水中有機成分及其飲用水水質(zhì)的影響

1、水中有機成分及其飲用水水質(zhì)的影響    摘要：水中微量有機污染物和氯化消毒副產(chǎn)物對飲用水水質(zhì)構(gòu)成直接威脅，是飲用水中重點控制的有機成分；天然大分子有機物對水質(zhì)構(gòu)成間接影響，導(dǎo)致膠體穩(wěn)定性提高、混凝劑藥耗增加；藻類和代謝產(chǎn)物影響常規(guī)處理工藝效果，對水質(zhì)產(chǎn)生不良影響。 關(guān)鍵詞：有機污染物消毒副產(chǎn)物天然有機物藻類  隨著我國經(jīng)濟的迅速發(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，有機成分增多，給水處理難度增大?，F(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污染物；此外，由于水土流失嚴重

2、，水中天然有機物濃度也很高，不但對膠體產(chǎn)生嚴重保護作用，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飲用水中微量有機污染物飲用水中機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

3、湖、滇池、太湖等污染更為嚴重。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，汽車尾氣排放的碳氫類污染物參與光化學(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污染，隨著降雨等途徑進入到地表水體中。城市地表徑流使一些有機污染物進入到水體，農(nóng)田徑流將農(nóng)藥和化肥等成分引入到水體中。雖然微量有機污染物的濃度很低（一般在ng/Lµg/L范圍），僅占水中有機物總量的很少一部分（一般<10%，以總有機碳或高錳酸鹽指數(shù)等綜合指標計），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

4、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、致突變等微量有機污染物殘留在飲用水中。2大分子天然有機物天然有機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

5、似，但在分子量和官能團含量上有差別。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。腐殖質(zhì)本身對人體無害，但由于其表面含有多種官能團，能夠與水中金屬離子絡(luò)合，影響水處理效果。有機物可吸附在膠體顆粒表面，形成有機保護膜，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。這是由于有機物一般帶有較高的表面電荷，如富里酸的表面電荷密度(10C/mgDOC15C/mgDOC)遠高于粘土顆粒(0.1C/mg1.0C/mg)1。據(jù)報道2，當(dāng)高嶺土或硅氧化物吸附5mg/L10mg/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；此種影響隨有機物濃度升高或溶液pH

6、值降低而更加顯著。水中有機物對膠體保護作用導(dǎo)致混凝劑投量大幅度提高。Edzwald1基于富里酸與無機顆粒所帶電荷量的差異，指出如果向某個含有10mg/L無機膠體懸浮中加入3mg/L富里酸，混凝劑投量需增加6倍才能使之脫穩(wěn)。姚重華和嚴煦世3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倍才能達到同樣的混凝結(jié)果。水中有機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

7、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和無機成分反應(yīng)，生成一系列鹵代有機副產(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

8、(HAAs)被認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

9、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)?，F(xiàn)行的關(guān)于水中THMs的水質(zhì)標準，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準規(guī)定，自來水中THMs總濃度(TTHMs)的最高允許值為100µg/L。我國現(xiàn)行生活飲用水標準中以氯仿濃度作為限制指標，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

10、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；而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)行生活飲用水標準中僅對THMs中的氯仿進行了規(guī)定，而對溴代三鹵甲烷和鹵乙酸沒有進行規(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

11、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14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

12、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MX3氯4(二氯甲基)5羥基2(5H)呋喃酮和其同分異構(gòu)體EMXE2氯3(二氯甲基)4氧丁二烯酸及其甲酯形式MeMX3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、EMX和MeMX是很強的致突變物質(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)

13、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)隨著地面徑流進入水體，致使地表水中的有機物濃度普遍比發(fā)達國家偏高，濾后水中的有機物濃度普遍比發(fā)達國家偏高，濾后水中有機物濃度相對較高，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

14、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（如藍藻）在代謝過程中產(chǎn)生藻毒素，嚴重

15、威脅人畜健康。某些藻毒素可引起慢性?。ㄈ绺窝祝?，嚴重者甚至可以導(dǎo)致死亡。雖然預(yù)氯化可有效地強化現(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物作用會生成一系列對人體危害較大的鹵代有機副產(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。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)物引起的嗅味強度很大，嗅味種類也很多

16、，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)是典型的強嗅味物質(zhì)。此外，水處理的某些過程還是可能使嗅味強度增加，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)。水中有機成分增多，使給水處理難度增大，水質(zhì)難于保障?？紤]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)濟高效地強化給水處理效果，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。參考文獻：1Jekel M R.The stabilization of dispersed mineral particles by adsorption of humic substance.Water Research,1986,20(12):154315542Edzwald J K.Coagulation in drinking water treatment:particles