水中有機(jī)成分及其應(yīng)用水水質(zhì)影響
隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對水質(zhì)與水量的要求愈來愈高。但由于受水土流失、水源污染等因素的影響，地表水成分逐漸趨于復(fù)雜，有機(jī)成分增多，給水處理難度增大。現(xiàn)行的常規(guī)給水處理工藝，難以去除水中對人體有害的多種微量有機(jī)污染物；此外，由于水土流失嚴(yán)重，水中天然有機(jī)物濃度也很高，不但對膠體產(chǎn)生嚴(yán)重保護(hù)作用，導(dǎo)致混凝劑藥耗增加、水中鋁的剩余量增高，而且產(chǎn)生大量的氯化消毒副產(chǎn)物，其中大部分對人體健康有較大的危害；由于水體受到污染，導(dǎo)致富營養(yǎng)化，藻類過量繁殖，產(chǎn)生難聞的嗅味和有害的藻毒素。如何經(jīng)濟(jì)有效地解決這些問題是給水處理領(lǐng)域所面臨的一項重要任務(wù)。
1 飲用水中微量有機(jī)污染物
飲用水中機(jī)污染物的來源可主要分為三個方面：工業(yè)廢水和生活污水排放、大氣污染、城市與農(nóng)田徑流。我國污水處理率很低，加上現(xiàn)有處理設(shè)施運(yùn)行效率不高，使約80%左右的污水未經(jīng)妥善處理即被排放到附近水體。據(jù)統(tǒng)計，我國82%的河流受到不同程度的污染。在我國的主要水域，如海河、遼河、淮河、巢湖、滇池、太湖等污染更為嚴(yán)重。大氣污染造成的水源污染問題近些年來逐漸引起人們的重視，汽車尾氣排放的碳?xì)漕愇廴疚飬⑴c光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，生成一些對人體有害的有機(jī)污染，隨著降雨等途徑進(jìn)入到地表水體中。城市地表徑流使一些有機(jī)污染物進(jìn)入到水體，農(nóng)田徑流將農(nóng)藥和化肥等成分引入到水體中。雖然微量有機(jī)污染物的濃度很低（一般在ng/L～µg/L范圍），僅占水中有機(jī)物總量的很少一部分（一般<10%，以總有機(jī)碳或高錳酸鹽指數(shù)等綜合指標(biāo)計），但種類繁多、對人體危害較大，具有較高的致突變活性。據(jù)統(tǒng)計，在我國的七大水系中，不適合作飲用水源的河段已接近40%；城市水域中78%的河段不適合作飲用水源；約50%的城市地下水受到污染，水源污染加劇了水資源短缺的矛盾。
目前我國絕大部分水廠仍采用傳統(tǒng)的處理工藝，不能有效地去除以溶解狀態(tài)存在的微量有機(jī)污染物，致使一些有害物質(zhì)，包括致癌、致畸、致突變等微量有機(jī)污染物殘留在飲用水中。
2 大分子天然有機(jī)物
天然有機(jī)物是動植物自然循環(huán)代謝過程中形成的中間產(chǎn)物，其中主要是腐殖質(zhì)，它們是一類含有酚羥基、羥基、醇羥基等多種官能團(tuán)的大分子縮合物質(zhì)，其分子量一般為300u到30000u。通常根據(jù)腐殖質(zhì)在酸和堿溶液中的溶解度將其分為三個部分：1)腐殖酸，溶于堿溶液但酸化后可沉淀；2)富里酸，既溶于酸溶液也溶于堿溶液；3)胡敏素，既不溶于酸溶液也不溶于堿溶液。三個部分在結(jié)構(gòu)上相似，但在分子量和官能團(tuán)含量上有差別。相對于腐殖酸和胡敏素而言，富里酸的分子量較小并含有更多的親水官司能團(tuán)。腐殖質(zhì)本身對人體無害，但由于其表面含有多種官能團(tuán)，能夠與水中金屬離子絡(luò)合，影響水處理效果。有機(jī)物可吸附在膠體顆粒表面，形成有機(jī)保護(hù)膜，不但使膠體表面電荷密度增加，而且阻礙了膠體顆粒間的結(jié)合。這是由于有機(jī)物一般帶有較高的表面電荷，如富里酸的表面電荷密度(10C/mgDOC～15C/mgDOC)遠(yuǎn)高于粘土顆粒(0.1C/mg～1.0C/mg)[1]。據(jù)報道[2]，當(dāng)高嶺土或硅氧化物吸附5mg/L～10mg/L腐殖酸后，其在水中的穩(wěn)定性提高1倍，或混凝過程中碰撞效率降低1倍；此種影響隨有機(jī)物濃度升高或溶液pH值降低而更加顯著。
水中有機(jī)物對膠體保護(hù)作用導(dǎo)致混凝劑投量大幅度提高。Edzwald基于富里酸與無機(jī)顆粒所帶電荷量的差異，指出如果向某個含有10mg/L無機(jī)膠體懸浮中加入3mg/L富里酸，混凝劑投量需增加6倍才能使之脫穩(wěn)。姚重華和嚴(yán)煦世通過試驗測定，如果粘土懸浮液中的富里酸濃度增加3mg/L（以TOC計），硫酸鋁投量將增加5.3倍；如果富里酸濃度增加7mg/L（以TOC計），硫酸鋁投量須增加到原來的10.2倍才能達(dá)到同樣的混凝結(jié)果。
水中有機(jī)物濃度高使混凝劑藥耗增大、制水成本升高。由于我國多數(shù)水廠采用的是鋁混凝劑，造成出廠水中鋁離子濃度過高，影響居民的身體健康（據(jù)報道，過量攝取鋁導(dǎo)致神經(jīng)纖維纏結(jié)的病變，也可抑制胃液和胃酸的分泌，使胃蛋白酶活性下降）。
此外，由于天然有機(jī)物在水中含量較高（mg/L數(shù)量級），會與加入的水處理藥劑（如消毒劑CI2、O3等）作用，轉(zhuǎn)化為有害的有機(jī)物或中間產(chǎn)物。
3 氯化消毒副產(chǎn)物
氯化消毒是我國沿用多年且仍然在給水處理中普通采用的消毒技術(shù)。但近二十年來，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，在氯化消毒的同時與水中某些有機(jī)和無機(jī)成分反應(yīng)，生成一系列鹵代有機(jī)副產(chǎn)物，其中大部分對人體健康構(gòu)成潛在的危脅。特別是傳統(tǒng)的預(yù)氯化工藝，高濃度的氯與原水中較高濃度的有機(jī)污染物直接反應(yīng)，生成的氯化副產(chǎn)物的濃度會更高，因而氯化消毒副產(chǎn)物是影響飲用水水質(zhì)的一個重要因素。
揮發(fā)性三鹵甲烷(THMs)和難揮發(fā)性鹵乙酸(HAAs)被認(rèn)為是兩大類主要氯化消毒副產(chǎn)物，其在水中生成量取決于有機(jī)前驅(qū)物質(zhì)的種類和濃度、投氯量、氯化時間、水的pH、溫度、氨氮及溴化物濃度等。三鹵甲烷和鹵乙酸的前驅(qū)物質(zhì)主要是腐殖酸、富里酸、藻類和一些具有活性碳原子的小分子有機(jī)物。隨著pH升高，三鹵甲烷生成量增大，但鹵乙酸生成量降低。當(dāng)有氨氮存在時，在氯化曲線折點之前，三鹵甲烷產(chǎn)率最低，當(dāng)水中含有自由性余氯時三鹵甲烷的生成量明顯增加。近年來人們發(fā)現(xiàn)溴代三鹵甲烷對人體的潛在危害更大。當(dāng)水中有溴化物存在時，溴離子(Br-)被次氯酸(HOCI)氧化成次溴酸(HOBr)，后者比次氯酸更容易與前驅(qū)物質(zhì)作用，生成溴代三鹵甲烷和溴代鹵乙酸。水中溴代三鹵甲烷和溴代鹵乙酸生成量一般隨著初始狀態(tài)下的[Br-]/[HOCI]摩爾比和[Br-]/[DOC]比值升高而增加。由于過濾后水中溶解性有機(jī)碳濃度低于原水，而其中的溴離子濃度基本沒有變化，因而濾后水的[Br-]/[DOC]比值高于原水，氯化后溴代三鹵甲烷和溴代鹵乙酸成分會增多。
三鹵甲烷和鹵乙酸是潛在的致癌物質(zhì)。現(xiàn)行的關(guān)于水中THMs的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，一般是限制其在水中的總濃度，或限制水中三氯甲烷濃度。美國和英國的飲用水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，自來水中THMs總濃度(TTHMs)的最高允許值為100µg/L。我國現(xiàn)行生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)中以氯仿濃度作為限制指標(biāo)，將其在自來水中的最高允許濃度定為60µg/L，但對溴代三鹵甲烷濃度沒有限定。1994年世界衛(wèi)生組織提出在致癌危險性水平為10-5下，自來水中三氯甲烷和一溴二氯甲烷的參考濃度分別為200µg/L和60µg/L；二氯乙酸和三氯乙酸的參考濃度分別為50µg/L和100µg/L。美國在新制訂的《消毒副產(chǎn)物限制草案》中，將自來水中THMs的允許濃度定為80µg/L；將鹵乙酸(THAAs)的最高允許濃度定為60µg/L。我國現(xiàn)行生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)中僅對THMs中的氯仿進(jìn)行了規(guī)定，而對溴代三鹵甲烷和鹵乙酸沒有進(jìn)行規(guī)定，由于溴代三鹵甲烷和鹵乙酸對人體健康的危害性更大，其在飲用水中的限制應(yīng)引起足夠的重視。
鹵代酚也是一種難揮發(fā)性氯化消毒副產(chǎn)物，在氯化消毒后水中主要檢測出下列幾種氯酚：2—氯酚、3—氯酚、2,4—二氯酚、2,6—二氯酚和2,4,6—三氯酚。氯酚是氯與酚類化合物反應(yīng)的產(chǎn)物，也是某些農(nóng)藥的降解產(chǎn)物。在氯與酚反應(yīng)過程中，當(dāng)氯與酚的濃度比（CI2/酚，以mg/mg計）在1～4范圍內(nèi)，氯酚是主要的氯消毒副產(chǎn)物，幾種氯酚的最大生成量均發(fā)生在氯化消毒副產(chǎn)物，幾種氯酚的最大生成量均發(fā)生在氯與酚的濃度比為3左右。當(dāng)氯與酚的比值大于4后，三鹵甲烷生成量明顯增加。由氯酚引起的問題主要是嗅味，氯酚是一種具有強(qiáng)烈刺激性氣味的化合物，對水的感官性能影響較大。但某些氯酚如2,3,4——三氯酚和2,4,6——三氯酚的Ames致突變活較高，由于在氯化消毒過程中后者的生成量較高，其對飲用水水質(zhì)的影響不容忽視。
此外，人們還陸續(xù)從自來水中檢測出多種其它氯化消毒副產(chǎn)物，諸如MX[3—氯—4—(二氯甲基)—5—羥基—2(5H)—呋喃酮]和其同分異構(gòu)體E—MX[E—2—氯—3—(二氯甲基)—4—氧—丁二烯酸]及其甲酯形式Me—MX[3—氯—4—(二氯甲基)—5—甲氧基—2(5H)—呋喃酮]，以及鹵乙腈、鹵代酮、鹵乙醛、鹵代硝基甲烷等。Ames試驗結(jié)果表明，MX、E—MX和Me—MX是很強(qiáng)的致突變物質(zhì)，某些鹵乙腈（如二氯乙腈、溴氯乙腈）呈陽性，其中二氯乙腈引發(fā)皮膚癌；三氯乙腈和溴氯乙腈引發(fā)肺癌。一些鹵代酮（如1,1,1——三氯丙酮、1,1,3——四氯丙酮、五氯丙酮、六氯丙酮等）在Ames試驗中均呈陽性結(jié)果，所有氯乙醛均呈陽性結(jié)果，其中一氯乙醛和三氯乙醛使肝的酶活性下降。鹵代硝基甲烷是一種間接的致突變物質(zhì)。
世界衛(wèi)生組織于1994年給出的自來水中二氯乙腈、二溴乙腈和三氯乙腈的參考濃度分別定為90µg/L，100µg/L和1µg/L。
我國飲用水源不但污染嚴(yán)重，而且由于受水土流失等因素的影響，地表面的腐殖物質(zhì)隨著地面徑流進(jìn)入水體，致使地表水中的有機(jī)物濃度普遍比發(fā)達(dá)國家偏高，濾后水中的有機(jī)物濃度普遍比發(fā)達(dá)國家偏高，濾后水中有機(jī)物濃度相對較高，這勢必會增加氯化消毒過程中的耗氯量，影響消毒效果，同時由于耗氯量的增加導(dǎo)致較高的鹵代有機(jī)物生成，影響飲用水水質(zhì)。
4 藻類及其代謝產(chǎn)物
受城市污水排放和農(nóng)田徑流的影響，大量氮、磷等營養(yǎng)成分排入水體，致使水體富營養(yǎng)化，藻類過量繁殖。特別是我國南方地區(qū)的一些湖泊和水庫水，由于陽光充足、溫度較高，藻類成為主要問題。
水中藻類嚴(yán)重影響給水處理效果，主要表現(xiàn)在以下幾方面：藻類一般帶負(fù)電，具有較高的穩(wěn)定性，難于混凝；藻類比重小，沉淀效果差；此外，藻類會粘附在濾料表面，縮短濾池的過濾周期，造成濾池頻繁反沖洗；藻類在代謝過程中產(chǎn)生多種嗅味，使水難于飲用；某些藻類尺寸很小，可穿透濾池進(jìn)入到給水管網(wǎng)中，影響管網(wǎng)內(nèi)水質(zhì)；藻類也是典型的氯化消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物質(zhì)，在后續(xù)消毒過程中與氯作用生成三氯甲烷等多種有害副產(chǎn)物、增加水的致突變活性。
一些藻類（如藍(lán)藻）在代謝過程中產(chǎn)生藻毒素，嚴(yán)重威脅人畜健康。某些藻毒素可引起慢性病（如肝炎），嚴(yán)重者甚至可以導(dǎo)致死亡。
雖然預(yù)氯化可有效地強(qiáng)化現(xiàn)行給水處理工藝的除藻效率，但由于在預(yù)氯化過程中，氯與原水中較高濃度的有機(jī)物作用會生成一系列對人體危害較大的鹵代有機(jī)副產(chǎn)物，因而此工藝逐漸被各國所限制。
5 嗅味
水中嗅味主要是由水中化學(xué)污染物和藻類代謝產(chǎn)物引起的。嗅味是人們評價飲用水質(zhì)量的最早參數(shù)之一，屬于感官性能指標(biāo)。嗅味是人們對飲用水的安全性最為直接的參數(shù)，帶有嗅味的飲用水使飲用者對水質(zhì)產(chǎn)生不信任感和不安全感。
很
多化學(xué)污染物都具有不同程度的嗅味，如氯酚、氧芴、氯苯、硝基化合物等，它們直接使水質(zhì)產(chǎn)生嗅味；藻類的代謝產(chǎn)物引起的嗅味強(qiáng)度很大，嗅味種類也很多，其中地酶素(geosmin)、2—甲基異 2—茨醇(MIB)、3—異丙基—3—甲氧基吡嗪(IPMP)、3—異丁基—3—甲氧基吡嗪(IBMP)和2,3,6—三氯苯甲醚(TCA)是典型的強(qiáng)嗅味物質(zhì)。此外，水處理的某些過程還是可能使嗅味強(qiáng)度增加，如預(yù)氯化工藝不但不能使嗅味下降，且產(chǎn)生魚腥味和刺激性嗅味。
6 結(jié)語
飲用水源的污染對給水處理工藝提出挑戰(zhàn)。水中有機(jī)成分增多，使給水處理難度增大，水質(zhì)難于保障。考慮到我國絕大多數(shù)水廠在采用傳統(tǒng)給水處理工藝流程，經(jīng)濟(jì)高效地強(qiáng)化給水處理效果，拓寬現(xiàn)行給水處理工藝的凈水效能，增加其除污染作用，適應(yīng)不斷變化的原水水質(zhì)，保障良好的飲用水水質(zhì)，是一項亟待解決的問題。
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