利用海水淡化技术从海水中制取饮用水, 是目前许多国家和地区用于解决淡水资源短缺的重要途径。我国海岛开始海水淡化, 最早为上世纪80年代, 国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心首先在西沙永兴岛建成日产200m³淡水的电渗析装置;1997年在浙江舟山嵊山岛建成500m³/d反渗透海水淡化示范工程, 随后又在舟山岱山岛、嵊泗岛、蚂蚁岛、东极岛、六横岛等岛屿建成规模大小不同的海水淡化装置, 用于保障岛上居民、边防守军的饮用水供给问题。

近年来, 随着我国建设海洋强国战略的不断推进, 远离大陆海岛和远洋舰船也开展了大量海水淡化工作, 解决了淡水供应问题。但在远离大陆海岛和远洋舰船等特殊环境下, 实践中也暴露出人们对淡化水的使用性状满意度不高、长期饮用淡化水与人群健康的关注度较高等问题。笔者就我国南海某远离大陆海岛海水淡化项目为实例, 对反渗透海水淡化水的水质进行监测, 与上海市自来水水质监测结果进行对照, 以国家《生活饮用水卫生标准》 (GB5749-2006) 为主要评价依据, 分析二者水中离子的差异性, 探讨工程实践中淡化水中离子的重要性、长期饮用淡化水与人群健康的关系、淡化水中离子含量的干预措施等问题, 从而为促进我国海水淡化事业的发展提供参考。

该海水淡化项目位于我国南海远离大陆海岛, 属海洋性热带雨林气候, 常年高温、高湿、高盐雾。根据相关海洋水质调查报告, 该海域海水水质为一类海水, 海水盐度范围为32.32‰~32.64‰。该项目采用“海水→石英砂过滤→精密过滤→一级反渗透→二级反渗透→产品水→用户储水池”淡化处理工艺, 设计日产淡水量80m³。

根据《生活饮用水标准检验方法》 (GB/T 5750-2006) 要求, 对该项目的一级反渗透产水、二级反渗透产水进行了采样, 选取4项感官性状指标、14项一般化学指标、10项毒理指标等淡化水特征指标进行了检测。同时以上海市卫生和计划生育委员会发布的《2016年第二季度上海市二次供水水质监测结果》作为对照。检测结果见表1。

由检测结果可以看出:从海水淡化终端产品水的盐类和微量元素来看, 海水中的盐类经过反渗透淡化处理后, 均能达到生活饮用水卫生标准要求, 但部分指标检测结果远低于上海市自来水, 主要表现在淡化水的总硬度、氯化物、溶解性总固体、硫酸盐等明显偏低, 铁、锰、铜、锌等微量元素也偏低;从反渗透的除硼效果来看, 一级反渗透产水硼含量为1.36mg/L, 当未采取调节进水pH措施时二级反渗透产水硼含量为0.805mg/L, 均不符合《生活饮用水卫生标准》 (标准限值为0.5mg/L) , 当采取调节进水pH措施时二级反渗透产水硼含量为0.466mg/L, 因此采取调节二级反渗透进水pH措施是提高二级反渗透除硼效果的关键;从一级反渗透产水的检测结果来看, 除了pH、硼含量外, 其余指标均符合《生活饮用水卫生标准》要求, 并且水中的盐类含量更接近上海市自来水。

我国现行的《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 由国家卫生部和标准化管理委员会联合发布, 于2007年7月1日起实施。该标准的水质指标数为106项, 分为五大类:微生物指标、毒理指标、感官性状和一般化学指标、消毒剂指标、放射性指标。该标准明确规定生活饮用水水源为地表水和地下水, 并分别符合《地表水环境质量标准》 (GB 3838) 和《地下水质量标准》 (GB/T 14848) 要求。

依据我国船舶行业标准《反渗透海水淡化装置》 (CB/T 3753-1995) 规定, 淡化水水质除满足GB5749-2006外, 特别要求溶解性总固体 (TDS) <700mg/L。依据我国海洋行业标准《膜法水处理反渗透海水淡化工程设计规范》 (HY/T 074-2003) 规定, 反渗透装置产品水作为生活饮用水时, 可采用pH调节、消毒等方法, 使产品水最终符合GB 5749-2006的要求。

目前我国尚未针对海水淡化水作为生活饮用水制订相关水质卫生标准, 一般执行GB 5749-2006要求;并且必须满足海水淡化水中溶解性总固体 (TDS) <700mg/L要求 (主要考虑到海水淡化水中溶解性总固体 (TDS) >700 mg/L时口感会有咸味) 。由于国家《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 制修订依据的地理条件和水处理工艺等不同, 在工程实践中淡化水水质执行GB 5749-2006要求也就不能完全适用, 并暴露出了不少问题。

在人体组织体液中发现存在有60多种元素。研究表明, 碳、氢、氧、氮、钙、镁、钠、钾、硫、磷、氯等是人体必需的常量元素;铁、锰、铜、锌、铬、钼、碘、硒、氟、硅、钴、钒、锶、锂等是人体必需的微量元素。人们主要通过膳食和饮水摄取所需矿物元素。饮水中的无机物以离子形式存在, 易被机体吸收, 对调节人体酸碱平衡及预防消化、心血管、泌尿、神经系统等一些疾病具有重要的生理作用^[1]。

我国城市自来水普遍采用常规处理工艺, 该工艺强调是去除原水中有害物质 (天然有害物质和人为污染物) , 绝大部分对人体健康有益的矿物质得以保留。由于反渗透海水淡化技术高效的脱盐性能, 不仅有效脱除了海水中的有害物质, 也使得淡化水中对人体健康有益的矿物质大大减少, 长期饮用低矿化度淡化水可能引起人体营养成份流失, 造成健康损害。根据资料报道, 人体所需的矿物质元素约有25%由饮水供给。尤其对远离大陆的海岛和远洋舰船而言, 由于新鲜果蔬保障困难, 饮食结构相对单一, 人群易出现某种矿物质不足的情况, 加之长期饮用缺乏这些矿物质元素的淡化水, 不仅不能摄取可能还会把人体内已有矿物元素溶解进去而被排泄掉, 还可能会加速一些有毒物质的吸收。王娟等人用天然矿泉水和纯净水供大鼠食用, 对比得出:长期饮用纯净水会清除钙、镁、氟、碘、硒等机体所需的矿物质和微量元素, 长期饮用纯净水可能会促进体内有益元素的排除^[2]。

反渗透产水直接作为生活用水时, 其使用性状与城市自来水差别较大, 实践中主要表现在: (1) 由于淡化水的硬度较低, 洗衣服泡沫较多, 难以漂洗干净; (2) 洗澡时, 皮肤上会产生滑腻感, 感觉没有洗干净; (3) 淡化水的碱度、硬度较低, 其缓冲能力较弱, 水质化学稳定性较差, 易腐蚀金属管路, 使得用水点水质发黄。

随着我国经济社会发展水平和人民生活水平的提高, 在工程实践中人们对淡化水的使用性状满意度不高、长期饮用淡化水与人群健康的关注度较高。

硼是机体生命活动必需的微量元素之一。研究表明, 骨是硼的储存部位, 硼不足可致血碱性磷酸酶增加并产生骨质疏松症;硼可以活化体内荷尔蒙, 促进骨质的重建和沉积^[3]。摄入硼含量过高的饮用水可导致不育、胎儿畸形和发育不良等疾病^[4,5]。《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 中将硼归类为毒理指标, 强调了硼含量过量的毒理作用, 规定硼含量的限值为0.5mg/L。

根据相关海洋水质调查报告, 在我国南海的调查海域内硼含量在5.04~8.05mg/L范围内变化。海水中的硼主要以硼酸 (H₃BO₃) 的形式存在, 硼酸是一种极弱的酸 (Ka=5.8×10^-10) 。在pH较低的条件下, 水中硼元素主要以B (OH) ₃的形式存在, 反渗透膜对硼的截留率较低;只有在pH>9.3 (硼元素主要以离子态的形式存在) 时, 才有较高的截留率。在该项目中采用两级反渗透除硼工艺, 通过调节一级反渗透产水的pH至10左右, 就能够保证海水淡化终端产品水硼含量低于0.5mg/L。此外, 对于设有雨水收集系统的远离大陆海岛而言, 将海水淡化水与雨水按一定比例进行勾兑, 也能使淡水中的硼含量控制在适量范围, 满足水质卫生标准要求。

矿化度是指水中总无机盐 (即溶解性总固体) 的含量, 总无机盐含量在100 mg/L以下的水称为低矿化度水。海水经两级反渗透或蒸馏法处理获取的淡水一般均属低矿化度水, 长期饮用低矿化度水对健康不利, 因此需对其进行矿化处理。1992年我国颁布了国家军用标准《低矿化度饮用水矿化卫生标准》 (GJB 1335—92) , 规定了蒸馏淡化水、冰雪水、雨水等低矿化度水的矿化方法、矿化成分适宜浓度范围和最高限值及矿化水质的检验方法。

低矿化度水的矿化方法主要有液体添加法和固体过滤法。前者有: (1) 将净化的海水按约1%的比例注入低矿化度水中。 (2) 将4种人体需要的无机盐, 按KCl 10g/L、MgSO₄·7H₂O 100g/L、CaCl₂·2H₂O 110g/L、NaHCO₃75g/L的浓度配成液体矿化剂, 定量投加到低矿化度水中。我国舰船多采用此法对淡化水进行矿化。后者有: (1) 将低矿化度水通过装有优质石灰石、白云石、麦饭石等天然矿料的过滤器后再饮用。 (2) 将低矿化度水自上而下通过装有人工合成的钾、钠、钙、镁盐颗粒矿化剂与净水活性炭按1∶1 (重量比) 混合的过滤器后再饮用。

饮用水与健康的关系十分紧密, 尤其是在远洋舰船、远离大陆海岛等特殊环境中, 保障优质饮用水的供给, 是提高船员和长期驻守海岛人员健康水平的重要一环。在该项目中, 海水淡化终端产品水进入储水池, 在储水池底部铺设一定层高的优质天然矿料, 经淡化水的长期浸泡释放矿物质对淡化水进行矿化处理, 并在雨季时掺混部分雨水后供用户使用。

海水淡化是解决淡水短缺的重要途径之一。随着经济社会的发展和淡水需求的不断增长, 我国已开展了大量海水淡化工作, 对解决淡水短缺问题发挥了重要作用。但目前对淡化水作为生活饮用水的卫生标准立法工作以及淡化水中离子的重要性研究方面的重视仍然不够, 为了促进我国海水淡化事业的大力发展, 建议海水淡化技术研究和工程实践中在“精、准、细”方面加强研究, 提高人们对使用淡化水的满意度。