飲用水中消毒副產(chǎn)物形成及治理的研究進展

摘要：氯化法廣泛應(yīng)用于生活飲用水處理的消毒領(lǐng)域，但會產(chǎn)生多種對人體有害的消毒副產(chǎn)物（Disinfection By-Products，DBPs），如三鹵甲烷（Trihalomethanes，THMs）和鹵乙酸（Haloacetic Acids，HAAs）等。檢測數(shù)據(jù)顯示，水環(huán)境中，THMs濃度范圍為0.14～458.00 μg/L，HAAs濃度范圍為0.16～136.00 μg/L。因此，中國生態(tài)環(huán)境部、美國國家環(huán)境保護局和世界衛(wèi)生組織等權(quán)威機構(gòu)制定若干法規(guī)，以保護人類健康。一些技術(shù)也被開發(fā)出來，以去除水中DBPs及其前體物。目前，常用的DBPs去除技術(shù)有吸附法、高級氧化法、混凝法、膜過濾法和聯(lián)合處理法等。采用吸附法時，水中DBPs的去除率可達90%。

關(guān)鍵詞：飲用水；消毒副產(chǎn)物（DBPs）；形成；治理；吸附法；高級氧化法

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.039

Research progress on the formation and treatment of disinfection by-Products in drinking water

JIN Xinran1， YAO Kuowei2， XIAO Chuanjing2

（1. East South-North Water Transfer Project Shandong Trunk Line Co.， Ltd.， Zaozhuang 277000， China;

2. Jinan Municipal Engineering Design amp; Research Institute （Group） Co.， Ltd.， Jinan 250000， China）

Abstract： The chlorination method is widely used in the disinfection field of drinking water treatment， but it produces various harmful Disinfection By-Products （DBPs） to the human body， such as Trihalomethanes （THMs） and Haloacetic Acids （HAAs）. The detection data shows that in the water environment， the concentration range of THMs is 0.14～458.00 μg/L，"and the concentration range of HAAs is 0.16～136.00 μg/L. Therefore， authoritative institutions such as the Ministry of Ecology and Environment of China， the Environmental Protection Agency of the United States， and the World Health Organization have formulated several regulations to protect human health. Some technologies have also been developed to remove DBPs and their precursors from water. At present， commonly used DBPs removal technologies include adsorption method， advanced oxidation method， coagulation method， membrane filtration method， and combined treatment method. When using adsorption method， the removal rate of DBPs in water can reach 90%.

Keywords： drinking water; Disinfection By-Products （DBPs）; formation; treatment; adsorption method; advanced oxidation method

飲用水消毒可以有效地消除原水中的病原體，然而，在消毒過程中，原水中的消毒劑和其他化合物相互作用，不可避免地產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物（Disinfection By-Products，DBPs）[1]。DBPs在消毒后水體中普遍存在，濃度水平差異較大。氯和氯胺類消毒劑的廣泛應(yīng)用以及天然水體中存在的天然鹵化物，因此在消毒后的飲用水中，鹵化消毒副產(chǎn)物占DBPs總量的絕大部分。

1 各類消毒副產(chǎn)物的形成

常用的5種消毒劑是氯、紫外線、二氧化氯、臭氧和一氯胺，而水中常見的DBPs是鹵乙腈（Haloacetonitriles，HANs）、鹵代酮（Haloketones，HKs）和鹵代硝基甲烷（Halonitromethanes，HNMs）。飲用水消毒過程中，DBPs的產(chǎn)生取決于為殺滅病原體而添加的消毒劑總量，且氯化消毒副產(chǎn)物的毒性小于溴化消毒副產(chǎn)物。DBPs有2種形式，即有機形態(tài)和無機形態(tài)。有機形態(tài)包括三氯甲烷、四氯化碳和氯仿等鹵代有機物，在氯化消毒過程中，氯氣與水中的有機物發(fā)生反應(yīng)，生成一系列氯化有機物。此外，氯氣可以與水中的亞硝酸鹽和硝酸鹽反應(yīng)，生成亞硝基化合物和硝基化合物。無機形態(tài)包括溴酸鹽、氯酸鹽和亞氯酸鹽。

2 控制水中DBPs形成的因素

水體的物理和化學(xué)性質(zhì)可能是影響DBPs產(chǎn)生的最重要原因，主要包括化學(xué)品用量、反應(yīng)體系pH、溫度、混凝劑類型、反應(yīng)時間、天氣條件和水源地等因素。影響DBPs產(chǎn)生的主要因素包括消毒劑的種類、濃度和接觸時間等。夏季氣溫升高時，化學(xué)反應(yīng)速度加快，HANs、HKs等消毒副產(chǎn)物的濃度也相應(yīng)增加[2]。在DBPs的形成過程中，反應(yīng)體系pH也起到至關(guān)重要的作用，pH大于8時，由于HKs和HANs的水解特性，它們的數(shù)量分別減少83.3%和60.0%。此外，鹵素會與水體中的有機物發(fā)生反應(yīng)，形成消毒副產(chǎn)物。加入游離余氯（Free Residual Chlorine，F(xiàn)RC）可以使水體免受微生物的侵害，但也會影響DBPs的濃度。即使添加微量的FRC（如0.2～0.5 mg/L），也會導(dǎo)致HANs和HKs的產(chǎn)生[3]。隨著FRC在水中的添加量增加，HANs和HKs的產(chǎn)生量也會明顯升高。

3 DBPs對人體健康的影響

3.1 DBPs對未成年人的影響

DBPs會對兒童造成重大的健康問題，因為兒童的呼吸頻率幾乎是成人的2倍。兒童的血腦屏障和胃腸道不太發(fā)達，兒童對DBPs的吸收更高，死亡率也更高。此外，兒童的腎臟和肝臟功能比成年人弱，排毒速度比成年人慢得多[4-5]。

3.2 DBPs對成年人的影響

與通過皮膚攝入相比，吸入四氫大麻素會導(dǎo)致更高的致癌風(fēng)險。除了腎臟、膀胱和肝臟，沐浴水中的DBPs也可對倉鼠卵巢細胞造成嚴重的損傷?？人浴⑾秃粑栏腥镜群粑到y(tǒng)疾病也由沐浴水中的氯揮發(fā)性舒張壓引起。飲用水消毒副產(chǎn)物中的一些化合物具有致癌性，如三氯甲烷、四氯化碳、溴仿等鹵代有機物和亞硝基化合物等。這些化合物可以通過飲水攝入人體，對人體健康造成潛在威脅。因此，對這些化合物的致癌風(fēng)險進行評估非常重要。目前，國際上已經(jīng)建立一套完善的致癌風(fēng)險評估體系，包括定量結(jié)構(gòu)和活性關(guān)系模型、動物試驗?zāi)Ｐ秃土餍胁W(xué)模型等。這些模型可以對飲用水消毒副產(chǎn)物的致癌風(fēng)險進行定量評估。

飲用水消毒副產(chǎn)物中的一些化合物具有致畸性，如甲醛、乙醛等醛類化合物和苯甲酸、對羥基苯甲酸等羧酸類化合物。這些化合物可以通過飲水攝入人體，對人體胚胎發(fā)育造成潛在威脅。因此，對這些化合物的致畸風(fēng)險進行評估非常重要。目前，國際上已經(jīng)建立一套完善的致畸風(fēng)險評估體系，包括定量結(jié)構(gòu)和活性關(guān)系模型、動物試驗?zāi)Ｐ秃土餍胁W(xué)模型等。這些模型可以對飲用水消毒副產(chǎn)物的致畸風(fēng)險進行定量評估。

4 DBPs的預(yù)防措施

4.1 優(yōu)化消毒工藝

優(yōu)化消毒工藝參數(shù)，如投加量、接觸時間和溫度等，可以降低飲用水消毒副產(chǎn)物的生成量[6-7]。例如，采用短時高溫氯化法可以有效降低三氯甲烷和四氯化碳的生成量；采用預(yù)氯化法可以有效降低溴仿和溴二甲酚的生成量；采用紫外光催化氧化法可以有效降低甲醛和乙醛的生成量；采用臭氧氧化法可以有效降低苯甲酸和對羥基苯甲酸的生成量。氯胺化是最常用的替代消毒工藝之一，有助于控制THMs和HAAs的形成。強化混凝和氯胺化均可有效減少其他碳質(zhì)消毒副產(chǎn)物、HAAs和THMs的產(chǎn)生，但若污染的水中含有溴，則強化混凝可導(dǎo)致溴化消毒副產(chǎn)物的形成。

4.2 水源保護

通過采取水源保護措施，減少水源中的有機污染物含量，可以降低飲用水消毒副產(chǎn)物的生成量。例如，加強農(nóng)田排水管理，減少農(nóng)藥和化肥的使用；加強城市污水處理設(shè)施建設(shè)和管理；加強工業(yè)廢水處理設(shè)施建設(shè)和管理。

4.3 水處理技術(shù)

采用水處理技術(shù)，如活性炭吸附法、超濾法和納濾法等，可以有效去除水中的有機污染物和部分消毒副產(chǎn)物前體物，從而降低飲用水消毒副產(chǎn)物的生成量。例如，采用活性炭吸附法可以有效去除水中的三氯甲烷和四氯化碳；采用超濾法可以有效去除水中的亞硝酸鹽和硝酸鹽；采用納濾法可以有效去除水中的溴仿和溴二甲酚。

4.4 生物降解技術(shù)

采用生物降解技術(shù)，如生物活性炭法、生物膜法等，可以有效降解水中的有機污染物和部分消毒副產(chǎn)物前體物，從而降低飲用水消毒副產(chǎn)物的生成量。例如，采用生物活性炭法可以有效降解水中的三氯甲烷和四氯化碳；采用生物膜法可以有效降解水中的亞硝酸鹽、硝酸鹽、溴仿和溴二甲酚。

5 DBPs的處理手段

當前，可通過2種思路選擇不同的處理工藝來去除水中的DBPs。一是針對DBPs形成的主要前體物，通過去除天然有機物（Natural Organic Matters，NOMs）來控制DBPs的產(chǎn)生，二是使用取代基消菌劑，比選活性炭吸附、生物處理、強化混凝和納米過濾等工藝。黃腐酸和腐殖酸是天然物質(zhì)，而內(nèi)分泌干擾物、抗類固醇、消炎藥、抗生素、美容產(chǎn)品、驅(qū)蟲劑、合成染料、洗滌劑和激素等人工合成有機物質(zhì)因DBPs的產(chǎn)生而受到高度關(guān)注?，F(xiàn)在已有大量成熟的技術(shù)可以很好地去除水中DBPs和NOMs[8-10]。

NOMs是DBPs生成的主要前體物，去除機理需要深入研究。NOMs是由不同化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)組成的混合物，可分為疏水性化合物（黃腐酸和腐殖酸）和親水性化合物（羧酸、氨基酸和碳水化合物）。目前，可選用吸附法、高級氧化法、混凝法、膜過濾法和聯(lián)合處理法，有效地去除飲用水中的DBPs。消毒劑的抗菌性能取決于諸多因素，如劑量、接觸時間、病原體類型、化學(xué)特性、原子范圍、水體pH和環(huán)境溫度等。

6 結(jié)論

受環(huán)境因素影響，原水中可能存在細菌、病毒、真菌和原生動物等病原微生物，因此飲用水的消毒至關(guān)重要。氯化法采用的消毒劑價格低廉且易于獲得，它是目前常用的飲用水消毒方法，但是會產(chǎn)生副產(chǎn)物。飲用水的消毒會產(chǎn)生DBPs，需要進行后處理。DBPs對人類健康有負面影響，存在致癌性和致畸性。色譜法已廣泛應(yīng)用于水中DBPs的測定。氣相色譜法和液相色譜法是檢測水中DBPs的常用技術(shù)。然而，樣品處理、儀器操作和維護需要專業(yè)的技術(shù)人員。因此，要全面研究DBPs的形成和治理，開發(fā)簡便、準確且快速的DBPs測定方法，有效推進飲用水中DBPs治理，降低人類健康風(fēng)險。飲用水中DBPs的去除技術(shù)包括吸附法、高級氧化法、混凝法、膜過濾法和聯(lián)合處理法。未來，要聯(lián)合應(yīng)用多種處理方法，更好地去除飲用水中DBPs及其前體物。同時，要研發(fā)經(jīng)濟有效的新型消毒劑，減少甚至消除飲用水處理過程的副產(chǎn)物。

參考文獻

1 詹 未，李 勇，張 永，等.水質(zhì)鹵乙腈類消毒副產(chǎn)物檢測技術(shù)的研究進展[J].職業(yè)與健康，2023（13）：1861-1866.

2 白毛毛，王洪波，陳飛勇，等.飲用水中天然有機物去除技術(shù)的研究進展[J].凈水技術(shù)，2023（2）：5-13.

3 黃江平，鐘格梅.飲用水中氯化消毒副產(chǎn)物對人體健康影響研究進展[J].應(yīng)用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2021（5）：476-479.

4 桑紹純.飲用水中二氧化氯無機消毒副產(chǎn)物檢測研究進展[J].中國城鄉(xiāng)企業(yè)衛(wèi)生，2020（12）：48-50

5 易欣源，曲鑫璐，龍 昕，等.飲用水中典型消毒副產(chǎn)物的化學(xué)特性、生成轉(zhuǎn)化及毒性研究進展[J].生態(tài)毒理學(xué)報，2023（2）：97-110.

6 王兆然.二氧化氯聯(lián)合次氯酸鈉消毒副產(chǎn)物的生成與控制[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2023：9-10.

7 劉麗忠，李一繁，尤 立，等.中試紫外/氯工藝對飲用水中微量有機污染物及消毒副產(chǎn)物的削減[J].環(huán)境工程學(xué)報，2024（3）：709-717.

8 廖雨楓，王 正，潘 旸，等.再生水消毒副產(chǎn)物的檢測、生成與控制[J].環(huán)境科學(xué)，2024（3）：1561-1576.

9 甘曉娟，賈紫永，王 杰，等.飲用水中消毒副產(chǎn)物鹵乙腈、鹵代硝基甲烷和亞硝胺的研究現(xiàn)狀[J].城鎮(zhèn)供水，2024（1）：45-51.

10 朱 爽.溶解性有機質(zhì)的性質(zhì)對典型消毒副產(chǎn)物形成量的影響研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2023：15-16.

作者簡介：靳欣然（1997—），女，山東棗莊人，助理工程師。研究方向：水環(huán)境和水工程管理。