關(guān)于減少武漢市飲用水中藻源類消毒副產(chǎn)物的舉措探討

鄒倫妃，肖 琛，張啟偉，鄭 琦

（江漢大學 光電化學材料與器件教育部重點實驗室，湖北 武漢 430056）

0 引言

長江與漢江在武漢市交匯，面向武漢居民的飲用水水源亦主要來自于長江和漢江［1］。隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和城市人口的不斷增加，武漢市及其周邊工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水總量與污水處理能力、長江水體自凈能力之間的矛盾日益突出。水污染已經(jīng)導致長江中下游的總氮、總磷等指標升高，結(jié)合近些年春季氣溫偏高，加速了地區(qū)藻類的出現(xiàn)與擴散趨勢［2］。也有研究［3］表明，在水溫適宜時，武漢市漢江水源地爆發(fā)“水華”的風險較高，可能影響供水安全。2019 年4 月，武漢市水務集團在國標GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》［4］基礎上的（Q/WJT 01—2018）新增了一些指標，其中，針對漢江水源自身的特點專門增加了1 項地方特色指標——藻類。由此可見，武漢市飲用水原水中的藻類問題已較為嚴重，引起了有關(guān)部門的重視。

藻類爆發(fā)后可能形成所謂的“高藻水”。一方面，高藻水含有較高濃度的藻毒素，損害人類健康；另一方面，當水廠對高藻水進行氧化和消毒處理時，藻細胞會釋放大量的消毒副產(chǎn)物（disinfection by-products，DBPs）前體物，這些前體物在氯消毒過程中又生成多種DBPs，同樣威脅人類健康［5］。因而，如何安全地處理原水中的藻類是在飲用水消毒過程中必須重視與思考的問題。本文將從原水中的藻類分布情況、藻類的危害、高藻水的處理方法等方面探討武漢市飲用水原水中的藻類解決思路。

1 武漢市飲用水原水中的藻類分布情況

一項2018 年的研究［6］表明，長江武漢段與漢江武漢段的優(yōu)勢藻類均為硅藻，此外還有綠藻、藍藻、甲藻等；與此同時，藻類分布呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性，在冬春季節(jié)濃度較高。然而，另一項2014 年的研究［7］則顯示，長江武漢段中的優(yōu)勢藻類為綠藻，其次是硅藻，鮮有藍藻。此外，當發(fā)生“水華”現(xiàn)象時，即便處于同一季節(jié)的不同階段，漢江中下游的藻類分布情況也隨之發(fā)生變化［8-9］。這些研究結(jié)果的差異性固然與采樣時間和采樣地點等因素有關(guān)，但也暗示我們，從長期發(fā)展以及季節(jié)變換來看，水域中的藻類是動態(tài)變化的。因此，相關(guān)人員需要經(jīng)常監(jiān)測原水中的藻類情況，以便隨時調(diào)整高藻水的處理方案。

2 飲用水原水中藻類的危害

采用預氧化、混凝沉淀、砂濾、消毒等工藝處理飲用水原水后，其中的大部分藻類可以被消除，而與之相關(guān)的生物危害性主要涉及兩個方面：藻毒素和DBPs。淡水水域中的藻毒素主要由藍藻產(chǎn)生，已有相關(guān)文獻總結(jié)了其危害性，主要涉及肝腎毒性、胃腸毒性、生殖毒性、免疫毒性和神經(jīng)毒性等［10-13］，本文不再贅述。

與藻毒素不同，DBPs 的來源較為復雜，其前體物與排放到水中的有機質(zhì)以及各種藻類均有一定的相關(guān)性［14］。在高藻期間采用氯消毒原水時，飲用水中超過70%的DBPs 前體物可能來源于藻細胞［5］。目前已確認的DBPs 超過700 種，其中三鹵甲烷、鹵乙酸、溴酸鹽及亞氯酸鹽等，因其高毒性或致癌性已被多國納入飲用水質(zhì)量監(jiān)測體系［15］。研究［16-17］表明，常見的限制性DBPs三鹵甲烷和鹵乙酸的生成量與原水中的藻類密切相關(guān)；另有幾類具有高慢性細胞毒性和基因毒性的DBPs，如鹵代硝基甲烷、鹵乙腈、鹵代乙酰胺等，其生成量也受到了藻類的影響［18-19］。另外，藻類不僅參與已知DBPs 的形成，且很可能與未鑒定的DBPs 存在關(guān)聯(lián)性，其對飲用水安全還存在未知威脅，應當引起科研工作者和監(jiān)管部門的重視。

如前文所述，武漢市飲用水原水中的藻類主要包括藍藻、硅藻、綠藻等，因而在探討藻類的處理方法時，這幾種藻類應當被重點關(guān)注。通常需要從三個方面考慮如何處理原水中的藻類，涉及藻細胞與藻毒素的去除技術(shù)，以及如何減少藻源類DBPs 的產(chǎn)生等。本文重點關(guān)注與藻源類DBPs 有關(guān)的內(nèi)容。

3 飲用水原水中藻類物質(zhì)的去除方法

目前針對原水的除藻技術(shù)較為成熟，并且多種技術(shù)已經(jīng)在水處理工藝中被積極采用，主要包括預處理技術(shù)和強化工藝技術(shù)［20］，其中，預處理技術(shù)又包括物理除藻法和化學除藻法，此外還有生物除藻法等。

3.1 物理法

常規(guī)的物理除藻手段主要通過機械篩分、強制截留等方式實現(xiàn)，對藍藻、綠藻和硅藻都有一定的去除效果。另外，一些比較先進的物理法技術(shù)也逐漸被應用，如超濾膜法和氣浮法。超濾膜技術(shù)除藻效果良好，具有操作簡單、能耗低等特點，被認為是當下最有前景的水處理技術(shù)之一，在國外已得到了一定規(guī)模的應用，我國也有部分城市在推進［21］；氣浮技術(shù)對高藻水的除藻效果亦比較顯著，在包括武漢市在內(nèi)的國內(nèi)多個城市已得到應用［21］。此外，紫外線法和超聲波法近年來也得到不少關(guān)注，它們均被證實有著不錯的除藻效果，將是今后除藻技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，但目前受限于耗時耗力、費用高等缺點，尚未得到推廣［22-23］。

3.2 化學法

化學法是指通過氧化劑或某些鹽類殺滅原水中的藻細胞，再結(jié)合后續(xù)的水處理工藝去除藻細胞碎片及釋放的藻毒素等。目前國內(nèi)水廠應用最廣泛的化學法是液氯預氧化技術(shù)，其對綠藻等尺寸較小的單細胞藻類滅活效果較好，不過，對硅藻的去除率并不高。一方面，這可能與硅藻尺寸偏大且細胞壁擁有獨特的硅質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，使得其耐氧化性較強［24］；另一方面，水廠經(jīng)常依據(jù)藻類的總量調(diào)節(jié)預氧化處理水平，然而，在藻類總量偏少但硅藻占優(yōu)勢的季節(jié)，因預氧化劑使用量減少而可能進一步降低硅藻的去除率［25］。硅藻是武漢市飲用水原水中的主要藻類之一，因此，單一的液氯預氧化技術(shù)可能不能滿足要求，需要考慮其他技術(shù)或多種技術(shù)聯(lián)合，與此同時，還要考慮季節(jié)性差異帶來的影響。臭氧預氧化是另一種前景較好的技術(shù)，不僅不產(chǎn)生二次污染，而且易于與活性炭吸附法、氣浮法等物理技術(shù)聯(lián)用，在達到顯著除藻效果的同時也能夠有效地去除藻毒素［26］。另外，二氧化氯預氧化也是不錯的選擇，其殺菌能力強且氧化過程中產(chǎn)生的鹵代烴類DBPs 更少，因而近年來引起國內(nèi)外不少水廠的重視，正嘗試用之取代液氯［21］。然而，因受到運行費用較高、生產(chǎn)條件苛刻等因素的限制，臭氧預氧化和二氧化氯預氧化技術(shù)在國內(nèi)的應用還比較少。

3.3 強化工藝技術(shù)

通過增加混凝劑的投加量、調(diào)節(jié)pH、投加助凝劑等方式可以提高除藻效果，而且，混凝過程對藻細胞破壞小，有利于減少藻毒素的釋放。此方法已是水廠廣泛使用的技術(shù)，然而該技術(shù)使用強度有限，僅適合作為一種預除藻手段，主要原因在于：第一，大量使用混凝劑容易導致水中的鹽類超標；第二，在處理低濁高藻水時，形成的藻絮體結(jié)構(gòu)較為松散，沉降性能差，容易堵塞濾池等；第三，混凝過程雖然對于桿狀硅藻和一些單細胞綠藻有較好的去除率，但對于某些藍藻（如常見的微囊藻）、具突起尖刺的硅藻等，去除效果不佳［21，24］。

4 抑制藻源類DBPs 生成的策略

4.1 藻源類DBPs 的種類及來源

藻類能夠增加水中有機物的含量，這是其影響DBPs 生成的主要因素，不過，因藻類有機物與具體DBPs 的關(guān)聯(lián)性較為復雜，導致這方面的研究仍然比較滯后［19，27］。然而，原水中存在藻類已成為一個常見現(xiàn)象，這使得此類研究逐漸得到重視。

一般可大體將藻類產(chǎn)生的有機物分為胞內(nèi)有機物（intracellular organic matter，IOM）和胞外有機物（extracellular organic matter，EOM）。常見藻類產(chǎn)生的有機物中約50%～ 80%是親水的，它們是DBPs 前體的重要來源，而且，IOM 往往比EOM 產(chǎn)生的DBPs 更多［14，28］。這意味著，積極采用對藻細胞破壞力小的物理除藻技術(shù)與強化工藝除藻技術(shù)，應當能夠為減少DBPs 做出貢獻。不過，這些技術(shù)的能力有限而且不能有效地去除水溶性EOM［28］。更重要的是，化學法消毒在飲用水處理過程中是不可避免的措施，而DBPs 又主要在此過程中產(chǎn)生，因此，特定的消毒技術(shù)與藻源類DBPs 形成之間存在何種關(guān)聯(lián)性，是必須考慮的問題。

目前而言，國內(nèi)水廠使用的消毒方式仍然以氯消毒為主。在采用氯消毒時，DBPs 的生成具有如下特點：第一，與藍藻相關(guān)的DBPs 前體物主要來源于IOM，而硅藻的IOM、EOM 均與DBPs存在重要相關(guān)性；第二，無論是含氮DBPs 還是碳質(zhì)DBPs，硅藻的產(chǎn)生量均比藍藻高，可能與硅藻細胞在消毒早期即被破壞且產(chǎn)生的DBPs 前體物種類更多有關(guān)；第三，藍藻、硅藻、綠藻等均被發(fā)現(xiàn)與三鹵甲烷、鹵乙酸、鹵乙腈、鹵代硝基甲烷類DBPs 的形成有關(guān)；第四，含氮DBPs 與藻類的關(guān)系尤為密切，這與藻類能夠釋放大量高分子有機物相關(guān)［14，19，27-29］。另外，采用氯胺消毒時，在最初的幾小時內(nèi)含氮DBPs 的生成量通常會少于氯消毒［30-31］，這是氯胺消毒的顯著優(yōu)勢之一。

4.2 利于減少藻源類DBPs 生成的處理方法

綜上可知，單純采用氯消毒方式處理原水時，不僅硅藻去除率不高，而且DBPs 的生成量也相對較高。因此氯消毒可能不適合武漢市的情況，需要其他思路。依據(jù)相關(guān)文獻資料分析，本文總結(jié)出三條值得考慮的途徑：紫外線照射結(jié)合氯胺消毒；臭氧預氧化結(jié)合氯胺消毒；超聲波預處理結(jié)合二氧化氯消毒。

在紫外線照射結(jié)合氯胺消毒的處理方式中，當紫外線照射水樣2～ 8 h，消毒過程中產(chǎn)生的有機氯胺會被殘留的氯胺分解，因有機氯胺與DBPs 的生成密切相關(guān)，所以這種組合方式能夠使藻源類DBPs 的生成量顯著低于常規(guī)的氯消毒［30］。

單一的臭氧預氧化處理即有不錯的除藻效果，而在預氧化之后繼續(xù)使用氯胺消毒可進一步抑制相關(guān)DBPs 的生成，并且抑制效果與藍藻的生長階段關(guān)系不大，這意味著臭氧預氧化結(jié)合氯胺消毒技術(shù)有望在不同季節(jié)均能發(fā)揮積極作用［32］。

在用二氧化氯消毒原水之前先用超聲波除藻，不僅能夠顯著降低水中腐殖酸的含量，甚至可以減少消毒劑的使用量，最終可通過多因素共同抑制相關(guān)DBPs 的生成［33］。

5 結(jié)語

綜合分析飲用水原水中的藻類分布情況以及除藻技術(shù)與消毒技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于減少武漢市飲用水原水中藻類相關(guān)DBPs 的舉措需要從以下幾個方面考慮：

1) 充分了解季節(jié)性差異對藻類分布情況的影響，并建立藻類別的長期監(jiān)測機制；

2) 在許可范圍內(nèi)，加強物理除藻技術(shù)及強化工藝技術(shù)的使用，以便減少對藻細胞的破壞，進而減少水中IOM 的總量，尤其是大分子有機物的含量；

3) 逐步用氯胺或二氧化氯消毒取代氯消毒，以抑制DBPs 的形成；

4) 在條件成熟后，論證新型除藻技術(shù)（包括超聲波、紫外線等）與化學消毒技術(shù)聯(lián)合使用的可能性與必要性。