高。同时,具有高毒性因子的 CECs 即使在处理后水中残留浓度较低,也会对癌症负担有重要贡献,如亚硝基二甲胺和邻苯二甲酸二乙基己酯,亚硝基二甲胺因毒性因子高,尽管残留浓度低,但导致的癌症负担明显高于邻苯二甲酸二乙基己酯,这表明在评估 CECs 的健康影响时,浓度和毒性都需考虑。

(五)整个水处理过程的环境影响


通过生命周期评估(LCA)发现,与 RBF - ET 系统相比,RBF - RO 系统在多种环境负担方面有显著降低,包括陆地酸化(降低 63%)、淡水富营养化(降低 23%)、矿物消耗(降低 16%)、化石燃料消耗(降低 14%)、海洋生态毒性(降低 14%)、淡水生态毒性(降低 12%)、臭氧层消耗(降低 5%)和全球变暖(降低 1%)。但 RBF - RO 系统的海洋富营养化潜力比 RBF - ET 系统高约 53%,这可能与上游膜生产和电力消耗过程中排放的含氮物质有关。此外,RBF - RO 系统的陆地生态毒性也较高,主要是由于单乙醇胺及其降解产物的大气沉积以及化学品和材料运输过程中卡车排放的重金属等因素。

(六)最小化不良影响的潜力


为减轻 RBF - RO 系统的不利环境影响,研究探索了提高材料效率和采用能量回收措施的潜力。假设膜科学和工程的进步可使 RO 膜寿命翻倍,同时考虑采用 Pelton 涡轮机从高压浓缩盐水中回收能量。结果表明,这些策略可使海洋富营养化潜力降低约 24%,还可能减少陆地生态毒性和其他环境影响。此外,将化学品和材料的运输方式从卡车改为更环保的船舶,可进一步使 RBF - RO 系统的陆地生态毒性潜力降低约 9%。

(七)在不同世界背景下对 RBF - RO 的评估


研究评估了 136 个国家 RBF - RO 系统的特定地点环境后果,发现不同国家的发电结构对其环境性能影响显著。加拿大和巴西等国由于采用可再生能源(如水电)发电,实施 RBF - RO 系统时环境影响得到有效缓解;而中国和印度的电力组成严重依赖硬煤,可再生能源占比极少,实施 RBF - RO 系统会导致全球变暖、陆地酸化和生态毒性等方面的影响加剧。不过,中国因采用了对环境破坏较小的煤炭技术,优化了煤炭燃烧并减少了等污染物排放,使得实施 RBF - RO 系统时的环境影响相对印度较低。澳大利亚由于电力结构中褐煤占比较大,导致水生生态系统的富营养化和生态毒性潜力升高。

(八)疾病负担和环境影响的敏感性分析


敏感性分析表明,疾病负担对特定 CECs 较为敏感,如萘、亚硝基二甲胺和亚硝基吡咯烷是癌症风险的主要贡献者,甲胺磷是影响非癌症风险的重要 CEC。疾病负担对 CECs 的流入浓度数据比对去除率数据更敏感,且去除率数据的敏感性受 CECs 毒性因子影响。在环境影响方面,RO 过程的回收率、膜组件的寿命、RO 单元中泵的能源效率以及再矿化过程中的利用等过程参数对环境结果有重要贡献。

四、研究结论与讨论


(一)研究结论


本研究通过综合多种数据集、假设和计算,评估了从源水中去除各种 CECs 对人类健康和环境的影响。研究发现,RBF - RO 系统在降低与 CECs 相关的疾病负担方面表现出色,所有模拟的癌症和非癌症疾病负担均低于 WHO 设定的可容忍限值,相比 RBF - ET 系统具有明显的健康益处。在环境影响方面,RBF - RO 系统虽在多数环境指标上有改善,但存在海洋富营养化和陆地生态毒性等问题,不过通过优化策略,如延长 RO 膜寿命、回收能量和改变运输方式等,可有效减轻这些负面影响。此外,地区能源政策和发电结构对 RBF - RO 系统的环境影响至关重要,采用可再生能源可显著降低整体环境影响。

(二)讨论


水质量对生命和健康至关重要,但目前受到严重威胁,CECs 的存在增加了公共健康风险。本研究建议采用因果框架,不仅关注残留污染物浓度,还应重视低暴露水平下高毒性 CECs 可能带来的疾病负担,建立利用毒性数据识别、优先处理和解决新兴化学污染物的框架十分必要。同时,考虑到污染物组成的场地特异性,根据不同地区的农业径流、城市化、工业排放和自然地质特征定制处理策略和监管措施,对于有效降低风险和保护公众健康至关重要。

尽管 RBF - RO 系统有诸多优势,但实施时需考虑地区特点,如气候、水文地质和初始水质等。在不同地区应根据实际情况选择合适的预处理或膜技术,以满足特定的水质挑战。此外,RBF - RO 系统的成本问题不容忽视,尤其是在发展中国家,需要综合评估成本和效益,权衡长期利益和成本,做出明智决策,确保水净化解决方案的可持续性和有效性。

研究还强调了发展综合水、健康和环境相互作用的整体方法的紧迫性。引入的水 - 环境 - 健康关系(WEALTH)方法,旨在系统地反映、建模和分析饮用水供应、人类健康和环境影响之间的变量和驱动因素,促进更可持续和全面的水处理解决方案。同时,需要更先进的建模工具,如结合实际过程建模、实时数据监测和反馈回路的模型,以提高对水处理系统动态变化的理解和预测能力。此外,在混合物毒性建模方面,目前采用的添加剂方法虽简单实用,但忽略了化学物质之间的潜在相互作用,未来研究应致力于改进混合物毒性建模技术,以更准确地评估新兴化学污染物对健康的影响。

本研究为政策制定、水处理策略选择和新兴化学污染物管理提供了重要的参考依据。通过全面了解不同水处理技术的广泛影响,政策制定者可以实施更有针对性和有效的监管措施;研究结果支持选择和优化水处理策略,WEALTH 方法为决策提供了系统框架。同时,研究也指出了未来研究的方向,如探索先进处理技术、评估新兴化学物质对生态系统的影响以及提高水处理系统的弹性和可持续性等,对于保护公众健康和生态系统具有重要意义。

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