飲用水中氯化消毒副產(chǎn)物的控制研究進(jìn)展

趙 亮

消毒作為控制飲用水生物安全性的最后一道屏障，氯化消毒在我國第二代飲用水常規(guī)工藝處理中得到了大規(guī)模的應(yīng)用。氯化消毒的目的在于有效殺滅水中混凝、沉淀和過濾等前期工藝未能去除的微生物，控制水傳染性疾病的傳播。氯化消毒能夠殺滅水中的大部分致病細(xì)菌和寄生蟲卵，同時(shí)具有去色、除臭、除味和滅藻的功能［1，2］。但是越來越多的研究表明，飲用水加氯消毒后會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物(DBPs)，而這些物質(zhì)會(huì)危害人體健康，如三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸(HAAs)等，飲用氯化水會(huì)使人患結(jié)腸癌和膀胱癌的危險(xiǎn)增加。目前國內(nèi)外有不少學(xué)者致力于DBPs的形成機(jī)理、危害以及控制方法的研究，且提出了很多去除DBPs的方法，但是目前還沒有一種公認(rèn)的十分經(jīng)濟(jì)有效的處理方法。如何控制飲用水中DBPs仍然是水處理行業(yè)亟待解決的問題之一。

1 DBPs的產(chǎn)生

1.1 DBPs的形成機(jī)理

由于生活飲用水源無論是江河水、湖泊水還是地下水都遭到了不同程度的污染，致使原水水源中都含有了大量的有機(jī)物，這些有機(jī)物包括人工合成有機(jī)物和天然有機(jī)物。而當(dāng)使用氯消毒時(shí)，氯會(huì)與原水中的有機(jī)物，特別是富里酸和腐殖酸反應(yīng)生成氯代烴、氯代乙酸以及其他的氯化消毒副產(chǎn)物［3］。

包括Shakhawat Chowdhury等［4］在內(nèi)的學(xué)者都認(rèn)為，有機(jī)物的濃度和投氯量是影響DBPs形成種類和數(shù)量的主要因素，同時(shí)也受pH值、水溫、Br－及金屬離子濃度等因素的影響。

1.2 DBPs的種類

自1974年Rook和Bellar等人發(fā)現(xiàn)在飲用水的處理中加氯消毒會(huì)產(chǎn)生三鹵甲烷(THMs)后，不少學(xué)者對DBPs的成分進(jìn)行了大量研究，到目前為止約有六百多種DBPs已被報(bào)道［5］。但是研究發(fā)現(xiàn)，這已被確定的六百多種DBPs僅占總DBPs種類的50%～60%，而其余 DBPs的結(jié)構(gòu)尚不清楚［6，7］。目前一般認(rèn)為，DBPs的種類主要有三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸(HAA)、鹵代乙腈(HAN)、鹵酚、鹵代醛和酮等各種副產(chǎn)物［8］。JONATHAN G.PRESSMAN等人［7］對DBPs中各種物質(zhì)所占比例進(jìn)行了詳細(xì)的研究，其具體結(jié)果見圖1。隨著研究的不斷深入，很多新的DBPs也在不斷被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。近年來在美國和加拿大等地的采用化合氯消毒的飲用水中，二甲基亞硝胺(N-Nitrosodimethylamine，NDMA)被確認(rèn)是一種新的氯化消毒副產(chǎn)物［9］。

2 DBPs的健康風(fēng)險(xiǎn)

飲用水被應(yīng)用于日常生活中的很多地方，例如直接飲用、做飯、洗澡、洗滌等，因此人體可通過多種途徑直接接觸DBPs，當(dāng)然直接飲用是主要的一種暴露方式，但在淋浴、洗衣、游泳等過程中也會(huì)攝入或是皮膚接觸到DBPs［10］。在DBPs毒理學(xué)的研究方面，普遍認(rèn)為消毒副產(chǎn)物會(huì)有“三致”作用，即誘變性、致癌性和生殖與發(fā)育毒性。

圖1 各種消毒副產(chǎn)物所占比重

常見消毒副產(chǎn)物對人體健康都會(huì)產(chǎn)生一定的影響［8］，具體見表1。

表1 氯消毒副產(chǎn)物對健康的影響

3 DBPs控制方法的研究進(jìn)展

控制DBPs的目的是盡量減小其在飲用水中的存在量，最大限度地降低其對人體的健康危害。根據(jù)DBPs的形成機(jī)理，目前控制DBPs的方法大致可分為5類，分別是改進(jìn)氯消毒工藝、研發(fā)替換氯消毒劑、去除消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)物、去除已經(jīng)產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物和從源頭控制，加強(qiáng)水源水的保護(hù)，并制定嚴(yán)格的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［11］。

3.1 改進(jìn)氯消毒工藝

DBPs產(chǎn)生于氯消毒工藝，故改進(jìn)傳統(tǒng)氯化工藝是一種有效的DBPs控制措施。針對傳統(tǒng)消毒工藝產(chǎn)生DBPs的機(jī)理，在新水廠的建造或是舊水廠改造過程中，可以從以下幾點(diǎn)進(jìn)行考慮:第一，改進(jìn)加氯點(diǎn)，取消預(yù)加氯，盡量采用濾后加氯。采用濾后加氯，由于在濾前工藝中已經(jīng)去除了一部分消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物，實(shí)踐表明，濾后加氯可以大大降低出廠水中的DBPs［12］。第二，嚴(yán)格控制加氯量，在氯消毒過程中，應(yīng)結(jié)合水廠進(jìn)水水質(zhì)，在保證消毒滅菌的情況下，盡量減少氯氣的使用量。第三，保證加氯過程的均勻和快速混合，國內(nèi)外已有研究表明，快速均勻混合能大大提高氯的初始?xì)⒕芰Γ@樣可以減少氯的使用量［12］。

3.2 替換氯消毒劑

David A.Reckhowa等［13］研究表明，相比一些其他的消毒劑(如氯胺和二氧化氯)，氯氣會(huì)產(chǎn)生更多的THMs，HAAs和總有機(jī)鹵化物(TOX)，因此采用其他的消毒劑替代氯消毒，可以減少DBPs的產(chǎn)生。近年來，二氧化氯、臭氧、紫外光、高錳酸鉀消毒等被不斷的研究，并在實(shí)際工程中得到了一些應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者也提出了許多其他新型的消毒方法，其中物理消毒方法主要有超聲波法、高梯度磁場法、微電解法、X射線照射法和γ射線照射法等，化學(xué)消毒法有等離子體消毒、銀離子消毒劑、氧化劑(過氧化氫和fenton試劑)和光化學(xué)氧化消毒法等。

3.3 DBPs前驅(qū)物的去除

研究表明，消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)物主要是質(zhì)水體中的腐殖酸、富里酸以及其他的天然有機(jī)物。Guanghui Hua等［14］研究指出，Br－和I－容易與親水性天然有機(jī)物形成DBPs，因此去除前驅(qū)物的重點(diǎn)應(yīng)該放在一般處理方法難于去除的親水性天然有機(jī)物上。當(dāng)然飲用水公用工程中最安全優(yōu)化的方法是將親水性和憎水性的有機(jī)物都有效的去除，從而減少消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生。目前去除這些前驅(qū)物的主要方法有:強(qiáng)化混凝法、活性炭吸附法、膜過濾法、生物氧化法、化學(xué)氧化法以及納米工藝。

3.4 DBPs的直接去除

根據(jù)水中生成的DBPs的物理化學(xué)性質(zhì)，采用有效的處理方法將其從飲用水中除去，也是控制DBPs的方法之一，目前直接去除DBPs的方法有膜分離技術(shù)、活性炭吸附和曝氣法。

3.5 加強(qiáng)水源水的保護(hù)，制定嚴(yán)格的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

我國水污染狀況嚴(yán)重，作為飲水水源的水環(huán)境已遭到嚴(yán)重的破壞，加強(qiáng)水源環(huán)境保護(hù)是防止有機(jī)物污染的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。只有保證作為水源的江河、湖泊、水庫等水環(huán)境的安全，才能有效減少出廠水中DBPs的種類和數(shù)量。因此，加強(qiáng)水源地環(huán)境保護(hù)，改善水源水質(zhì)是降低DBPs含量的根本措施。

為了控制飲用水消毒副產(chǎn)物，各國都制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。在我國，2007年7月1日，由國家標(biāo)準(zhǔn)委和衛(wèi)生部聯(lián)合發(fā)布的GB 5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定指標(biāo)從原先的35項(xiàng)增加到了106項(xiàng)。這項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)提出了常規(guī)42項(xiàng)、非常規(guī)64項(xiàng)指標(biāo)。與舊標(biāo)準(zhǔn)相比，其增加了71項(xiàng)，修訂了8項(xiàng);加強(qiáng)了對水質(zhì)有機(jī)物、微生物和水質(zhì)消毒等方面的要求，并基本實(shí)現(xiàn)了飲用水標(biāo)準(zhǔn)與國際接軌。

4 結(jié)論和展望

由于氯消毒具有經(jīng)濟(jì)性和高效性，結(jié)合當(dāng)前我國的經(jīng)濟(jì)水平和技術(shù)研發(fā)的狀況，在短時(shí)期內(nèi)氯消毒仍然是飲用水消毒的主要技術(shù)手段，目前大多數(shù)水廠仍采用氯消毒工藝。綜合國內(nèi)外對氯化消毒副產(chǎn)物的研究現(xiàn)狀，我認(rèn)為今后的研究可以圍繞以下幾個(gè)方面展開:

1)目前飲用水中未確定的有機(jī)鹵化DBPs達(dá)50%左右，我們應(yīng)該加大研究力度，開發(fā)出更精確的檢測技術(shù)，確定氯化消毒過程中產(chǎn)生的那些未知的DBPs，查明其形成機(jī)理，明確其對人體健康的風(fēng)險(xiǎn)，為飲用水中的DBPs控制和去除提供理論依據(jù)，以便更好的去除這些DBPs。2)要減少DBPs對人體的健康威脅，最重要的是要從水源保護(hù)入手，從源頭上控制污染物的排放，這才是控制消毒副產(chǎn)物的根本途徑。相應(yīng)的國家機(jī)構(gòu)應(yīng)該制定更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，減少這些有毒化合物對公眾的健康衛(wèi)生威脅，并加強(qiáng)對標(biāo)準(zhǔn)值執(zhí)行情況的監(jiān)督和管理，把這些化合物的濃度降到人體可以接受的水平。3)不同的水廠要根據(jù)不同水源水質(zhì)狀況，通過實(shí)驗(yàn)確定控制消毒副產(chǎn)物的最佳方案。除了改進(jìn)傳統(tǒng)氯化工藝之外，可通過消毒劑替代、前體物去除、副產(chǎn)物直接去除等多種措施來控制消毒副產(chǎn)物。在控制過程中，對那些含量大或是毒性大的DBPs重點(diǎn)考慮，確保這些物質(zhì)的優(yōu)先去除。4)任何一種飲用水深度處理技術(shù)都有其局限性，所以把物理、化學(xué)、生物等多種技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)揮協(xié)同作用是控制消毒副產(chǎn)物的發(fā)展方向之一。同時(shí)不斷開發(fā)新的處理技術(shù)，例如納米技術(shù)、光催化消毒和MIEX技術(shù)，為去除DBPs提供更多的技術(shù)選擇。

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