马军院士：饮用水中的锰污染的危害与深度去除技术

我们每天都离不开水，而水的质量与我们的健康息息相关。在当下，气候变化对水质产生了显著影响，其中锰污染问题近年来备受国际关注。如何强化深度去除锰，保障饮水安全，已成为亟待解决的重要课题。5月9日“2025全国水科技大会暨技术装备成果展览会”主论坛上，中国工程院院士、哈尔滨工业大学环境学院教授马军从锰的健康影响、气候变化对锰污染的推动作用，以及强化锰去除的策略等方面带来了《饮用水中的锰污染的危害与深度去除技术》报告。

一、地表水锰污染现状

全球气候变化加剧了极端气候现象，导致温度逐渐升高，进而促进了水蒸发过程。温室气体在近地面导致空气温度升高，而高空温度则相对降低。这种温差使得水蒸气在高温下蒸发，并在高空因温度低而冷凝，导致云层加厚。

近期，我们观察到空中水蒸气含量显著增加，这虽然不易引发小雨，但却增加了大雨或暴雨的可能性。地表温度逐渐上升的趋势明显，这不仅影响人类生活，也对水生生态系统造成重大影响。随着水温升高，水中的溶解氧含量降低，类似于烧开水时溶解氧消失的现象。湖泊中的溶解氧同样随着温度升高而减少，从耗氧状态转变为缺氧，甚至厌氧状态。这种缺氧条件会导致底部沉积物中的磷和锰等元素释放。

氧化还原电位在缺氧条件下会发生变化，促使锰元素释放。地下水中锰浓度相对稳定，但地表水中的锰浓度受多种环境因素影响，表现出复杂多变的特点。浓度波动范围大，有时可达五六毫克每升，且往往具有突发性和不可预见性。锰污染问题已从南方扩展到北方，东北、河南、福建等地均出现高浓度锰污染现象，浓度最高可达十几毫克每升。锰污染呈现出多端、多模式、多形态波动的局面，对环境治理提出了严峻挑战。

二、饮用水中锰的危害

饮用水中锰的危害一直是人们关注的焦点。锰虽是人体必需的微量元素，但过量摄入会带来严重危害。国际上关于锰对人体健康影响的研究日益深入，诸多研究表明，锰过量可能对孩子的智力发育产生负面影响，还会破坏人的大脑神经。例如帕金森氏综合征等疾病发病率的上升可能与锰污染有关，神经元也会因锰过量受到破坏。早在2011年，就有研究报道指出，锰浓度与儿童智力相关，过高的锰浓度会导致儿童智力下降。近年来，更多研究揭示锰与神经性疾病的关联，美国的相关报道显示，当地锰污染问题持续增长，且这与神经性疾病发病率的升高存在潜在联系。此外，欧盟、日本等国家和地区也逐渐重视锰的潜在危害，为保障居民健康，将饮用水中锰的浓度标准设定为0.05 毫克 / 升，这一更低的浓度限制，凸显了锰污染防控的紧迫性和重要性。

三、气候变化背景下饮用水厂的运行痛点

在气候变化的大背景下，用水场的运行也面临诸多痛点。饮用水源受气候变化影响显著，一方面，温度升高与极端气候增多，导致藻类滋生、嗅味物质产生以及锰污染等问题频发；另一方面，这些问题的突发性极强，使得常规的水处理工艺难以适应，即便配备了深度处理设施，也常常无法有效应对。值得注意的是，即便出厂水的锰含量达到国家标准，在供水管道网络中，微量的锰仍会因水量变化、流速波动以及水锤效应等因素发生沉积和释放，进而引发 “黑水”“黄水” 等水质恶化现象，严重影响供水质量。

在锰的去除技术发展历程中，李圭白院士带领团队研发的第一代除锰技术，重点针对地下水除锰，利用接触氧化过滤的方式强化去除地下水中的锰，该技术已在全国范围内广泛应用。然而，地表水中的锰多以弱结合态存在，单纯依靠空气氧化难以将其有效去除。为此，第二代除锰技术应运而生，通过强化预氧化的方式，一定程度上提升了地表水中锰的去除效果。但面对突发性的锰污染，以及原水锰浓度的剧烈波动，仅依靠预氧化技术仍难以实现稳定处理，在实际运行过程中困难重重。

基于地表水中锰污染突发性强、浓度变化难以预测的特点，开展深度除锰研究迫在眉睫。深度除锰的目标，是将锰浓度尽可能降低，理想状态下达到20微克/升以下，甚至10微克/升以下，从而减少“黑水”“黄水”现象的发生，切实保障居民饮水安全与身体健康。但在实际操作中，除锰过程受多种因素影响，前端的混凝沉淀过滤环节，以及后端的膜滤等处理工艺，任何一个环节出现变化，都可能对除锰效果产生显著影响，这无疑为深度除锰技术的研发与应用带来了巨大挑战。

四、基于人工智能调控的地表水深度除锰技术

为应对这些挑战，我们引入人工智能调控体系，对锰污染进行提前预测与动态管控。鉴于锰污染体系具有非线性、多尺度敏感且难以预测的特点，人工智能凭借其强大的数据处理与分析能力，可实现对水质变化的实时动态监控。通过构建大模型，能够模拟和优化整个水处理运行管理流程，从而精准预测锰浓度变化趋势，为多手段、多阶段联合强化除锰提供科学依据。传统人工化验存在滞后性与不连续性，难以满足锰污染突发性监测需求，而我们现有的连续动态监控技术，已将锰的检测下限降至2微克/升左右，极大提升了监测的时效性与准确性。

同时，我们采用绿色净水剂配合创新处理工艺。绿色净水剂不仅效率高，且无副作用，可在预处理阶段实现除锰、除藻、强化混凝等多重功能。通过将该技术与膜处理、过滤工艺相结合，能够动态提升水处理系统的综合效能，在强化锰与藻类去除的同时，有效控制膜污染。实际运行数据表明，即便原水锰浓度突发波动，最高达五六毫克每升，经处理后的出水锰浓度始终稳定低于10微克/升，在长达一年的运行周期内持续达标，且膜通量保持较高水平，保障了水厂的高效运行。

在强化除锰技术方面，我们从两个关键维度发力。一方面，兼顾颗粒态与溶解态锰的去除，将两种形态锰的处理工艺有机结合；另一方面，针对水中难去除的痕量溶解态锰，研发锰催化工艺，通过催化作用将溶解态锰快速转化为非溶解态，便于后续去除。此外，我们还开发了新型复合滤料，可根据不同需求进行改性与制备，赋予滤料深度净化功能。这种滤料适用性广泛，无论是大型水厂、分散式水厂，还是家庭净水设备均可应用，且过滤材料催化剂种类丰富，能够根据实际需求灵活选用，在深度除锰的同时，还可协同去除多种重金属。目前，该滤料已实现规模化生产，在大型水厂的长期运行实践中，可将锰浓度稳定降至0.005毫克/升（5微克/升）以下，为众多水厂的升级改造提供了可靠的技术方案。

五、总结与展望

全球气候变化诱发系列地表水质新风险(锰、藻、嗅味)单一除锰工艺难以应对多重水质挑战；原水锰浓度的波动性要求除锰技术具备韧性与动态适应性锰浓度在线监测是深度除锰的必然要求;"绿色预处理剂+纳米复合膜+催化滤料”可实现复杂水质背景下饮用水中锰的深度去除；构建动态响应型智慧水处理系统是破解锰-藻-嗅味-COD协同治理难题的关键。