飲水水質(zhì)科學(xué)研究的方向
目前，飲水水源受污染的情形日益嚴(yán)重，微污染水源中的無機(jī)物、有機(jī)物以及微生物等嚴(yán)重地威脅著人們的健康。與此同時(shí)，人們對(duì)飲水水質(zhì)越來越關(guān)心，瓶裝飲用水是暢銷市場(chǎng)。隨著人們生活水平不斷提高，健康意識(shí)不斷增強(qiáng)，水質(zhì)科學(xué)的研究會(huì)不斷遇到各種新的問題，這就為水處理工作者提出了更多的研究課題。綜合國內(nèi)外飲水水質(zhì)科學(xué)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展的趨勢(shì)，我們認(rèn)為，應(yīng)不斷加強(qiáng)飲水水質(zhì)科學(xué)的研究，特別是關(guān)于飲水安全和飲水健康的研究，以跟上形勢(shì)的發(fā)展。
一、研究內(nèi)容
1.宏觀研究
(1)關(guān)于飲水中所含微量無機(jī)離子的研究
目前飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中一些元素，只規(guī)定了最高限值卻沒有最低限值，那么理想的飲水中是否應(yīng)含有一定量的離子呢？醫(yī)學(xué)界的專家們認(rèn)為水中的微量元素，如鈣、鎂、鐵、碘等是人們不可缺少的營養(yǎng)元素，不主張喝純水、蒸餾水。而商界的某些公司則宣傳水中的這些微量元是微不足道的，營養(yǎng)可以從食物中獲得。
人們獲取的營養(yǎng)的確大多數(shù)是從食物中來的，即使對(duì)于人體必須的微量元素，人們通過飲水所攝取的營養(yǎng)也只占人體攝取的營養(yǎng)總量的很少的一部分（見表1）。問題在于我們的食物結(jié)構(gòu)能否保證取得應(yīng)有的有益元素與營養(yǎng)？食物中的這些有益元素與營養(yǎng)人體是否容易吸收？而水中的微量元素除了起到補(bǔ)充人體所需的鹽分的作用以外，是否還有其它的作用？
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過去的地方病往往發(fā)生在交通不發(fā)達(dá)地區(qū)。這些地區(qū)的人們常年喝當(dāng)?shù)氐乃，吃?dāng)?shù)氐募Z由于同一地區(qū)的水和糧食中有可能同時(shí)缺乏某種或某些有益元素，或同時(shí)含有某種或某些有害元素，因此容易致病。現(xiàn)在交通發(fā)達(dá)，商品得到流通，食物、飲料的產(chǎn)地不一，含無素各異。如果我們的食物結(jié)構(gòu)單調(diào)，不能保證獲得應(yīng)有的元素與營養(yǎng)，那么喝噸水、蒸餾水就會(huì)使缺乏的有益元素得不到補(bǔ)充，從而引起不良反應(yīng)（尤其對(duì)正在發(fā)育成長的兒童）。
同時(shí)我們還必須注意到，水中的微量元素除了補(bǔ)充人體必須的營養(yǎng)元素以外，可能還有別的作用。也就是說，即使我們的食物結(jié)構(gòu)能夠保證我們獲得應(yīng)有的元素與營養(yǎng)，飲用含有一定含量的礦物質(zhì)的水也有可能對(duì)我們的健康更加有益。
國外研究表明，水的硬度與心臟病死亡率有確定的關(guān)系：軟水地區(qū)心血管病死亡率比硬水地區(qū)高。這種關(guān)系也被我國學(xué)者所證實(shí)。
Sorenson J博士（醫(yī)藥化學(xué)家、礦物質(zhì)新陳代謝理論權(quán)威）認(rèn)為，飲用水中的礦物質(zhì)能很好地被吸收。他發(fā)現(xiàn)新陳代謝的主要金屬元素與非主要元素的比例極受水中主要元素?cái)?shù)量的影響，如果所需主要元素得到滿足，非主要元素就很少或不會(huì)被吸收，而是被排泄掉。也就是說，如果水中鈣、鎂含量也低，細(xì)胞就可能選擇鉛，從而造成傷害。
美國馬丁·？怂疾┦1996年在《健康的水》一書中，綜合了近年國外研究成果認(rèn)為：對(duì)于飲水，硬度的理想指標(biāo)是170mg/l左右；總?cè)芙夤腆w理想指標(biāo)是300mg/L。
由于以上的理論和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不受地域的限制，因此我們有理由認(rèn)為，水中的微量元素除了對(duì)人體進(jìn)行必要的補(bǔ)充以外，還可能具有其它的功能。研究水中微量元素所具有的對(duì)人體的營養(yǎng)補(bǔ)充功能和更深層次的功能，就成為一個(gè)重要的課題。
(2)關(guān)于水中有機(jī)物及毒理學(xué)方面的研究
水中有機(jī)物對(duì)人體的影響是積累的。一旦發(fā)現(xiàn)問題，往往已經(jīng)影響一代人的健康。新的有機(jī)物不斷合成，給環(huán)境帶來污染！庥袑W(xué)者反映，現(xiàn)在的研究都是單個(gè)有機(jī)物對(duì)人體的影響，如果考慮幾個(gè)有機(jī)物的綜合影響，可能是單個(gè)有機(jī)物的幾十倍危害，而這方面的研究很少。
現(xiàn)在國外又提出環(huán)境雌激素的問題，它主要包括環(huán)境有機(jī)污染物、工業(yè)化學(xué)藥品、人體合成雌激素和植物雌激素等，是能干擾體內(nèi)雌激素的合成、分泌、傳遞、鍵合和減弱作用的一種類激素。它的影響深遠(yuǎn)，怎樣防止與去除還有待研究。
在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，為了限定飲水中有毒有害的有機(jī)化合物對(duì)人體健康的影響，采取了逐項(xiàng)限定各種有機(jī)化合物濃度的方法，但卻沒有給出綜合性的指標(biāo)。這樣做，一方面由于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的速度總是滯后于化學(xué)品合成的速度，因而不可能將每種現(xiàn)時(shí)可能的有毒有害物質(zhì)都包括在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，另一方面，由于各物質(zhì)間的協(xié)同作用，因此不能排除所有有毒有害物質(zhì)的綜合作用具有對(duì)人體健康構(gòu)成威脅的可能性。
因此我們認(rèn)為，應(yīng)研究以綜合性指標(biāo)來衡量飲水中所含的微量有機(jī)污染物對(duì)飲水安全影響的可能性。可能的綜合性指標(biāo)有：代表飲水中有機(jī)污染物總量的TOC（或DOC），代表飲水中可生物降解的有機(jī)污染物總量的BDOC（或生物可同化的有機(jī)污染物總量AOC），以及評(píng)價(jià)飲水中微量有機(jī)物毒性的毒性學(xué)指標(biāo)Ames實(shí)驗(yàn)等。
(3)關(guān)于水中微生物的研究
水中微生物的污染，也是不斷發(fā)現(xiàn)，不斷研究出來的。如O-157大腸桿菌、軍團(tuán)菌、小隱孢子蟲、賈弟蟲等，并且由于環(huán)境污染加劇，還會(huì)新產(chǎn)生一些變異的細(xì)菌、病毒，危害人的健康。對(duì)于水中微生物及其防治方法，也應(yīng)不斷進(jìn)行研究。
2.關(guān)于水的微觀結(jié)構(gòu)的研究
對(duì)水質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，有些傳統(tǒng)觀念受到了沖擊。如超濾器用于燒開水鍋爐的水處理有防垢的功能。按理只要Ca2+離子和HCO-3離子的濃度高達(dá)CaCO3的濃度積，就應(yīng)該產(chǎn)生CaCO3垢，可是用超濾出水燒開水，水壺上只積松散的白色垢，用手就可以擦取。根據(jù)我們的分析，將自來水經(jīng)過超濾在反滲透膜上結(jié)的垢與自來水在反滲透膜上結(jié)的垢作X射線能譜分析(EDX)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超濾處理的水垢中的Al、Si、Ca、Fe元素含量顯著降低，分析認(rèn)為，可能是去除了絕大多數(shù)膠體，使結(jié)垢狀況改變。
目前日本提出“兀水”，奧地利出了一本《追蹤水的奧秘》的書，也提出活化水與健康。兀水資料中提到將金魚放在兀水中予以密封，而金魚仍能生存5個(gè)月之久，這是因?yàn)榻痿~利用了宇宙能量得以生存，水能將宇宙能量轉(zhuǎn)變?yōu)樯w的能源。資源還例舉了活化水對(duì)植物生長有利，雞飲用活化水多下收，人飲用了活化水某些疾病得到控制甚至痊愈。
而對(duì)這些資料，我們只能半信半疑。出現(xiàn)這些問題的原因，是由于已往水處理領(lǐng)域的研究都集中在水中的化學(xué)組分方面，如水中的微量污染物、無機(jī)離子等，對(duì)水本身的物理特性，即水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的研究則接近空白。
近年來，在物理學(xué)的理論研究中發(fā)現(xiàn)了在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子分子和凝聚態(tài)兩層次之間存在原水團(tuán)簇這一重要的現(xiàn)象，并由此發(fā)展成為一門新的學(xué)科——團(tuán)簇物理學(xué)。另一方面，有關(guān)飲水健康的研究表明，水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)很可能與人體健康有著直接的關(guān)系。水的微觀結(jié)構(gòu)開始引起人們濃厚的興趣。
原水分子團(tuán)簇，簡稱團(tuán)簇(cluster)或微團(tuán)簇(microcluster)，是由幾個(gè)仍至上千個(gè)原子、分子或離子通過物理和化學(xué)結(jié)合力組成的相對(duì)穩(wěn)定的聚集體，其物理和化學(xué)性質(zhì)隨所含的原子或分子數(shù)目的變化而變化。團(tuán)簇的空間尺度是一個(gè)納米到幾十個(gè)納米的范圍，用無機(jī)分子來描述顯得太大，用小固體描述又顯得太小。因此，人們把團(tuán)簇看成介于原子分子與宏觀固體或液體之間的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新層次。
水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)與人體健康的關(guān)系是在對(duì)水質(zhì)以及水在食品、飲料等工業(yè)中的利用的不斷認(rèn)識(shí)過程中逐步得到重視的。在日本清酒的研究過程中發(fā)現(xiàn)，陳年酒的風(fēng)味比未經(jīng)釀成的酒要醇美而不會(huì)宿醉。經(jīng)過化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，二者之間在酒精度、糧度以及其它組分方面都沒有什么差異，只是陳年酒的水的族群變小，也就是小的物理性質(zhì)有所不同。不久，在日本普遍地傳出族群小的水對(duì)于健康有益的說法。至于是否真的有益于健康，還有待于科學(xué)上進(jìn)一步的驗(yàn)證。
由于水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)可能與體健康有著密切的關(guān)系，而對(duì)于水的微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，又有可能使我們獲得對(duì)于水的性質(zhì)和功能的更深層次的認(rèn)識(shí)，因此，水的微觀結(jié)構(gòu)的研究，必將成為今后水質(zhì)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。
3.建立水質(zhì)指標(biāo)體系，正確反映水的特性
為了保證飲水安全，現(xiàn)有各種水質(zhì)指標(biāo)必須不斷地進(jìn)行修訂。我們認(rèn)為，現(xiàn)有水質(zhì)指標(biāo)中亟待研究和修訂的內(nèi)容，一是飲水中對(duì)人體有益的無機(jī)離子，必須有一個(gè)最低限值；二是對(duì)綜合性有機(jī)物指標(biāo)和TOC，DOC，AOC，BDOC等，必須有一個(gè)最高限值；三是必須建立評(píng)價(jià)飲水中有機(jī)物毒理學(xué)性質(zhì)的綜合性指標(biāo)。
同時(shí)，照顧到不同的需求層次，我們認(rèn)為，還應(yīng)當(dāng)建立各種水質(zhì)指標(biāo)體系，綜合反映水的各種特性，如健康水的水質(zhì)指標(biāo)，美味可口的水質(zhì)指標(biāo)等。
目前得到各方公認(rèn)的健康水的水質(zhì)指標(biāo)大體有以下幾點(diǎn)：
(1)不含有害物質(zhì)；
(2)硬度適中（大部分人認(rèn)為硬度應(yīng)高于50mgCaCO3/L而低于150mgCaCO3/L，美國的馬丁·？怂疾┦縿t認(rèn)為硬度的理想指標(biāo)是170mg/L左右）；
(3)含有適量的礦物質(zhì)，馬丁·？怂颊J(rèn)為理想的指標(biāo)是300mg/L左右；
(4)pH值偏弱堿性；
(5)含有碳酸離子（或說含有二氧化碳）。
除以上已獲得公認(rèn)的幾點(diǎn)以外，尚有一些未能達(dá)成共識(shí)或有待于進(jìn)一步研究的觀點(diǎn)，其中我們認(rèn)為爭(zhēng)議最大的就是水分子團(tuán)的大小，因?yàn)樗狈碚撋系闹С，同時(shí)各家在說法上分歧很大。現(xiàn)在有不少人認(rèn)為水分子團(tuán)越小越好，但是，我們?cè)谘芯克淖迦旱倪^程中發(fā)現(xiàn)，淋浴污水經(jīng)過膜一生物反應(yīng)器處理后，其水分子團(tuán)比某些水質(zhì)很好的山泉水的分子團(tuán)還要小。因此我們認(rèn)為，對(duì)于水分子團(tuán)的大小，有可能有一個(gè)合適的范圍，而不是越小越好。關(guān)于這一點(diǎn)還有待于進(jìn)一步更深入地研究。
除此以外，照顧到人們對(duì)水的口感的需求，建立美味可口的水的指標(biāo)體系也是一個(gè)值得研究的領(lǐng)域。
對(duì)于水質(zhì)指標(biāo)的具體形式，我們認(rèn)為，能否考慮建立一個(gè)關(guān)系值，載明各主要有益元素的含量與有害元素含量之比，還可以將TOC與毒理學(xué)指標(biāo)等列入其中。從這個(gè)關(guān)系值我們可以看出飲水中有益指標(biāo)與有害指標(biāo)各有多少，以取得一個(gè)對(duì)飲水的綜合性的評(píng)價(jià)。并以此為基礎(chǔ)，尋求建立一個(gè)衡量健康水的綜合性的指標(biāo)。
二、研究方法
隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，隨著各學(xué)科之間的相互滲透和融洽，隨著我們對(duì)飲水研究的不斷深入，單純依靠水處理領(lǐng)域研究人員的力量，已經(jīng)難以使水的研究跟上人們對(duì)飲水水質(zhì)需求的發(fā)展。因此，將物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)滲透到水處理領(lǐng)域中來，已成為歷史的必然。
對(duì)水的研究需要多學(xué)科的研究互相滲透，取長補(bǔ)短，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，共同作出貢獻(xiàn)。水處理工作者應(yīng)向化學(xué)、醫(yī)學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、生物學(xué)專家學(xué)習(xí)，去認(rèn)識(shí)水的微觀世界，才能跟上形勢(shì)。
對(duì)水的研究要從微觀著手，運(yùn)用現(xiàn)代化學(xué)、生物化學(xué)、生物物理學(xué)的基本原理去分析，同時(shí)還必須應(yīng)用當(dāng)代最新分析儀器研究它的形態(tài)、構(gòu)造。健康水的特征確定后，怎樣從現(xiàn)有水源將水處理加工成健康的水，則需要水處理學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、水生物學(xué)等學(xué)科共同努力。
我們相信，只要各學(xué)科專家團(tuán)結(jié)奮斗，必能為人們制造出健康的水！
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