綠色水處理劑高鐵酸鹽控制飲用水中DBPs的研究綜述

陳宏炎 張穎 蘇雷 陳金楠 王璐

（沈陽城市建設學院 遼寧沈陽 110167）

1 消毒副產物的種類及危害

消毒劑與源水中的溶解性有機物（DOM）通過氧化、加成等反應生成不同的消毒副產物（DBPs）［1］，不同類型消毒劑的選擇和投加、消毒方式的確定、消毒的反應時間、溫度、溶解性有機物的含量等因素都會對飲用水中DBPs的種類和生成量產生影響。其中，絕大部分的DBPs化合物都能直接或間接地發揮“三致作用”，即致畸、致癌、致突變，對人類的生命健康安全產生著巨大威脅。

1974年，荷蘭水化學家Rook發現氯消毒飲用水后飲用水中的三鹵甲烷（THMs）濃度升高，THMs 成為人類發現的第一類消毒副產物。隨著消毒方式的不斷進步和檢測手段的不斷升級，更多種類的消毒副產物被人類發現并認識，常見消毒方式產生的消毒副產物及消毒副產物類別分別見表1和表2。

表1 不同消毒方式產生的消毒副產物

表2 消毒副產物類別

大部分已被識別的消毒副產物都具有一定的基因毒性、神經毒性、細胞毒性及致畸、致癌和致突變的“三致”特性，流行病學研究也發現，長期飲用氯消毒后的飲用水，會有一定概率罹患直腸癌、結腸癌等癌癥，并與孕婦流產存在一定聯系［2］。同時，研究也發現氯消毒所產生的THMs 中，氯仿和一溴二氯甲烷的長期暴露與人們肝癌的腎癌的發病率存在一定的關系，另外，動物實驗也發現，鹵乙酸具有一定的生殖和發育毒性，同時還具有致癌性，亞硝胺類消毒副產物的毒性比三鹵甲烷和鹵乙酸類消毒副產物的毒性都要高。綜合來說，DBPs 對人類的生命健康安全存在非常不利的影響。因此，如何控制和消除飲用水中DBPs生成的種類和產量是水處理領域的一個非常重要的研究方向。

隨著人們對飲用水安全性的重視及對消毒副產物的認識不斷提高，越來越多的國家、組織和地區都制定了相應的飲用水水質安全標準，其中也納入了多種消毒副產物的限值［3］。目前，國際上常用來作為制訂水質標準的依據主要有三部，分別是《飲用水水質準則》（世界衛生組織）、《飲用水水質指令》（歐盟）和《國家飲用水水質標準》（美國環保局），我國目前執行的相關標準是《生活飲用水衛生標準》，各類標準中消毒副產物的具體限值總結如表3所示。

表3 飲用水消毒副產物國內外標準比較

2 高鐵酸鹽控制飲用水中DBPs的研究進展

高鐵酸鹽是指各種金屬離子與Fe（VI）O42-組成的鹽類，在酸性條件下，高鐵酸鹽氧化還原電位比其他常用的氧化劑高，其對有機污染物的去除主要也是利用自身的強氧化性，與水中多種污染物質發生氧化反應，同時，反應過程中降低無機膠體的穩定性并使其吸附于氫氧化鐵表面，從而形成較大的氫氧化鐵顆粒，在之后的工藝中，可通過絮凝過濾或單獨過濾即可去除。

高鐵酸鹽具有氧化性強、去除效率高、殘留毒性基本為零等優點，因此，高鐵酸鹽在飲用水處理領域的應用十分廣泛，可用來去除有機、無機化合物、消毒殺菌等。研究也發現，高鐵酸鹽通過氧化絮凝對源水中溶解性有機物的去除率可高達90%，故其在飲用水處理中控制DBPs方面研究的關注度和熱度也越來越高。

近年來，與高鐵酸鹽有關的熱點關鍵詞主要包括預氧化、強化混凝、消毒副產物等［4］，這也反映了現階段高鐵酸鹽在水處理方面的研究熱點，從污水水質的氧化處理方面逐漸過渡到飲用水的預處理和消毒處理方面。氧化、混凝和消毒都是飲用水處理工藝中重要的工藝流程，氧化過程主要目的是去除源水中的有機和無機污染物質；混凝過程主要是通過絮凝劑的投加，使得源水中的懸浮顆粒和膠體物質脫穩聚集，降低出水濁度；消毒過程是飲用水處理流程中最后一個環節，目的是通過消毒劑的投加和作用，去除對人體有害的細菌和病毒等。

對于氯消毒產生的消毒副產物，Barisci S［5］研究發現，對比是否進行高鐵酸鹽預氧化工藝，源水在經過高鐵酸鹽的預氧化作用后，氯化消毒后出水的THMs 濃度降低，這是由于高鐵酸鹽作用后，親水性有機分子得到了部分去除，疏水性有機分子被基本去除，從而達到減少源水中消毒副產物前驅物的含量，控制三鹵甲烷生成量的目的。孫婧［6］等在試驗中也發現，通過高鐵酸鹽的預氧化作用，將源水中的有機物氧化成對氯有高耐受性的酸，因此，減少了消毒副產物鹵乙酸（HAAs）和鹵乙腈（HANs）的生成量。梁好［7］等在高鐵酸鹽除藻試驗中發現，高鐵酸鹽對控制含藻類水中消毒副產物的產生也具有良好的效果。試驗中，源水經過高鐵酸鹽的預處理作用，出水中的THMs 生成量有明顯的降低，即使后續繼續采用氯進行消毒，THMs 的生成量也不高，這說明對于含有藻類有機物的源水，高鐵酸鹽的預氧化作用可以很好地控制DBPs 的產量。綜合來講，高鐵酸鹽控制氯消毒后所產生的DBPs的機理主要在于，高鐵酸鹽能將DOM 中的醇類、氨基酸和胺類等轉移到羰基化合物中，然后通過強氧化作用將其氧化為對氯具有高度耐受性的酸，因此可以減少消毒后的DBPs產生量。

對于在氯胺消毒過程中常見的碘代消毒副產物，Zhang M S［8］等試驗研究了在高鐵酸鹽初始濃度、碘化物濃度和溶液pH值等不同條件下，高鐵酸鹽預氧化處理含碘化物源水，再采用氯胺消毒反應后碘代消毒副產物形成的不同情況對比，發現源水中的碘化物經過高鐵酸鹽的預氧化作用生成了碘酸鹽，當采用氯進行消毒時，碘酸鹽與氯并不發生反應，因此達到控制碘代消毒副產物生成量的目的。

臭氧消毒過程中最常見的消毒副產物是溴酸鹽。Huang X［9］等在試驗中發現，高鐵酸鹽在中堿性條件下對Br-沒有反應特性，當高鐵酸鹽在中酸性pH條件下，氧化含Br-的水會產生溴酸鹽消毒副產物。因此，控制反應的pH值是高鐵酸鹽控制溴酸鹽的關鍵條件。

3 結語

高鐵酸鹽作為一種功能多樣的綠色水處理劑，具有較強的氧化、強化混凝和消毒殺菌的能力，且基本不產生有毒有害的物質，尤其是在飲用水的消毒副產物控制方面，具有顯著的效果。但是因其生產成本較高，目前并未得到廣泛使用。未來，可在高鐵酸鹽的生產、儲存運輸及與其他氧化劑聯用方面繼續拓展研究。