绿色水处理剂高铁酸盐控制饮用水中DBPs的研究综述
2022-09-06陈宏炎张颖苏雷陈金楠王璐
陈宏炎 张颖 苏雷 陈金楠 王璐
（沈阳城市建设学院 辽宁沈阳 110167）
1 消毒副产物的种类及危害
消毒剂与源水中的溶解性有机物（DOM）通过氧化、加成等反应生成不同的消毒副产物（DBPs）［1］，不同类型消毒剂的选择和投加、消毒方式的确定、消毒的反应时间、温度、溶解性有机物的含量等因素都会对饮用水中DBPs的种类和生成量产生影响。其中，绝大部分的DBPs化合物都能直接或间接地发挥“三致作用”，即致畸、致癌、致突变，对人类的生命健康安全产生着巨大威胁。
1974年，荷兰水化学家Rook发现氯消毒饮用水后饮用水中的三卤甲烷（THMs）浓度升高，THMs 成为人类发现的第一类消毒副产物。随着消毒方式的不断进步和检测手段的不断升级，更多种类的消毒副产物被人类发现并认识，常见消毒方式产生的消毒副产物及消毒副产物类别分别见表1和表2。
表1 不同消毒方式产生的消毒副产物
表2 消毒副产物类别
大部分已被识别的消毒副产物都具有一定的基因毒性、神经毒性、细胞毒性及致畸、致癌和致突变的“三致”特性，流行病学研究也发现，长期饮用氯消毒后的饮用水，会有一定概率罹患直肠癌、结肠癌等癌症，并与孕妇流产存在一定联系［2］。同时，研究也发现氯消毒所产生的THMs 中，氯仿和一溴二氯甲烷的长期暴露与人们肝癌的肾癌的发病率存在一定的关系，另外，动物实验也发现，卤乙酸具有一定的生殖和发育毒性，同时还具有致癌性，亚硝胺类消毒副产物的毒性比三卤甲烷和卤乙酸类消毒副产物的毒性都要高。综合来说，DBPs 对人类的生命健康安全存在非常不利的影响。因此，如何控制和消除饮用水中DBPs生成的种类和产量是水处理领域的一个非常重要的研究方向。
随着人们对饮用水安全性的重视及对消毒副产物的认识不断提高，越来越多的国家、组织和地区都制定了相应的饮用水水质安全标准，其中也纳入了多种消毒副产物的限值［3］。目前，国际上常用来作为制订水质标准的依据主要有三部，分别是《饮用水水质准则》（世界卫生组织）、《饮用水水质指令》（欧盟）和《国家饮用水水质标准》（美国环保局），我国目前执行的相关标准是《生活饮用水卫生标准》，各类标准中消毒副产物的具体限值总结如表3所示。
表3 饮用水消毒副产物国内外标准比较
2 高铁酸盐控制饮用水中DBPs的研究进展
高铁酸盐是指各种金属离子与Fe（VI）O42-组成的盐类，在酸性条件下，高铁酸盐氧化还原电位比其他常用的氧化剂高，其对有机污染物的去除主要也是利用自身的强氧化性，与水中多种污染物质发生氧化反应，同时，反应过程中降低无机胶体的稳定性并使其吸附于氢氧化铁表面，从而形成较大的氢氧化铁颗粒，在之后的工艺中，可通过絮凝过滤或单独过滤即可去除。
高铁酸盐具有氧化性强、去除效率高、残留毒性基本为零等优点，因此，高铁酸盐在饮用水处理领域的应用十分广泛，可用来去除有机、无机化合物、消毒杀菌等。研究也发现，高铁酸盐通过氧化絮凝对源水中溶解性有机物的去除率可高达90%，故其在饮用水处理中控制DBPs方面研究的关注度和热度也越来越高。
近年来，与高铁酸盐有关的热点关键词主要包括预氧化、强化混凝、消毒副产物等［4］，这也反映了现阶段高铁酸盐在水处理方面的研究热点，从污水水质的氧化处理方面逐渐过渡到饮用水的预处理和消毒处理方面。氧化、混凝和消毒都是饮用水处理工艺中重要的工艺流程，氧化过程主要目的是去除源水中的有机和无机污染物质；混凝过程主要是通过絮凝剂的投加，使得源水中的悬浮颗粒和胶体物质脱稳聚集，降低出水浊度；消毒过程是饮用水处理流程中最后一个环节，目的是通过消毒剂的投加和作用，去除对人体有害的细菌和病毒等。
对于氯消毒产生的消毒副产物，Barisci S［5］研究发现，对比是否进行高铁酸盐预氧化工艺，源水在经过高铁酸盐的预氧化作用后，氯化消毒后出水的THMs 浓度降低，这是由于高铁酸盐作用后，亲水性有机分子得到了部分去除，疏水性有机分子被基本去除，从而达到减少源水中消毒副产物前驱物的含量，控制三卤甲烷生成量的目的。孙婧［6］等在试验中也发现，通过高铁酸盐的预氧化作用，将源水中的有机物氧化成对氯有高耐受性的酸，因此，减少了消毒副产物卤乙酸（HAAs）和卤乙腈（HANs）的生成量。梁好［7］等在高铁酸盐除藻试验中发现，高铁酸盐对控制含藻类水中消毒副产物的产生也具有良好的效果。试验中，源水经过高铁酸盐的预处理作用，出水中的THMs 生成量有明显的降低，即使后续继续采用氯进行消毒，THMs 的生成量也不高，这说明对于含有藻类有机物的源水，高铁酸盐的预氧化作用可以很好地控制DBPs 的产量。综合来讲，高铁酸盐控制氯消毒后所产生的DBPs的机理主要在于，高铁酸盐能将DOM 中的醇类、氨基酸和胺类等转移到羰基化合物中，然后通过强氧化作用将其氧化为对氯具有高度耐受性的酸，因此可以减少消毒后的DBPs产生量。
对于在氯胺消毒过程中常见的碘代消毒副产物，Zhang M S［8］等试验研究了在高铁酸盐初始浓度、碘化物浓度和溶液pH值等不同条件下，高铁酸盐预氧化处理含碘化物源水，再采用氯胺消毒反应后碘代消毒副产物形成的不同情况对比，发现源水中的碘化物经过高铁酸盐的预氧化作用生成了碘酸盐，当采用氯进行消毒时，碘酸盐与氯并不发生反应，因此达到控制碘代消毒副产物生成量的目的。
臭氧消毒过程中最常见的消毒副产物是溴酸盐。Huang X［9］等在试验中发现，高铁酸盐在中碱性条件下对Br-没有反应特性，当高铁酸盐在中酸性pH条件下，氧化含Br-的水会产生溴酸盐消毒副产物。因此，控制反应的pH值是高铁酸盐控制溴酸盐的关键条件。
3 结语
高铁酸盐作为一种功能多样的绿色水处理剂，具有较强的氧化、强化混凝和消毒杀菌的能力，且基本不产生有毒有害的物质，尤其是在饮用水的消毒副产物控制方面，具有显著的效果。但是因其生产成本较高，目前并未得到广泛使用。未来，可在高铁酸盐的生产、储存运输及与其他氧化剂联用方面继续拓展研究。
