饮用水是所有人的生活必需品。同美国、西欧和日本等发达国家一样, 我国也强制要求生活饮用水水质必须满足《生活饮用水卫生标准》 (GB5749—2006, 俗称“达标”) ^[1]。同时, 我国《地表水环境质量标准》 (GB 3838—2002) 和《地下水质量标准》 (GB/T 14848—93) 还对作为饮用水水源的地表水和地下水水质进行了严格的规定。这些标准的颁布和实施, 对保障居民的饮水和用水安全具有十分重要的积极意义。

我国现行《生活饮用水卫生标准》 (GB5749-2006) 中规定的水质指标多达106项, 其中包括微生物指标6项、毒性指标74项、消毒剂指标4项、放射性指标2项及感官性状和一般理化指标20项。由于致病微生物、有毒有害无机物和有机物、放射性物质对人体可能造成直接或间接危害, 一般而言, 这些物质在饮用水中的浓度越低, 饮用水越安全 (即便如此, 过分追求低浓度既不经济也无必要) 。消毒是饮用水处理最为重要的工艺单元。但由于消毒剂本身存在的潜在健康危害和致臭/味作用以及与前驱物作用生成消毒副产物等原因, 在保证消毒效果的前提下, 消毒剂浓度越低越好。对感官性状和一般理化指标进行规定, 主要并不是基于其毒性或健康危害性, 而是基于人群对这些指标或者其导致的后果 (如管道腐蚀) 的接受程度, 包括色、臭、味、口感、结垢和器物染色等^[2]。一般而言, 低色/臭/味、不结垢、不造成器物染色的饮用水更容易被人接受。但口感却具有很大的主观性。特别是由水中的溶解性固体引起的口感, 只有当这些离子 (如氯离子、硫酸根、钠离子、钙/镁离子等) 浓度非常高时, 大多数人群在口感上才不能接受。

随着生活水平的不断提高, 人们对饮用水 (特别是饮水) 的品质提出了更高的要求。除了安全以外, 还关注饮用水的口感、健康性和营养价值。饮用水中存在的许多元素是人体所需的必要元素, 包括钙/镁、硒、铜、锌和氟等。世界卫生组织 (WHO) 给出了这些必需元素每日摄入量的建议值, 当摄入量长期低于建议值时, 容易出现身体疾病或者不适。WHO还给出了当这些必要元素在饮用水中浓度过高时的口感问题和健康危害。

WHO在其Guidelines for Drinking-water Quality (4^th edition) ^[3]及附属文件^[4]中, 给出了如下观点:

(1) 总溶解固体 (TDS) :饮用水中的TDS主要包括钙/镁、钠、钾等阳离子和碳酸氢根、氯离子、硫酸根等阴离子。一般认为当TDS浓度低于600mg/L时水的口感 (palatability) 为好, 而当TDS浓度高于1 000mg/L时口感变差, 且浓度越高口感越差。饮用水中TDS浓度很高时, 还会导致热水器、开水壶和其他家用电器的结垢问题。

(2) 硬度:饮用水中的硬度主要由钙离子和镁离子贡献。很多人能够感觉到饮用水硬度的变化。不同人群对饮用水硬度的接受程度差异很大, 部分人群能够接受硬度超过500mg/L的饮用水。受水中共存阴离子类型的影响, 钙的“味”阈值在100~300mg/L之间。镁的“味”阈值很可能比钙的要低。根据年龄、性别的不同, 人体所需钙摄入值 (Adequate Intake, AI) 从210 mg/d (0~6个月婴儿) 到1 300mg/d (9~18岁儿童和青少年) 不等, 而人体所需镁估算摄入平均值 (Estimated Average Requirement, EAR) 从80mg/d (1~3岁幼儿) 到350mg/d (>50岁的男性) 不等。

(3) 硒:硒是人体必需的微量元素。FAO (联合国粮农组织) /WHO建议婴儿和儿童每日硒摄入量为6~21μg, 青少年和成人为26μg至35μg不等。全球很多地方的人群都存在略微缺硒的状况。谷物、肉类和鱼是大多数人硒的主要来源。饮用水对硒摄入的贡献很小。缺硒可能有一些潜在的不利影响, 但影响程度与身体和营养状况密切相关。严重缺硒可能会引发心肌炎 (Keshan病) 、软骨营养障碍 (KaschinBeck病) 和部分种类的癌症。过量摄取硒也会对人体健康造成不利影响或者导致一些特殊疾病, 但同样也与身体和营养状况密切相关。主要健康危害包括胃肠功能失调、皮肤变色、蛀牙、脱发、指甲异常和影响末梢神经等。FAO/WHO确立的最高允许硒摄入量为400μg/d。假定饮用水提供20%的硒摄入量, 饮用水中硒的最高允许浓度为40μg/L。

(4) 铜:铜是人体必需的微量元素。正常人群有自动维持体内铜元素平衡的机能。但如果铜元素摄入量过大, 这种平衡可能会打破。WHO确立的最高允许铜摄入量为10mg/d。铜的摄入主要来源于食物。但如果使用铜质管道, 饮用水中可能会含有一定浓度的铜离子。当饮用水中铜离子浓度较高时, 可能会引起肠胃不适。当饮用水中铜离子浓度大于2.5 mg/L时, 会带有苦味。为了防止铜的过量摄入, 饮用水中铜离子的浓度不应超过2mg/L。但当饮用水中铜离子的浓度高于1 mg/L时, 会导致卫生器具和衣物染色。建议饮用水中铜离子浓度不高于1mg/L。

(5) 锌:锌是人体必需的微量元素。成人的每日需锌量为15~20 mg。食物是锌摄入的主要来源。地表水和地下水 (饮用水源) 中锌的浓度很少能分别超过0.01mg/L和0.05mg/L。当使用镀锌管时, 饮用水中锌的浓度可能较高。但即便如此, 也无需从健康角度对饮用水中锌离子的浓度进行限定。联合国粮农组织和世界卫生组织下的食品添加剂联合专家委员会 (Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives, JECFA) 建议的每日最高允许锌摄入量为1 mg/kg体重。但当饮用水中锌的浓度高于约4mg/L时, 会有涩味;高于3~5mg/L时, 会呈现乳白色, 煮沸后会在水面形成油脂状膜层。建议饮用水中锌离子浓度不高于3mg/L。

(6) 氟:有关“氟是否为人体必需的元素”尚无定论。WHO将氟列为“低剂量时人体可能必需但有潜在毒性的微量元素”。氟的毒性危害包括对人体肌肉骨骼系统的不利影响 (氟骨病、易骨折等) 、对神经系统的不利影响 (如智力缺陷) 、内分泌干扰效应和致癌风险等, 但一般不将氟对牙齿的不利影响 (氟斑牙) 列为毒性危害, 而列为影响美观 (cosmetic effect) 。当氟摄入量大于6mg/d时, 即存在对人体骨骼造成不利影响的潜在风险。氟的摄入来源很广泛, 包括食物、空气中的悬浮颗粒物、以含氟地下水为水源的饮用水及茶叶等。地表水中氟离子的浓度通常低于0.5mg/L。西方统计结果表明, 当饮用水中的氟离子浓度在4 mg/L左右时, 儿童罹患严重氟斑牙的比例约为10%, 而当氟离子浓度为2mg/L左右时, 儿童罹患中度氟斑牙的比例约为15%。即使当氟离子浓度在1 mg/L左右时, 儿童患轻度氟斑牙的比例可达10%以上。但轻度氟斑牙是否影响美观仍有争论。WHO建议的饮用水中氟离子浓度的最大值为1.5mg/L, 并且建议当其他来源的氟元素摄入量大于6 mg/d时, 应降低饮用水氟离子浓度的允许最大值。同时, 目前有足够的证据表明, 人体摄入一定量的氟元素可以预防龋齿。可以人为往自来水中加氟, 加氟量通常在0.5~1.0mg/L。为了有足够的防护效果, 饮用水中的氟离子浓度需在0.5mg/L以上。

(7) 钠/氯离子/硫酸根:在室温下, 钠离子、氯离子 (咸味) 和硫酸根的味阈值分别在200 mg/L左右、200~300mg/L和250~1 000mg/L。食盐 (而不是饮用水) 是人体摄入钠离子和氯离子的主要来源。没有充足的证据证明高血压与饮用水中的钠离子浓度存在相关关系。地下水源饮用水中的硫酸根浓度可能很高。此时, 饮用水可能成为人体摄入硫酸根的重要或主要来源。当饮用水中硫酸根离子浓度高达1 000~1 200 mg/L时, 会有一定的润肠通便作用, 但不会引起拉稀。无需从健康角度对饮用水中的钠离子、氯离子和硫酸根离子浓度进行限定。建议饮用水中钠离子、氯离子和硫酸根离子浓度分别不高于200mg/L、250mg/L和250mg/L。

WHO并未强调水的健康性, 而更多关注水的口感以及“必要元素”浓度过高时的潜在危害。根据上述WHO的观点, 人体所需的大部分必要元素的主要来源不是饮用水而是食物。当一些必要元素的摄入量过大时, 反而对人的健康造成危害。在世界各地, 人的生活水平和膳食及行为特点不同, 饮用水中必要元素的适宜浓度范围也不同。当从食物中的摄入量较大时, 在饮用水中的“适宜浓度”则应该较小, 否则可能会超过最大容许摄入量。当一些必要元素在饮用水中的浓度过大时, 会降低饮用水的口感或造成其他感官问题 (如结垢、器物染色等) 。

但WHO认为饮用水能在一定程度上为人提供营养, 主要体现在钙/镁元素的摄取。这主要是因为人体对钙/镁元素的需求量大。全球有较大比例的人群长期处于缺钙/镁状态。特别是对那些因高血压、心脏病而服用利尿剂从而导致镁过度排泄的特殊人群, 缺镁状况突出。奶制品是钙的重要来源, 而奶制品、蔬菜、水果、谷物、坚果则是镁的重要来源。当奶制品或其他重要食物摄入量不足或阳光照射不足时, 更易导致钙/镁缺乏。健康人群有自动排放过量摄取钙/镁元素的机能。因此, 无论是对钙/镁缺乏人群还是正常人群而言, 饮用水都是非常重要的、有益的钙/镁元素摄入来源。饮用水补充的钙可占总摄入量的15%~20%。此外, 饮用水中的钙/镁元素大都处于溶解的离子状态, 对人体吸收非常有利。

同时, 许多研究表明饮用水存在健康性。在其所著专著^[5]中, Martin Fox认为水的健康性主要与硬度 (钙/镁离子浓度) 、TDS、pH值等综合性水质指标存在相关关系。流行病学研究表明, 根据统计结果, 在适宜的钙/镁元素摄入量范围内, 摄入量越大, 人群罹患心血管疾病和高血压的风险就越小 (最多可降低10%) , 癌症的死亡人数也会减少 (最多可减少25%) 。此外, 一些研究也发现终身维持对钙的高摄取可以保持骨组织的高密度、减少骨折的发生。因此, 含有适宜浓度钙/镁元素的饮用水较缺乏钙/镁元素的饮用水更健康。但钙/镁等硬度离子与水的健康性可能并不存在因果关系。其机理可能是当水中的主要元素 (如钙和镁) 缺乏时, 会更多地吸收水中的非主要元素 (如铅) , 从而导致蛋白质或酶的机能障碍。动物试验表明, 硬水要么阻碍了有害成分的吸收, 要么阻止了有害物质发挥作用。水的健康性与TDS也存在正相关关系。这是因为在一般情况下, 水的TDS值越大, 钙/镁离子浓度越高。同酸性水相比, 碱性水更健康。这主要与水的腐蚀性有关。酸性水的腐蚀性更强, 能够溶解管道材料中存在的有毒有害物质 (如铅和镉) 。

Martin Fox认为健康饮用水的理想硬度为170mg/L左右, 理想TDS值为300 mg/L左右, 理想pH值为偏碱性^[5]。若为包装水, pH值则不重要。日本也在其饮用水卫生标准的非强制性补充项目 (共26项) 中, 建议饮用水中的钙/镁离子硬度应有下限, 适宜范围为10~100 mg/L^[6]。相应地, 总溶解固体也有下限, 适宜范围为30~200mg/L。

当然, 钙/镁元素在饮用水中的浓度不是越高越好, 其“适宜”范围主要取决于其口感。如前所述, 饮用水的口感具有很大的主观性。研究表明, 一般人群对钙离子的“味”阈值很宽, 在100~300mg/L范围。一般人群对镁离子的味阈值可能比钙离子略低。钙/镁元素在健康饮用水中的浓度值应低于其相应的味阈值。

相比于西方人群, 我国大部分人群的乳制品消费低, 使得食物来源的钙/镁摄入量偏少。同时, 我国还有烧开水的习惯, 水钙耗损大。若供水中钙缺乏的话会使全民对钙的摄取严重不足。特别是, 众多流行病学研究已表明水的健康性与TDS和硬度之间存在显著的正相关关系。因此, 将水中钙/镁离子浓度列为饮用水的健康指标在我国和其他东方国家具有非常重要的现实意义^[7]。

以氟为代表的卤素元素, 性质活泼, 都是机体必需但又很容易中毒的元素。WHO提出为防止龋齿, 氟应该在0.5mg/L以上。在我国, 防止龋齿主要依赖含氟牙膏。然而, 研究人员发现^[8], 在重庆, 供应纯净化直饮水的学校 (氟平均浓度为0.1 mg/L) 较未供应纯净化直饮水的学校 (氟平均浓度为0.3mg/L) , 儿童身高滞缓和龋齿增加现象都更严重, 回归分析显示与氟的关联性最强, 说明儿童发育阶段对水氟具有更高的需求。但也有研究显示营养不良地区儿童对水氟导致的氟斑牙敏感性增强。因此, 为了提高饮用水的健康性, 应确保其中含有一定浓度的氟。但WHO建议的0.5 mg/L氟浓度水平, 在我国是否适用或者过高, 仍需开展广泛深入的研究。

在我国, 以反渗透膜为核心技术的家用净水器日渐普及。高脱盐的反渗透膜及致密型纳滤膜能有效截留饮用水中可能存在的有机杂质, 从而进一步保障饮用水安全。但过量去除水中的无机离子, 特别是钙/镁离子、氟离子和微/痕量无机离子, 则可能会降低饮用水的健康性。从这个角度讲, 采用纳滤技术, 适当保留饮用水中钙/镁元素和TDS, 尽可能多地去除有机杂质和有毒有害无机离子, 不但提高了饮水的健康性, 在口感方面也可能更易被人群所接受。但针对纳滤对水中无机和有机杂质的去除效果以及饮用水“口感”的评价指标和标准, 则需做进一步的研究。

钙/镁、硒、铜、锌和钠等是人体所需的必要元素, 而有关“氟是否为人体必需的元素”尚无定论。食物是硒、铜、锌和钠等元素的主要来源, 饮用水中不必特意添加这些元素。人体对钙/镁元素的需求量大, 奶制品等食物以及饮用水都是钙/镁元素的重要来源。全球有较大比例的人群长期处于缺钙/镁状态。当奶制品或其他重要食物摄入量不足时, 更易导致钙/镁缺乏。氟的来源很多。氟的摄入量过大, 容易中毒或者形成氟斑牙。摄入一定量的氟, 则可以预防龋齿。在饮用水中保留或添加一定浓度的氟应根据地区环境、经济和膳食特点等因素决定。流行病学研究表明, 饮用水的健康性与钙/镁离子浓度和TDS值成正相关关系。钙/镁离子浓度和TDS值越高, 人群罹患心血管疾病和高血压的风险越小, 癌症死亡率也越低。终身维持对钙的高摄取可以保持骨组织的高密度、减少骨折的发生。在确保饮用水“口感”的前提下, 健康的饮用水应含有适当浓度的钙/镁离子和总溶解固体 (TDS) 。