飲用水消毒副產(chǎn)物生成影響因素的研究進(jìn)展

王俊霞

摘?要：飲用水的消毒是水處理過(guò)程中的重要工藝。本文紹了DBPs的基本信息，綜述了消毒劑種類(lèi)、投氯量、反應(yīng)溫度、pH、反應(yīng)時(shí)間、溴離子、金屬離子、氨氮等因素對(duì)DBPs生成的影響，為消毒條件的選擇和水質(zhì)安全保障提供參考。

關(guān)鍵詞：消毒副產(chǎn)物;飲用水;影響因素

飲用水水體環(huán)境受到來(lái)自工農(nóng)業(yè)以及生活污水等多種污染物的威脅，環(huán)境污染會(huì)使飲用水中各種有害物質(zhì)增加。[1]消毒是殺死水中病原微生物和預(yù)防疾病傳播的有效方法。目前，國(guó)內(nèi)外有許多消毒方法包括液氯消毒、次氯酸鈉消毒、氯胺消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒以及復(fù)合消毒等。[2]消毒劑也與水中天然有機(jī)物（natural organic matter，NOM）反應(yīng)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物（disinfection by-products，DBPs）。[3]

本文主要介紹了DBPs及其生成影響因素，如消毒劑種類(lèi)、加氯量、反應(yīng)溫度、pH、反應(yīng)時(shí)間、溴離子、金屬離子、氨氮等，旨在為保障人類(lèi)健康和飲用水安全提供一些科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)資料。

1 DBPs簡(jiǎn)介

氯消毒是目前應(yīng)用范圍最廣、時(shí)間最久的一種消毒方式，目前已檢測(cè)到的DBPs有600多種，[4]包括三鹵甲烷（Trihalomethanes，THMs）、鹵乙酸（Haloacetic acids，HAAs）、鹵代乙腈（haloacetonitrile，HANs）等，其中THMs和HAAs含量和占總DBPs的85%以上且THMs和HAAs等DBPs都被證明有致癌性和致突變性。研究DBPs的生成影響因素能更好地控制飲用水的消毒條件，為人們提供優(yōu)質(zhì)安全的飲用水。

2 DBPs生成影響因素

2.1 消毒劑種類(lèi)

飲用水的消毒方法有很多，不同消毒劑的類(lèi)型對(duì)產(chǎn)生的DBPs的類(lèi)型和生成量有不同影響。王建蓉[5]等研究發(fā)現(xiàn)氯消毒生成了CHCl?3?、CHBrCl?2?，但含量都不高。二氧化氯消毒沒(méi)有生成THMs，而生成了ClO?2.- 、ClO?3.- 等DBPs;次氯酸鈉消毒生成了CHCl?3?、和CHBr?2?Cl且生成量與氯消毒相近，ClO?2.- 、ClO?3.- 沒(méi)有檢測(cè)到。王曉寧[6]等研究發(fā)現(xiàn)，氯胺消毒與液氯消毒相比，會(huì)生成CNCl和ClO?2.- ，THMs的生成量減少。臭氧消毒會(huì)氧化水中NOM生成其他DBPs（甲醛為主），會(huì)直接與Br?- 反應(yīng)生成BrO?3.- ，有利于DBPs的生成。李聰?shù)萚7]發(fā)現(xiàn)在紫外線(xiàn)消毒中紫外線(xiàn)含量增加，水體中TOC的質(zhì)量濃度減小，但THMs的生成量會(huì)增加。

2.2 有機(jī)物性質(zhì)和濃度

飲用水中的NOM是DBPs的前驅(qū)物，常用TOC和254nm下的紫外吸光度表征。當(dāng)腐殖酸等有機(jī)物在水體中的含量高時(shí)，產(chǎn)生的DBPs的量也會(huì)變多。DOC的質(zhì)量濃度與THMs生成勢(shì)呈正相關(guān)。[8]王永京等[9]研究發(fā)現(xiàn)，隨著水體中腐殖酸濃度增加，BrO?3.- 的形成量會(huì)逐漸減少。葉畢雄[10]研究發(fā)現(xiàn)，TOC和UV-254與THMs的生成呈正相關(guān)，而與HAAs的生成相關(guān)性較差。

2.3 投氯量

投氯量對(duì)DBPs的形成有很大的影響。通常，加入水中的氯越多，DBPs的形成速率越快，形成量也越多。陳萍萍[11]等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氯的加入時(shí)間相同時(shí)，加氯量越大，THMs和HAAs得生成量越大。徐鵬等[12]研究發(fā)現(xiàn)氯投加量較少時(shí)，與5種DBPs生成量之間存在線(xiàn)性關(guān)系，且線(xiàn)性擬合系數(shù)均大于0987。當(dāng)加氯量繼續(xù)增加時(shí)，產(chǎn)生的DBPs量達(dá)到平衡狀態(tài)，且一些DBPs的產(chǎn)生量減少。陳卓等[13]發(fā)現(xiàn)，投氯量增加時(shí)，DCAA、TCAA和MX的量先增加到最大值然后逐漸減少。

2.4 反應(yīng)溫度

取代、加成和氧化還原等反應(yīng)是生成DBPs的主要反應(yīng)類(lèi)型，隨著溫度的升高，反應(yīng)速率加快，生成更多的DBPs。陳卓等[13]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，TCAA和DCAA的生成量逐漸增加。蔣建美等[14]研究發(fā)現(xiàn)在較高溫時(shí)THMs和HAAs的生成量均比較低溫時(shí)多，當(dāng)水體中含溴化物時(shí)，溫度對(duì)THMs生成量的影響大于HAAs。

2.5 pH值

不同pH值對(duì)DBPs的生成有不同影響。陳萍萍等[11]發(fā)現(xiàn)，pH與THMs的形成呈顯著正相關(guān)，對(duì)HAAs形成的影響不大，呈負(fù)相關(guān)。Liang L[15]等研究發(fā)現(xiàn)，pH在6-8范圍時(shí)，產(chǎn)生的THMs的量增加但THAA的量減少。pH對(duì)MHAA和DHAA的生成影響較小。葉畢雄[10]研究發(fā)現(xiàn)，pH對(duì)THMs的形成影響較大，對(duì)HAAs的形成影響不大，隨著pH值增大THMs生成量增大，HAAs生成量減小。

2.6 反應(yīng)時(shí)間

隨反應(yīng)時(shí)間的增加，在反應(yīng)初期速率很快后逐漸緩慢。THMs和HAAs的生成量都是先增加再趨于平緩。商丹紅[16]研究發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)時(shí)間增加，氯與NOM接觸時(shí)間增加，產(chǎn)生的THMs增多。水中TOC越多，加氯量越大，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，越容易生成THMs及其他DBPs。[17]陳忠林[18]研究發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，HAAs的量逐漸增加，到一定反應(yīng)程度后，HAAs的量趨于穩(wěn)定。劉清華等[19]發(fā)現(xiàn)隨反應(yīng)時(shí)間的增加，三氯乙醛在12小時(shí)內(nèi)含量增加，之后變平緩。

2.7 溴離子

氯是一種強(qiáng)氧化劑，當(dāng)含Br?- 時(shí)，Br?- 會(huì)與活性氯發(fā)生反應(yīng)，生成HBrO、BrO?- 等。溴的前體反應(yīng)優(yōu)于氯的前體反應(yīng)，這就減少了Cl-DBPs的生成量，增加了Br-DBPs的生成量。Br-DBPs的毒性一般是Cl-DBPs的10倍以上。[20]蔣建美等[14]研究表明水體中含溴離子時(shí)，THMs和HAAs的量都增多。Sun Y X等[21]研究發(fā)現(xiàn)，隨著B(niǎo)r?- 濃度的增加，與CHBr?3?存在線(xiàn)性關(guān)系。在0-3.2mg/L范圍內(nèi)，隨Br?- 濃度的增加CHBr?2?Cl和CHBrCl?2?生成量都增加。

2.8 金屬離子

鐵管和銅管廣泛應(yīng)用于飲用水配水系統(tǒng)中。管道腐蝕會(huì)形成Fe?2+?，天然水體中普遍存在Fe?3+?，鐵鹽和它的聚合物也常用做水處理過(guò)程中的氧化劑和混凝劑，以及在飲用水輸配過(guò)程中管道腐蝕和天然水體中Fe?2.+?被氧化成的Fe?3+?，使Fe?3+?來(lái)源廣泛。[22]李波等[23]研究Cu?2+?濃度在0-2.5mg/L范圍時(shí)，促進(jìn)THMs的形成，在2.5-50mg/L范圍時(shí)，抑制THMs的形成。在0-50mg/L范圍時(shí)，促進(jìn)DCAA的形成，抑制TCAA的形成。朱志良等[24]研究發(fā)現(xiàn)，水體含Br?- 時(shí)，在酸性條件下，F(xiàn)e?3+?對(duì)THMs的生成有抑制作用;在堿性條件下，F(xiàn)e?3+?對(duì)的THMs的生成有促進(jìn)作用。

2.9 氨氮

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速擴(kuò)大，含N、P物質(zhì)的污水排入河流、湖泊等水環(huán)境中，增加了水中養(yǎng)份的負(fù)荷。水中NOM的脫氨基作用，增加了氨氮的濃度。錢(qián)洪智[2.5]研究發(fā)現(xiàn)在溫度、pH、游離氯無(wú)變化時(shí)，氨氮濃度增加，THMs的生成量減少了75%。王永京等[9]研究表明隨著氨氮含量的增加，BrO?3.- 生成量降低，在0.10-0.30

mg/L時(shí)，可以把BrO?3.- 控制在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

3 總結(jié)與展望

由于氯化消毒具有操作方便、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前及未來(lái)一段時(shí)間國(guó)內(nèi)外主要的消毒方式。但殺滅致病菌的同時(shí)產(chǎn)生一些具有毒性和“三致”作用的DBPs，對(duì)環(huán)境水體、動(dòng)植物以及人體健康都有一定影響。因此，控制DBPs的生成量以及對(duì)DBPs生成影響因素的研究尤為重要。目前，在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和健康評(píng)價(jià)方面還研究較少，可通過(guò)實(shí)際測(cè)試來(lái)提高飲用水安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭建成，王育兵.我國(guó)飲用水健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展[J].總裝備部醫(yī)學(xué)學(xué)報(bào)，2015，17（2）：127-130.

[2]韓暢，劉紹剛，仇雁翎，等.飲用水消毒副產(chǎn)物分析及相關(guān)研究進(jìn)展[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2009，35（1）：12-16.

[3]Sohn J，Amy G，Cho J，et al.Disinfectant decay and disinfection by-products formation model development：chlorination and ozonation by-products[J].Water Research，2004，38（10）：2461-2478.

[4]Palacios M，Pampilón JF，Rodriguez ME.Organohalogenated compounds levels in chlorinated drinking waters and current compliance with quality standards throughout the European Union[J].Water Research，2000，34（3）：1002-1016.

[5]王建蓉，馬鈴，周智勇，等.氯氣、二氧化氯和次氯酸鈉在自來(lái)水消毒中的比較[J].西南給排水，2015（3）：18-21.

[6]王小寧，楊傳璽，宗萬(wàn)松.飲用水消毒副產(chǎn)物生物毒性與調(diào)控策略的研究[J].工業(yè)水處理，2017，37（1）：12-17.

[7]李聰，趙敬國(guó)，楊玉龍，等.紫外線(xiàn)消毒對(duì)砂濾水中余氯及三鹵甲烷的影響[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2016，50（3）：545-550.

[8]何洪威，周達(dá)誠(chéng)，王保強(qiáng)，等.珠江水體中有機(jī)物分布、組成及與消毒副產(chǎn)物生成的關(guān)系[J].環(huán)境科學(xué)，2012，33（9）：3076-3082.

[9]王永京，焦夕鈺，金萌，等.腐殖酸對(duì)溴酸鹽生成與控制的影響研究[J].給水排水，2017（5）：23-26.

[10]葉必雄.我國(guó)典型城市飲用水中主要氯化消毒副產(chǎn)物及其健康風(fēng)險(xiǎn)研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，2007.

[11]陳萍萍，張建英，金堅(jiān)袁.飲用水中鹵乙酸和三鹵甲烷的形成及影響因素研究[J].環(huán)境化學(xué)，2005，（4）：434-437.

[12]徐鵬，沈吉敏，李太平，等.消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)測(cè)定方法的優(yōu)化研究[J].中國(guó)給水排水，2015，31（17）：45-49.

[13]陳卓，楊呈勇，陸雋鶴，等.富里酸氯化-消毒副產(chǎn)物生成的影響因子[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，（2）：11-15.

[14]蔣建美，郭改梅.消毒副產(chǎn)物形成的影響因素研究[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，22（4）：30-34.

[15]Liang L，Singer P C.Factors Influencing the Formation and Relative Distribution of Haloacetic Acids and Trihalomethanes in Drinking Water[J].Environmental Science & Technology，2003，37（13）：2920-2928.

[16]商丹紅.飲用水中消毒副產(chǎn)物及其檢測(cè)方法的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2004.

[17]沈小星，方士，王薇.飲用水消毒副產(chǎn)物的危害及控制工藝[J].水資源保護(hù)，

2005，（4）：30-33.

[18]陳忠林，李安，王勝軍，等.色氨酸氯化消毒生成鹵乙酸的影響因素研究[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27（6）：731-734.

[19]劉清華，陳卓華，張曉娜，等.城市飲用水中消毒副產(chǎn)物三氯乙醛生產(chǎn)量的影響因素研究[J].給水排水，2016，52（5）：42-45.

[20]Plewa M J，Wagner E D，Mitch W A.Comparative Mammalian cell cytotoxicity of water concentrates from disinfected recreational pools[J].Environmental Science & Technology，2011，45（9）：4159-4165.

[21]Sun Y X，Wu Q Y，Hu H Y，et al.Effect of bromide on the formation of disinfection by-products during wastewater chlorination[J].Water Research，2009，43（9）：2391-2398.

[22]Liu S G，Zhu Z L，Tan X C，et al.The Influence of Cu（II）on the Formation and Distribution of Disinfection By-Products during the Chlorination of Drinking Water[J].Water Air & Soil Pollution，2013，224（4）：1493.

[23]李波，曲久輝，劉會(huì)娟，等.銅均相和非均相催化氯化消毒反應(yīng)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，

（12）：1962-1967.

[24]朱志良，王靜，葛元新，等.Fe?3+?和Br?- 對(duì)飲用水氯消毒過(guò)程中揮發(fā)性鹵代烴生成的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2007，（6）：1264-1267.

[25]錢(qián)洪智.不同飲用水源水氯化消毒副產(chǎn)物的特征與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.