净水技术|饮用水消毒副产物比较分析与健康风险评估
《净水技术》
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朱有长，刘敬雅，赵尔格，夏建新
（中央民族大学生命与环境科学学院，北京 100081）
溶解有机质（DOM）在天然水源中存在广泛，主要由腐殖质、多糖、蛋白质和核酸等组分构成。DOM的化学组成也有所区别，对消毒副产物（DBPs）生成路径的影响也独具特点，其中憎水DOM对卤乙腈的生成潜能贡献较高，而富里酸和亲水性组分具有强的三卤甲烷生成能力。
已知的氯消毒副产物有很多种，包括三卤甲烷、卤乙酸、卤代酮等。目前，由于消毒成本和技术水平的原因，我国自来水厂绝大部分依然采用氯消毒，占比高达99.5%，而美国已经降到了60%左右。三卤甲烷和卤乙酸被WHO认定具有“三致”作用，存在健康风险。
为了进一步了解我国南北方、冬夏季自来水消毒副产物健康风险的变化规律，本文将运用EPA推荐的健康风险评价模型，计算南北方各城市自来水消毒副产物健康风险的平均水平以及冬夏季的健康风险平均水平。
消毒副产物生成量比较
1.1
不同消毒方法的消毒副产物生成量比较
不同消毒方法生成的消毒副产物（三卤甲烷）含量统计学分析计算如表1所示。
表1 不同消毒方法生成三卤甲烷含量统计描述
各消毒方法的副产物生成量对比如图1所示。由图1可知，氯胺（chloramine）消毒生成总三卤甲烷的量最大（17.58 μg/L），其余依次是液氯（liquid chlorine）消毒、二氧化氯（chlorine dioxide）消毒和次氯酸钠（sodium hypochlorite）消毒；从卤乙酸的角度看二氧化氯消毒生成最多（14.60 μg/L），其余依次是液氯消毒、氯胺消毒和次氯酸钠消毒。原因是虽然氯胺消毒的三氯甲烷生成量会显著减少，但是三溴甲烷会显著增加（4.495 μg/L），远远高于其他消毒方法。液氯和次氯酸钠的成分虽然相似，但HClO的氧化能力比ClO-强 ，因此液氯氧化有机物生产副产物能力远远大于次氯酸钠。故从整体来看，次氯酸钠消毒生成副产物的含量最少（总三卤甲烷7.16 μg/L），可以有效控制消毒副产物。综上所述，次氯酸钠代替液氯消毒能降低消毒副产物的生成。
1.2
我国南北方消毒副产物生成量比较
南北方自来水中消毒副产物（三卤甲烷）含量统计学分析计算如表2所示。
表2 南北方自来水中生的三卤甲烷含量统计学描述
我国南北方水厂经氯消毒之后消毒副产物的生成量如图2所示。由图2可知，南方自来水中的THMs平均生成量高于北方。原因可能是，南方处于亚热带气候和热带气候，腐殖质丰富，平均水温高，造成水体中实际的溶解性有机物浓度比北方大，从而造成消毒副产物的生成量比北方稍大。
1.3
我国冬夏季消毒副产物生成量比较
冬夏季自来水中消毒副产物（三卤甲烷）含量统计学分析计算如表3所示。
表3 冬夏季自来水中生的三卤甲烷含量统计学描述
我国冬夏季消毒副产物的平均生成量如图3所示。由图3可知，夏季消毒副产物的平均生成量明显比冬季高，原因可能是夏季温度高，有机物在水体中溶解度大，水源中消毒副产物前驱物含量高。
2
健康风险分析
2.1
饮用途径的健康风险评价模型
根据EPA推荐的健康风险评价模型，水中化学致癌物质经口摄取途径时的健康风险的评价方法：当消毒副产物浓度较低时，一般认为其致癌风险因子CI与其浓度水平成正比，无量纲。
由IRIS ( integrated risk information system，综合风险信息系统)中可查到三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷、三卤甲烷对于不同性别的PForal值，如表4所示。
表4 各种消毒副产物的PForal值
其中：CW—化学物质浓度，mg/L；
IR—摄入速率，EPA建议值为2 L/d；
EF—暴露频率，EPA建议值为360 d/a；
ED—暴露时段，按人的平均寿命计算，根据我国情况取70岁；
BW—体重，根据我国情况取女性平均体重60 kg，男性70 kg，人群平均体重为65 kg；
AT—平均时间，d，AT=ED×365。
卤乙酸中的一氯乙酸和三氯乙酸在ISIS系统中只有非致癌数据，因此在风险计算上与致癌物质存在不同，与本文的研究无法衔接。而且目前虽然108项检测指标包含了卤乙酸类，但是实际上大多数自来水厂对卤乙酸类的监测还未完善，数据不全，没有统计意义。健康风险评价只是本文的一部分，为了精简文章，所以对卤乙酸不作健康风险评价。相信随着我国监测技术的发展，卤乙酸的数据会越来越全，到时则可作进一步的统计与评价。
2.2
不同消毒方法的消毒副产物的健康风险比较
不同消毒方法的消毒副产物的健康风险评价如表5所示。由表5可知，次氯酸钠消毒生成的消毒副产物（三卤甲烷）的健康风险平均水平最小（男性为8.34×10-7，即每十亿人中834人有患癌症风险，女性为9.72×10-7，即每十亿人中972人有患癌症风险），其余依次是二氧化氯消毒、液氯消毒和氯胺消毒。而目前自来水厂普遍使用的液氯消毒生成的消毒副产物的致癌风险是男性1.76×10-6，即每亿人中176人有患癌症风险，女性2.06×10-6，即每亿人中206人有患癌症风险。其中女性受到的经口摄入的消毒副产物的健康风险平均水平大于男性。因此，次氯酸钠代替液氯消毒能降低消毒副产物对人体的健康风险，提高饮用水安全性。
表5 不同消毒方法生成的副产物的致癌风险
2.3
我国南北方自来水中消毒副产物健康风险比较
我国南北方消毒副产物致癌风险水平如表6所示。由表6可知，南方自来水中消毒副产物的致癌风险平均值比北方稍大一点，其中南方男性平均水平1.53×10-6，即每亿人中153人有患癌症风险，女性是1.79×10-6，即每亿人中179人有患癌症风险；北方男性平均水平1.44×10-6，即每亿人中144人有患癌症风险，女性是1.68×10-6，即每亿人中168人有患癌症风险，南方高的原因于上述消毒副产物生成一致。
表6 南北方消毒副产物的致癌风险
2.4
我国冬夏季自来水中消毒副产物健康风险比较
我国冬夏季消毒副产物致癌风险水平如表7所示。由表7可知，夏季消毒副产物的致癌风险平均值比冬季稍大一点，其中夏季男性平均水平1.56×10-6，即每亿人中156人有患癌症风险，女性是1.82×10-6，即每亿人中182人有患癌症风险，冬季男性平均水平1.10×10-6，即每亿人中110人有患癌症风险，女性是1.28×10-6，即每亿人中128人有患癌症风险。
表7 冬夏季消毒副产物的致癌风险
3
结论
（1）次氯酸钠代替液氯消毒能降低消毒副产物二次污染的生成，提高饮用水安全性，因为次氯酸钠消毒生成的消毒副产物的健康风险水平最低（男性为8.34×10-7，即每十亿人中843人有患癌症风险，女性为9.72×10-7，即每十亿人中972人有患癌症风险），是目前较理想的液氯消毒替代品。
（2）南方消毒副产物含量水平比北方高，可能与南方温度高，造成水源中溶解性有机质含量多有关，有可能与南方水体中有机质含量高有关。在我国南北方自来水中的三卤甲烷致癌风险均大于EPA可接受水平1×10-6。夏季的三卤甲烷的健康风险水平大于冬季，原因很可能是夏季的温度最高，消毒副产物前驱物在水体中的溶解度大，所以生成的副产物浓度高，致癌风险也高。
随着人民日益增长的美好生活需要，国家对饮用水标准要求的提高，自来水消毒工艺改进具有广阔的应用前景。目前，各种联合消毒工艺还需进一步完善，解决消毒副产物二次污染的生成和保证自来水安全是重要研究方向。