水环境安全是人类生存与发展的必要条件。1993年1月18日，第四十七届联合国大会作出决议，确定每年的3月22日为“世界水日”。1994年中国将“中国水周”的时间调整为每年的3月22日至28日，自此延续到今天。
今天是中国水周的第三天，大家有学习节水知识、践行节水护水行动吗？《2019年水环境安全热点回眸》一文围绕水资源、水生态、水环境，介绍了2019年生活污水与工业废水污染控制、地表水生态流量与氮排放限值、地下水资源保护与污染防控等方面的全球科技研究热点及亮点工作。
2000年3月，荷兰海牙“第二届世界水论坛及部长级会议”宣言指出：水环境安全是确保人人都能够得到并有能力支付足够的洁净水，并确保人们免受与水相关的灾害威胁。
水环境安全保障涉及到水文水质监测、水污染控制与治理、地表水生态环境改善、地下水污染防控、水资源高效利用以及特种污染水的处理与处置等诸多因素。
2019年，水环境安全相关领域取得了丰富的科研进展，解决了一系列科学问题，成为了研究焦点，为水生态环境可持续发展提供了新思路、新方法、新技术。
01、水文水质监测
水文水质监测是保护、规划和合理利用水土资源的重要手段，是水生态保护和水环境安全建设的保障，也是模型预测等技术发展的基础。
近年来随着遥感技术的发展，地表水遥感领域进入了新的发展阶段。荷兰学者Walter等研究分析了世界冰川监测机构发布的2018年的冰川数据，结果显示，最重要的水塔也是最脆弱的，气候和社会经济的变化将对它们产生深远的影响。
此外，2019年水文监测紧紧地和“气候变化”联系在了一起。国际水文科学协会（IAHS）主席Günter团队分析了气候变化对欧洲地区河流洪水的影响，结果表明，欧洲在过去50年里河流洪水流量的增加和减少都具有明显的区域模式特点，而这主要体现在气候变化上。
这类研究都是以充分开展的水文监测为基础，而水文监测技术的进步对相关研究和交流的支撑作用也会日益增强。未来大数据和云计算技术的发展，会让高分辨率监测全球水生态的需求越来越容易满足。综合利用多源数据也是未来全球和区域水监测的发展方向。
同时，水质监测技术已经在追求精细化、全面化、智能化的道路上发展，水质监测机器人等概念的提出也预示了未来水文水质监测的发展趋势是与AI、机器人等热潮一起顺势而为的。
02、水污染控制与治理
随着社会经济的发展、社会化进程的加快、人口数量急剧增加，水资源的需求量及废水的排放量进一步加大，这对水污染控制与治理提出了更高的要求。Deletic等人提出有效控制水污染需要了解传统和新兴污染物，特别是应该通过借鉴自然解决方案，开发先进的高科技净化系统。
抗生素抗性基因（ARGs）是一种新兴的微污染物，它对人体健康及环境生态存在潜在风险，传统的生物处理过程很难有效去除废水中的ARGs。
德累斯顿工业大学的Thomas团队采用定量PCR技术，对10个来自欧洲国家的16个污水处理厂采集出水样品发现，污水处理厂出水中ARGs浓度与采用的生物处理步骤的数量成反比，这为污水处理厂的管理提供了指导。
Hu等采用自然解决方案对污染水净化的研究结果，得出在有植物存在的情况下，生物滞留系统可有效去除硝酸盐和磷酸盐，避免因雨水径流导致的水体富营养化污染的结论。
物理法被认为是最清洁的水处理技术，华东理工大学汪华林团队基于液滴在液-液界面及液固界面的作用行为，利用异质纤维交叉节点处油水极性不同导致的受力差异，结合纤维表面油水固界面前驱膜诱导融合机制，开发了一种亲、疏水纤维“X/Ω型”组合纤维聚结（combined coalescence fibers，CFC）技术，并成功应用于海上油气开采生产水破乳除油工程中。
03、地表水生态环境改善
自由流动的河流，简称自流河（FFRS），支持着全球生态系统的多元化动态发展。目前，人类已大幅度改变了河流的自然流通性，修筑了约280万座水坝，新建了50多万km的人工河道，用于交通航运、灌溉引水，导致流域水体碎片化分割、自流能力受限。
加拿大麦吉尔大学Grill团队联合美国华盛顿WWF-US机构Thieme等专家学者，提出了一种自流河（FFRS）定义方法，通过分析水文、压力指标等全球数据，创建了河流连通度状态指数（CSI）评价方法。
清华大学喻朝庆团队联合牛津大学Godfray、挪威生物经济研究所Huang等多位科学家，在中国地表水氮污染安全界限值判定、氮排放模式方面取得重要突破。研究提出，要推动中国地表水环境质量改善，须优化氮循环利用模式、减少工业氮排放、改善农田氮管理，科学制定氮排放限值，使中国氮循环利用率从目前的36%均值提升至87%左右。
1955—2014年中国氮素排放及总氮水平的相关变化（图片来源：《Nature》）
04、地下水污染防控
2019年丹麦技术大学的Gejl等研究了地下水长期开采对水质的影响，发现在1900—2014的114年间，研究区27口监测井中有25口地下水硫酸盐浓度在最大开采期之后呈上升趋势，1995年降低开采量后，地下水硫酸盐浓度保持稳定，控制地下水开采量可使地下水硫酸盐浓度维持稳定。
地下水长期开采对典型承压含水层水质影响概念图（图片来源：《Water Research》）
西北农林科技大学吴海明研究团队，在2019年创新研发了铁碳微电解强化型人工湿地技术，通过铁碳微电解填料中的电子传递作用显著提升了自养反硝化过程，地下水中硝酸盐去除率最高可达87%。
铁碳微电解强化型人工湿地技术示意图（图片来源：《Water Research》）
中国海洋大学Jia和清华大学李淼等分析了土壤、包气带、地下水系统中氮元素的分布和迁移转化特征，认为之前的研究忽略了溶解性有机态氮、深层包气带赋存氮以及非农业系统中的氮，而这3种氮对于研究氮素多介质循环具有重要意义。
2019年，美国地质调查局Bexfield等首次系统性调查了全美主要含水层1091个监测位点（其中60%位于地下水饮用水源）的激素和药物水平，共检测出21种激素和103种药物。不过该研究认为，美国地下水饮用水源对于激素和药物污染的脆弱性有限，暴露于一定浓度水平下并不会对人体健康构成危害。
05、水资源高效利用
随着全球人口的急剧增长，水资源短缺现象日益严重，到2025年，全世界将会有一半人面临用水危机，因此，水资源的高效利用问题亟待解决。
海水淡化是实现水资源利用开源增量的重要途径，可实现淡水总量的增加。采用太阳能进行海水淡化是一种缓解淡水资源匮乏的技术。然而，水蒸发涉及的潜热变化限制了自然阳光下的水纯化产量。
美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华团队采用具有光热转换性能的聚吡咯和聚乙烯醇与壳聚糖构建了一种具有高度水合聚合物网络的光吸收水凝胶，用于太阳能净水。通过调控水凝胶中聚合物链与水分子相互作用，改变水的状态和相变行为，从而形成中间水层，进而降低水蒸发的能量需求，使水蒸发速率可提高至3.6 kg·m-2·h-1，是理论极限的两倍，极大推动了海水淡化技术的发展。
高度水合聚合物网络（图片来源：《Science Advances》）
06、饮用水安全保障
药品和个人护理用品、内分泌干扰物、全氟化合物、致癌类多环芳烃、消毒副产物等新兴污染物在国内外城市污水、地表水、饮用水中被频繁检出。因此，新兴污染物的去除是近年来饮用水安全保障的热点方向之一。
包括微滤、反渗透等膜滤技术与高级氧化、混凝等在内的全深度处理工艺是饮用水再生的常见手段。
斯坦福大学 Mitch 联合美国 Parsons 公司与洛杉矶市政专家经过实验对比研究发现不同情况下不同的常规深度处理工艺对含氮消毒副产物的去除能力有所不同。
在2019年，光催化氧化法、混凝法均在技术层面上有不同程度的突破。
在高效光催化剂研发方面，Rizzo等证实了低剂量的PAA结合UV-C光源可快速灭活地下水中的耐药大肠杆菌，同时提高 QUV 和 PAA 初始剂量可显著提高对卡马西平、双氯芬酸和磺胺甲恶唑的去除率。
在絮凝技术应用领域，Zhao等创新性研发了仿生胶束纳米混凝剂，模仿海洋捕食者用触须来捕捉食物的结构去除水中的污染物。
针对目前饮用水安全保障的问题，侯立安面向公共自来水厂的设计和运行，提出了建设生产健康饮用水的智慧水厂的理念，通过分析智慧水厂的特质，指出打造前瞻性的未来智慧水厂是保障民众饮用水安全的重要任务和方向。
07、特种污染水处理
近年来，随着世界范围内核工业的发展，核能发电将产生大量核废料，其中含有大量放射性长寿命锕系元素和裂变元素，亟需发展相应的技术从复杂环境体系快速选择去除低浓度放射性污染物。
其中，核裂变产物锝-99（99Tc，半衰期=2.13×105年）往往以阴离子99TcO4-的形式存在于乏燃料后处理工艺及环境水体中，是非常难处理的一类放射性污染物。
苏州大学王殳凹和浙江大学肖成梁合作研发了系列金属-有机框架材料可高选择、高容量快速地去除99TcO4-，提出通过构建高度疏水骨架及具有构象匹配的孔道结构来提高材料对99TcO4-选择性的策略，引领了该领域的学术前沿。
中国科学院高能物理研究所石伟群团队利用具有阴离子自适应动力学的软结晶阳离子金属-有机框架材料亦可选择性识别分离99TcO4-。
阳离子骨架材料选择分离放射性99TcO4-（图片来源：《Angewandte Chemie International Edition》）
08、垃圾渗滤液处理
垃圾渗滤液膜浓缩液有机质和无机盐含量高、重金属种类丰富、色度高、可生化性差，是污水处理领域的重点和难点。
法国蒙彼利埃大学Clement发现电芬顿与高级氧化耦合技术，可以矿化垃圾渗滤液膜浓缩液中难降解的有机质、提高其可生化性。将Ti4O7和FeIIFeIII双层氢氧化物分别用作阳极和阴极，整个降解过程无需调节 pH 值、添加 Fe2+， 在4.2 mA/cm2的电流条件下，降解1 g难降解有机质只需消耗0.11 kW·h能量。在COD未完全降解的情况下，可将出水回流至膜生物反应器内作为碳源以调节C/N比，提高膜生物反应器处理效率、降低电芬顿反应时间、节约能耗。
电化学高级氧化与电芬顿技术耦合降解垃圾渗滤液膜浓缩液机理（图片来源：《Water Research》）
09、水环境功能材料
开发新型水环境功能材料进而获取净水资源的研究领域在2019年同样取得了瞩目的成绩。
纳米材料是近年来颇受关注的功能材料之一，上海大学吴明红团队在 ZIF-8上负载 MoS2制备出具有纳米异质结构的光催化材料，对水中微量抗生素具有优异的降解作用。
*京大南**学潘丙才团队研究发现，Fe2O3/CNT-H2O2类芬顿体系降解有机污染物的活性物种为经典的羟基自由基（·OH），而Fe2O3@CNT-H2O2产生的活性物种仅为单线态氧（1O2），相同条件下后者对亚甲基蓝的降解速率是前者的 22.5 倍；在 pH 值 5~9 范围内，Fe2O3@CNT-H2O2均可保持高效稳定的污染物降解性能，为限域条件下水环境纳米新材料的开发提供了重要参考。
以石墨烯为代表的二维纳米材料对离子和分子具有出色的过滤能力，但长期以来受困于规模化问题难以在水环境领域得以更进一步应用。
武汉大学袁荃与湖南大学及加州大学洛杉矶分校的段镶锋合作，强化了原子级厚度GNM在宏观尺度上的结构完整性，由此获得了高机械强度的厘米级石墨烯纳米网/单壁碳纳米管（GNM/SWNT）杂化膜，在大面积石墨烯复合纳滤膜制备方面取得了突破性进展。
在商业膜表面构建GO层是解决GO膜规模化制备的有效手段，侯立安团队采用化学活化改性和Layer-by-Layer的方法在传统PVDF超滤膜表面接枝了一超薄的GO分离层，所制备的GO复合膜既具有纳滤膜的选择性，又拥有接近超滤膜的渗透性。
在水处理复合膜材料方面，2018 年浙江大学张林教授团队提出了界面聚合法制备聚酰胺反渗透/纳滤膜的过程本质是“反应-扩散过程”的论断，并以“图灵反应-扩散模型”为理论指导制备出了首张图灵结构纳滤膜，在非常规水源开发利用中极具应用潜力。
共价有机框架（COFs）、金属有机框架（MOFs）等新型多孔分离功能材料在分子尺寸接近或分子间存在耦合效应的水环境应用体系中极具应用潜力。天津大学姜忠义团队提出一种混合维度组装策略，设计制备了具有仿生异质结构的 COFs 膜。
10、中国水环境安全
中国是全球 13 个贫水国家之一。随着水资源短缺和水污染日益严重，人们对于水环境的关注日益密切，对于水环境问题的解决也愈加迫切。自2016年11月国务院制定印发《“十三五”生态环境保护规划》起，中国在水环境方面的研究取得了显著成效。
2019 年是中国水污染攻坚战的关键之年，我国在地下水、河流湖泊、海洋和水体治理与修复技术等多个领域取得了重大的研究成果，在黑臭水体治理、海绵城市建设等领域也取得了很多重要进展。
《2019年水环境安全热点回眸》一文总结了各个方面中国的水环境安全最新进展，*载下**全文了解详情，期待2020年水环境安全领域有更多原创性突破。
全文详见《2019年水环境安全热点回眸》，论文已于1月13日发表在《科技导报》2020年第1期。
本文作者：侯立安，吴明红，席北斗，王博，汪华林，张林，李瑞，杨禹，徐琳瑜，于水利，陈迪云，贾瑞宝，陈晓晨
作者简介：侯立安，火箭军工程大学，研究员，中国工程院院士，研究方向为军事环境工程。
