水处理术语库

饮用水消毒副产物（DBPs）及其健康影响

探讨饮用水中消毒副产物（DBPs）的健康影响，包括致癌性、生殖效应及监管标准。

引言：消毒的双刃剑

饮用水消毒极大地减少了全球范围内的水传播疾病，挽救了无数生命。然而，所涉及的化学过程也可能无意中带来一系列新的挑战：消毒副产物（DBPs）。这些化合物是在消毒剂（如氯）与原水中的天然有机物及其他前体物反应时形成的。过去三十年来，与DBPs相关的潜在健康风险引起了广泛关注，尤其是在氯化饮用水中发现氯仿之后。

了解消毒副产物研究

关于DBPs健康影响的研究是多方面的，主要集中在两个关键领域：

人类流行病学研究： 这些研究分析接触消毒饮用水的人群的长期健康结果，旨在找出DBP暴露与特定健康状况之间的关联。此类研究通常涉及多年低浓度DBP的暴露。
实验室动物研究： 在动物身上进行，评估单个DBP及其混合物的毒性。这些研究通常涉及控制不同DBP浓度的暴露，以了解其作用机制和潜在健康影响。

实验室动物研究的挑战

在实验室动物身上研究DBPs存在若干复杂性：

DBPs的多样性： 可能形成的DBP种类繁多，使得全面测试具有挑战性。
不同的健康终点： 例如，癌症可以通过多种不同的生物学途径表现出来。
物种特异性反应： 不同动物物种可能对相同的DBP产生不同的反应。

尽管存在这些挑战，动物研究通常优先考虑那些人类暴露率最高且已知毒性最强的DBPs。

实验室动物研究的主要发现

生殖效应： 对实验室大鼠的研究表明，溴二氯甲烷（BDCM）和水合氯醛（CH）可降低精子速度和活力。即使在低浓度下，BDCM的效果也比CH或其他测试的DBPs更强。（Klinefelter, 1996）
DBP混合物的致癌性： 2002年的一项研究将Eker大鼠（已知对肾致癌物敏感）暴露于二氯甲基羟基呋喃酮（MX）、溴酸钾（KBrO$_3$）、氯仿（CHCl$_3$）和溴二氯甲烷（BDCM）的混合物中，这些物质通过饮用水给予，持续4至10个月。选择这些DBPs是因为它们已被证实具有肾致癌性或肾毒性。虽然观察到了肾癌的剂量-反应关系，但研究发现，暴露于混合物的大鼠与暴露于效果最强的单一DBP的大鼠相比，在肾脏、子宫或脾脏的肿瘤发生率上没有显著差异。这表明，这些特定DBPs的联合效应并不大于效果最强的单个DBP的效应。（Hooth, 2002）
二氧化氯、亚氯酸盐和氯酸盐的影响： 一项对暴露于饮用水中二氧化氯、亚氯酸盐和氯酸盐的大鼠、小鼠和鸡的研究综述显示，在高浓度下（二氧化氯高达1 g/L或1000 mg/L；亚氯酸钠/氯酸钠高达100 mg/L），血细胞会发生改变。具体来说，亚氯酸盐浓度达到100 mg/L（100,000 µg/L）或更高时，会导致红细胞和血红蛋白减少。这些效应在长期暴露后（例如90天）通常会减弱。此外，这些化合物被证明会改变睾丸和肾脏中的DNA，可能影响生殖，但直接外推到人类需要进一步研究。（Couri, 1982）
氯仿毒性： 氯仿是一种研究充分的三卤甲烷，当每天将大剂量氯仿直接注入实验室动物的胃中时，会导致肝损伤和癌症。这归因于肝脏无法完全代谢如此高的浓度，导致细胞死亡和再生性细胞生长，从而增加突变和癌症的风险。然而，当动物通过饮用水摄入相同剂量的氯仿时，并未发生癌症。这种差异很可能是由于一天中逐渐摄入，使得肝脏能够处理较小剂量而不会造成显著损伤。美国环境保护署（EPA）得出结论，只要暴露水平保持在引起细胞损伤的阈值以下（该水平远高于典型的饮用水标准），氯仿的致癌风险就非常低。（Larson, 1994a; Larson et al., 1994b; Butterworth et al., 1998; EPA, 1998）

消毒副产物对人类健康的影响

除了动物研究之外，广泛的流行病学研究也调查了DBP暴露对人类健康的影响，主要集中在癌症和生殖/发育效应方面。

致癌效应

20 世纪 60 年代，借助分析化学的进步，早期研究在饮用水中发现了大量有机物质，包括致癌或致突变的消毒副产物，例如在所有经氯消毒的水中均检出的三卤甲烷（氯仿、溴仿、二氯甲烷和二溴甲烷）。

证明因果关系的挑战： 1991 年，世界卫生组织国际癌症研究机构得出结论，由于风险较小、消毒副产物暴露评估不准确以及众多混杂因素（如吸烟、饮食、遗传、社会经济状况），很难明确地将癌症发展与氯化水联系起来。（《消毒剂和消毒副产物》，世界卫生组织，2001 年）
膀胱癌和肛门癌：
- 一项荟萃分析表明，饮用水中消毒副产物暴露与膀胱癌和肛门癌呈正相关。该分析估计，每年 9% 的膀胱癌病例和 15% 的肛门癌病例（约 10,000 例）可归因于氯化饮用水和消毒副产物。（Morris，1992 年）
- 科罗拉多州的研究（1990-1991 年）表明，膀胱癌的风险随着接触氯化饮用水的年限增加而升高。接触 30 年后，风险是未接触个体的 1.8 倍。（McGeehin，1993 年）
- 加拿大安大略省的研究发现，长期消毒副产物暴露与膀胱癌之间存在关联，特别是当三卤甲烷浓度达到 50 µg/L（0.05 mg/L）或更高时。该研究将 14-16% 的膀胱癌病例归因于消毒副产物暴露。（King，1996 年）
- 芬兰研究发现，饮用水中致突变和致癌物质的暴露与男性和女性的膀胱癌以及男性的肾癌之间存在显著关联。（Koivusalo，1998 年）
- 尽管个体风险可能很小，但人群广泛且长期接触氯化饮用水，使得消毒副产物相关膀胱癌对整体公共卫生的影响十分显著。（Kogevinas，2003 年）
肠癌：
- 一些研究，例如加拿大安大略省一项涉及 5000 人的研究，提示接触三卤甲烷浓度达到 50 µg/L（0.05 mg/L）或更高的个体患肠癌的风险升高（高出 1.5 倍）。（Marret & King，1995 年）
- 然而，其他研究，例如加拿大爱荷华州的一项研究（1998 年），并未发现风险升高，这凸显了可能由于水质成分不同或其他因素导致的不一致性。（Mills，1998 年）
肛门癌： 美国爱荷华州的一项研究（1986-1989 年）发现，长期接触氯化饮用水或三卤甲烷并未增加肠癌风险，但确实发现肛门癌风险升高，尤其是在低纤维食物摄入和缺乏体育锻炼的个体中。（Hildesheim，1998 年）

生殖与发育效应

虽然癌症通常更受关注，但消毒副产物也可能影响人类的生殖和发育。实验室测试表明，怀孕期间接触消毒副产物会影响生殖和发育，导致出生缺陷和自然流产，其浓度通常远高于长期暴露导致癌症的浓度。（Singer，1999 年）

三卤甲烷： 流行病学研究虽然不多，但表明三卤甲烷暴露与自然流产、出生缺陷和生长迟缓之间存在关联。（Wigle，1998 年）
二氧化氯副产物（亚氯酸盐、氯酸盐）：
- 一项在分别使用氯和二氧化氯进行消毒的两个社区进行的早期研究发现，孕期母亲接触经二氧化氯处理的水与早产和低出生体重之间存在显著关联。（Tuthill，1982 年）
- 相反，一项挪威研究（1993-1995 年）对 137,145 名新生儿进行了调查，未发现接触氯化饮用水（即使有机物含量高）与低出生体重或身长过短之间存在关联。该研究甚至提示，与未经氯化的水相比，氯化水早产的风险略低。（Jaakkola，2001 年）
- 意大利的一项研究（1988-1989 年）发现，使用二氧化氯消毒的饮用水与婴儿身长和头围较小存在相关性，这可能与母亲免疫力下降有关。然而，由于未测量消毒副产物浓度以及普遍饮用瓶装水，该研究的结论受到质疑。（Kanitz，1996 年）
出生缺陷：
- 一项挪威研究（1993-1998 年）对 285,631 名新生儿进行了调查，发现孕期消毒副产物暴露与心脏、呼吸和泌尿道缺陷有关，并且在较高暴露水平下，腹壁缺陷显著增加。（Bing-Fang，2002 年）
- 马萨诸塞州数据（1990 年）显示，对于 56,513 名新生儿，三卤甲烷浓度达到 80 µg/L（0.08 mg/L）或更高与出生体重减少 32 克和身长较短（胎儿生长迟缓）相关，但与早产无关。（Wright，2003 年）
- 加拿大新斯科舍省的研究（1988-1995 年）表明，孕期接触浓度达到 20 µg/L（0.02 mg/L）或更高的一溴二氯甲烷与神经管缺陷风险升高有关，接触氯仿与染色体缺陷风险升高有关。（Dodds，2001 年）
- 瑞典一项研究（2001 年）对 59,422 名儿童进行了调查，发现同时使用二氧化氯和次氯酸盐时，心脏和动脉缺陷的风险升高，这表明即使三卤甲烷水平低于标准限值，二氧化氯也可能增加这种风险。（Cedergren，2001 年）
生殖研究的可靠性： 许多研究表明，孕期接触氯化消毒副产物与出生缺陷（尤其是低出生体重和生长迟缓）之间可能存在关联。然而，关于自然流产、特定出生缺陷和死产的证据往往不一致，且缺乏强烈的剂量效应关系。这可能是由于研究方法多样以及准确确定个体暴露水平存在挑战所致。（Graves，2001 年；Nieuwenhuijsen，2000 年）需要对水龙头处的消毒副产物浓度进行更精确的测量，并考虑季节性和年度变化。（Reif，1996 年）

消毒副产物控制建议

水处理的首要目标仍然是提供微生物学安全的饮用水。未经充分消毒的水中病原微生物带来的急性风险，比典型DBP浓度带来的长期风险高出数个数量级（10万至100万倍）。例如，1991年秘鲁因消毒不充分导致的霍乱疫情，在南美洲造成了120万病例和4万人死亡。（WHO，1994）

尽管如此，由于暴露范围广泛，DBP风险虽低，却不可忽视。需要持续开展研究，以识别未表征的DBP，评估其单独及联合健康效应，并了解其致突变潜力。

消毒副产物的控制方法

有效的DBP控制策略旨在最小化其生成，同时不损害消毒效果：

消毒前有机物去除： 这是最有效的方法。在消毒剂投加前去除天然有机物（NOM），可减少DBP生成的前体物。技术包括：
- 混凝/絮凝： 去除颗粒物和浊度。
- 活性炭： 吸附有机物质。
- 膜过滤： 物理去除有机物。
替代消毒剂： 虽然所有消毒剂都会形成一些副产物，但替代品可减少特定类别的DBP。选项包括：
- 臭氧
- 二氧化氯
- 高锰酸钾
- 氯胺（但可能形成含氮DBP）
优化消毒剂投加点： 调整消毒剂的投加位置和时间，可最小化与前体物的反应时间。
消毒后DBP去除： 在某些情况下，可在消毒后应用技术去除已形成的DBP。

消毒副产物的监管标准

全球监管机构已制定了饮用水中DBP浓度的标准，以保护公众健康。一些DBP，如氯仿、二溴氯甲烷和溴仿，被归类为可能致癌物，而其他如二氯溴甲烷、二氯乙腈和水合氯醛，则被视为可能致癌物。

监管机构	DBP参数	标准值
欧盟	总三卤甲烷	100 µg/L (0.1 mg/L)
WHO	一溴二氯甲烷	60 µg/L (0.06 mg/L)
	溴仿	100 µg/L (0.1 mg/L)
	氯仿	200 µg/L (0.2 mg/L)
美国（EPA）	总三卤甲烷（TTHM）	80 µg/L (0.08 mg/L)
	卤乙酸（HAA5）	60 µg/L (0.06 mg/L)

美国EPA的第一阶段消毒剂和消毒副产物规则（1998年）还要求采用强化混凝以增强有机物去除，这反映了前体物控制的重要性。（EPA，2001）

了解更多关于特定类型消毒副产物的信息。

AquaChain 工程提示

优先考虑上游处理工艺，如在主消毒前通过强化混凝或膜过滤去除天然有机物（NOM）。这种主动的前体物去除策略，通常比在DBP形成后再尝试去除更具成本效益和环境友好性。

常见问题解答

Q1: 既然消毒对安全饮用水至关重要，为什么还要关注消毒副产物（DBP）？

A1: 虽然消毒对于消除有害病原体至关重要，但所使用的化学物质会与天然有机物反应形成DBP。关注的原因在于，即使浓度很低，DBP暴露也可能带来潜在的长期健康影响，例如癌症风险增加和生殖问题。

Q2: 饮用水中DBP暴露主要与哪些健康影响相关？

A2: 研究主要指出两类健康影响：

致癌效应： 研究表明与膀胱癌、肛门癌以及可能的肠癌存在关联。
生殖与发育效应： 包括与低出生体重、生长迟缓、早产及某些出生缺陷的关联。

Q3: 水处理厂如何最小化DBP的生成？

A3: 可通过多种策略最小化DBP生成，包括：

前体物去除： 在消毒之前，通过强化混凝、活性炭或膜过滤等工艺去除天然有机物（NOM）。
替代消毒剂： 使用臭氧、二氧化氯或氯胺等消毒剂，与游离氯相比，这些消毒剂产生的受监管DBP种类更少或浓度更低。
工艺优化： 调整消毒剂投加点、接触时间和pH值，在保持有效灭活病原体的同时减少DBP生成。