市政再生水消毒技術及其副產物毒性研究

孫寶雯

(山東省煙臺市套子灣污水處理有限公司，山東 煙臺264000)

1 引言

隨著全球水資源需求量不斷增加、水污染狀況日益嚴重，再生水已成為解決水資源短缺問題的第二水源，經傳統的混凝、沉淀、過濾、消毒等單元進行深度處理的過的市政污水是一種水量和水質均穩定的再生水來源。消毒作為污水處理廠深度處理的最后一步，在出水中存在的部分溶解性有機物可與消毒劑反應生成具有遺傳毒性和細胞毒性的消毒副產物。市政再生水雖然主要用于城市雜用水、工業用水和農業用水，并不會直接用于人類飲用水，但再生水可通過皮膚途徑和呼吸途徑與人類接觸，另外，再生水下滲或補充于地下水后，可經過地表徑流、農業灌溉等途徑間接被人體吸收[1]。因此市政再生水消毒技術以及處理過程中產生的消毒副產物造成的生態風險和健康風險已得到廣泛關注。

2 市政再生水消毒技術

飲用水消毒技術的發展已有較長歷時，但國內外針對污水消毒的研究起步較晚，對污水消毒風險的研究還不夠系統深入。目前主要使用的消毒技術包括液氯、二氧化氯、臭氧和紫外線照射等。

液氯消毒是一種比較簡便、安全而又廉價的方法，并且能夠持續有效地滅活水傳致病微生物，但自20世紀70年代以后，氯消毒產生的“三致”副產物引起了人們的廣泛關注，單純以氯作為消毒劑的消毒方法正逐漸退出歷史舞臺，開始尋求環境風險更低的替代方案。

二氧化氯具有強氧化性和強細胞壁穿透性，能夠起到滅活微生物的作用，并且二氧化氯不會與污水中的有機物反應產生三鹵甲烷等致癌物質。但二氧化氯具有不穩定性，必須現用現制，存在成本高、設備運行管理復雜等問題，限制其在我國市政再生水消毒中的廣泛應用。

臭氧是一種強氧化劑，能氧化分解葡萄糖酶、破壞細胞器和DNA、RNA，使細菌滅活死亡。消毒效率高，不產生難處理或累積性殘余物，但臭氧本身不穩定，有強烈的刺激性，并且投資大成本高，設備管理復雜。

紫外消毒是一種物理消毒方法，適當波長的紫外線能夠破壞微生物細胞中的DNA或RNA分子結構，使細胞死亡，達到消毒目的。紫外消毒速度快、效率高，不影響水的理化性質，操作管理簡便，易于實現自動化。但紫外消毒設備長期運行后易形成污垢膜，抑制紫外線投射，對其處理技術需要更深入的了解。近幾十年來，紫外消毒比例逐年上升，將成為我國市政再生水最經濟有效的消毒技術。

未來，紫外消毒與其他消毒技術的聯合應用將更為重要，如活性碳吸附技術、膜分離技術以及光化學氧化技術等。需要由微生物水平向分子、基因水平發展消毒技術，生態友好型消毒技術將是最重要的發展方向之一。

3 市政再生水消毒副產物種類

目前，已有700多種消毒副產物(DBPs)被檢出[2]，如三鹵甲烷(THMs)、鹵乙腈(HANs)、鹵代酮(HKs)、鹵乙酸(HAAs)、亞硝胺等。在這些消毒副產物中，THMs和HAAs是檢出率最高也是研究最多的兩類DBPs，其對哺乳動物細胞具有遺傳毒性。THMs、HAAs和鹵代酮已列入我國生活飲用水衛生標準(GB 5749－2006)；世界衛生組織規定了HANs限值；鹵代硝基甲烷和HKs已被美國環保署列入優先控制DBPs。

再生水中DBPs的濃度與種類與水中溶解性有機質(包括難降解人工合成物質、天然有機物和微生物代謝產物等)的濃度和性質密切相關。微生物代謝產物中的多糖、腐殖酸、蛋白和DNA等有機物會與氯反應生成DBPs，天然有機物中的酮類、脂類和多烴類芳香結構可以與氯反應生成鹵代中間產物，進而通過水解或脫羧作用生成小分子的DBPs[3]。另外，污水中的有機氮和氨濃度對再生水消毒過程中生成的DBPs的種類有很大影響，當污水處理廠硝化較差時，含氮DBPs(如N－亞硝基二甲胺)濃度大大增加[4]。

4 市政再生水消毒副產物毒性

通過對DBPs的大量研究得出，大部分DBPs可能具有生殖毒性和致癌性。THMs作為人類最早發現的DBPs種類，對其毒性研究較為充分。如果動物長期暴露于高劑量的三氯甲烷和一氯二溴甲烷中，其患腎癌和肝癌的風險増加；長期暴露在三溴甲烷和一氯二溴甲烷的動物，可能誘發大腸腫瘤，此外，一定劑量的THMs可誘導腎、肝細胞毒性，含溴的THMs對人體存在基因毒性[5]。HAAs作為水質標準控制的DBPs種類，研究表明，高劑量的二氯乙酸具有明顯的神經毒性，高劑量二氯乙酸和三氯乙酸協同毒性可導致動物心臟畸形[5]。

HANs作為氯和氯胺消毒過程中濃度較高的一類DBPs，具有較強的急性遺傳毒性、致突變毒性和慢性細胞毒性。HANs的細胞毒性大約是HAAS的100倍、THMs的150倍，遺傳毒性約為HAAS的4倍、THMs的13倍。世界衛生組織在《飲用水水質準則第三版》中規定飲用水中二溴乙腈的限值為70μg/L、二氯乙腈的限值為20μg/L。鹵代硝基甲烷作為一類新興DBPs，雖尚未被列為飲用水安全控制指標，但已有研究表明，鹵代硝基甲烷對沙口氏菌和CHO細胞均具有基因毒性，會直接引起DNA損傷[5]。

經消毒的再生水中，N－亞硝基二甲胺作為強致癌物質是檢出濃度最高的一類亞硝胺，其產生的慢性毒性作用可導致肺癌、肝癌和神經系統的損傷，美國環保署認為當N－亞硝基二甲胺濃度達到0.7ng/L時就會產生致癌作用，其致癌風險遠高于THMs等常規控制的DBPs，已將N－亞硝基二甲胺列為優先控制污染物。

5 結論

再生水是我國水資源綜合利用的一項重要措施，其中消毒是保證再生水安全的前提條件。目前再生水消毒技術主要依照給水消毒原理，尚不能解決實際生產中遇到的所有問題，消毒效果并不理想，再生水消毒亟需建立自己的規范。氯化消毒技術雖然成本便宜、技術成熟，但氯會與污水中殘留的復雜多樣的溶解性有機物反應生成鹵代烴等消毒副產物，具有致癌和致突變性。未來需要在深入認識再生水消毒副產物產生機理的基礎上，不斷改進污水處理和消毒技術，嚴格管控消毒副產物環境風險，推進市政再生水的可持續應用。