三鹵甲烷

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1成因編輯概要三鹵甲烷是指甲烷CH4中的三個氫原子為鹵族元素所取代一般很少自然存在於水體中但在凈水廠加氯去除臭味及消毒過程中水中有機物和氯反應所形成而主要的生成物包括CHCl3氯仿CHBrCl2一溴氯甲烷CHBr2Cl二溴一氯甲烷CHBr3溴仿等此四者合稱總三鹵甲烷THMs其中以氯仿的出現頻率濃度較高

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遊生物細菌還有人為排放工業廢水及生活污水而XX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

氯仿三氯甲烷又名氯仿分子式CHCl3它是無色透明易揮發液體有特殊甜味微溶於水氯仿有很強的麻醉作用主要作用於中樞神經系統造成肝腎損害已被流行病學證實為動物致癌物質危害很大氯仿在消化道內迅速吸收人體脂肪體液約2h在體內轉化為一氧化炭而使血中炭氧血紅蛋白的含量升高使人出現中毒癥狀導致嘔吐消化不良食慾減退虛弱噁心並能患神經過敏症失眠症憂鬱症精神錯亂精神病等對於三氯甲烷各國進行了研究發現水原環境日益惡劣水中有機污染物質增多使得水源水在消毒過程中生成大量的消毒副產物鑒於此許多國家都規定了水中三氯甲烷的最大含量美國國家環保局規定氯仿在飲用水中的污染極限是10ug/L德國為25ug/L我國生活飲用水水質標準GB574985規定生活飲用水中氯仿的的最高允許濃度是60ug/L但是作為對人體健康有危害的物質在生活給水和水質處理上採取一定措施盡量降低其含量對於確保供水水質提高供水的安全性和保障人民的身體健康有重要的意義

2生成因素編輯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酰基團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酰乙酮單寧素木質黃酸鹽酚類胺基酸脂肪酸藻類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

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

加氯濃度在加氯反應中水中無機物如Fe2+Mn2+H2SNH3等會很快消耗所加入的氯當無機物的耗氯量達飽和時多餘的氯才會與有機物反應此時所加入的氯量與THMs生成量成正比而在有機物消耗掉氯后須加入足夠的氯量來飽和瞬時及短期的有機耗氯量后多餘的氯才能生長期性的有效餘氯此時再多加氯也不會增加THMs的生成

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

溫度通常溫度愈高反應愈快故在一定的加氯量情況下當溫度愈高THMs的生成量愈大

反應時間THMs的生成量會隨著反應時間的增加而XX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

物質作用如溴離子存在則會促進CHCl3以外其他三鹵甲烷的生成NH3-N存在會與氯結合為結合餘氯而影響THMs的生成

3健康影響編輯三鹵甲烷對健康的影響主要是針對氯仿而言因為它是在飲用水中出現頻率最高且影響最大者

氯仿可使中樞神經系統衰退並且還會影響肝腎的功能氯仿的立即毒性往往是失去知覺然後可能會隨著昏迷而造成死亡暴露在氯仿24~48小時后腎即受傷害經過2~5天後可發現肝受損而因氯仿所造成的昏迷癥狀則須經好幾天才會複原

針對致癌性來說美國國家癌症研究所以氯仿摻入食物中餵食Osborne-Mendel大白鼠與B6C3-F1小白鼠劑量為90或180mg/kg結果在111星期后發現雄大白鼠因明顯肝惡性腫瘤而大部分死去雌大白鼠卻不曾死亡但發現有甲狀腺腫瘤

至於含溴三鹵甲烷雖然有關它的毒性資料較少但在有些研究中證實它的致突變性和致癌性它在生理化學活性上較氯仿為強

到目前為止在流行病學的研究上尚沒有充分的證據顯示飲用水中的污染物與癌症的死亡率有直接關係但已有些研究多少顯示癌症的死亡率與罹病率與飲用水的水質有某種程度上的關連

氯仿在人類或動物身上有好幾種不良的影響對健康潛在的風險以可能會致癌的影響最大基於此種考慮對於飲用水中含氯仿的標準值世界衛生組織WHO依每人平均每天飲用2公升的水終身致癌風險為10-5時訂出氯仿之標準值為0.03mg/l美國環保署目前訂定總三鹵甲烷的最大污染物限值為0.10mg/l此與終身致癌風險每天飲用2公升0.10mg/lCHC13連續70年為3.4×10-4的數值有關

4控制技術編輯目前文獻中考慮用來去除三鹵甲烷和三鹵甲烷先驅物質的技術計有氧化暴氣aeration吸附樹脂澄清如混凝直接過濾等原水控制pH調整降低加氯量改變加氯點changing the point of chlorination逆滲透RO生物處理替代消毒劑臭氧氯胺二氧化氯高錳酸鉀紫外光

根據前面形成三鹵甲烷的簡單反應式可引導出三個基本原則來控制三鹵甲烷

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O3H2O2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

消毒劑改變消毒劑方面使用臭氧二氧化氯等與水中有機物質的反應產物目前尚無法完全了解恐怕將來亦可能面臨如今日三鹵甲烷所帶來的問題在改變消毒劑方面不得不十分慎重地再多加檢討

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

5現狀編輯國內外有關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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