化学及水变化中的世界面临的挑战及解决方案

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1、 第 6届化学科学与社会研讨会(CS3) 白皮书 化学与水：变化中的世界面临的挑战与解决方案 莱比锡 2015年 9月 中国化学会译 目 录 关于化学科学与社会研讨会(CS3) 1 执行总结 2 介绍 6 第一章 水资源、人类健康和环境 9 1 现状 9 2 面临的挑战 10 3 为什么需要化学的帮助 11 第二章 污染物检测 13 1 现状 13 2 面临的挑战 13 3 为什么需要化学的帮助 14 第三章 资源回收 17 1 现状 17 2 面临的挑战 18 3 为什么需要化学的帮助 19 第四章 水处理与废水处理 22 1 现状 22 2 面临的挑战 22 3 为什么需要化学的帮助 24

2、 展望 27 参考文献 28 2015 CS3与会人员 29 1 关于化学科学与社会研讨会（CS3） 化学科学与社会研讨会 (Chemical Sciences and Society Summit, CS3) 将世界 各地化学领域里最顶尖的人才汇集在一起，以探求国际社会面临的最紧迫的健 康、食品、能源、环境等问题的创新性解决方案。这一独特的活动拥有一个创 新的形式，旨在为全球科学研究指明方向，并将每年由参与国轮流主办。 化学与水：变化中的世界面临的挑战与解决方案白皮书是对 2015 年 9 月 14 日至 18 日在德国莱比锡城召开的第 6 届 CS3 的成果总结。这次会议重点 关注了水资源

3、、人类健康、环境问题、污染物监测、资源再生和水处理。来自 中国、德国、日本、美国和英国的研究水处理的顶级化学家和工程师齐聚莱比 锡城，确定了国家级乃至世界级的主要科学技术难点，以便于推动水化学领域 向着最符合社会需求和可持续发展的方向进步。 CS3 由中国化学会、德国化学会、日本化学会、英国皇家化学会和美国化 学会合办。该系列研讨会由中国国家自然科学基金（NSFC）、德意志研究联合 会（DFG）、日本学术振兴会（JST）、英国工程和自然科学研究委员会 （EPSRC）和美国国家科学基金会（NSF）提供赞助。 （本白皮书由科学作家 Michael Gross 经过与德国化学会咨询后编译和撰写，并经

4、 2015 年 CS3与会人员审核。） _ 2 执行总结 面对世界人口数量持续增加、全球都市化程度更高、人们更富有、平均寿 命更长的现状，淡水供给成为 21 世纪人类遇到的最大难题之一。气候变化对水 文周期造成的影响是多方面的，从灾难性干旱到大范围的洪灾都会使淡水供给 问题雪上加霜。为应对这些问题，化学在水分析、水处理和水资源回收方面的 技术创新将会在世界范围内水资源可持续利用和安全供给等方面做出重大贡 献。 在第 6届 CS3 研讨会上，来自中国、德国、日本、英国和美国的 40位专家 齐聚一堂，主要商讨了下面 4 个关键领域的议题：（1）水、人类健康与环境； （2）污染物监测；（3）水处理；

5、（4）资源回收。 面对世界范围内资源日渐匮乏的现状，正如那句标语所说“同一个水源，同 一个环境，同一个健康”，水、人类健康与环境问题在所有层面上（从局部层面 到全球层面）都至关重要而且相互关联。水资源的可持续利用、对自然过程中 水污染降解的深入理解以及将化学处理水污染的使用降到最低限度是保卫人类 健康和保护环境的先决条件。 来自农业、城市和工业源的污染威胁着饮用水的安全。这种威胁不仅来自 于农药残留和化工产品，还来自于生产药品和化工产品等消费性产品过程中排 出的废液。纳米颗粒和微塑料更加重了对环境的人为污染。发展中国家存在的 水传播性的微生物和致病菌问题非常令人担忧，世界各地都要考虑到这些潜在

6、 的威胁。气候变化、土地用途改变、世界人口增长、城镇化和人口结构变化等 更加剧了以上问题。 在应对严重危机和制订长期规划时，需要跨学科和跨部门（地域）的思维来 迎接这些挑战。这意味着化学专业知识和分析技术革新需要与医疗服务、社会 学认知以及对水、人类健康和环境的协调管理措施结合起来。对微环境中污染 物的自然衰减过程要有流域尺度上的深入了解，以保证自然环境的承载能力 （作为一种预防原则），还要有处理层面的理解，以将其作为一种工程技术上 节约能源的修复策略。在流域尺度上，由于对污染物的自然衰减过程理解不足 而导致的污染物突增事件频繁发生（被称为“热点事件”和“热点时刻”）。而在 水处理中，对污染物

7、自然衰减过程的研究才刚刚起步。来自各个方面的推动因 素，比如先进的创新性分析化学、生化分析中的高通量筛选技术、能帮助增进 3 我们对降解过程理解及设计更易降解药品的计算化学、避免使用有毒溶剂的绿 色化学等，在解决这些难点问题中都至关重要。 所有的可持续水资源管理站都建立在污染物监测基础之上，需要以简单可 靠同时又先进精细的分析方法为其根基。为了达到这个目的，必须确定相关的 目标分析物，即构成威胁的污染物。 分析检测应包括对已知污染物的监测和对新出现污染物的识别。一方面，分 析方法要符合国际和国内规范，比如欧盟水框架指令等的要求；另一方 面，我们需要积极主动地开发先进分析仪器，识别和定量化目前尚

8、被忽视的转 化产物、纳米粒子、微塑料制品等水体污染物。 检测技术的发展要能跟上自然和人为过程中产生的化学物质日益多样这一 形势，要专注于确保水质满足不同使用目的。所以需要包括从特异性检测到广 谱检测的一整套不同的仪器和方法。 在整个检测过程中（从样品制备到检测结束），化学分析以及生物毒性鉴 定方法的标准需要协调统一，以提高测试结果的可信度和可比性。但是，在转 化产物识别以及非靶标检测方法的验证标准方面的研究还存在显著缺口，相关 的标准还有待明确限定。 理想的情况是，在覆盖一种化合物整个生命周期的全面分析中，在产品的 开发中早已事先考虑到所生产化学品在废水中的检测需求。 检测由化学品混合物造成的

9、危害是一个重要的难点，因为目前的风险评估 是将化学物质分别考虑的。可是，实际上，数以千万计化学物质，即使单个物 质的浓度在检测限以下，都存在着混合效应。因此，我们不仅要弄明白各种化 学物质的混合效应，更要改进检测方法以便能检测到混合效应的生成物。生物 分析技术，如以细胞为基础的生物鉴定方法，其可以提供测量化学物质总负担 量的影响的手段，也能成为对特定物质进行化学分析的有益补充。分子水平的 毒性测定（生态毒理基因组学）也能帮助筛查混合效应。高通量质谱分析法的 最新进展在检测化合物混合效应包括目前未知的微污染物以及他们的转化产物 方面扩大了我们的视野。这种方法可能成为一个更强大的化学综合评估的工

10、具，用于评价处理工艺和污染控制的有效性。 水分析学需要联用技术（如 GC-MS, LC-MS）在朝应用于环境研究方面取 得特定发展后才能将其纳入使用，比如，GC- 或 LC-IRMS 对特定化合物的同位 素分析可以在其他方法都不可用的时候（比如在流域尺度或者非常复杂的工程 系统里），通过测定同位素比率来作为污染物转化的证据。与此形成鲜明对比 4 的是，不需要专业人员操作的常规测试的发展则要朝着速度更快、成本更低、 检测方法和设备更方便的方向优先发展。 水分析数据需要更好的数据库和更加整合的数据管理，比如，实现分析数 据共享和计算机分析，以使化合物的鉴定更加快速。但是，这种共享的跨国实 施也是一

11、个重大的挑战。 20 世纪的后 50 年，工业化国家的水处理技术在应对日渐增长的废水量和 提升水质方面非常成功。为解决 21 世纪的技术难点，为安全有保障的提供各种 类型的用水，水处理研究和开发需要在基础层面（如新颖的膜类、特殊的生物 材料、吸附剂、催化剂）、中间层面（如技术转移、技术放大）和设备层面 （如集成过程、能源回收等）同时展开。研究范围既应包含设计先进的水处理 系统来处理复杂的废水流，也应包含研制更简单、成本更低的水处理系统保证 发展中国家的用水安全。未来的涉水基础设施需要灵活适应当地需求和周围环 境的快速变化。比如，人口规模增大和减小都会对现有的涉水基础设施产生影 响。 对介于公共

12、设施和产业界之间的新的水处理工程技术的资金支持也是一个 必须解决的难点问题。 像中国这样快速增长的经济体本来可以采用新技术建立未来水资源管理系 统，但是，一些守旧的工厂依然倾向于采用发达国家广泛使用的非常成熟的废 水收集、废水处理和处置策略。这种保守的做法表明新技术和管理方法的革新 并非一番风顺，而那些新技术往往才是新问题出现时更合适的解决方案。 需要建立可以在各个层面上测试新技术的试点性和示范性设施。风险累加 标准也要确定，这样才能根据潜在的不利影响（例如，减少毒性）来鉴定水 质。这需要齐头并进地发展上面所述的有效分析方法。 废水处理和管控正在从保护人类健康和环境的必需向宝贵自然资源的回收

13、过渡。已经和可能从城市污水中回收的自然资源包括能源（从碳、氮和热 能）、一系列金属（比如金、锂）、营养元素（比如磷酸盐、氮）、其他盐类 和化学品，除此以外，更重要的就是纯净的水。专注这些机遇有助于刺激更先 进的水处理技术的出现和吸引更多水处理方面的投资。需要在基础研究以及将 研究成果付诸实施的过程中对资源回收再利用这一理念有全方位的执行与支 持，才有可能实现将废水处理从视作负担到当成一种可开采宝藏的机遇的转 变。 虽然许多领域进展显著，CS3 与会者确定了一系列需要着重研究发展的特 定技术和能力，如：从废水中生产、提取能源的技术；对资源回收设施所用原 5 材料成分组成和变化进行表征和监测的新化

14、学方法；对能量产额进行预估以及 可当作原材料的潜力的判定方法。此外，进一步开发可高效回收和再利用（而 不是仅仅从水体中去除）营养物质和金属的技术尤为重要。 为达到足以维持人类与环境健康发展的可持续水资源供给这一总体目标， 水检测、水处理和资源再生等问题必须和工业、农业和生活污染源以及再生资 源的下游使用等同时考虑，协调解决。本白皮书中选择性地呈现了一些成功案 例。但是，如何将这些成功案例传播到世界各地，使世界人民都能高效可持续 地利用水资源，需要长期战略性的国际合作，这也依赖于以工程学和化学为首 的所有相关学科的基础工作。 6 介 绍 水是地球生命起源的重要先决条件。人类和地球上其他物种一样都需要洁 净的水源来维持生命。虽然海洋覆盖了地球表面的 71%，但是蓄水层、湖泊、 河流