水消毒是通过杀灭病原微生物来保障公共卫生的关键工艺。一个多世纪以来，氯等化学消毒剂在饮用水处理中一直不可或缺。然而，20世纪70年代的研究，特别是通过气相色谱检测，揭示了消毒过程中会形成消毒副产物（DBPs）。这些化学物质由消毒剂与水中的天然有机物反应生成，可能带来健康风险，因此需要谨慎管理和采取缓解措施。
什么是消毒副产物（DBPs）？
消毒副产物（DBPs）是一类化学物质——包括有机和无机物——它们源于消毒剂与被处理水中的天然有机物（NOM）或其他化合物发生反应。
DBPs 是如何形成的？
DBPs 形成的主要机制涉及消毒剂（如氯）与水基质中天然存在的化合物发生反应。该过程主要通过有机物（如腐殖酸和富里酸）的相互作用发生，这些有机物来源于植物物质的分解，常见于天然水源中。
1971年，美国科学家Bellar的一项关键发现表明，虽然用于生产饮用水的俄亥俄河水中不含氯仿，但在水厂的成品饮用水中却检测到了氯仿。这为氯化过程中形成DBPs提供了早期证据。
腐殖酸和富里酸的确切化学结构复杂且多变，因此精确理解DBPs的形成机制颇具挑战。天然有机物的多样化组成进一步增加了研究这些反应的复杂性。
影响 DBPs 形成的因素
DBPs 的特性和浓度受多种因素的综合影响：
1. 消毒剂类型、投加量与余量
消毒剂的选择（例如氯、氯胺、臭氧、二氧化氯）直接影响所形成的DBPs类型。通常，较高的消毒剂投加量和余量会导致DBPs生成量增加。为减少含卤DBPs的形成，有时会采用替代消毒剂，但它们仍可能产生其他类型的DBPs。
2. 消毒条件
消毒过程中的运行参数显著影响DBPs的生成：
- 反应时间： 较短的反应时间可能导致三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs）浓度升高。相反，较长的反应时间会将不稳定的DBPs转化为更稳定的终产物，如三溴乙酸或溴仿，同时可能使其他DBPs（如卤乙腈（HANs）和卤代酮（HKs））分解。
- 温度： 温度升高会加速反应动力学，通常需要更高的氯浓度才能实现有效消毒。这可能导致含卤DBPs生成量增加。较高的温度也会加速某些DBPs（如三溴乙酸、HANs和HKs）的分解。
- pH值： pH值起着关键作用。在较高pH值下，次氯酸根离子（OCl⁻）更为普遍，从而降低氯消毒的效率。较高的pH值通常有利于THMs的形成，而较低的pH值则促进HAAs的形成。高pH值还会增加水解反应，导致HANs和HKs分解。值得注意的是，配水管网中的THM水平通常高于水厂，部分原因是持续的DBPs形成以及水解反应将其他DBPs转化为THMs。
3. 水体成分
原水本身的组成是决定DBPs形成的主要因素：
- 天然有机物（NOM）的浓度和特性： NOM是DBPs的前体物。其浓度通常以总有机碳（TOC）或溶解性有机碳（DOC）来衡量。NOM的具体组成——包括腐殖酸、富里酸、疏水酸、亲水酸以及各种中性物质——决定了所生成DBPs的类型和浓度。
- 研究表明，有机碳浓度与各种THMs的形成之间存在相关性，尤其是在不同的溴浓度下。
- 季节性变化： 季节变化会影响水源中NOM的浓度，导致全年DBP水平出现波动。
- 水源类型： 由于地表水和地下水在NOM含量及其他水质参数上存在差异，其DBPs浓度可能显著不同。
消毒副产物的类型
根据所使用的消毒剂和存在的前体化合物，DBPs可大致分为有机卤代物、无机物和非卤代物。下表列出了与各种消毒剂相关的常见DBPs：
| 消毒剂 | 有机卤代DBPs | 无机DBPs | 非卤代DBPs |
|---|---|---|---|
| 氯 (Cl₂)/次氯酸 (HOCl) | 三卤甲烷 (THMs)、卤乙酸 (HAAs)、卤乙腈、水合氯醛、氯化苦、氯酚、N-氯胺、卤代呋喃酮、溴代醇 | 氯酸盐（尤其在使用次氯酸盐时） | 醛类、链烷酸、苯、羧酸 |
| 二氧化氯 (ClO₂) | (未知) | 亚氯酸盐、氯酸盐 | (未知) |
| 氯胺 (NH₃Cl等) | 卤乙腈、氯化氰、有机氯胺、氯代氨基酸、水合氯醛、卤代酮 | 亚硝酸盐、硝酸盐、氯酸盐、肼 | 醛类、酮类 |
| 臭氧 (O₃) | 溴仿、一溴乙酸、二溴乙酸、二溴丙酮、溴化氰 | 氯酸盐、碘酸盐、溴酸盐、过氧化氢、次溴酸、环氧化物、臭氧化物 | 醛类、酮类、酮酸、羧酸 |
AquaChain 工程提示
在管理DBPs形成时，应优先考虑在主消毒步骤之前尽量减少源水中的天然有机物（NOM）。实施预处理工艺，如强化混凝、絮凝或膜过滤（例如超滤），可以显著降低TOC/DOC水平，从而减少可用于形成DBPs（尤其是含卤化合物）的前体物。
常见问题解答
问题1：DBPs主要涉及哪些健康风险？
答1：一些DBPs，特别是某些三卤甲烷和卤乙酸，已被认为与潜在的长期健康影响有关，包括增加人类患癌风险以及发育或生殖问题，因此受到严格的法规限制。
问题2：能否从饮用水中完全去除DBPs？
答2：由于天然有机物的固有存在以及消毒的必要性，完全去除DBPs颇具挑战。水处理的目标是在维持有效病原体控制的同时，将其生成量降至可接受的法规水平。
问题3：哪些高级处理方法有助于减少DBPs的形成？
答3：高级处理方法包括：用于去除DBPs前体物的强化混凝、颗粒活性炭（GAC）吸附、膜过滤（纳滤、反渗透），以及使用替代消毒剂，如紫外线照射或二氧化氯（它们会产生不同的DBPs谱）。
欲了解更多关于确保安全用水的整体工艺信息，请参阅我们的饮用水指南。