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飲用水加氯消毒副產物的研究進展與控制

文檔作者：趙紅梅1 尹倩倩2 王明暉3 文檔來源： 1 德州市環(huán)境保護科學研究所 2 山東恒信建筑設計有限公司 3 山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院		點擊數：	更新時間： 2025年04月26日
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上一篇：飲用水消毒副產物的研究現狀

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飲用水加氯消毒副產物的研究進展與控制
趙紅梅1尹倩倩2王明暉3
(1 德州市環(huán)境保護科學研究所山東德州253034；
2 山東恒信建筑設計有限公司山東濟南2501003；
3 山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院山東濟南250101)
摘要闡述氯消毒副產物的種類和形成機理及其危害性．并提出優(yōu)化水處理工藝、消毒劑替代、前體物去除、副產物直接
去除等氯消毒副產物的控制措施。
關鍵詞飲用水消毒副產物控和l對策
中圖分類號：TU991．25 文獻標識碼：A 文章編號：1672—9064(2010)05-0010—03
由于氯消毒的操作使用簡單．便于控制．可殺滅水中微
生物從而防止水介疾病的傳染．良好的消毒持續(xù)性可以防止
水在輸送過程中被二次污染．余氯的測定也很容易．并且氯
消毒的價格不高．所以很快在飲用水行業(yè)推廣應用。從我國
的經濟情況考慮．當前以及今后一段時期．飲用水的消毒仍
將以氯消毒為主。隨著研究的深入，越來越多的氯消毒副產
物被發(fā)現．通過現場檢測表明．飲用水加氯消毒后增加了22
種itl氯代消毒副產物．這些物質對人體產生很大的危害，控
制飲用水中消毒副產物成為供水業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一。
l 氯消毒副產物的種類和形成機理
1．1氯消毒副產物的種類
消毒副產物(DBPs)是指消毒劑對飲用水消毒時．消毒
劑與水中含有的天然有機物反應生成的化合物。繼1974年
Rook和Bellar等人發(fā)現飲用水加氯消毒可以產生三鹵甲烷
(THMs)．人們對氯消毒產生的副產物進行了大量的研究分
析。目前已經確定的氯消毒副產物就有上百種[2’引。但總的來
說可分為5類：三鹵甲烷(trihalomethanes，THMs)、鹵代乙酸
(haloaceticacids，HAAs)、鹵氧化物、鹵代乙腈(HANs)和直接
致誘變化合物。主要種類見表1。
1．2氯消毒副產物形成機理
經研究表明．氯消毒時與水中腐殖酸和富里酸產生復雜
的物理、化學反應．故產生了消毒副產物?。腐殖酸和富里酸
是存在于水中的結構復雜的大分子帶陰離子有機物．是羥基
苯醌、芳香族氨基羧酸等縮合物。結構中的間苯二酚型二羥
基芳香環(huán)易生成THMs．間苯二酚上的羥基化合物及其衍生
物會生成TCM或其他TCM化合物。泥土、湖泊底泥及浮游
生物和細菌等形成大量天然有機物．是主要的氯消毒副產物
的前體物質。氯可將水中溴化物氧化成氫溴酸，接著與有機
物反應生成對應的溴化消毒副產物?？偟膩碚f，一般的生成
反應式㈣為：
氯+(Br-或I一)+前驅物=鹵仿+其他鹵化物
2氯消毒副產物的危害
目前水處理工作者及醫(yī)學工作者關注較多的是消毒副
產物的“三致”作用。研究發(fā)現，如果動物長期暴露于高劑量
TCM、BDCM中?？梢詫е赂伟┖湍I癌[6]；MX對DNA有損傷
作用例；氯消毒副產物二氯乙酸(DCA)和三氯乙酸(TCA)會
毒害人體的肝臟，而且可能導致神經病變和胎兒畸形㈨；
DBPs與神經管缺陷、先天性心臟病、泌尿系統(tǒng)畸形、頭面部
缺陷等也有相關性；長期飲用氯消毒的飲用水，死于消化和
泌尿系統(tǒng)的癌癥的危險性增加L9]。因此，為控制氯消毒副產
物的產生量和危害性在最低限度．業(yè)內人士一直致力于完善
氯消毒工藝。
農l 氯化消毒副產物中的主要有機物
種類化合物
三鹵甲烷(THMs)
鹵乙酸(HAAs)
鹵乙腈(HANs)
致誘變化合物(MX)
鹵代酮類(HKs)
鹵代酚
鹵乙醛
鹵硝基甲烷
氯仿(TCM)．溴仿(TBM)、一溴二氯甲烷、(BDCM)、二溴一氯甲烷(DBCM)
一氯乙酸(MCAA)、二氯乙酸(DCAA)、三氯乙酸(TCAA)、一溴乙酸(MBAA)、二溴乙酸(DBAA)
二氯乙腈(DCAN)、三氯乙腈(TCAN)、溴氯乙腈(BCAN)、二澳乙腈(DBAN)
3一氯一4(二氯甲基)一5一羥基一2(5H)一呋喃
二氯丙酮(OCP)、三氯丙酮(TCP)
三氯酚、三溴酚
三氯乙醛／水合氯醛
三氯硝基甲烷／氯化苦
作者簡介：gag(1983一)，女，山東平原縣人，助理工程師，本科，主要從事琢境影響評價工作。
萬方數據 2010．N05．
3消毒副產物的控制措施
由于消毒副產物產生于氯消毒過程中．優(yōu)化傳統(tǒng)氯化工
藝是首先考慮的控制辦法。此外，替代消毒劑、去除前體物、
直接去除副產物也是常被考慮的措施。
3．1優(yōu)化水處理工藝
3．1．1改進傳統(tǒng)氯化工藝
首先．加氯量是影響副產物生成的重要因素．根據水質
調整投氯量．做好計量工作．在保證能殺死水中細菌的前提
下降低投氯量。其次，降低投氯量，縮短接觸時間．提高氯的
應用率可以減少氯與水中有機物接觸反應的幾率。另外．過
濾可去除一部分三鹵甲烷前體物．從而降低副產物的生成
量。
3．1．2強化混凝和活性炭組合工藝
強化混凝．就是確定混凝的最佳條件．發(fā)揮混凝的最佳
效果．以增加有機物的去除率。腐殖酸和富里酸是地表水中
的主要前體有機物。它們與水形成大分子膠體溶液．經混凝
處理可有效地去除。對致突變前體物含量較高的水源水．活
性炭吸附可有效去除這些致突變前體物．該工藝既利用了活
性炭的物理吸附作用．又使其表面生長的微生物膜對有機物
的生物氧化降解作用．其對污染物的去除率大大提高?；炷?
與活性炭(特別是PAC)吸附相結合可有效控制三鹵甲烷等
消毒副產物．該方法使用中存在吸附與混凝的競爭．合理選
取投加方式．避免競爭吸附．充分發(fā)揮PAC的吸附容量是使
用這種工藝的關鍵。PAC投加于吸水井、快速混合、絮凝中
段、濾池前端及澄清池中，特別是絮凝中段，既可避免競爭吸
附，又保證了吸附時間，是較為理想的投加點。
3．1．3膜分離技術
膜分離技術是以高分子分離膜為代表的一種新型的流
體分離單元操作技術。膜分離技術中納濾、反滲透岡對致突
變物的去除率都很高．在飲用水有機物處理中呈現強的發(fā)展
趨勢。水中腐殖酸類的分子量變化范圍在100—1000道爾頓，
而納濾膜截留的分子量為200—1000道爾頓．即可去除水中
有機物．同時又保留了對人體有益的無機鹽離子．所以去除
效果最好。但膜的應用一直沒有得到推廣。因為其使用壽命
短、易污染、難清洗且成本高㈣。
3．1．4高錳酸鉀或臭氧和生物活性炭組合工藝
高錳酸鉀?喊臭氧在水處理中將大分子有機物氧化為
小分子有機物．還可氧化氰化物、硝化物等無機物質。臭氧與
生物活性炭聯(lián)用即臭氧生物活性炭(O,BAC)法，進水通過臭
氧氧化后．大分子有機物被氧化為小分子，從而提高了有機
物進入活性炭微孑L的概率。臭氧氧化過程中的大量中間產物
都可被活性炭吸附．既去除了臭氧無法去除的三鹵甲烷及其
前驅物質．并且微生物的附著．可以發(fā)揮生化和物化處理的
協(xié)同作用．延長了活性炭的工作周期，保證了最后出水的生
物穩(wěn)定性。推薦方案見圖l。
3．2消毒劑替代
3．2．1 氯胺消毒
有關研究表明．與氯消毒相比．氯胺消毒所產生的
混凝荊
圈1推薦方案
市區(qū)管同
DBPs、尤其是THMs等氯化副產物比較少。此外，用氯胺消
毒還可顯著改善水體的味覺和嗅覺。在美國的市政供水中，
使用氯胺消毒的水廠占到約25％．我國水廠使用氯胺消毒的
較少。目前尚沒有研究表明氯胺消毒飲用水可致突變。
3．2．2二氧化氯消毒
與氯消毒相比．二氧化氯消毒一般只起氧化作用．不起
氯化作用，幾乎不產生三鹵甲烷及其它有機鹵代物；對pH
有較寬的適應范同，當pH>6．5時。殺菌效率遠高于氯：氧化
能力是氯氣氧化能力的5倍．殺菌同時可以去除水中色度、
臭味、錳等雜質。與臭氧相比．二氧化氯在水中持續(xù)殘留時間
較長，可有效控制二次污染發(fā)生。另外，二氧化氯還有較強的
除酚能力。但據報道。二氧化氯對幼兒及兒童健康的發(fā)育有
影響．其消毒會產生氯酸鹽及亞氯酸鹽．對血紅細胞有損害
作用f12】。另外，二氧化氯價格高、處理費用高、制備技術不成
熟等問題．限制了其在飲用水消毒處理中的推廣應用。
3．2．3高錳酸鉀消毒
高錳酸鉀消毒可用于替代預氯化過程。高錳酸鉀既可發(fā)
揮部分消毒作用．又能去除腐殖酸和富里酸等．從而有效抑
制了氯消毒副產物的生成．同時氧化過程中產生的二氧化錳
是很好的絮凝劑，可以減少三鹵甲烷前體物。
3．2．4過氧化氫消毒
過氧化氫消毒是依靠其強氧化性的一OH作為氧化中間
產物來實現氧化的。過氧化氫的標準氧化還原電位高于高錳
酸鉀、次氯酸和二氧化氯，僅次于臭氧，能直接氧化水中有機
污染物和構成微生物的有機物質。此外．過氧化氫分解后不
會帶來二次污染，直接產生水和氧氣：過氧化氫分解速度慢，
有較長時間的殘留消毒作用：穩(wěn)定性好．儲存過程中損失率
低；與水完全混溶，無需考慮溶解度限制；無腐蝕性，便于處
理。因此，過氧化氫是一種較為理想的飲用水消毒劑和預氧
化劑。
3．2．5臭氧消毒
臭氧的氧化能力最強．高于二氧化氯、氯氣、氯胺、高錳
酸鉀，不但能迅速殺滅細菌和芽孢病毒．并且對色、嗅、味等
污染物有去除作用．同時能提高水中有機物的生物可降解
性。此外，臭氧氧化有機物成亞硝酸鹽等。不產生二次污染。
臭氧消毒不具持續(xù)性。故處理后補加氯．由于臭氧氧化已將
氯消毒副產物的前體物基本去除．不會產生副產物．但是處
理水致突變試驗的MR比值有所增加。在水處理中。臭氧往
萬方數據 2010．N0．5．O
往使用臭氧發(fā)生器就地制取。投資費用較高且產率低，在一
定程度上限制了其應用。
3．2．6紫外線消毒
紫外線消毒在水處理過程中便于管理、殺菌快且效率
高、不產生消毒副產物．同時基本上不改變水的物理性質；但
該技術也存在成本高．無持續(xù)殺菌能力，容易產生二次污染，
需與其他工藝聯(lián)合的缺點。故沒有得到普及，一般僅在特殊
情況下小規(guī)模使用．
3．3前體物去除
強化混凝法是通過改善混凝劑匹配和優(yōu)化混凝條件等
方法．提高混凝沉淀對有機物的去除效率。強化混凝對膠體
類、腐殖酸類和高分子類有機物去除率較高，對溶解態(tài)的前
體物質難以去除。實際生產中．該工藝可作為活性炭吸附或
膜過濾的預處理單元使用．
活性炭可有選擇的吸附水中有機物．特別是烷烴類有機
物，但對醇類、酮類、酚類等極性有機物的去除效率相對較
弱。該工藝有處理費用高、出水濁度大的不足，實際中可與臭
氧消毒或膜過濾等工藝聯(lián)用。
膜過濾具有工藝適應性強、操作及維護方便、易于實現
自動化等特點．該工藝對天然水中的有機物去除效果好且可
保證無機離子的流出。但膜過濾不具持續(xù)消毒能力，在出水
時要補加氯或氯胺以防治二次污染。
水處理中的生物預處理一般采用生物膜法．生物處理工
程運用效果較好．不僅能有效去除前體物質且可大幅度降低
后續(xù)加氯量。它能有效去除可生化性總有機碳(BDOC)及消
毒副產物前體物．明顯降低氯化時水中有機物與氯的反應活
性。
此外．也可采用化學氧化法或光子與氧化劑、催化劑作
用去除前體物質。用高錳酸鉀(KMnO。)去除水中有機物可以
顯著地控制氯化副產物的生成．降低水的致突變性，且不必
改變常規(guī)工藝流程．操作簡單，投資費用低。臭氧將有機物氧
化從而改變其可生化性．常作為生物氧化法的預處理。UV+
鋇和UV+Ti使是目前研究最多的兩種光化學氧化技術。
3．4副產物直接去除
3．4．1膜分離技術
膜技術是近30年發(fā)展起來的一項薪技術，在給水處理
方面得到廣泛應用。研究證明U8]，反滲透(R0)和納濾(NF)對
致突變物的去除率都很高，都能使Ames試驗呈陽性的水轉
為陰性。NF對TOC的去除率約為90％，對可同化有機碳
(AOC)的去除率為80％。膜分離技術有出水水質穩(wěn)定、運行
維護費用低、操作簡單及占地面積少等優(yōu)點，隨著膜技術的
發(fā)展和使用．必將對水處理產生重要影響。
3．4．2活性炭吸附
活性炭是一種良好的水處理劑．該工藝是有效的深度處
理工藝。GAC單元處理的水對菌株的誘變指數低于自來水，
說明其對水中致突物質去除率高。另有研究表明：使用2個
月和10個月的活性炭對HAAs的去除率分別為75％和
65％，而使用2個月時對THMs去除率僅為38％。
3．4．3吹脫法
三鹵甲烷和鹵代乙酸均具有揮發(fā)性．他們是消毒副產物
中能定量測定的主體物質．可以采用吹脫發(fā)或曝氣法。有關
研究顯示．使用吹洗曝氣和跌水曝氣法，可在5min去除90％
以上的三鹵甲烷．
4結論
由于我國水源水質情況復雜．從目前研究情況來看，還
沒有一種消毒劑可以完全滿足人們的要求。傳統(tǒng)的氯消毒工
藝具有經濟、技術成熟的優(yōu)勢．雖然近些年來研究的紫外線、
光催化氧化等工藝替代氯消毒都有良好的效果，但是否會產
生其他副產物及危害尚未得到論證．并且新興技術在實際應
用中往往還需要進一步研究．投資及維護費用也大多較高，
故氯消毒在相當一段時間內仍將是給水處理中的主要消毒
工藝．氯消毒副產物的去除仍是目前飲用水消毒的主要研究
方向。
參考文獻
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