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(yáng)城市建設(shè)學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110167）

1 消毒副產(chǎn)物的種類及危害

消毒劑與源水中的溶解性有機(jī)物（DOM）通過(guò)氧化、加成等反應(yīng)生成不同的消毒副產(chǎn)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(yīng)時(shí)間、溫度、溶解性有機(jī)物的含量等因素都會(huì)對(duì)飲用水中DBPs的種類和生成量產(chǎn)生影響。其中，絕大部分的DBPs化合物都能直接或間接地發(fā)揮“三致作用”，即致畸、致癌、致突變，對(duì)人類的生命健康安全產(chǎn)生著巨大威脅。

1974年，荷蘭水化學(xué)家Rook發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的第一類消毒副產(chǎn)物。隨著消毒方式的不斷進(jìn)步和檢測(cè)手段的不斷升級(jí)，更多種類的消毒副產(chǎn)物被人類發(fā)現(xiàn)并認(rèn)識(shí)，常見(jiàn)消毒方式產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物及消毒副產(chǎn)物類別分別見(jiàn)表1和表2。

表1 不同消毒方式產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物

表2 消毒副產(chǎn)物類別

大部分已被識(shí)別的消毒副產(chǎn)物都具有一定的基因毒性、神經(jīng)毒性、細(xì)胞毒性及致畸、致癌和致突變的“三致”特性，流行病學(xué)研究也發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期飲用氯消毒后的飲用水，會(huì)有一定概率罹患直腸癌、結(jié)腸癌等癌癥，并與孕婦流產(chǎn)存在一定聯(lián)系［2］。同時(shí)，研究也發(fā)現(xiàn)氯消毒所產(chǎn)生的THMs 中，氯仿和一溴二氯甲烷的長(zhǎng)期暴露與人們肝癌的腎癌的發(fā)病率存在一定的關(guān)系，另外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，鹵乙酸具有一定的生殖和發(fā)育毒性，同時(shí)還具有致癌性，亞硝胺類消毒副產(chǎn)物的毒性比三鹵甲烷和鹵乙酸類消毒副產(chǎn)物的毒性都要高。綜合來(lái)說(shuō)，DBPs 對(duì)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(chǎn)量是水處理領(lǐng)域的一個(gè)非常重要的研究方向。

隨著人們對(duì)飲用水安全性的重視及對(duì)消毒副產(chǎn)物的認(rèn)識(shí)不斷提高，越來(lái)越多的國(guó)家、組織和地區(qū)都制定了相應(yīng)的飲用水水質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)，其中也納入了多種消毒副產(chǎn)物的限值［3］。目前，國(guó)際上常用來(lái)作為制訂水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)主要有三部，分別是《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》（世界衛(wèi)生組織）、《飲用水水質(zhì)指令》（歐盟）和《國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（美國(guó)環(huán)保局），我國(guó)目前執(zhí)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，各類標(biāo)準(zhǔn)中消毒副產(chǎn)物的具體限值總結(jié)如表3所示。

表3 飲用水消毒副產(chǎn)物國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)比較

2 高鐵酸鹽控制飲用水中DBPs的研究進(jìn)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(duì)有機(jī)污染物的去除主要也是利用自身的強(qiáng)氧化性，與水中多種污染物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)，反應(yīng)過(guò)程中降低無(wú)機(jī)膠體的穩(wěn)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(guò)絮凝過(guò)濾或單獨(dú)過(guò)濾即可去除。

高鐵酸鹽具有氧化性強(qiáng)、去除效率高、殘留毒性基本為零等優(yōu)點(diǎn)，因此，高鐵酸鹽在飲用水處理領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，可用來(lái)去除有機(jī)、無(wú)機(jī)化合物、消毒殺菌等。研究也發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽通過(guò)氧化絮凝對(duì)源水中溶解性有機(jī)物的去除率可高達(dá)90%，故其在飲用水處理中控制DBPs方面研究的關(guān)注度和熱度也越來(lái)越高。

近年來(lái)，與高鐵酸鹽有關(guān)的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞主要包括預(yù)氧化、強(qiáng)化混凝、消毒副產(chǎn)物等［4］，這也反映了現(xiàn)階段高鐵酸鹽在水處理方面的研究熱點(diǎn)，從污水水質(zhì)的氧化處理方面逐漸過(guò)渡到飲用水的預(yù)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(guò)程主要目的是去除源水中的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物質(zhì)；混凝過(guò)程主要是通過(guò)絮凝劑的投加，使得源水中的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)脫穩(wěn)聚集，降低出水濁度；消毒過(guò)程是飲用水處理流程中最后一個(gè)環(huán)節(jié)，目的是通過(guò)消毒劑的投加和作用，去除對(duì)人體有害的細(xì)菌和病毒等。

對(duì)于氯消毒產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物，Barisci S［5］研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)比是否進(jìn)行高鐵酸鹽預(yù)氧化工藝，源水在經(jīng)過(guò)高鐵酸鹽的預(yù)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(jī)分子得到了部分去除，疏水性有機(jī)分子被基本去除，從而達(dá)到減少源水中消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物的含量，控制三鹵甲烷生成量的目的。孫婧［6］等在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，通過(guò)高鐵酸鹽的預(yù)氧化作用，將源水中的有機(jī)物氧化成對(duì)氯有高耐受性的酸，因此，減少了消毒副產(chǎn)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽對(duì)控制含藻類水中消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生也具有良好的效果。試驗(yàn)中，源水經(jīng)過(guò)高鐵酸鹽的預(yù)處理作用，出水中的THMs 生成量有明顯的降低，即使后續(xù)繼續(xù)采用氯進(jìn)行消毒，THMs 的生成量也不高，這說(shuō)明對(duì)于含有藻類有機(jī)物的源水，高鐵酸鹽的預(yù)氧化作用可以很好地控制DBPs 的產(chǎn)量。綜合來(lái)講，高鐵酸鹽控制氯消毒后所產(chǎn)生的DBPs的機(jī)理主要在于，高鐵酸鹽能將DOM 中的醇類、氨基酸和胺類等轉(zhuǎn)移到羰基化合物中，然后通過(guò)強(qiáng)氧化作用將其氧化為對(duì)氯具有高度耐受性的酸，因此可以減少消毒后的DBPs產(chǎn)生量。

對(duì)于在氯胺消毒過(guò)程中常見(jiàn)的碘代消毒副產(chǎn)物，Zhang M S［8］等試驗(yàn)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(yù)氧化處理含碘化物源水，再采用氯胺消毒反應(yīng)后碘代消毒副產(chǎn)物形成的不同情況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)源水中的碘化物經(jīng)過(guò)高鐵酸鹽的預(yù)氧化作用生成了碘酸鹽，當(dāng)采用氯進(jìn)行消毒時(shí)，碘酸鹽與氯并不發(fā)生反應(yīng)，因此達(dá)到控制碘代消毒副產(chǎn)物生成量的目的。

臭氧消毒過(guò)程中最常見(jiàn)的消毒副產(chǎn)物是溴酸鹽。Huang X［9］等在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽在中堿性條件下對(duì)Br-沒(méi)有反應(yīng)特性，當(dāng)高鐵酸鹽在中酸性pH條件下，氧化含Br-的水會(huì)產(chǎn)生溴酸鹽消毒副產(chǎn)物。因此，控制反應(yīng)的pH值是高鐵酸鹽控制溴酸鹽的關(guān)鍵條件。

3 結(jié)語(yǔ)

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