家庭端水处理技术在降低饮用水中消毒副产物危害的作用及知识缺口

通讯作者：陈白杨、杨欣、张相如、Paul Westerhoff

通讯单位：哈工大、中山大学、港科大、亚利桑那州立大学

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117265

本稿翻译人：李博、陈白杨

图片摘要

成果简介

余氯是自来水厂被广泛应用的消毒剂。但消毒过程及配水途中余氯会与卤化物及天然有机物(NOM)反应产生对人体有害的消毒副产物（DBPs）。随着公众对水污染及饮用水安全的关注和用户经济承受能力的增强，各种家庭端（POU）水处理设备的市场份额也在快速增长。但目前POU技术对已受监管和新兴DBPs的去除效率和机制尚未有系统研究。因此，为了促进该领域的发展，本工作对四种常用家庭端净水技术（包括煮沸、吸附、膜过滤和高级氧化，图1）在降低DBPs方面的性能和趋势进行了总结，并提出了7个后续需要深入研究的方向，每个方向针对当前面临的一个知识缺口。

图1 降低DBP的POU处理技术汇总

知识缺口#1 目前有关家庭内各种受限和新兴但未受限DBPs的数据仍十分缺乏

与自来水厂和配水系统中DBPs的研究不同，之前很少有研究者关注家庭内水龙头出水中的DBPs，更少关注POU处理后的DBPs。而这些对于开发和优化POU技术是十分有必要的。有研究表明，家庭水龙头中受限DBPs的浓度与自来水厂或管网系统的DBPs浓度显著不同。因此，管道系统对受限和新兴非受限DBPs的影响值得研究。此外，图2展示了一年时间内某POU设备（含两个活性炭和一个超滤柱）处理前后多种DBPs随时间的变化。结果表明，夏季水温较高时，目标DBPs较多；POU对受限DBPs（如卤代甲烷和卤代乙酸）的处理效果不高并随POU使用时间逐渐下降，但却可以几乎完全（>99%）去除一种新兴非受限DBPs（即卤乙醛）。说明配备上述设备的POU可较大幅度降低DBPs风险。

图2 家庭端DBPs发生及POU去除DBPs效率调查

当然，上述调查结果仅能反映了一时一地的情况，不一定能代表所有地点和所有DBPs的情况。因此，我们建议未来的研究应再不同类型的家庭环境中大量收集水龙头(厨房、淋浴间)内的DBPs发生信息，也系统长期的验证各种净水器处理前后DBPs的变化，以更好明确各种DBPs的相对风险。当然，这对设计特定POU技术去除某类特定DBPs也是有利的。具体到各个POU技术，一下逐一说明。

知识缺口#2 家庭端加热和烹饪过程对DBPs的发生及毒性变化存在不确定性

POU技术控制DBP中，加热和煮沸是当前研究最多的方法。总的来说，煮沸可以减少氯化水中40-60%的总有机卤素(TOX，一个有机卤化DBPs的总量指标)。但DBP在加热或煮沸过程中的去除效率随化合物热稳定性和挥发性的不同而不同。图3给出了加热或煮沸对含氯自来水中DBPs水平和形态的影响，可见各种物质一边去除又一边生成，可经历多种化学变化。而最近的研究表明，在煮沸前添加抗坏血酸(即维生素C)、柠檬片、茶和苏打粉等都可以通过显著抑制卤代DBPs的生成，从而降低氯化自来水中DBPs的毒性。然而，有些研究也表明，某些常用食品和烹饪添加剂的投加可能会产生毒性更强的碘代DBPs。

图3 氯化自来水煮沸/加热过程中卤代DBPs的形成和转化机理

因此，考虑到在加热或煮沸过程中很难对所有DBP进行单独测量，我们建议后续研究更系统密集地考察水样的整体毒性变化，而不是仅仅考虑单一特点时间点的毒性，以更全面反映这种POU技术的适用性。

知识缺口#3 碳基吸附材料的性能和DBPs可吸附性评估标准尚存在不足

POU设备中研究第二多的是吸附过程。在所有活性炭(AC)材料中，炭柱(CB)是POU中最常用的活性炭形式。在之前研究中，不同的含CB的POU装置在去除可吸收有机卤素(AOX)方面表现不一(图4)。鉴于当前DBPs去除数据的缺乏，有必要进行更多此类应用研究。

图4 POU处理对DBP去除的效果

此外，目前仅有NSF/ANSI机构规定了CB对三氯甲烷（log D_ow = 1.97）的认证标准，如大于95%即认为可行。但该方法对其他很多亲水性DBPs(即log D_ow < 1.97)的效果难以衡量，尤其不能很好评价酸性或极性DBPs。因此，应考虑修改这些认证标准，以涵盖更广泛的DBPs种类。此外，除了吸附剂的种类外，未来研究也可以针对商业POU设备中常用的吸附剂的尺寸和表面特性进行研究，以更好地了解材料的应用效果。

知识缺口#4 反渗透膜去除DBPs的常期使用数据仍缺乏

水处理技术中，纳滤(NF)和反渗透(RO)等纳米膜被认为是去除污染物的万能材料，RO膜在POU产品中使用频率更高。卤乙酸(HAAs)则是迄今为止RO处理技术研究得最多的一类DBPs，其次是三卤甲烷(THMs)、亚硝胺(NAs)和卤代乙醛(HALs)。结果发现，一些小分子量中性亲水DBPs(如一氯乙醛)是很容易透过RO的，因此可能带来风险。此外，小分子中性憎水DBPs(如THMs) 会部分嵌入到反渗透膜中，它们有可能在后续冲洗过程中进入净水，可能对水质构成长期风险。因此后续可加强对不同类型DBPs的膜处理效果和机理研究，充分验证RO处理DBPs的长期性能，并探索新的方法来防止微污染物的即时或长期透过。

另外，POU膜系统通常会包括膜前的预过滤器和CB。因此，评估CB和预处理方式对膜基POU设备使用寿命也有待研究。为了节水节能，如能设计新型RO系统提高能源使用效率和水回收率，也可帮助解决RO技术在大规模应用中的成本问题。

知识缺口#5 许多高级氧化还原技术对DBPs去除能力尚缺乏了解

高级氧化工艺(AOPs)和高级还原工艺(ARPs)涵盖了各种可能用于水和废水的处理技术，但其中许多并不适用于POU相关的使用条件。比如那些需要添加化学物质(如H₂O₂、亚硫酸盐、铁等)的高级氧化还原工艺。其主要原因是它们的残留且很难回收。另外，它们一边降解DBPs，另一边也可能形成更多DBPs。值得注意的是，某些AOP/ARP工艺即使不用添加剂也可能产生亚硝酸盐和H₂O₂等对有害物，因此它们在POU设备的使用尤其需要小心。近期来，电吸附与还原性脱卤相结合的无试剂技术为POU用户带来了新的希望，但目前仍有一些改进空间，如改善GAC对DBPs的选择性吸附，平衡耗电量和DBPs清除效率、以及开发可持续无毒电极等。

类似加热烧开水，该类工艺也需要从整体全谱角度评估过程中的毒性变化，而不能只选某个时间点的情况。考虑到目前可以利用的自由基种类很多，DBP的种类也很多，也建议利用定量构效关系（QSAR）模型来预测DBPs在不同种类自由基存在下的稳定性。该类研究对于后续有针对性地开发POU技术非常必要。

知识缺口#6 缺乏监测和预测DBPs及POU去除效率的工具

在POU系统中及时监测DBPs和预测DBP去除率可以更好地理解和促进POU的使用，但目前该类监测和预测工具十分缺乏。未来的研究可以设计在线和/或实时DBP传感器/设备，并将其部署在POU中以利于监测DBP的变化。虽然市场上目前已有THMs自动在线分析工具，但它们主要用于研究工具，要集成到POU还过于昂贵。考虑到已知DBPs仅占TOX 30%的一小部分，今后也可以在线TOX分析仪，以更频繁地监测总的DBPs量。或者，开发简易的生物测试纸用于DBPs鉴定也可以。

定量构效关系（QSAR）分析可能成为未来预测DBPs与POU处理能力以及预测DBPs相关毒性的有力工具。但我们目前仍缺乏一个可以启动建模和/或评估POU单元中CB性能的数据池。在工程领域，我们也需要在模型的易用性和可靠性之间取得平衡。

此外，如果能开发计算工具用于预测不同紫外波长（如UV-A、UV-B和UV-C，220至400 nm）下不同DBPs的摩尔吸光率，则可以预测该DBP的直接光解效率。若建立模型实现各种自由基与DBPs反应速率的有效预测，则可以有针对性地开发AOPs和ARPs用于DBPs处理。在膜处理领域，若建立有关NF和RO去除DBPs的预测模型，则可以结合新识别DBP的化学结构和DBP的常见浓度来预测其分离去除潜力。一旦我们知道数以千计的DBPs的发生浓度和POU去除效率，就可以了解哪些DBPs是难以去除的，随后人们就可以专注于开发特定技术来去除该DBPs。

知识缺口#7 将POU作为DBP整体控制战略的一部分尚缺乏社会共识

以前人们通常认为POU设备是为了满足欠发达地区的水质需求而推出的产品，但其实它们不光可用于欠发达地区，也可以用于发达地区。DBPs作为水厂消毒产生的一类“人为污染物“，和水源污染物的发生和去除方式应有根本性差别。之前大家强调的是水源保护和水厂优化以降低DBPs风险（这种思路的确可以应对水源污染物），但考虑到DBPs的特殊性，今后的DBPs控制策略中也应包括POU处理环节。当这一点达成共识，则DBPs问题的解决就会多出很多选择。

当然，因POU使用必须有人经常维护和更换耗材，高端净水器的价格往往比较高，所以可能产生不同人群获得不同质量水产品的社会不公平现象。而如何合理解决这一成本问题，使不太富裕的家庭与上层社会一样获得高质量的水产品，正是大家努力的方向之一。

小结

DBPs作为一类供水系统中形成的特殊污染物，需要一种不同于其他源头污染物的控制策略。全球POU设备的安装和使用一直都在快速增长，因此POU设备在降低DBPs健康风险方面的作用值得关注。在本综述中，我们总结了部分DBPs在四种常见POU技术下的去除效率，且意识到了七个值得关注的重要问题和一系列研究需求，展示于表1。希望通过大家的共同努力和深入探索，我们能把POU技术纳入DBP控制战略的不可或缺一部分，从而显著缓解DBPs的危害。

 表1. 家庭端水处理技术防控DBP的研究需求及不足