导读｜Abstract
随着我国人口逐渐增多、经济迅猛发展、生活水平不断提高、城市化进程逐渐加速，城市面积扩大并发展成城市群，对水资源的需求持续增加。与此同时，工业、农业生产、人类活动等途径进入环境中的各类污染物总量也在增加、成分更加复杂，这些污染物最终进入城市水体。为满足水质要求，城市供水系统能源消耗逐渐增加，产生较多的碳足迹。一些城市群为解决水资源短缺，水源水质恶化等问题，不得不采用长距离调水以满足该地区用水需求。长距离调水虽然可缓解水资源供需矛盾，但系统运行维护管理复杂，一旦出现故障或遭遇自然灾害会给城市供水系统稳定运行带来风险，也增加城市潜在的安全隐患。用于长距离调水和改善水质的能耗意味着增加温室气体排放，又会对城市微气候产生负面影响，加剧水资源短缺和水质恶化的问题。通过讨论全球气候变化背景下城市供水面临的挑战和安全保障对策，提出符合碳中和需求的针对性解决方案。
通信作者：马军 中国工程院院士
水和能源是必不可少的两种资源，两者存在内在联系，而水资源和能源短缺情况日益严重。随着社会发展、工业进步、人口的快速增长、城市化进程的加快，城市人口数量和密度都在持续增长。全球有超过55%的人口居住在城市，其中394个城市人口超过100万人。预计到2030年，发达国家83%的人口和发展中国家53%的人口将生活在城市地区。伴随城市人口增长、城市规模不断扩张，大量资源需求逐步集中在城市，城市水资源需求量也随之不断增加。
城市供水在城市地区的能源消耗总量中占很大比例，据估计，世界能源2%~3%用于城市引水、地区原水的提升、城市饮用水处理及输配供应。与城市饮用水有关的碳排放主要来源于电力消耗，且逐年攀升。自2000年以来，我国用于饮用水供应的电力消耗增长了一倍多。特别是城市呈现连片发展的趋势，由单一城市向城市群方向扩张，促进了经济的快速发展，但缺水问题更为突出，伴随而来的城市生态环境问题也严重地影响城市供水水质。城市供水不仅在水处理过程和输配过程中消耗较大量能源，释放温室气体，为满足更多用户需水量和水质需求，很多地区还不得不跨流域调水，从全生命周期角度来看长距离引水在建设和运营维护上均产生了相应量碳足迹。
减少温室气体排放是寻求改善环境、实现城市可持续发展中面临的主要挑战。如何在水资源短缺、水源污染严重和城市饮用水生产环节减少碳排放量等多重制约下为城市群供应符合标准的饮用水，是目前城市饮用水处理行业一项十分紧迫且充满挑战的任务。
01｜城市供水与碳中和
1.1 中国应对气候变化的立场和态度
2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上郑重承诺，中国二氧化碳排放量将在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。近年来，中国又在多次国际会议上重申“双碳”目标，表现出坚定不移落实“双碳”目标的态度，全行业绿色低碳转型势在必行。
1.2 水资源与能源消耗间的复杂关系
城市终端用户的用水量越大，长距离引水工程量和运行负荷越高，能源消耗量就越大，导致碳排放量增加，城市热岛效应增强，对城市微气候也产生一定影响。与此同时，由于城市微气候变化，极端事件频率和强度增加也会对饮用水安全产生影响，例如极端暴雨、干旱、水体富营养化等问题日益突出。如果不从新的战略角度寻找水资源问题的解决方案，随着城市的进一步发展，缺水问题会愈加凸显。如果为解决新的水资源短缺问题而进一步寻找其他地区水资源进行长距离引水可能还会导致碳排放量增加，也有可能产生跨区域水生生物入侵等问题，影响本地水体的水生态平衡，诱发蓝藻和嗅味等水质问题。如果单纯从引水角度去解决城市供水新的需求，有可能引发恶性循环，并增加城市供水的安全风险。因此，除了一定程度的引水工程措施，城市水资源还应从平衡角度考虑资源的再生利用，特别是在确保满足用户使用需求的基础上，饮用水输配和处理的目标还要在各项环节中把碳达峰、碳中和的目标纳入考虑范围。
1.3 城市供水系统减少温室气体排放的潜力
城市供水系统减少温室气体排放的潜力有待开发。尽管在全球总排放量中，来自城市供水设施减少的碳排放量看似贡献不大，但由于城市供水系统全天候运行的性质和作为基础设施的普及性，如果能够在城市供水系统全面实现碳中和，其减少的碳排放总量非常可观。
02｜城市供水面临的挑战
2.1 全球气候变化的影响
城市供水设施对气候变化最为敏感，尤其是发展中国家受气候变化的不利影响更大。较高的水温和极端自然灾害事件(包括洪水和干旱)会影响水质并加重多种形式的水污染（如沉积物、营养物质、溶解性有机碳、病原体、杀虫剂和盐的污染以及热污染）,并对生态系统、人类健康和供水系统可靠性和运行成本带来负面的影响。
受气候变化影响，水资源分布不均问题可能愈发严重。我国处于东亚季风区，未来西北太平洋副热带高压将会增强，意味着季风降水更多，气候变化、城市热岛效应等因素导致洪水和强降雨更加频繁。由于我国农村地区缺乏对雨水的调蓄和阻流措施，对于极端降雨的缓冲能力不足，容易大面积汇流形成洪水。而城市群在规划与建设过程中缺乏从城市群角度进行整体布局，城市建设会占用自然排洪通道，城市规划过程中对气候变化影响降雨的考虑不足，导致城市内涝灾害频率增高。特别是从单一城市向城市群发展的过程中，原有基础设施设计负荷可能会出现瓶颈区域，例如原有排水系统的通洪能力难以适应城市群新布局的排洪需求，导致内涝灾害的发生。洪涝期间饮用水厂无法正常生产或供水基础设施受损，无法及时对原水进行有效处理。在强降雨或洪水期间，进入水处理设施的水质变差、水量增加，对混凝沉淀以及过滤效果有很大影响。洪水过境时原水中悬浮物增加，地表径流携带更多污染物进入水源。同时洪水中通常卷入污水、粪便、动物尸体等，造成水源受到微生物污染，增加水源性疾病和介水传染病的发病率。携带大量溶解性有机物的原水在氯化消毒过程中会增加氯的消耗量，导致出水的余氯降低，有害副产物增多。如果溶解性有机物去除不彻底，将会导致大肠菌群和耐药菌在供水管网中滋生。洪水频率的增高和城市人口密度的增加也将导致更多人暴露于受污染的饮用水。
与此同时,受到极端干旱影响的土地面积也在增加, 亚热带、低纬度和中纬度地区内陆地区气温异常偏高，降水异常偏少，呈现出逐渐干旱的趋势。受气候变化导致的台风频率增高和城市热岛效应的影响，极端降雨和极端干旱发生频率也呈增高趋势。某些地区河流径流量逐年递减趋势强烈，旱情的历时、烈度和峰值都有明显增强的趋势。干旱时期，没有足够的水稀释污染物，使污染物在环境中自然降解，导致原水中污染物浓度增加，并可能通过干燥的土壤裂缝渗透进入地下水，使地下水受到污染。
由于全球变暖，地球两极气温升高导致冰川加速融化。冰的潜热较大，对温度具有较大的缓冲作用，冰一旦融化，地球对温度变化的缓冲作用减弱，则地球表面水吸热蒸发作用会显著增强。最近《科学进展》报道了研究者统计的过去 40 年北半球的大量气象测量数据发现，由于受气候变化的影响，地球大气最下层的平流层正在以大约50 m/10年的速率膨胀。温度升高还将导致海洋平均温度升高，海水受热膨胀。海平面上升导致海水倒灌入侵地下水，污染地下水水质,使沿海地区地区可供使用的淡水减少。沿海地区水质碘、溴和盐的浓度升高，将导致消毒过程中有可能生成毒性很大的碘乙酸等副产物。
气候变化的另一个重要影响是城市水体富营养化。受城市区域混合垃圾焚烧和污泥焚烧及燃煤等因素的影响，大气沉降进入城市水体的营养物质和污染物会影响水源的生态环境，工业废水排放、农田径流和氨氮挥发、绿地面积减少等因素也导致水体富营养化。此外，由于极端气候发生频率增加，降雨量减少导致地表径流减少，水体中营养物质富集，浓度上升。城市区域温室气体浓度偏高，近地面温度升高，导致水中溶解氧浓度下降，好氧微生物种群在不利生境下难以存活，生物多样性受到很大的影响，湖泊中的生态环境被破坏。同时湖泊上下对流幅度减小，底部缺氧程度增加导致磷释放，进一步加剧了水体富营养化。多重因素综合作用致使淡水水体藻华暴发的频率增加，且持续时间变长。淡水藻种会释放嗅味物质（如最常见的土臭素和2-甲基异莰醇），常规给水处理工艺很难去除这些嗅味物质，影响出水的感官指标。除此之外，淡水中某些藻种还会释放藻毒素，影响居民的用水安全。城市长距离调水后往往将水储存在某些水库中，如果水库富营养化，产生的藻类分泌物、藻毒素和嗅味等代谢产物使处理难度大幅度提高。水源富营养化造成的底部缺氧还会促使锰释放，由于有机络合态锰很难被氧化，因此常规给水处理工艺对其去除难以保障，一旦进入城市管网会增加龙头水出现“红水”或者“黄水”现象的发生概率。
致病微生物控制一直是饮用水安全保障的首要问题。极端气候导致温度变化增大，水温升高为病原体提供更有利的生长条件。而原水中的病原微生物数量增加意味着进入饮用水处理设施的初始病原微生物总量上升，原有工艺（包括消毒）无法实现有效的微生物灭活效率。芽孢杆菌等耐氯菌进入城市供水管网会产生生物安全风险，也会导致微生物在管网中再繁殖，影响饮用水水质。特别是水厂采用将反冲洗水和排泥水经过简单沉淀后用泵抽到原水中进行处理以回收水资源，使微生物在处理工艺中循环积累，不但有可能使微生物泄露进入供水管网，而且生物代谢产物也将影响饮用水水质。例如韩国曾发生臭氧-活性炭联用工艺中生物活性炭滤池泄露致病微生物的事故，可见生物安全风险控制是饮用水处理过程中需要高度关注的内容。
2.2 城市群供水安全问题
除了气候变化，人口快速增长、城市化进程的加速也给城市饮用水安全带来巨大压力。城市饮用水安全针对的是城市地区、直辖市及城市群。而城市地区往往是人口高度密集，对周边自然资源存在依赖的地区。就水资源而言，这意味着城市地区通常无法满足地区自身的供水需求，而需要从外部调水满足本地区的水资源供应。这种对外部水资源的依赖是城市层面水质安全的固有和典型问题。除了外部调水产生较大量的碳足迹，城市群内部水资源配置也需要很大的能源消耗，并存在诸多安全隐患，例如事故、爆管、漏失等。一旦出现自然灾害、地震、台风、洪水、战争等极端情况，不断增长的对外部长距离调水资源的依赖也将对城市群安全构成潜在挑战。
2.2.1 城市微气候
已有多项研究证明城市区域存在局部小气候，表现为“热岛效应”“雨岛效应”，例如城郊降水量有较大差异，城市地区的降水量明显高于郊区。据统计，城市地区的降水频率、强度和持续时间均较以往有所上升。另外，极端强降水事件发生频率同样呈上升趋势。这可能是由于城市地区温室气体等吸热材料集中、空调等设施使用放热量大、缺乏能起到冷却和调蓄作用的植被和湿地、缺乏具有足够相变蓄热功能的水体、缺乏具有较大温度缓冲作用的浅层地下水，导致城市区域温度升高。城市地区大气环流弱，更容易出现对流性降水。城市建筑高大密集，形成不稳定气流，延长了云层的停留时间。加之人类活动（如汽车尾气排放、混合垃圾焚烧等）排放的氨氮、盐类及颗粒物增加了空气中的凝结核，促使降水更容易在城市区域产生。与此同时，随着建筑密度的增加和更大占地面积的社区出现，不透水地表面积的增加改变了降雨转化为地下渗流、近地表径流和地面径流的综合自然径流模式。由于道路、广场、建筑等透水性弱的地表面积增加、城市景观区域大量防渗措施的实施，一些城市地区表现出入渗和蓄滞能力降低的现象。随着城市化进程的快速推进，人口向城市聚集，进入城市排水系统的污水流量持续增加，超出原有排水系统的设计负荷，并由于新的建设不断在增加硬地面的面积，雨水的瞬时流量逐渐增加，导致城市内涝发生频率升高。特别是城市基础设施设计和施工条块分割明显，例如道路排水设计主要考虑道路两边的汇水流量，没有与城市极端条件下的泄洪功能有机结合，没有考虑极端暴雨等特殊时期的泄洪能力，隧道也只考虑通车需要，很多城市隧道设计中采用的是从地面进入地下然后再回到地面的模式，用泵强制排水来解决雨洪时期的排涝问题，很少考虑其极端暴雨时期隧道的自然泄洪能力，致使城市内涝频发。可以预见，随着极端气候和城市热岛作用逐渐增强，未来城市内涝问题将更加突出。应该在未来城市群建设中加强不同部门的协作，从城市群整体上去规划建设，道路和隧道在极端条件下可以发挥自然泄洪作用，这样道路、隧道等交通设施与极端条件下泄洪功能有机结合，不但能大幅度地降低城市建设综合投资，还可以提高城市群抵御洪涝灾害的综合能力。
2.2.2 城市水循环过程中引入的多元复合污染
城市水循环不能简单地看成封闭系统，事实上城市饮用水水源中污染物来自城市水循环中的各个环节，而且受人类行为、工业与农业生产、生活污水排放、污泥处理处置、垃圾处置、能源类型等众多因素影响，类型更加多样化。
近年来，地表水中新兴污染物引起人类高度关注。内分泌干扰物、药物、个人护理品这类的新兴污染物因为使用量增加被越来越多地排放进入城市污水处理系统。而废水处理过程中没有被完全去除的污染物被重新排放到水体，特别是全氟化合物、多溴联苯醚等持久性有机物和高氯酸盐等无机物非常难以去除，对饮用水水质构成潜在威胁，目前某些饮用水水源已经检测到这些污染物的存在。
随着城市机动车数量不断增多，由交通引入水源的污染物逐渐引起人们的重视。除重金属外，汽车尾气还会排放挥发性有机污染物和温室气体。近年来的研究还发现，由于刹车等磨损，汽车轮胎和刹车片颗粒会在过程中脱落，随雨雪进入排水管道。现有的污水处理工艺流程无法有效地去除这类物质，使其随污水排放变成水体中的微塑料污染。冬季用于道路养护（如道路除冰）的氯化物和磷酸盐等是直接污染源，有些利用工业废水浓盐水或矿井水浓缩结晶产生的废盐制备的融雪剂还有可能存在重金属、溴、碘和放射性等污染，铺设在人行道、道路等处的沙砾也会在冬季积累，到融雪期就成为高浓度的悬浮物。道路铺设时使用的沥青和含有重金属的粉尘也对饮用水源水质构成威胁。随着城市发展，道路面积不断增大，车流量显著增高，由道路交通引入饮用水源的污染物应引起高度的关注。
长久以来大气污染导致的饮用水源污染和城市微气候变化没有被引起足够的重视。城市地区的特点是空气污染源来源多、成分复杂，垃圾焚烧、污泥焚烧、农田施肥、燃煤、人工降雨、秸秆燃烧、工业废渣焚烧处置、采矿、水泥、玻璃制造、喷漆等导致大气污染的人类生活生产均通过降雨、降雪或自然沉降等途径汇入城市水体，影响饮用水水源的水质。
由于缺乏正确的引导和有效的处置技术，目前有些地区秸秆的处理方式仍存在不规范焚烧的情况。秸秆焚烧还会产生多环芳烃和重金属，制造大量棕色碳。按照物料平衡的原则，秸秆等农田废物本应该以资源化回田为主，但由于各地采用的处置方式不当，不但污染了大气环境，还会导致土壤矿物质等营养元素流失，造成土壤退化，碳汇能力降低。农作物秸秆中含有氮、磷、钾、碳氢元素及有机硫等，焚烧进入大气后可能会通过降雨等方式进入地下和地表水源。更加值得注意的是，刚收割的秸秆尚未干透，加上塑料地膜难以回收，经不完全燃烧还会产生大量氮氧化物、二氧化硫、碳氢化合物、大分子有机物及烟尘。这些物质进入水源不但会造成饮用水源污染，而且其中的氮磷等营养物还会引发湖泊、水库等水源富营养化。
还有一个没有引起高度关注的水源污染途径是混合垃圾焚烧。由于混合垃圾中通常含有塑料成分，特别是含有氟、氯、溴、碘等元素的聚合物（如聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和一些阻燃剂等），这些物质低温焚烧会产生毒性强、稳定性高的二噁英类污染物。即使将焚烧温度控制为高温可以减少二噁英类污染物产生，但氮氧化物和挥发性有机物生成量却因此增加，如果不在垃圾焚烧环节从源头上控制氮氧化物和挥发性有机物，二者进入大气后在阳光照射下可能会促进臭氧产生，造成城市地区的臭氧污染问题。垃圾焚烧产生的烟气受城市扩散条件影响，很容易留在城市水源及周边区域。其中的重金属（如汞、铊等）、氮磷营养物等物质会通过自然沉降或随降雨汇入地表径流重新进入水环境，还有一部分通过土壤渗透污染地下水。近年来研究人员发现一些湖泊底泥中的汞和二噁英浓度较高，这些成分经过水生物富集作用有可能通过食物链进入人体。此外，地下水中硝酸盐浓度也呈现升高趋势，有些地区地下水中氟浓度也升高，这些成分去除难度大、成本高，成为饮用水安全十分棘手的问题。
受气候变化的影响，干旱缺雨成为很多城市面临的棘手问题，因此一些城市采用人工降雨来改善干旱局面。但人工降雨中常用的尿素等吸湿性物质随雨水进入水体会带来富营养化的问题。常用的结晶剂碘化物（碘化银、碘化铅）在饮用水厂的消毒环节有可能转化为毒性很高的碘代消毒副产物，相比氯代、溴代消毒副产物,其具有更强的细胞毒性和遗传毒性。
需要注意的是，农业生产也对饮用水源水质构成很大的影响。城市人口增加带来各种需求相应增加，城市周边地区为了满足城市的供给需求发展密集化农业生产，往往建设了大量的温室大棚，降雨产生的自然下渗能力受到很大的影响，加上这些温室大棚可能主要以地下水作为农业灌溉用水，加剧了地下水位下降趋势，进而影响局部或区域气候特征。为提高产量、抑制病虫害，农业土地往往残留有大量农药、化肥、杀虫剂等，灌溉往往会使这些污染物转移到水体。长久以来受到关注的化肥会导致水源磷负荷增加，带来富营养化，引发淡水藻华暴发。值得关注的是，除化肥外农业种植还采用了各种生物肥，其中芽孢杆菌菌剂中培养液会导致污染物浓度的增加。某些地区采用含芽孢杆菌的复合菌修复黑臭水体使某些水源产生生物污染。由于芽孢杆菌耐氯性高，现行氯消毒方法难以使其有效灭活，菌种处理不当还会引发生物安全问题。
城市发展过程中需要大量的畜禽等农产品，随着城市周边集约化畜牧生产系统的发展，养殖业的污染物总量也随之增加。牲畜排泄物中可能含有营养物质、病原体、兽药残留、激素、抗生素和重金属等。畜牧业现行的氯消毒方法存在一些局限性，如果水中存在氨氮，氯与氨氮结合会生成氯胺，消毒效果被大大削弱，只有当氯与氨比例大于1∶8才能形成自由氯起到消毒效果。由于畜牧业污水中含有较高的氨氮，因此在通常较低投氯量条件下，难以高效阻断病毒等致病微生物的传播。养殖场管理不当、缺乏有效的消毒处理即排放有可能造成人畜共患的介水传染病外溢、污染水源，对公共健康构成潜在威胁。
淡水养殖产业为城市优质蛋白需求提供了很好的支持，但鱼类排泄物和残余的饲料直接导致水体的富营养化。水产养殖中常用的抗生素也有可能助长耐药菌的滋生。这些耐药菌未经处理直接在水体中繁殖，长此以往就会带来超级细菌问题。一些杀菌用的鱼药中如果含有溴和碘等成分，在消毒过程中有可能生成有害的副产物，养殖水直接汇入饮用水源，也会构成潜在威胁。
随着城市区域的不断扩大，医院等卫生设施逐渐完善，全国较大规模的医院约八万家，但医院废水处理一直是没有引起高度重视的高风险污染源。医院废水中含较高浓度的有机物、氨氮和致病微生物，还含有溴和碘等放射科体检示踪物质。如果废水中的碘代有机物进入饮用水源，有可能在氯消毒过程产生毒性很大的碘乙酸。
目前医院主要采用次氯酸钠进行消毒，当水中含有氨氮时，氯与氨氮作用生成氯胺，消毒效率大大降低。据统计，医院污水中氨氮含量从几mg/L到几十mg/L不等，而通常采用的投氯量远远达不到折点。医院污水消毒的出水考核的指标是总余氯，但实际起到消毒作用的有可能主要是氯胺，其消毒作用很弱，约为自由性氯的几百分之一到千分之一，难以灭活病毒和孢子类致病微生物，有致病微生物和耐药基因泄露的风险。据报道，2021年11月29-30日期间，美国休斯敦对从39个污水处理厂收集的废水样本进行检测，发现其中8个污水处理厂出现奥密克戎毒株。这也意味着，休斯敦几乎有1/5的污水处理厂出现该毒株。休斯敦卫生部门指出：新冠病毒会通过粪便传播。一旦出现如排水管道破裂、供水管道爆管、供水管道出现漏失或局部出现负压等极端条件，这些泄露到环境中的致病微生物有可能对饮用水水质构成潜在威胁。同时耐药基因的泄露更有可能引发“超级细菌问题”。
随着城市规模不断扩大，各种突发性污染暴发的频率也增高。个别企业私设暗管偷排放污废水的方式通常十分隐蔽，污染源头不可控，污染物难以第一时间查明，饮用水厂对偷排进入原水的污染物难以及时对症处理。而且偷排的污染物不仅会进入地表水体，还会渗入地下水，带来长期持续性污染。目前，急迫需要饮用水源水质智能化动态监测系统，从全方位实现饮用水源保护的动态综合管理。
化工行业发展迅速，化学品泄露事件频发。此类事件进入水源的污染物总量大、浓度高，饮用水厂采用的常规处理工艺难以应对，会导致水厂关停。而且污染物一旦进入水源，接下来极有可能污染输水管道，往往需要经过额外处理后才能恢复饮用水生产。
新冠疫情出现以来，城市饮用水处理对生物污染问题更加关注。医院污水、水产养殖、冷链物流、国际口岸等引入的病毒和致病微生物具有隐蔽性高、随机性强、难发现、难识别等棘手问题。据统计，城市供水生物污染事件的发生率远高于化学污染事件，因此造成的危害和社会不良影响也远超化学性污染事件。如果水中氨氮浓度偏高，常规的氯消毒工艺可能实质上通过氯胺进行消毒，对生物污染的处理能力有限，城市供水遭到生物污染有可能引发传染病在城市内暴发流行，造成严重后果。目前，我国绝大多数水厂采用的仍然是常规处理工艺，特别是农村地区水源水质差、维护管理水平低，水中氨氮浓度难以动态监测与控制，水厂经常闲歇性运行，因此与城市相比农村引发生物安全风险概率相对较高，一旦形成传染性疾病，在人群中传播也可能会引发大型城市人群间的隐蔽性传播，构成城市生物安全风险。
随着疫情防控逐步地进入常态化阶段，需要从全生命周期和全系统生态安全角度审视消毒措施控制病毒传播的效能和生态系统安全保障成效。国内外疫情防控常用的含氯消毒剂、含碘消毒剂和季铵盐消毒剂在短时间应急使用不会对生态环境产生较大的副作用。但长时间过量地使用这些消毒剂需要考虑对生态环境、饮用水源和地下水等产生的长期潜在副作用。对用含氯消毒剂消毒的物品进行焚烧处理也有产生二噁英的安全风险，对生态环境有可能产生长期潜在的不良影响。产生的卤代消毒副产物在环境中会逐渐积累，并难以去除，将会对饮用水源水质产生潜在威胁，并有可能形成长期的不利影响。同时，耐药菌和耐药基因的释放也有可能产生超级细菌的风险，因此在常态化疫情防控期间，应加强以绿色消毒剂为核心的预防性消毒，优先使用臭氧、紫外和过氧化氢等绿色消毒剂，通过多级屏障的方式阻断病毒的跨境传播，控制病毒等致病微生物在城市区域、农村等传播。在动态阻断致病微生物传播的同时，确保饮用水源水质安全。
2.3 城市水质净化过程中引入的次生污染物
由于地表水浊度高、色度高，原水中悬浮物浓度高，混凝-沉淀-过滤是国内饮用水厂使用的基础工艺，但混凝剂的投加也带来了额外的污染物。如铝盐混凝剂制备聚合态混凝剂过程中可能通过原料铝矾土携带一定量重金属，投加后铝矾土或碱化剂中的重金属会溶入水中，导致饮用水低浓度重金属污染。由于重金属具有生物富集效应，长期饮用会引发健康风险。此外，在低温或高pH条件下水中铝的残留浓度也会较高，在富营养化水质和季节性低温条件下，饮用水中铝浓度偏高的现象一直是困扰着城市饮用水厂的棘手问题。而使用氯化铁作为混凝剂，原水中的碘化物会被Fe3+氧化形成活性碘物质，随后活性碘与天然有机物（NOM）反应形成碘化合物，在后续消毒工艺中形成碘代消毒副产物，危害用户的健康。
给水与污水处理中常常采用一些助凝剂来强化水质处理效果，常用的助凝剂有聚丙烯酰胺、聚二甲基二丙烯氯化氨等。目前，人们主要关注丙烯酰胺单体的浓度，因为其具有较高的毒性，因此对其残余浓度控制极为严格，但对于聚丙烯酰胺等聚合物的残留一直没有给予足够关注。不过近年来研究发现，含聚丙烯酰胺的水在氯化消毒过程中会出现卤代酰胺等副产物。因此，针对饮用水厂中应用聚丙烯酰胺进行助凝对水质的影响需要进一步深入探究，在得到足够的证据前应谨慎在饮用水处理中长期大规模使用聚丙烯酰胺。
由于膜分离可以有效地分离水中的致病微生物，相关技术已经在饮用水处理中逐渐广泛得到推广应用，在保障生物安全性方面发挥了重要作用。近年来研究转向从全生命周期角度考虑饮用水水质，对于膜生产制备过程中采用的溶剂、塑料材料、增塑剂和膜保护剂等对环境和水质影响都纳入考虑范围。特别是在膜运行过程中酸洗、碱洗和次氯酸钠等药洗产生的有害副产物及微塑料给予了更多的关注。随着有机高分子膜在污水处理中的大量使用，废旧膜处置成为关注的焦点问题，常用的焚烧方法有可能在低温下产生毒性很高的二噁英类副产物，会重新构成饮用水源安全问题，而且处理难度更大。因此，给水处理采用的膜分离技术，应从全生命周期角度向绿色、低碳、清洁、生态、环境友好的方向发展。
氯消毒具有百年历史，对控制介水传染病做出了巨大贡献。但近年来人们发现氯消毒过程中产生很多消毒副产物，其中一些毒性很高，因此其潜在的化学安全风险也纳入考虑范畴。水中存在氨氮时，氯会与氨氮结合生成氯胺，氯的消毒效果被大大削弱。因此，在常用的较低投氯量条件下，难以高效阻断病毒及其他致病微生物的传播。为了方便运输，更多采用次氯酸钠实现消毒目的，但次氯酸钠在过长的储存中会产生副产物氯酸盐。二氧化氯消毒过程中也会形成一定量的亚氯酸根和氯酸根等副产物。根据毒理试验结果，长期饮用含氯酸盐的水对甲状腺有潜在的不良影响，因此需要在运行过程中控制消毒剂投量，严格控制氯酸根浓度。还有研究发现，藻类有机物（AOM）在氯胺消毒过程中会与水中碘形成碘代消毒副产物，并且AOM形成的碘代消毒副产物的产量比NOM高3.5倍。使用氯或氯胺作为消毒工艺，来自医疗废水的X 射线造影剂碘帕醇会形成碘代消毒副产物。
活性炭是饮用水处理中常用的吸附剂，但吸附饱和的活性炭重新活化需要消耗能源。同时由于某些煤质活性炭选用无烟煤作为原料，其中可能含有的溴和碘不可避免地在使用过程中释放出来，增加高毒性消毒副产物形成潜力。
尽管水处理技术持续发展，但依然存在难以去除的物质，如全氟和多氟烷基物质、卤代有机物等。这些物质一旦进入水源，最终就会出现在终端用户的出水中，而这类物质同样具有生物富集的性质，带来健康隐患。
2.4 城市供水管网输配问题
城市管网系统漏失问题逐渐引起人们的高度重视。随着城市规模的不断扩大，城市管网系统变得越来越庞大，相互关联度大，故障率高。城市管网覆盖面积大，供水系统十分复杂，受各种因素影响管道内流速变化大、输配过程中压力分布不均匀、间歇式供水等管理方法容易产生水锤，易造成爆管、泄露事故频发等问题。气候变化导致的气温突变也引发了许多城市的爆管事故。给排水管道漏损导致饮用水污染也对终端用户的安全产生潜在不利影响。
2.5 终端水质安全保障问题
由于大部分城市饮用水处理厂将关注重点放在出厂水水质，往往没有进行水质的化学稳定和生物稳定处理。增压泵从管网中直接抽水时，可能会导致局部压力下降，甚至产生负压区，影响管网流态，造成水锤或者水压波动，最终导致沉积物（铁、锰、铝、铅、镉、砷、铊等）脱落影响管道水质。如果水厂内没有进行生物稳定处理，出水进入管网就有可能发生微生物二次繁殖，给终端用户带来风险。
03｜城市饮用水安全保障对策与技术
3.1 构建城市群和流域尺度的饮用水源保护体系
传统的饮用水源保护侧重于取水口周围区域污染控制，通过设立饮用水源保护区，监测饮用水源的污染物情况。但由于城市群环境中对饮用水源污染因素繁多，需要从流域尺度及城市群范围进行饮用水源生态保护。
考虑到城市热岛效应和城市温室气体排放等控制因素，需要严格控制超大型城市的建设，推进卫星城建设。在城市群中设立足够的生态缓冲区，以利于增加防洪、生态调蓄、温室气体消纳和生物多样性保护。加强城市群内部和周围区域的生态净化功能建设，建立负碳功能区域，缓冲城市温室气体排放造成的城市热岛效应。设立严格的饮用水源保护区，提高水源水质的安全保障率。加强水的自然贮存、提升自然净化功能。
应从水源的选择开始减少饮用水处理难度。对地表水型水源应避开石油化工、垃圾填埋场、危险品存储地、大型工业区等可能存在水源污染的区域。有条件的城市可以开发其他备用水源，通过分布式基础设施建设实行分片供水，减少输送过程可能产生的污染、泄露损耗和能耗。对地下水型水源选择含水层较厚、水量充足且水质较高的区域，避免选择地下水超采区。近年来，陈建生等学者系统地研究了地下水深层传输规律，有可能从新的角度寻找丰富的深层地下水资源。
此外还要严格控制高风险污染物排放到饮用水源。饮用水厂所采用的工艺对全氟或含氟有机物、卤代有机物及微塑料这样的物质存在局限性，必须采用源头控制的方法，控制持久性污染物（如全氟化合物、卤代有机物、高氯酸盐等）和重金属排放（如垃圾、电池、温度计、工业废水），遏制这类物质进入饮用水源。如燃煤、混合垃圾焚烧、秸秆焚烧、工业废物焚烧等释放汞、铊等重金属的大气污染源，减少大气面源污染对饮用水源水质影响。严格控制二噁英和多环芳烃等大气污染物进入饮用水源。控制人工降雨等向水体中引入含碘物质的行为。同时也要从源头上控制医院废水、页岩气废水和地热利用后废水排放等引入的溴、放射性碘和盐类等成分，高度关注药物的排放控制（制药废水、废渣，抗生素污染控制等）。地下水污染扩散速度慢、隐蔽性强、恢复难度大，因此还需要严格控制高浓度废水向地下回灌，对于受污染地下水源应及早发现、尽早修复，一旦污染物扩散后修复难度极大，成本极高。目前，我国受污染地下水的监测与修复工作尚缺乏系统深入的研究与工程规划，应给予高度重视。
以水库或湖泊为水源的情况应重视入湖（库）河流水质控制，特别是磷及其他营养物质。谨防营养物质通过混合垃圾焚烧、农业施肥等途径进入城市水源。作为饮用水源的水体应控制养殖、旅游。畜牧养殖产业应加强循环经济发展规划，发展废物资源化、能源化利用和水循环利用等技术。
同时还需要建立完善的节水政策，发展节水技术，大力开发非传统水资源，开发城市生活污水回用于农业、工业和生态的技术体系，开发城市生活污水直接回用于饮用水的高级处理技术体系。通过基于全生命周期的温室气体排放和安全可靠度综合评估，确定解决城市供水问题的最优工程解决方案。
3.2 发展高效、低能耗、高适应性的饮用水净化工艺
3.2.1 高价态铁盐 Fe(VI)饮用水净化技术
随着饮用水源中的污染物种类增多，开发多功能绿色净水剂是国际高度关注的热点问题，随着高价铁大规模制备技术的突破，其在解决复合污染问题、经济高效地提高饮用水水质方面将发挥重要作用。高价态铁Fe(VI)是指六价铁的四氧化合物高铁酸盐。水处理过程中，高铁酸盐在价态变化过程中会产生一系列高活性中间态成分，可以高效地去除水中多种有机和无机污染物，高铁酸盐的最终产物纳米尺度的三价铁在水中以氢氧化铁形式存在，不会对水质造成污染。高铁酸盐的氧化能力与其有效的消毒和絮凝能力相结合，是通过独立投加获得多重处理效果的净水剂。因此，高铁酸盐也被称为“绿色氧化剂”“环境友好型氧化剂”。
高铁酸盐一个重要功能是控制消毒副产物生成。海平面上升导致海水倒灌，沿海地区饮用水源中氯、溴、碘等卤素离子含量升高。常用的氯、氯胺、二氧化氯、臭氧和高锰酸钾等氧化剂都有其局限性。如氯化过程会产生消毒副产物，二氧化氯和臭氧分别能形成亚氯酸盐和溴酸盐，使用氯胺可能会产生亚硝胺。而高铁酸盐不会与溴离子（水中的常见成分）反应生成溴酸根离子。
由于人工降雨和医院废水中含有含碘污染物，加之我国污水中氨氮比例普遍偏高，饮用水消毒过程中有可能形成碘乙酸。碘乙酸具有极强的细胞毒性、遗传毒性、甲状腺干扰毒性，是致癌、致畸、致突变的“三致”物质，对人体健康有很大影响。Fe(VI)可将碘离子快速氧化为碘酸盐，避免次碘酸与溶解性有机碳反应生成碘代消毒副产物。
高铁酸盐另一个功能是降解内分泌干扰物。Fe(VI)的中间产物Fe(V)和Fe(IV)反应活性强，中间产物会参与到有机物的氧化过程中。研究发现，Fe(VI)对酚类雌激素、双酚 A、壬基酚、辛基酚、三氯蔗糖、抗生素、β-内酰胺、β-阻滞剂和X射线造影剂等物质都能起到去除效果。
高铁酸盐一个很大的优势是高效地去除多种重金属。由于采矿、燃煤和垃圾焚烧等途径会使微量铊进入到水源中，原水中可以检出低浓度的铊，这种物质毒性强、难去除，极易通过生物富集作用进入人体。常用的粉末活性炭吸附、聚合铝或聚合铁混凝等方法对铊的去除效率均较低。利用高铁酸盐可高效地去除水中痕量铊，而且处理成本不高、运行管理方便。
高铁酸盐作为絮凝剂能高效地去除重金属的核心成分是高铁酸盐还原产生的纳米级铁氧化物/氢氧化物。高铁酸盐可以将有机砷氧化成As(V)，然后利用吸附作用去除产物中的As(V)和少量剩余的有机砷。这个过程同时伴随对水中有机污染物的去除。经过高铁酸盐处理，重金属不会重新回到水中。反应后的纳米颗粒带磁性，也可以很容易地从水中分离出来。
高铁酸盐是绿色消毒剂。高铁酸盐可以在很宽的pH范围内实现消毒。研究发现，经过高铁酸盐处理的水中总大肠菌群的杀灭率超过 99.9%。并且在灭活大肠杆菌时，需要的高铁酸盐投加量也低于氯。同时，对于一些耐氯细菌，高铁酸盐都有很好的灭活与去除效果。
高铁酸盐能高效地降解藻毒素。研究发现，高铁酸盐可以成功地降解湖水中存在的蓝藻毒素微囊藻毒素-LR，并且对产物进行分析时，发现微囊藻毒素-LR降解后的副产物没有显著生物毒性。
3.2.2 高效沉淀与改性微气泡分离联用技术
现行水厂中采用的平流沉淀池和斜板斜管沉淀池等常规沉淀工艺对于一般浊度水处理效果较好，但对于低温低浊、高色、高藻水处理效果不理想；而气浮工艺对于高浊度水处理效果不稳定，但对于低温低浊和高色高藻水处理效果很好。笔者发明了一种侧旋流排泥的平流斜版沉淀池，具有沉淀效率高、受原水水质变化影响小、适应性强、占地面积小等特点。进一步将侧旋流排泥的高效斜板沉淀池与气浮有机结合，可以对不同类型的原水水质实现高适应性的处理效果。研究发现，与单纯沉淀工艺相比，进一步经过微气泡分离可以使水中颗粒物数量降低10倍，对水中有机物和藻类也可以取得很好的去除效果。
3.2.3 臭氧高级氧化技术
大多数水厂使用的“混凝—沉淀—过滤—消毒”工艺流程，对原水中的持久性有机物、内分泌干扰物及药物等微量有机污染物的去除效果较差。目前，最广泛应用的深度处理方式是臭氧氧化技术，其对水中多种不饱和类或酚类有机物氧化效果良好。臭氧与活性炭联用工艺中的活性炭虽然能够吸附高稳定有机污染物，但对于极性强的微量有机污染物去除效率不高。
目前常见的臭氧发生器在运行中存在一些问题，如臭氧产量低、低工作压力下臭氧气泡大、臭氧利用率低、设备故障率高、低温条件下运行尾气量大。经过改进的新型臭氧发生技术产生的臭氧浓度高、工作压力高，可以通过以微纳气泡形式与水接触产出臭氧，有效地提高水中臭氧浓度，且这种方式生成的臭氧不易衰减。以微纳气泡形式存在的臭氧微观界面纳米效应显著，还可以生成羟基自由基，氧化效率高。由于该系统可承受压力高，因此可以将臭氧接触池的深度从常见的5~6 m加深到10 m左右，节约占地面积。由于效率提升，系统运行功耗也相对较低。
臭氧分子与有机物的直接反应有较强的选择性，对于水中稳定性的有机污染物难以分解去除，而利用催化剂诱导生成氧化能力更强的自由基，与污染物反应速率显著增强，对于嗅味等微量有机污染物具有良好的处理效果。除此之外，臭氧/过硫酸盐联合使用，可以同时产生羟基自由基和硫酸根自由基，由于两者性质不同，可以大幅度地拓宽污染物的去除范围，提高微污染物的综合去除效率。
3.2.4 低能耗无机陶瓷膜分离技术
膜分离是解决生物安全风险问题的新技术，可以去除水中诸多致病微生物，被越来越多的水厂应用。但由于某些高分子膜在制备和使用过程中存在潜在的微塑料释放和副产物形成等问题，人们逐渐从全生命周期角度考虑膜分离技术的发展与应用。由于无机膜具有化学稳定性强、热稳定性强、耐污染和使用寿命长等特点，近年来陶瓷膜在水处理中的应用迅速增长，预计陶瓷膜市场将实现12%的年均增长率。膜工艺的优化与配置以及使用膜的类型会影响能源的消耗和温室气体的排放量。由于陶瓷膜亲水性强，与聚合物膜相比更不容易发生膜污染，这也意味着降低了反冲洗和药洗的频率，因此减少了水处理过程中的功耗。
无机膜可以高效地去除水中的致病微生物。使用无机陶瓷膜进行消毒可以去除病原菌和病毒，显著降低后续消毒剂的投加量。
通过调控无机膜的孔径分布和表面特性取得无动力运行的效果（自驱动膜）。通常膜过滤的效果受限于膜的孔径，但自驱动膜一定程度上打破了这样的限制。研究发现，不通过外部加压，而是使用液位差和膜自身的特性使陶瓷膜实现分离功能，延迟了不可逆污染出现的时间。自驱动膜能耗低、性能稳定、维护相对简单，具有广阔的应用前景。
高级氧化与无机膜联用可以取得催化氧化和抗污染分离双重作用。聚合物膜长期暴露于高级氧化产生的各类自由基下很容易被降解，膜老化后会逐渐释放微塑料等成分。而无机膜具有与高级氧化技术联合使用的优势。具有催化性能的陶瓷膜与高级氧化技术联用具有很好的发展前景，如臭氧和过硫酸盐等与无机膜联用具有很大的发展潜力。催化陶瓷膜—高级氧化协同作用不仅可以提高污染物的去除率，高级氧化产生的羟基自由基和硫酸根自由基同时也对抑制膜污染起到了重要作用。
3.3 开发非常规水资源
再生水回用可以缓解水资源短缺的问题。用再生水取代非饮用水用途（如农业灌溉、市政用水和工业用途）消耗的饮用水，避免了与饮用水抽提、处理和输送有关的碳排放，也就削减了这部分用途造成的温室气体排放。此外，由于污水处理设施需要处理的污水总量相应减少，就可以减少污水处理过程产生的部分碳排放。美国已经在一些地区实施污水直接制备饮用水的计划，并认为其成本比海水淡化更低，而且由于再生水没有海水淡化常见的碘、溴、氘和硼等问题，应用成本更低，安全可靠度更高。
海水淡化通常被认为是耗资巨大的水处理方式，是没有替代方案的情况下实施的供水方案，但对于水资源紧张地区来说，长距离输水和蓄水基础设施的建设同样需要消耗大量能源。如果使用得当，海水淡化可以减少对地下水的抽取，还可以补充陆地上的淡水循环。同时，海水淡化设施的选址也利于处理厂选择可再生能源来替代不可再生能源进行生产。使用海水淡化可以减缓气候变化，对保护和恢复生态系统带来有利影响。但由于海水淡化其中含有的硼、溴和碘等成分很难被彻底去除，氘也对人体有不利影响。特别是通过反渗透膜进行海水淡化后，硼、溴和碘的浓度仍然相对较高，在消毒过程中会生成毒性很大的碘代和溴代副产物。此外，海水淡化后的水离子强度很低，进入市政管网会对管道产生腐蚀，改变管道内的平衡状态，难以实现安全稳定运行，因此建议经过海水淡化处理的水优先用于工业，这样处理成本会相对较低，减少工业上对城市供水的需求，同样可以减少城市饮用水处理过程中产生的碳排放。
3.4 加强城市管网的调蓄与贮水功能
目前长距离引水主要有渠道和管道两种方式，有些是通过管道输送原水。由于原水输送过程中会产生沉积和生物污染，维护管理难度很大，建议优先采用清水输送的方式，容易维护管理。特别是深隧长距离输水，维护管理难度非常大，如果采用清水输送的方式，可大大地降低深隧维护管理难度。此外，应尽量减少城市水源输配时进入调蓄水库造成二次暴露的机会，降低二次污染概率，因为一旦水库发生富营养化，有可能产生嗅味和藻毒素，水质处理难度大大增加。提倡建立节能、安全，具有温度、水量等调蓄作用的地下供水管网创新体系，使供水管网不仅具有输配功能，还具有缓冲调节功能和稳定水质和水压功能。发展三维区块化管网系统，实现节能、低碳、安全、绿色的城市供水目标。地下蓄水池的设立也有利于缓冲城市缺水高峰，提供城市高峰时期的用水水量，缓冲不同水源水质变化，也有利于调节与缓冲管网压力突变。特别是在地震高发区域还可以避免因管网损坏产生大面积断水、停水事故。
3.5 城市供水管网系统区块化改造与智能化管理
构建区块化管网是国际上城市供水的发展趋势。通过区块化管网改造可以降低管道压力突变和流量突变，预防水锤、沉淀物脱落等，有利于降低漏损、降低产销差，提高供水管网系统的安全可靠度，并有利于供水系统的管理。有计划地对供水管网进行区块化改造，并实施智能化管理，能够降低管网水龄，使压力分布均匀，结合管道系统实时动态优化调度能够降低供水漏失率、供水故障率，提高供水安全保障率。
3.6 借助数字化手段实现城市供水低碳优化运行
传统水环境监测智能化、实时性较差，监测透明度低。搭建水环境智能检测平台，实现对饮用水水源的智能化综合分析，收集监测数据、同步实行水质数据统计与分析，全面评价水源水质动态变化规律及趋势，及时预测、预警和实施动态调控。物联网技术不仅能够实现水环境的监测，还能实现数据共享，节约了大量的人力和时间，提升综合管理水平。
饮用水的需求量越大，需要处理的水就越多，因此需要尽可能地减少渗漏造成的损失，在后续处理阶段产生的温室气体就越少。部署物联网后由系统接管监测，通过对压力和流量的建模，在后台完成检测和诊断而无需第三方参与，通过大规模动态调节阀门实时地调控供水管网特性，确保管网低碳、安全、稳定、可靠运行。可以及时准确地发现泄露点，通过自动控制阀门设备减少损耗和二次污染。智慧管网监测控制管理系统还可以根据平台历史数据，智能调节不同时段供水压力，避免长期保压供水导致的能源浪费及管线损耗，降低运行维护成本。
3.7 发展绿色终端水质保障技术
终端水质保障的目的是去除浊度、悬浮物、病毒、致病微生物（贾第虫、隐孢子虫、芽孢杆菌等），以及输配过程中释放出来的铁、锰、过量的钙镁和其他有害成分，同时保留矿物质和微量元素。无机膜技术基本不受规模限制，可以实现分散化和小型化，并且最大限度降低能耗。绿色高性能无机膜（纳米级膜催化过滤）能够实现纳米尺度膜滤，耦合高级氧化工艺（催化氧化）可以经济高效地保障二次供水水质。
04｜结语
在“碳中和、碳达峰”目标约束下，城市供水的减碳工作可以从源头开展。注重环境修复、源头治理，减少饮用水厂的处理压力，减少多级工艺处理消耗的能源和化学品。同时通过合理规划，从取水环节减少长距离输水导致的能源消耗。并提倡城市饮用水供水部门适应气候变化带来的影响，更要引导城市饮用水供水部门为实现碳中和进行政策、技术和管理方面的发展规划。城市饮用水供水部门可以有针对性地选择适用于现有水厂水质的高效低碳节能新技术对水厂进行升级改造，改进以往粗放的处理方式，杜绝以能耗换水质。结合引入非常规水源，增加工业生产中再生水和海水淡化水的使用比例，满足现有用水的需求。以及借助互联网思维，全过程监测从取水到输配整个过程，通过智能化综合分析和监测预警，减少设备损耗和水质污染。通过每个环节的精细控制，确保城市饮用水处理整体实现碳减排，在保障饮用水安全的情况下发挥水源—处理—供水全过程的减碳潜力。