飲用水三鹵甲烷生成的影響因素分析

飲用水三鹵甲烷生成的影響因素分析

由于其成本低、消毒效果好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，世界上許多國(guó)家都在使用消毒溶液。但是出廠水中的游離余氯在進(jìn)入配水管網(wǎng)后會(huì)繼續(xù)與水中的天然有機(jī)物反應(yīng),產(chǎn)生對(duì)人體有毒且致癌的消毒副產(chǎn)物,最常見(jiàn)的是三鹵甲烷(Trihalomethanes,簡(jiǎn)稱(chēng)THMs)。飲用水中檢測(cè)到的三鹵甲烷類(lèi)消毒副產(chǎn)物主要有三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷和三溴甲烷4種,已證實(shí)它們是胃癌、肝癌、膀胱癌等多種癌癥的致癌因子。本文考察了蘇州3個(gè)主要水廠出廠水和管網(wǎng)水中三鹵甲烷的變化規(guī)律,以期為全面提高和保障飲用水水質(zhì)安全性提供依據(jù)和對(duì)策。1材料和方法1.1原水以蘇州3個(gè)水廠———H水廠,B水廠和X水廠的出廠水及管網(wǎng)水為研究對(duì)象,三水廠均以太湖作為其水源地,近三年來(lái)原水水質(zhì)變化見(jiàn)表1。1.2池前工藝流程B水廠和H水廠均采用典型的常規(guī)工藝,氯投加點(diǎn)分別位于沉淀池前和清水池前,在其工藝流程示意圖如圖1所示;X水廠在2007年8月啟用,并在2008年4月開(kāi)始采用臭氧活性炭深度處理工藝,其工藝流程示意圖如圖2所示,X水廠僅在濾后投加氯。近三年來(lái)三水廠出廠水水質(zhì)變化如表2所示。1.3采樣地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中,出廠水的采樣點(diǎn)位于各水廠清水池出口處,管網(wǎng)水的采樣點(diǎn)位于各水廠配水管網(wǎng)的同一干管上,根據(jù)水廠距離不同,確定4個(gè)取樣點(diǎn)。1.4ecd和色譜條件游離余氯采用3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺比色法進(jìn)行測(cè)定;水溫采用水銀溫度計(jì)測(cè)定;高錳酸鹽指數(shù)采用酸性高錳酸鉀滴定法測(cè)定;三鹵甲烷采用頂空氣相色譜法測(cè)定,采用Agilent6890氣相色譜儀/電子捕獲檢測(cè)器(ECD);HP3398A化學(xué)工作站;高純氮?dú)?99.99%;色譜條件:進(jìn)樣口溫度120℃;檢測(cè)器溫度300℃;升溫程序60℃保持2.5min,50℃·min-1升到160℃保持1min;載氣流速30cm·s-1;柱流量:1.5mL·min-1;尾吹流量:60mL·min-1;進(jìn)樣方式:分流進(jìn)樣(分流比為30∶1);三鹵甲烷總量計(jì)算方法為三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷和三溴甲烷濃度之加和。1.5線性回歸分析采用最小二乘法進(jìn)行一元線性正態(tài)回歸分析,得到回歸方程和相關(guān)系數(shù)r。H水廠,B水廠和X水廠各指標(biāo)與三鹵甲烷總量相關(guān)性考察的樣本總數(shù)n分別為44、44、16,根據(jù)自由度f(wàn)=n-2,由相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表可以查得給定顯著性水平的臨界值。當(dāng)?shù)玫交貧w方程和相關(guān)系數(shù)r大于顯著性水平α=0.01時(shí)的臨界值時(shí),認(rèn)為二者線性關(guān)系非常顯著;當(dāng)?shù)玫交貧w方程和相關(guān)系數(shù)r大于顯著性水平α=0.05時(shí)的臨界值時(shí),認(rèn)為二者線性關(guān)系顯著;否則認(rèn)為二者線性關(guān)系不顯著。2結(jié)果與討論2.1鹵甲烷的合成考察了2005年到2008年不同月份,蘇州三水廠出廠水中三鹵甲烷總量,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,水溫對(duì)出廠水中三鹵甲烷總量有較大的影響,水溫升高,三鹵甲烷總量呈上升趨勢(shì),其中2008年夏天,H水廠和B水廠出廠水三鹵甲烷總量最高值分別可達(dá)156.4μg·L-1,136.4μg·L-1,當(dāng)年5月到8月的兩水廠出廠水三鹵甲烷總量平均值分別達(dá)到133.7μg·L-1,127.9μg·L-1。其原因可能是氯與水中的消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物質(zhì)的反應(yīng)是吸熱反應(yīng),三鹵甲烷的反應(yīng)速率會(huì)隨水溫的升高而顯著加快,因此,夏季高溫時(shí)出廠水中三鹵甲烷的量明顯高于冬季出廠水。此外,還考察了三水廠水溫和三鹵甲烷總量相關(guān)關(guān)系,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出三水廠出廠水三鹵甲烷總量和水溫之間呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,線形擬合后,三水廠水溫和三鹵甲烷總量之間回歸方程的相關(guān)系數(shù)r均達(dá)到0.9以上。取顯著性水平α=0.01時(shí),可以得到H水廠,B水廠和X水廠水溫與三鹵甲烷總量相關(guān)系數(shù)臨界值ra分別為0.393、0.393、0.590,而實(shí)際得到的相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)大于臨界值,可以認(rèn)為水溫對(duì)出廠水中三鹵甲烷總量有非常顯著的影響。2.2高錳酸鹽指數(shù)和三鹵甲烷總量的相關(guān)關(guān)系文獻(xiàn)表明,水中天然有機(jī)物(NOM),特別是腐殖酸等前體物質(zhì)被認(rèn)為是生成氯消毒副產(chǎn)物的前體物,由于NOM的組成復(fù)雜,一直沒(méi)有找到一個(gè)合適的指標(biāo)來(lái)完整地表示NOM的性質(zhì)。作者嘗試采用水質(zhì)檢測(cè)中常用的高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)為指標(biāo),并考察了三水廠出廠水的高錳酸鹽指數(shù)與三鹵甲烷之間的相關(guān)關(guān)系,其相關(guān)關(guān)系圖見(jiàn)圖5,圖6,圖7。由上述三圖可知,三水廠高錳酸鹽指數(shù)和三鹵甲烷總量之間的回歸方程的相關(guān)系數(shù)r分別為0.5615,0.5961,0.6346,當(dāng)顯著性水平α為0.01時(shí),可以得到H水廠,B水廠和X水廠高錳酸鹽指數(shù)與三鹵甲烷總量相關(guān)系數(shù)臨界值ra分別為0.393,0.393和0.590,而實(shí)際得到的相關(guān)系數(shù)均大于此臨界值,所以可以認(rèn)為高錳酸鹽指數(shù)對(duì)出廠水中三鹵甲烷總量也有非常顯著的影響,這與文獻(xiàn)報(bào)道相符。關(guān)于X水廠,還考察了使用臭氧-活性炭新工藝前后,其出廠水三鹵甲烷總量和高錳酸鹽指數(shù)的關(guān)系,結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出,2008年X水廠在使用臭氧-活性炭工藝后,出廠水三鹵甲烷總量明顯降低,原因可能是通過(guò)炭濾池的吸附和生物氧化作用,水中的天然有機(jī)物(NOM)含量明顯降低,高錳酸鹽指數(shù)顯著降低,也就降低了三鹵甲烷生成前體物的濃度,因此,出廠水添加氯后,三鹵甲烷的生成量也相應(yīng)降低。2.3鹵甲烷總量的關(guān)系據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,氯作為參與三鹵甲烷生成反應(yīng)的反應(yīng)物之一,其添加量應(yīng)與三鹵甲烷生成量相關(guān),出廠水中三鹵甲烷總量會(huì)隨加氯量的增加而增大,作者考察了三水廠清水池前的加氯量和三鹵甲烷總量的關(guān)系,結(jié)果如圖9,圖10,圖11所示。由上述三圖可以看出,加氯量和出廠水三鹵甲烷總量之間回歸方程的相關(guān)系數(shù)r分別為0.5060,0.4827,0.5350,當(dāng)顯著性水平α為0.05時(shí),H水廠,B水廠和X水廠加氯量與出廠水三鹵甲烷總量相關(guān)系數(shù)臨界值ra分別為0.304,0.304和0.468,實(shí)際得到的相關(guān)系數(shù)均大于此臨界值,所以可以認(rèn)為加氯量對(duì)出廠水中三鹵甲烷總量有顯著的影響。因此,在確保飲用水中微生物總數(shù)達(dá)標(biāo)的前提下,適當(dāng)控制氯消毒劑的添加量有利于控制三鹵甲烷總量。2.4管網(wǎng)水中三鹵甲烷的含量及分布由于水中的有機(jī)物與氯反應(yīng)需要一定的時(shí)間,所以出廠水進(jìn)入配水管網(wǎng)以后,水中的有機(jī)物,特別是腐殖酸等前體物質(zhì)將繼續(xù)與余氯反應(yīng),生成三鹵甲烷,使三鹵甲烷的含量在配水管網(wǎng)中呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。也就是說(shuō)配水管網(wǎng)中的水停留的時(shí)間越長(zhǎng),該反應(yīng)進(jìn)行得也就越充分,水中的三鹵甲烷含量也就越高。作者于2008年秋天某日對(duì)蘇州三水廠的管網(wǎng)水進(jìn)行了采樣,并對(duì)其游離余氯濃度,各類(lèi)鹵代烴含量及三鹵甲烷總量進(jìn)行了檢測(cè),對(duì)其變化進(jìn)行了考察,結(jié)果如表3,表4,表5所示。由表3,表4,表5可知,隨著配水管網(wǎng)長(zhǎng)度的增加,水中各種鹵代烴含量及三鹵甲烷總量均逐漸增加,到了配水管網(wǎng)末梢,三個(gè)水廠所屬配水管網(wǎng)水中三鹵甲烷總量分別比出廠水增長(zhǎng)了57%,48%,72%,平均每km增長(zhǎng)5.2%,5.3%,2.6%。管網(wǎng)水中三鹵甲烷不斷增長(zhǎng)的原因是三鹵甲烷屬難被生物降解的有機(jī)物,其在配水管網(wǎng)水中變化主要受余氯與其前體物繼續(xù)反應(yīng)的影響,因此管網(wǎng)水中的三鹵甲烷含量將高于出廠水含量。在鹵代烴的種類(lèi)分布上,可以看出蘇州地區(qū)一氯二溴甲烷和三溴甲烷的生成量相對(duì)較高,三氯甲烷和二氯一溴甲烷的生成量相對(duì)較低,根據(jù)Chang等的研究,當(dāng)水中有Br-存在時(shí),三鹵甲烷的種類(lèi)分布會(huì)發(fā)生變化,氯代產(chǎn)物會(huì)減少,而生成更多的溴代產(chǎn)物和氯代溴代產(chǎn)物。而根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),太湖原水以及三水廠的出廠水的溴化物的含量均在0.2mg·L-1左右,因此,蘇州地區(qū)水廠出廠水和配水管網(wǎng)水三鹵甲烷氯消毒副產(chǎn)物的種類(lèi)分布中,一氯二溴甲烷和三溴甲烷的含量相對(duì)較高。3不同配水管網(wǎng)長(zhǎng)度對(duì)水質(zhì)三鹵甲烷總量的影響蘇州地區(qū)三水廠出廠水中三鹵甲烷總量的變化主要受到水溫與高錳酸鹽指數(shù)的影響,水溫和三鹵甲烷總量之間回歸方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.90以上,高錳酸鹽指數(shù)和三鹵甲烷總量之間回歸方程的相關(guān)系數(shù)大于顯著性水平為0.01時(shí)的相關(guān)系數(shù)臨界值有非常顯著的相關(guān)關(guān)系,加氯量對(duì)出廠水中三鹵甲烷總量有顯著的影響;配水管網(wǎng)水中的三鹵甲烷總量隨著配水管網(wǎng)長(zhǎng)度的增加,鹵代烴各組分含量以及三鹵甲烷總量均呈上升趨勢(shì)。而采用臭氧-活性炭新工藝后,出廠水以及相應(yīng)