飲用水中消毒副產物形成及治理的研究進展

摘要：氯化法廣泛應用于生活飲用水處理的消毒領域，但會產生多種對人體有害的消毒副產物（Disinfection By-Products，DBPs），如三鹵甲烷（Trihalomethanes，THMs）和鹵乙酸（Haloacetic Acids，HAAs）等。檢測數據顯示，水環境中，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，中國生態環境部、美國國家環境保護局和世界衛生組織等權威機構制定若干法規，以保護人類健康。一些技術也被開發出來，以去除水中DBPs及其前體物。目前，常用的DBPs去除技術有吸附法、高級氧化法、混凝法、膜過濾法和聯合處理法等。采用吸附法時，水中DBPs的去除率可達90%。

關鍵詞：飲用水；消毒副產物（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，不可避免地產生消毒副產物（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，鹵化消毒副產物占DBPs總量的絕大部分。

1 各類消毒副產物的形成

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，且氯化消毒副產物的毒性小于溴化消毒副產物。DBPs有2種形式，即有機形態和無機形態。有機形態包括三氯甲烷、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生反應，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，生成亞硝基化合物和硝基化合物。無機形態包括溴酸鹽、氯酸鹽和亞氯酸鹽。

2 控制水中DBPs形成的因素

水體的物理和化學性質可能是影響DBPs產生的最重要原因，主要包括化學品用量、反應體系pH、溫度、混凝劑類型、反應時間、天氣條件和水源地等因素。影響DBPs產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，化學反應速度加快，HANs、HKs等消毒副產物的濃度也相應增加[2]。在DBPs的形成過程中，反應體系pH也起到至關重要的作用，pH大于8時，由于HKs和HANs的水解特性，它們的數量分別減少83.3%和60.0%。此外，鹵素會與水體中的有機物發生反應，形成消毒副產物。加入游離余氯（Free Residual Chlorine，FRC）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），也會導致HANs和HKs的產生[3]。隨著FRC在水中的添加量增加，HANs和HKs的產生量也會明顯升高。

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致更高的致癌風險。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。咳嗽、哮喘和呼吸道感染等呼吸系統疾病也由沐浴水中的氯揮發性舒張壓引起。飲用水消毒副產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險進行評估非常重要。目前，國際上已經建立一套完善的致癌風險評估體系，包括定量結構和活性關系模型、動物試驗模型和流行病學模型等。這些模型可以對飲用水消毒副產物的致癌風險進行定量評估。

飲用水消毒副產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，對人體胚胎發育造成潛在威脅。因此，對這些化合物的致畸風險進行評估非常重要。目前，國際上已經建立一套完善的致畸風險評估體系，包括定量結構和活性關系模型、動物試驗模型和流行病學模型等。這些模型可以對飲用水消毒副產物的致畸風險進行定量評估。

4 DBPs的預防措施

4.1 優化消毒工藝

優化消毒工藝參數，如投加量、接觸時間和溫度等，可以降低飲用水消毒副產物的生成量[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消毒副產物、HAAs和THMs的產生，但若污染的水中含有溴，則強化混凝可導致溴化消毒副產物的形成。

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物的生成量。例如，加強農田排水管理，減少農藥和化肥的使用；加強城市污水處理設施建設和管理；加強工業廢水處理設施建設和管理。

4.3 水處理技術

采用水處理技術，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物前體物，從而降低飲用水消毒副產物的生成量。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

采用生物降解技術，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物前體物，從而降低飲用水消毒副產物的生成量。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，而內分泌干擾物、抗類固醇、消炎藥、抗生素、美容產品、驅蟲劑、合成染料、洗滌劑和激素等人工合成有機物質因DBPs的產生而受到高度關注。現在已有大量成熟的技術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是由不同化學性質的物質組成的混合物，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、化學特性、原子范圍、水體pH和環境溫度等。

6 結論

受環境因素影響，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，但是會產生副產物。飲用水的消毒會產生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。然而，樣品處理、儀器操作和維護需要專業的技術人員。因此，要全面研究DBPs的形成和治理，開發簡便、準確且快速的DBPs測定方法，有效推進飲用水中DBPs治理，降低人類健康風險。飲用水中DBPs的去除技術包括吸附法、高級氧化法、混凝法、膜過濾法和聯合處理法。未來，要聯合應用多種處理方法，更好地去除飲用水中DBPs及其前體物。同時，要研發經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物。

參考文獻

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10 朱 爽.溶解性有機質的性質對典型消毒副產物形成量的影響研究[D].大連：大連海事大學，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：水環境和水工程管理。