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1簡介

三鹵甲烷
trihalomethans,THMs
三鹵甲烷在飲用水氯化消毒過程中氯與水中的有機物所反應生成的主要揮發性鹵代烴類化合物,包括氯仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷和溴仿,1974年Rook首次在飲用水中監測到。在動物試驗中證明具有致突變性和(或)致癌性,有的還有致畸性和(或)神經毒性作用,可引起肝、腎和腸道腫瘤。

2成因

形成機理
一般認為,氯仿等有機鹵代物是這樣形成的:
氯+前驅物質=氯仿有機鹵代物
前驅物質指水中所有能和氯反應生成氯仿等有機鹵代物的物質,主要包括一些天然有機物(如腐殖質等),這些天然有機物在自然水體中的濃度一般為5-20mg/L,他們來源於炭、土壤、湖泊底泥及浮游生物和細菌,還有人為排放工業廢水及生活污水而進入水體中的有機物。有研究表明,飲用水中以氯仿為主的三鹵甲烷的產生機理是氯化消毒時,氯與水中存在的天然有機物如腐殖酸、富里酸等有機物發生反應而形成,如果水中含有一定量的溴化物,又會生成相應的溴化消毒副產物。特別是傳統的預氯化工藝,原水中高濃度的氯與較高濃度的有機污染物直接反應,生成的副產物濃度會更高。
如此形成THMs的反應並非瞬間的,而是在加氯一段時間后,仍持續進行反應。故許多調查顯示,THMs在水中的濃度往往在配水池或配水系統中,較水廠出水的濃度來得高。
有機前質
所謂有機前質乃是,原水中的腐植質和一些具有乙醯基團(acetyl group)的低分子量有機物,又根據許多學者的研究,有機前質包括如下:腐植酸(humic acid)、腐植質、黃酸(fulvic acids)、乙醇、乙醛、丙酮、三氯丙酮、苯丙酮、乙醯乙酮單寧素、木質黃酸鹽、酚類胺基酸、脂肪酸、藻類的葉綠素及外細胞質產物、酚、鄰苯二酚、對苯二酚、1,3,5苯三酚等。
水源中的有機物種類繁多,形態各異,精確的對所有有機物進行分類,特別是根據有機物官能團進行分類往往比較困難。可行的方法是根據有機物的理化特性採用綜合分離技術將它們分為不同的形態加以研究,分離出的不同組分分別進行氯化模擬試驗,確定THMs的主要前驅物。  清華大學環境科學與工程系的張永吉,山東建築工程學院環境工程系的周玲玲以及哈爾濱工業大學市政環境工程學院的李圭白等人利用XAD樹脂對原水中的天然有機物進行富集分類,研究結論為:
(1)將其分為腐殖酸、富里酸、親水酸和其他親水物質等四種有機組分,富里酸是原水中的主要成分,其它幾種有機成分的含量較低。
(2)不同有機成分與氯作用生成的三鹵甲烷的含量不同,富里酸的三鹵甲烷生成量最大,而腐殖酸、親水酸和其它親水物質的三鹵甲烷生成量較小。可見,富里酸是原水中加氯消毒時產生三鹵甲烷的主要前體物質。
(3)對原水中各有機組分鹵代活性的研究表明,雖然在原水中富里酸是主要的三鹵甲烷前體物質,但其鹵代活性並非最高。在各種有機成分中,腐殖酸具有最高的鹵代活性,其次為富里酸和親水酸,其它親水物質的鹵代活性最低。
(4)腐殖酸、富里酸及親水酸具有較高的耗氧量和較快的三鹵甲烷生成速度,而其它親水物質的耗氧量和三鹵甲烷生成速度較低。
pH值
一般認為pH值愈高,生成THMs的量愈多,因此若想減少THMs的產生,在消毒時應將水的pH值保持在中性,或是微酸性較佳。
反應時間
THMs的生成量會隨著反應時間的增加而增大,此亦即自來水配水系統的THMs濃度會比水廠出水較高的原因。
後去除之
現今主要的研究集中在四個方向:
1.強化絮凝混凝最初用於去除水中的懸浮顆粒,後來發現當增加混凝劑的投加量時,可以有效的去除色度,這說明混凝劑對有機物有明顯的去除效果。  2.氧化分為生物氧化和化學氧化。水中有機物質分為可生物降解有機物和難生物降解有機物,對於可生物降解有機物,可以利用微生物將其分解成穩定的為無機物,從而達到消除有機物的目的。常用的化學氧化有O3、H2O2、芬頓試劑、KmnO4及其複合藥劑TiO2+UV及它們的聯合工藝。
3.活性炭是一種良好的水處理劑,它能有效的去除有機物,但不能去除溴代物。因此,它使消毒副產物中溴代鹵化物的比例增加。
4.膜過濾是一項已有幾十年歷史的成熟工藝,但將它用於去除有機物的研究卻是近幾年的新發展,一般分(尤其是消毒副產物氯仿的前驅物質)為反滲透、納濾、超濾、微濾4種。
對去除已生成的三鹵甲烷,一般認為可行方法為曝氣或活性碳吸附,但水中三鹵甲烷之濃度不高,氣-液間的質量傳送效率有限,必須長時間的暴氣。另外,活性碳對三鹵甲烷的吸附能力欠佳,就經濟上考慮,去除已生成的三鹵甲烷,在實用上顯然有困難。
前驅物質
混凝沉澱處理,在去除分子量較大的三鹵甲烷前驅物質上,有良好的效果,可令三鹵甲烷的生成量減低至相當程度。同時,因為混凝沉澱處理是一般工作人員所熟習的技術,而且,對三鹵甲烷前驅物質的混凝沉澱處理,不必另外變更水廠原有的加藥設備或藥品種類,也不用更改水廠原有的凈水處理程序。因此,就現階段而言,美國及日本皆認為採用較完善的混凝沉澱,在加氯之前先將水中之有機物質(亦即三鹵甲烷的前驅物質)減低至相當程度,是一項最為有效而可行的技術。
另,臭氧氧化和兩步活性炭顆粒吸附法是常用的降低消毒副產物濃度的方法,在臭氧氧化之後用活性炭顆粒生物過濾和活性炭顆粒吸附兩步來去除消毒副產物,有明顯的效果。

3現狀

國內外有關THMs的形成和控制技術的研究很多,但目前THMs的生成機理及天然水中其前體有機物的類型還不十分明確;另外,有關THMs控制技術雖然研究很多,但真正價格低,效果好,能廣泛推廣的技術幾乎沒有。迄今為止,氯消毒具有殺菌效果快,使用方便,處理成本低和運行管理方便等優點,仍是最主要的消毒方法。

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