为调查CKDu病区的地下水水质特征，分别于雨季(2016年12月)和旱季(2017年5月)在斯里兰卡北中省Anuradhapura地区进行水质调查。根据人口和CKDu发病率确定采样点，主要采集浅井、管井及泉水样品，采样点分布如图1所示。高CKDu发病率区的采样点有35个，中CKDu发病率区的采样点有26个，低CKDu发病率区的采样点有17个；在无CKDu病例的Monaragala和Kandy地区各采集5个水样作为空白点。共计采集水样88个。

采用便携式水质分析仪(WTW, Welheim, Germany)测量pH值、电导率EC、水温。水样中的金属元素由电感耦合等离子发射光谱(ICP-OES, Optima 2100 DV, Perkin Elmer, USA)和电感耦合等离子体质谱仪仪(ICP-MS, Agilent 8800, Agilent, USA)测定；阴离子由离子色谱(IC, ICS-1000, Di-onex, USA)测定；在此基础上计算硬度浓度(采用钙和镁离子计算，如式(1)所示)。水样中溶解性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)的质量浓度通过总有机碳分析仪(TOC, Elementra, Langenselbold, Germany)进行分析。

式中：H为硬度，mg·L⁻¹；$ {C}_{{\rm{Ca}}} $为钙离子质量浓度，mg·L⁻¹；$ {C}_{{\rm{Mg}}} $为镁离子质量浓度，mg·L⁻¹。

水质调查结果显示，CKDu病区地下水的硬度、F⁻、DOC质量浓度较高，其分布如图2所示。

如图2(a)和图2(b)所示，在Anuradhapura地区，旱季地下水中硬度较雨季有所升高。雨季地下水硬度均小于350.0 mg·L⁻¹；而旱季地下水中硬度浓度鲜有小于250.0 mg·L⁻¹。在Nochchiyagama、Mihintale和Kahatagasdigiliya地区，地下水中硬度浓度超过350.0 mg·L⁻¹，超标率在50%以上。地下水硬度是指地下水中钙镁离子总浓度，包括碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。Wasana在北中省地下水的水质调查报告中显示^[12]，高CKDu发病率区和低CKDu发病率区地下水中CaCO₃浓度为121~180 mg·L⁻¹，在无CKDu地区，CaCO₃浓度则为61 mg·L⁻¹；DHARMA-WARDANA等也报告了类似结果^[13]。在采集的24个地下水样品中，有23个样品总硬度(以CaCO₃计)超过140 mg·L⁻¹。这表明北中省地下水中硬度是常见超标污染物，这可能是因为北中省在旱季高温少雨，蒸发造成了离子质量浓度的增加^[14]。

研究区域内大部分地下水中F⁻的质量浓度较高，平均浓度超过斯里兰卡饮用水标准(SLS 614-2013)中F⁻的质量浓度限值2.5倍以上。由图2(c)和图2(d)可知，无论旱季雨季，地下水中F⁻的质量浓度大部分大于2.0 mg·L⁻¹。在雨季，F⁻的质量浓度大于3.0 mg·L⁻¹的区域主要是Nochchiyagama地区，而Galanewa和Mihintale部分地区地下水中F⁻的质量浓度较低(1.49~2.0 mg·L⁻¹)；Padawiya、Kebitigollewa和Kahatagasdigiliya部分地区地下水在旱季F⁻的质量浓度升高，Nochchiyagama地区地下水中F⁻的质量浓度略下降。在斯里兰卡CKDu病区，很多研究都发现地下水中F⁻的质量浓度超标^[15-16]。CHANDRAJITH等^[17]研究发现，在干区大多数地下水中F⁻的质量浓度高于1.5 mg·L⁻¹，超过50％地下水水井中F⁻的质量浓度高于1.0 mg·L⁻¹。WICKRAMARATHNA等^[18]利用同位素方法分析地下水中的F⁻，结果显示在依赖地下水为饮用水水源的Girandurukotte，Nikawewa，Medawachchiya和Padaviya地区，地下水中F⁻的质量浓度分别为2.14、5.30、4.90和1.33 mg·L⁻¹，个别地区F⁻的质量浓度为5 mg·L⁻¹，均超过斯里兰卡饮用水标准规定的1.0 mg·L⁻¹。因此，气候变化、地下水蒸发及过度取用是F⁻质量浓度增加的主要原因^[14]。

采样区域地下水中DOC分布如图2(e)和图2(f)所示。DOC的质量浓度主要集中在4 mg·L⁻¹以上，极少数地区地下水中DOC的质量浓度小于4 mg·L⁻¹。在雨季，Padawiya和Kebitigollewa地区地下水中DOC的质量浓度为8 mg·L⁻¹，明显高于旱季；相比于雨季，旱季地下水中DOC的质量浓度有所下降。其中，DOC的质量浓度集中在4.0~8.0 mg·L⁻¹。在其他研究中也有关于CKDu病区地下水中DOC质量浓度较高的报告^[18]。MADHUBHASHINI等^[19-20]在北中省Anuradhapura地区的水质分析结果显示，地下水中DOC分子质量为900~1 800 Da，主要为难生物降解和高芳香性的有机化合物(包括富里酸、色氨酸和络氨酸)。在高CKDu发病率区，地下水中DOC质量浓度为(1.68±0.69) mg·L⁻¹；在无CKDu发病率区，DOC的质量浓度为(2.08±0.74) mg·L⁻¹，而最低DOC的质量浓度出现在低CKDu发病率区，为(1.35±0.17) mg·L⁻¹。

综上所述，Anuradhapura地区地下水中硬度、F⁻及DOC是CKDu病区常见超标污染物，并随雨季和旱季的转变，地下水水质发生较为明显变化。表明Anuradhapura地区地下水需要经过进一步处理后才可以作为饮用水使用。研究人员采用水质指数分析(water quality index，WQI)对CKDu地下水进行水质评价^[21]。在计算WQI值时，将pH、总硬度、F⁻和DOC等参数考虑在内，结果显示CKDu地区雨季和旱季采集的样品中，分别只有3.8%和2.6%水样水质显示为优良，其余均低于优良水质标准。

基于膜通量、硬度和DOC截留率及运行稳定性等参数的实验室研究结果^[4]，本研究选择超低压选择性纳滤膜DF-90(DF-90404，北京碧水源)应用于NF膜饮用水站(设计规模20 t·d⁻¹)。由于单一膜处理技术的使用不足以支撑NF膜水站长时间的稳定运行，故饮用水的流程中包含了预处理。多数情况下，选择MF与NF、超滤(ultrafiltration，UF)与NF^[22-23]等相结合的膜技术作为预处理步骤，有助于减少膜结垢并延长膜的使用寿命；使用阳离子交换树脂可以减少水中Ca²⁺和Mg²⁺，降低膜表面的无机结垢；砂滤器和活性炭吸附也可作为纳滤前的预处理技术，用于去除颗粒和胶体物质。基于以上原理，该纳滤水站的工艺流程示意图如图2所示。NF膜饮用水站采用集成化设计，占地小、方便运输。原水经前置过滤器去除水中较大颗粒，再经由输水管路送至原水箱，进水泵将原水箱内水送至多介质过滤器，利用活性炭和阴离子交换树脂部分去除水中DOC和F⁻等物质；多介质过滤器出水送至自动软化器，软化器内阳离子交换树脂部分去除原水中钙镁等硬度离子。一、二级精密过滤器采用PP棉，依次去除原水中粒径为10 μm和5 μm的杂质。最后，利用高压泵将处理后的水送至NF膜过滤，产水储存于净水箱(箱内有臭氧发生器，消毒确保水质)，经过紫外消毒后取用。考虑到长期运行，为进一步减少膜污染，NF饮用水站设有加药系统和化学清洗系统。加药系统为NF膜投加阻垢剂，防止出现结垢，盐箱用于树脂再生，清洗水箱为预处理单元和NF膜提供化学清洗，延长膜的使用寿命。

该纳滤饮用水站于2018年9月19日在斯里兰卡Anuradhapura的Sirimapura村(纬度−8.159, 经度−80.241/141472E, 328148N)正式投入运行。该村将抽取的地下水输送至15 m高的水塔(有效容积75 m³)，通过管道将原水输送至NF膜饮用水站处理。NF膜饮用水站可为该村164户居民(约750人)和附近小学1 300名学生提供优质饮用水。工艺流程如图3所示。

典型RO水站处理工艺一般由砂滤、活性炭、MF和RO膜技术构成，少有消毒过程。进水泵将原水送至砂滤进行预处理，经由活性炭吸附后送至MF膜组件，MF出水由压力泵送至RO膜过滤，产水储存在饮用水箱取用。

NF水站的运行压力0.5 MPa，产水量0.85 m³·h⁻¹。根据斯里兰卡国家供排水委员会(National Water Supply and Drainage Board, NWSDB)对该NF水站的水质检测结果，NF水站运行一年多以来，产水水质稳定，且对原水中硬度、F⁻和DOC保持了较高的去除率，结果如图4所示。

如图4所示，NF水站已运行超过547 d(截至2020年3月13日)，产水中pH、硬度和F⁻等指标基本保持稳定。由图4(a)可知，进水pH为6.5~8，出水pH多为弱碱性(7.0~7.8)，浓水的pH为6~8.2；硬度过高会引起饮用水口感较差，造成设备管路堵塞，硬水中的钙离子易与食物中的草酸等发生反应，形成草酸钙、磷酸钙等沉淀，导致肾结石发病率增加^[24]。由图4(b)可知，NF水站进水中硬度较高(均大于100 mg·L⁻¹，部分超过280 mg·L⁻¹)，产水硬度均小于50 mg·L⁻¹，浓水硬度为200~500 mg·L⁻¹，NF水站对硬度的截留率可达到80%以上，部分可达95%。这表明NF水站去除了大部分Ca²⁺、Mg²⁺等离子。长期饮用F⁻超标的饮用水会导致氟中毒，主要表现为氟斑牙和氟骨症^[25]。由图4(c)可知，进水中F⁻的质量浓度为0.8~1.5 mg·L⁻¹，产水中F⁻的质量浓度均小于0.3 mg·L⁻¹，浓水F⁻的质量浓度大于1.0 mg·L⁻¹，NF水站对F⁻的截留率在85%以上，部分可达到95%。这表明NF水站可有效去除F⁻。由于斯里兰卡当地缺少DOC检测设备，因此日常监测过程中并未对水中DOC进行监测。本研究将NF水站产水样品带回中国进行分析，结果显示，经NF水站处理后，原水中的DOC几乎被完全去除。

综上所述，本研究以NF膜技术为核心的饮用水水站，在CKDu病区地下水的水质复杂和波动情况下，不仅有效降低了水中的硬度、F⁻的质量浓度和TOC等指标，而且保留了一部分人体所需的矿物质和微量元素，获得了优质安全的饮用水，满足了当地民众的安全饮用水需求。

CKDu病区RO水站的日常管理和运营由个人或社区组织负责。例如，斯里兰卡海军运营的RO水站为民众免费提供饮用水，其他个人和CBO管理的RO水站，水的售价为每升0~0.16 元不等。而NF水站产水的售价为0.04 元，故NF水站产水的价格在当地民众中接受率高。另外，RO水站需每天进行人工反冲洗，NF水站的日常维护过程则为自动化，这也极大地减少了人为因素引起的操作问题。考虑到水压及长期运行，NF水站将水回收率设置为40%。

为比较RO水站与NF水站的产水水质，本研究分别从Medawacchiya、Thirappane、Monragala1、Monragala、Monragala、Monragala、Palagala、Rajangaaya等8个区域收集了RO水站的产水，并与NF水站的产水进行对比(见表1)。大多数RO水站产水pH为弱酸性。长期饮用弱酸性饮用水会破坏人体pH酸碱平衡，导致免疫力下降，从而进一步引发各类疾病^[26]。同时，RO水站的产水几乎完全去除了离子，而NF水站降低了水中大部分硬度、F⁻质量浓度和DOC，保留了一部分人体所必需矿物质，而浓水用做建筑和灌溉用水，节约了后续处理成本。

综上所述，NF水站达到了预期设计目标，为该地区人民提供了安全优质的饮用水。然而，尽管NF水站的设计处理规模为20 t·d⁻¹，但由于当地居民居住分散，加之交通不便，水站覆盖范围有限等原因，NF水站实际产水仅为1.5 t·d⁻¹。因此，下一步可因地制宜，建造更加小型的NF水站或户用纳滤饮水设备，以便能更好地解决当地饮用水问题。

1)斯里兰卡北中省CKDu病区地下水水质调查结果表明，该地区地下水的主要水质问题是硬度、氟化物和DOC等指标较高，超过了斯里兰卡饮用水标准(SLS 614-2013)。

2)以纳滤膜技术为核心开发了地下水源饮用水处理技术与设备，并在斯里兰卡CKDu病区建设了一座NF水站。水站的水质监测结果表明，运行一年多以来，NF水站性能稳定，运行状况良好，产水符合斯里兰卡国家饮用水标准(SLS 614-2013)。NF水站具有易于操作、便于维护、产水水质优异等优点，产水呈弱碱性(pH=7.3)，且能保留一部分对人体有益的矿物质。