低礦化度水的健康與安全問題分析及水質(zhì)改善措施

萬(wàn)天琦，敖漉*，劉杰，陳哲飛

（1. 后勤工程學(xué)院，重慶 401331； 2. 61716部隊(duì), 福建 福州 350000）

低礦化度水的健康與安全問題分析及水質(zhì)改善措施

萬(wàn)天琦1，敖漉*1，劉杰1，陳哲飛2

（1. 后勤工程學(xué)院，重慶 401331； 2. 61716部隊(duì), 福建 福州 350000）

隨著人們生活水平的不斷提高和膜技術(shù)在飲用水制備中廣泛應(yīng)用，各種無污染、使用方便的新型水逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，成為重要的飲用水源。然而，這些新型水礦化度普遍較低的問題日益凸顯出來。在分析低礦化度水礦物質(zhì)低、化學(xué)穩(wěn)定性差、易引起管道腐蝕等主要特征的基礎(chǔ)上，從正反兩方面分析了低礦化度水對(duì)人體健康的影響及其飲用安全性，并總結(jié)了水質(zhì)再礦化技術(shù)和管道防腐措施的研究進(jìn)展。

低礦化度；飲用水；健康；化學(xué)穩(wěn)定性；再礦化；防腐

Abstract:With the continuous improvement of people's living standard and the extensive application of membrane technology in the production of drinking water, a variety of new drinking water which is non-pollution and convenient to use has entered the market gradually, becoming an important source of drinking water. However, the problem that the new water has low salinity becomes increasingly prominent. In this paper, main characteristics of the drinking water with low salinity were analyzed, and its impact on human health and drinking security was discussed, and the research progress of water quality re-mineralization technology and pipeline anti-corrosion measures was summarized.

Key words:Low salinity；Drinking water；Health；Chemical stability；Re-mineralization; Anti-corrosion

近年來，由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水污染問題加劇，國(guó)家先后出臺(tái)了《水污染防治法》、《環(huán)境保護(hù)法》和《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等政策，加大了對(duì)水污染的治理力度。如今，人們的生活水平和衛(wèi)生意識(shí)開始不斷提高，對(duì)飲用水的質(zhì)量要求也越來越高，各種無污染、使用方便的新型水逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，成為人們重要的飲用水源。但同時(shí)，隨著膜技術(shù)的出現(xiàn)與推廣，新型水礦化度普遍較低的問題也日益凸顯出來。

水的礦化度是指水中所含無機(jī)礦物成分的總量，與溶解性總固體的概念基本相同[1]。低礦化度水是指含鹽量在100 mg·L-1以下的水[2]，主要是指利用地面水或地下水經(jīng)過反滲透法、膜法、電滲析等一些水處理技術(shù)后所得的水，純凈水是其主要代表，目前市場(chǎng)上常見的太空水和蒸餾水等都屬于純凈水。另外，雨水、雪水等天然降水中只含有非常少量的礦物質(zhì)元素，也屬于低礦化度水。由于我國(guó)北部、西北部有較多半干旱、干旱地區(qū)，因此利用雨水作為飲用水源也較為普遍，如我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)進(jìn)行的“112集雨節(jié)水灌溉工程”、甘肅省實(shí)施的“121雨水集流工程”都是重要的雨水利用設(shè)施[3]。而在沿海地區(qū)和遠(yuǎn)海島礁，海水經(jīng)過反滲透等技術(shù)處理后的淡化水則是該地區(qū)常用的飲用水源。

1 低礦化度水的水質(zhì)特征

低礦化度水一般具有以下特征：①呈弱酸性；②含有少量甚至不含人體所需的礦物質(zhì)元素；③有一定溶解能力，對(duì)管道具有腐蝕性。表1列舉了幾種典型低礦化度水的水質(zhì)指標(biāo)。在檢測(cè)的15項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)中，市售純凈水的pH值低于GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[4]中pH的下限值，海水淡化水中的硼超過GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的限值，其它水質(zhì)指標(biāo)均符合GB5749-2006的要求。對(duì)照GJB1335-92《低礦化度飲用水礦化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》可知，除了海水淡化水的鈉、氯化物、硼超過規(guī)定的適宜濃度范圍，其余低礦化度水的鈣、鎂、重碳酸鹽等大部分水質(zhì)指標(biāo)均遠(yuǎn)低于規(guī)定的適宜濃度范圍，屬于典型的軟水（表1）。

表1 幾種低礦化度水的水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Water quality indexes of several low salinity water mg·L-1

其中，鈣、鎂是維持人體正常生理功能所必需的礦物質(zhì)，海水中的鈣、鎂濃度分別為 400～500 mg·L-1和 1 200 ～ 1 700 mg·L-1，而經(jīng)處理的后海水淡化水中中鈣、鎂濃度都降至5 ～ 6 mg·L-1[8]。硼是機(jī)體生命活動(dòng)必需的微量元素之一，適量的硼對(duì)胰島素釋放和某些與免疫功能有關(guān)的酶活力起著重要調(diào)節(jié)作用，但過量的硼會(huì)對(duì)人的發(fā)育和繁殖具有不良影響。有調(diào)查顯示，通過檢測(cè)2007-2008年間嵊泗島海水淡化出廠水的水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)海水淡化水的硼含量普遍超出我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中的限定值[9]。而飲用水中過高的硫酸鹽濃度易使熱水器和鍋爐結(jié)垢，過高的氯化物會(huì)腐蝕配水系統(tǒng)，但兩者的含量極少時(shí)也會(huì)導(dǎo)致飲用水中鹽分的缺失，當(dāng)水中TDS低于50 mg·L-1時(shí)便會(huì)產(chǎn)生苦澀的味道[10]。

2 低礦化度水的健康與安全問題分析

2.1 低礦化度水的危害

2.1.1 長(zhǎng)期飲用低礦化度水的危害

Kozisek綜合整理國(guó)外的相關(guān)研究后，列舉了低礦化度水的危害[10]：①?gòu)牡偷V化度水中只能攝入少量鈣和鎂以及其它人體所需的微量元素，而且低礦化度水對(duì)腸黏膜、人體代謝和礦物質(zhì)平衡有直接影響。②當(dāng)用軟水烹飪時(shí)，發(fā)現(xiàn)所有的必要元素從食品(蔬菜、肉類、谷物)中大量地?fù)p失，其中，鈣和鎂的損失達(dá)到60%，而大部分微量元素的損失將會(huì)更大(如銅66%，錳70%，鈷86%)。與此相反，當(dāng)硬水用于烹飪時(shí)，這些元素的損失將大大降低。③低礦化度水易受細(xì)菌污染。對(duì)于海水淡化水，雖然反滲透膜理論上可以去除所有的細(xì)菌，但并不是100%有效(可能是由于泄漏)，在使用管道輸送時(shí)，水中的微生物也會(huì)再生長(zhǎng)。而且，缺少消毒劑的水很容易受到細(xì)菌污染。

（1） 國(guó)內(nèi)也有大量研究表明，長(zhǎng)期飲用低礦化度水會(huì)對(duì)人體健康造成危害。舒為群等[11]分別用純凈水和自來水喂養(yǎng)兩組Wistar大鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期飲用純凈水較飲用自來水對(duì)心腎功能的影響更大。張照英等[12]選取了 90只健康成年的雌性大鼠，隨機(jī)分為飲用自來水、純凈水和純凈水加鎂三組，并用基礎(chǔ)飼料喂食5個(gè)月，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期飲用純凈水的雌性大鼠體內(nèi)血鎂、一氧化氮(NO)濃度大幅度地降低，血脂含量明顯增高。另外，還發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期飲用純凈水的大鼠體內(nèi)血鎂濃度較另兩組明顯降低(P ＜ 0.05)，膽固醇、甘油三脂、低密度脂蛋白膽固醇(TC、TG、LDL-C)等血脂指標(biāo)顯著增高(P＜ 0.05)[13]，因此，長(zhǎng)期飲用純凈水容易損害心血管系統(tǒng)。

（2） 最近的流行病學(xué)研究表明[14]，長(zhǎng)期飲用低礦化度水的人通過體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)，將溢出鈉、鉀、鈣、鎂和不平衡的其他微量礦物質(zhì)進(jìn)入尿液、糞便和汗液，從而導(dǎo)致體內(nèi)電解質(zhì)紊亂，表現(xiàn)出低鈉血癥，低鉀血癥，低鎂血癥和低鈣血癥的癥狀。有關(guān)研究還表明，長(zhǎng)期飲用低礦化度水可能會(huì)造成骨骼發(fā)育不良等多種健康風(fēng)險(xiǎn)[15-17]，因此建議免疫力較差的生長(zhǎng)期兒童和孕婦、從事高強(qiáng)度體力活動(dòng)的戰(zhàn)士和運(yùn)動(dòng)員、心血管疾病患者等均不宜長(zhǎng)期飲用純凈水[18]。

2.1.2 低礦化度水的腐蝕性

由于低礦化度水的化學(xué)穩(wěn)定性較差，其對(duì)管道的腐蝕性也是不可忽視的問題。已有大量研究表明，水的礦化程度、硬度對(duì)管材尤其是金屬管道有較大影響[19]，不僅易溶解管網(wǎng)內(nèi)壁形成的垢層而造成“黃水”現(xiàn)象[20,21]，而且溶出的 Fe3+、Pb2+、Cu2+等金屬離子也可能超過標(biāo)準(zhǔn)限值，對(duì)人體造成危害。姜松等[22]研究了嵊泗海島的淡化水流經(jīng)PE、塑鋼和鑄鐵管三套管網(wǎng)時(shí)的化學(xué)穩(wěn)定性，結(jié)果表明，海水淡化水對(duì)管道具有嚴(yán)重的腐蝕性。郝瑞霞等[23]檢測(cè)分析了2002-2004年北京東南城區(qū)典型降雨和流經(jīng)不同介質(zhì)后的雨水化學(xué)穩(wěn)定性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自然降水、屋面徑流、公共場(chǎng)所徑流以及綠地徑流均對(duì)管道具有腐蝕性。

2.2 飲用水中礦物元素對(duì)人體健康的重要性

研究發(fā)現(xiàn)，人體必需的礦物質(zhì)和微量元素，有10% ～ 20%是從水中獲得的[24]。食物中的微量元素不能替代一切，而且往往由于地區(qū)內(nèi)自然條件或個(gè)人對(duì)食物愛好的限制，不能充分從日常食物中得到必要的營(yíng)養(yǎng)。由此可見，飲水對(duì)于補(bǔ)充人體礦物質(zhì)元素十分重要。

在衡量飲用水礦化度時(shí)，常常把硬度作為重要指標(biāo)之一。水的硬度是由多種可溶性金屬離子形成的，主要是鈣、鎂離子，鐵、鋅和錳等其它離子也起一定作用。研究表明，飲用水的硬度與心血管疾病呈逆相關(guān)，飲用極軟水而死于心血管病的比例較飲用硬水的人群高出15% ～ 20%[25]。

鈣、鎂離子是人體維持正常生理功能必需的礦物質(zhì)，人體攝取鈣、鎂的途徑主要來自食物和飲水。WHO專家[26]表示，人群鈣、鎂攝入不足是很多國(guó)家的普遍現(xiàn)象，尤其是發(fā)展中國(guó)家和女性群體。一項(xiàng)關(guān)于飲用水硬度與女性健康狀況關(guān)系的研究表明，當(dāng)水中鎂離子的濃度高于10 mg·L-1，鈣離子濃度高于 20 mg·L-1時(shí)，其對(duì)心血管疾病的抑制作用更加明顯[10]。

Yang等對(duì)比了臺(tái)灣市從1989-1993年因腦血管[27](17 133例)和結(jié)腸癌[28](1 714例)死亡的居民與相同數(shù)量因其他原因死亡的居民，結(jié)果表明，飲用水中的鎂對(duì)腦血管病有顯著的保護(hù)作用，其中的鈣對(duì)結(jié)腸癌有明顯的防護(hù)效果。Chiu等[29]對(duì)比了臺(tái)灣市從1999年至2008年因腎癌(1 778例)死亡的居民與相同數(shù)量因其他原因死亡的居民，結(jié)果表明，飲用水中的鈣對(duì)腎癌有顯著的防護(hù)作用。另外，美國(guó)28 349名健康專業(yè)女性人士參與了婦女健康研究(WHS)，結(jié)果也表明，更高的鎂攝入量有助于預(yù)防原發(fā)性高血壓[30]。

目前，國(guó)外許多國(guó)家已經(jīng)建立了飲用水硬度的最低水質(zhì)需求。Martin Fox在《健康的水》一書中提出，飲用水硬度的理想值是170 mg·L-1左右，TDS的理想值是300 mg·L-1[31]。WHO專著中給出了飲用水中鎂的最低水平為10 mg·L-1，最佳值為20 ～ 30 mg·L-1，鈣的最低水平為 20 mg·L-1，最佳值為 40 ～80 mg·L-1，水的總硬度（以鈣、鎂總和計(jì)）應(yīng)為2～4 mmol·L-1，TDS 的最佳值為 250～ 500 mg·L-1，歐盟部分成員國(guó)也在本國(guó)的飲用水標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了鈣、鎂離子的含量[10](表2)。

表2 歐盟部分成員國(guó)飲用水標(biāo)準(zhǔn)中鈣、鎂限值Table 2 Limits of calcium and magnesium in drinking water standards of some EU Member States mg·L-1

3 水質(zhì)改善措施

鑒于低礦化度水存在硬度低、礦物質(zhì)含量少、腐蝕管道等問題，在使用前常常需要采取水質(zhì)改善措施，提高管道耐腐蝕性能。常用的方法有兩種：一是通過再礦化技術(shù)在源頭改善水質(zhì)，二是在輸配水過程中對(duì)管道采取防腐措施，如投加緩蝕劑等[32]。

3.1 再礦化技術(shù)

再礦化工藝一般置于常規(guī)工藝之后，但對(duì)于濁度較高的地表水，可以作為預(yù)處理工藝強(qiáng)化混凝，同時(shí)有助于調(diào)節(jié)pH，提高有害金屬離子的去除率。再礦化的方法主要有三種：一是直接添加藥劑[33]，二是與高礦化度水混合[34]，三是溶解富含礦物質(zhì)的礦石[35,36]。

（1）直接添加藥劑法具有較大的靈活性，能根據(jù)實(shí)際需要來調(diào)節(jié)低礦化度水的水質(zhì)。常用的藥劑包括 NaOH、Na2CO3、NaHCO3、CaCl2、Ca(OH)2等[37]，前三種主要是增加碳酸鹽堿度，通常與 CO2聯(lián)用；后兩者主要是增加水體硬度。但該方法使用的藥劑價(jià)格昂貴，且在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中可能變質(zhì)、結(jié)塊，因此只適合做應(yīng)急處理，對(duì)處理水量較大的水體并不適用。

（2）將低礦化度水與海水、苦咸水等高礦化度水按比例混合，以增加水體中礦物質(zhì)離子的含量，也是一種較為廉價(jià)的礦化方法。但是由于摻混會(huì)帶入某些不需要甚至有害健康的物質(zhì)，如海水中的硼、硫酸根等，可能會(huì)超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)限值；而且要使各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)均能達(dá)標(biāo)，其摻混比例難以控制。因此，該方法通常作為其它礦化方式的補(bǔ)充。

（3）礦石溶解是目前應(yīng)用最為廣泛的方法，其中以溶解麥飯石、白云石、木魚石、石灰石等富含碳酸鈣的礦石為主，目前，國(guó)內(nèi)使用較多的為石灰石接觸法[38]。該方法是讓低礦化度水流經(jīng)礦石填充的礦化床，礦石中的礦物質(zhì)便會(huì)溶出進(jìn)入水中，從而達(dá)到增加水中礦化度的目的，最大優(yōu)點(diǎn)是礦石價(jià)格低廉、操作方法簡(jiǎn)便。

3.2 管道防腐措施

為減緩低礦化度水對(duì)管道的腐蝕，常常需要采取管道防腐措施。其中，投加緩蝕劑是較為常用的防腐措施。緩蝕劑又稱腐蝕抑制劑，在適當(dāng)?shù)臈l件下存在于介質(zhì)中時(shí)，可以有效防止或減緩材料的腐蝕，其中，磷系、硅系緩蝕劑及他們的混合物是目前最常見的緩蝕劑。

磷系緩蝕劑主要是正磷酸鹽和聚磷酸鹽。正磷酸鹽是一種陽(yáng)極緩蝕劑，而且需要依靠水中的氧氣才能發(fā)揮效果，正磷酸鹽中，Na3PO4、NaH2PO4和Na2HPO4，其中Na3PO4最為有效。聚磷酸鹽是通過與鈣生成螯合物，在金屬表面沉淀形成陰極保護(hù)膜，從而減緩金屬材料的腐蝕，常用的有六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉[39]。

硅系緩蝕劑是按不同比例混合Na2O和SiO2后得到的硅酸鹽產(chǎn)物，其最大的優(yōu)點(diǎn)是無毒無害、操作簡(jiǎn)單，成本較低，常用的是硅酸鈉。硅酸鹽用于控制腐蝕時(shí)，能與鐵質(zhì)管材內(nèi)壁的氧化產(chǎn)物形成覆蓋在管垢表層的致密硅鐵穩(wěn)定膜，抑制鐵及其氧化物的釋放[40]，尤其對(duì)低硬度、低堿度和低 pH的水體比較有效。

硅和磷的混合物也是在提高水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性中常用的緩蝕劑。傅文華[41]等人在上世紀(jì)90年代曾介紹過德國(guó)的“歸麗晶”，這是一種由聚磷酸鹽和硅酸鹽混合而成的緩蝕劑，能與水中的Fe2+形成凝膠覆蓋在管道內(nèi)壁，減緩腐蝕，防止二次污染，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于飯店賓館、醫(yī)院、洗浴桑拿中心、工廠等的供水管道中。

低礦化度水經(jīng)過再礦化技術(shù)處理后，水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性也會(huì)增強(qiáng)。張凱等[42]通過在海水淡化水添加不同濃度的鈣離子，再使用鍍鋅管輸送，觀察并分析管道出水中鈣離子、pH值、濁度以及飽和指數(shù)（LSI指數(shù)）等指標(biāo)的變化。結(jié)果表明，當(dāng)水中鈣離子濃度較低時(shí)，管壁中的鈣會(huì)溶解到水中，當(dāng)鈣離子濃度逐漸增加時(shí)，水中的鈣離子會(huì)沉積在管壁上，直至水中鈣離子濃度為 28 mg·L-1時(shí)達(dá)到平衡。因此，加入一定濃度的鈣離子有助于增強(qiáng)水的化學(xué)穩(wěn)定性。2005年，考慮到水的化學(xué)穩(wěn)定性問題，以色列為淡化水制定的水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[43]中，添加了鈣離子濃度、堿度、碳酸鈣沉淀勢(shì)（CCPP）等指標(biāo)（表3）。

表3 以色列淡化水標(biāo)準(zhǔn)中的穩(wěn)定性指標(biāo)值Table 3 Stability index values of desalinated water standards in Israel

4 結(jié) 論

低礦化度水對(duì)金屬管道具有腐蝕性，用于烹飪會(huì)造成食物營(yíng)養(yǎng)大量損失，長(zhǎng)期飲用不利于人體健康，因此，低礦化度水可以作為應(yīng)急飲用水，而不能長(zhǎng)期作為生活飲用水。飲用水中的礦物質(zhì)元素對(duì)人體健康是有益的，其中，鈣、鎂離子作為人體必需的基本元素，能對(duì)高血壓、直腸癌等疾病起到有效防護(hù)作用。

鑒于我國(guó)在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中還未對(duì)礦化度指標(biāo)作出下限值規(guī)定，為了保障群眾的飲用水安全，應(yīng)對(duì)低礦化度水進(jìn)行再礦化處理，為人們供給有益身體的健康水，同時(shí)，建議相關(guān)衛(wèi)生部門在飲用水標(biāo)準(zhǔn)中添加礦化度相關(guān)指標(biāo)的下限值。低礦化度水的化學(xué)穩(wěn)定性較差，在輸配過程中容易腐蝕金屬管道。建議一方面可以推廣使用新型管材，另一方面增加防腐措施，并深入研究管材的離子釋放和緩蝕機(jī)理，從根本上提高管材的耐腐蝕性。

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Analysis on Health and Safety Problems of Drinking Water With Low Salinity and Improvement Measures of Water Quality

WAN Tian-qi1，AO Lu*1，LIU Jie1，CHEN Zhe-fei2

（1. Logistical Engineering University，Chongqing 401331，China；2. 61716 Troops of PLA，F(xiàn)uzhou 350000, China)

R123.1

A

1671-0460（2017）09-1897-05

軍隊(duì)后勤重點(diǎn)科研項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：BY115C002。

2017-07-04

萬(wàn)天琦(1993-), 男, 四川省眉山人，碩士研究生, 研究方向：從事水處理研究。E-mail：hit_wtq@163.com。

敖漉(1979-)，男, 博士，研究方向：給排水處理技術(shù)與工藝。E-mail：zyzzalou@163.com。