消毒是供水、污水和污泥處理中至關(guān)重要的一環(huán)。2015年聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展峰會成功通過了《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》，將為所有人提供清潔的飲用水和衛(wèi)生設(shè)施列為17個全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（Sustainable Development Goal, SDG）之一。為實現(xiàn)這個目標(biāo)，消毒的重要性更加突出。我們需要定義消毒工藝的預(yù)期，明確消毒的效能和局限性。

通過長期研究，水處理專家已經(jīng)為消毒奠定了理論和實踐基礎(chǔ)。在飲用水處理中，消毒并不等于滅菌，而是需要和其它工藝一同為飲用水的安全提供多級屏障。只有通過前序的混凝、沉淀和過濾工藝去除了水中顆粒、膠體和大分子有機物，才能保證消毒工藝的高效性。除了滅活病原體（病毒、細菌和原生動物）等微生物安全性要求，各國新出臺的法規(guī)和標(biāo)準也開始更多地關(guān)注消毒的副作用，即消毒副產(chǎn)物。在很多的情況下，相較于保證飲用水、污水和回用水的微生物安全，要滿足消毒副產(chǎn)物的標(biāo)準則更具有挑戰(zhàn)性。

在過去的幾年中，各國專家學(xué)者在給水和污水處理領(lǐng)域開展了大量研究，尋找更加安全可靠的消毒技術(shù)方法來更加有效地控制消毒副產(chǎn)物的生成，并且明確了消毒不僅僅是病原體的滅活，還包括了保證輸配系統(tǒng)中的水質(zhì)穩(wěn)定性。

關(guān)于給水和污水的消毒，創(chuàng)新的驅(qū)動力長期以來被過度強調(diào)與現(xiàn)有工藝整合和缺乏處理技術(shù)優(yōu)化動力所抑制（例如，考慮實際應(yīng)用的可行性要控制操作成本的要求，或者為了達到相關(guān)法律法規(guī)標(biāo)準的要求）。特別是由于其具有消毒效果顯著、成本低廉、技術(shù)門檻低等特點，從20世紀開始，含氯消毒劑已被廣泛用于給水廠和污水廠的消毒處理。這也不可避免地導(dǎo)致缺少促進新型消毒劑和消毒方法發(fā)展的市場和法規(guī)。然而，近些年也出現(xiàn)了一些因素推動了消毒在學(xué)術(shù)和工程領(lǐng)域的發(fā)展，包括：（1）對于環(huán)境和衛(wèi)生問題日漸增加的關(guān)注，比如有毒消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生；（2）為滿足更加嚴格的規(guī)范標(biāo)準和實現(xiàn)節(jié)能降耗的要求，需要尋求新的消毒工藝監(jiān)控和運行技術(shù)；（3）在標(biāo)準中引入了新的指標(biāo)或者對進一步提高已有標(biāo)準要求。

作為替代氯消毒的新型消毒劑或消毒方法，臭氧、紫外線、微濾/超濾已經(jīng)是較為成熟的工藝。目前正在發(fā)展并且已經(jīng)可以大規(guī)模使用的新消毒方法是在采用過氧化物進行污水消毒，這項成果在工業(yè)國家中的市場也在快速增長。過乙酸（也稱過氧乙酸）可能是目前這類物質(zhì)中最具有潛力的消毒劑，然而其最大隱患是在環(huán)境中的殘留毒性，這點還需要更多的調(diào)查研究。另一方面，近年許多關(guān)于過甲酸用于消毒的文獻陸續(xù)報道，但相關(guān)的研究和應(yīng)用還很缺乏。另外，其它替代消毒劑在給水、污水和污泥中的消毒也有報道，比如銀、銀與過氧化氫的協(xié)同作用或者是納米銀。盡管這些替代消毒劑尚沒有可以進行規(guī)模化應(yīng)用的潛力，但是這些技術(shù)對于某些特定工藝或特殊情況仍有效果。比如，用銀質(zhì)材料來控制輸水管網(wǎng)中的生物膜或者減少醫(yī)院等小型水循環(huán)系統(tǒng)中存在的頑固病原體。除此以外，相關(guān)的研究主要集中在高級消毒工藝和組合工藝，比如光催化二氧化鈦，臭氧/紫外線和過醋酸/紫外線工藝甚至陽光輻照等進行消毒。這些技術(shù)在實現(xiàn)微生物的高效滅活、與其它工藝協(xié)同處理污染物、以及在發(fā)展中國家推進可持續(xù)化技術(shù)的應(yīng)用都有很好的潛力。

關(guān)于水體消毒的創(chuàng)新方法上，近期的進展從本質(zhì)上根據(jù)它們的功能主要分成兩種：（1）檢測和監(jiān)控；（2）建模和控制。前者的最終目標(biāo)是發(fā)展可靠低價的設(shè)備來獲取現(xiàn)場實時檢測數(shù)據(jù)，比如紫外線通量以及剩余消毒劑和消毒副產(chǎn)物等參數(shù)，即在線遠程實時傳感器。對于建模和控制，諸如計算流動力學(xué)等高級仿真技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等計算機軟件技術(shù)，即使在可變輸入或者使用非確定算法的情況下，都成功應(yīng)用于消毒過程的建模。值得一提的是，前面所說的檢測和監(jiān)控，與后面所講的建模與控制，兩者相互影響、相輔相成。另一個新興的趨勢是基于風(fēng)險評估的消毒可持續(xù)性評估，包括了水中微生物和消毒副產(chǎn)物兩部分。具體而言，開發(fā)新方法的目的是評估與消毒工藝相關(guān)的整體風(fēng)險，尤其是針對廢水回收和非直接飲用水回用。

對于固體基質(zhì)（比如排泄物或污泥），消毒過程通常會和污泥穩(wěn)定化混淆。后者的目的是減少污泥質(zhì)量，尤其是有機物質(zhì)成分，前者則更強調(diào)由于這些物質(zhì)有傳播疾病的可能性，從而需要保證其處置的安全性?，F(xiàn)在，需要新的污泥處理工藝來應(yīng)對重新評估排泄物和污泥的需求、可供處置的空間日益減少的困境和回收氮磷等物質(zhì)的需求。令人遺憾的是在這方面的研究進展比給水和污水處理緩慢。因為有效執(zhí)行聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的要求是與在發(fā)展中國家推進廁所等衛(wèi)生設(shè)施密切相關(guān)的。在這些低收入地區(qū)，需要容易獲得并且可靠的工藝來對污泥中的高濃度病原體進行滅活。事實上，這正是蓋茨基金會“重建廁所”項目的目的之一。

發(fā)展中國家面臨的衛(wèi)生設(shè)施的挑戰(zhàn)和發(fā)達國家迥然不同：因為發(fā)展中國家的污泥和排泄物與當(dāng)?shù)氐男l(wèi)生狀況密切相關(guān)，所以發(fā)展中國家的污泥和排泄物中含有極高濃度的病原體，這表明采用需要和發(fā)達國家不同的消毒工藝?，F(xiàn)在有一些關(guān)于用銀、醋酸和過醋酸滅活污泥中病原體的新消毒工藝。同時，也有人利用氨對寄生蟲卵的消毒作用來改進石灰等傳統(tǒng)污泥消毒工藝。

飲用水消毒不僅僅是減少病原體，還涉及在配水系統(tǒng)中的生物穩(wěn)定性、腐蝕控制（化學(xué)穩(wěn)定性）和消毒副產(chǎn)物的生成。下面總結(jié)一下近五年來的研究進展。

生物穩(wěn)定性

飲用水生物安全性中的最大隱患也許不在水處理廠，而在供水管網(wǎng)中。這是因為自來水在管網(wǎng)中長時間的停留會導(dǎo)致微生物再生長。微生物的再生長與剩余消毒劑濃度和含碳基質(zhì)（以可同化有機碳（AOC）或者可降解溶解有機碳（BDOC）來衡量）有關(guān)，同時溫度、流速和磷濃度在很多研究中也可被視作為限制性因素。通常來說，如果存在高濃度的營養(yǎng)基質(zhì)但是消毒劑不足時，這樣的水是不能被視作生物穩(wěn)定的。Van derKooij提議將AOC 10 μg/L 作為沒有消毒劑存在時的生物穩(wěn)定性閥值。這個水平是很難實現(xiàn)的，因為它需要潔凈的水源和深度處理工藝流程；而且較高的處理費用也使其在西歐之外難以復(fù)制。美國供水行業(yè)更傾向于通過維持水中高剩余消毒劑濃度和50–100μg/L的AOC來控制細菌的再生長。在中國的部分城市，研究人員認為可以通過維持水中0.3mg/L的剩余消毒劑濃度和小于100 μg/L的AOC濃度來共同控制飲用水管網(wǎng)中的細菌再生長。

細菌再生長、消毒劑濃度和營養(yǎng)物質(zhì)濃度之間的聯(lián)系是一個有重要意義的研究領(lǐng)域。但是由于細菌種類、習(xí)性、多相生態(tài)位和相互作用的復(fù)雜性，導(dǎo)致很難研究透徹它們的主要相互作用。Srinivasan和 Harrington建立了一個將莫諾德（Monod）方程和奇克-沃森（Chick–Watson）法則結(jié)合描述水中生物穩(wěn)定性的方法。這個模型拋棄了傳統(tǒng)的建立細菌濃度和限制性生長條件之間相關(guān)性的方法，它轉(zhuǎn)而提供了一條滅活率高于再生長速率的邊際線。另有研究人員在一個中國南方的亞熱帶城市使用了該方法來評價其飲用水的生物穩(wěn)定性。

除了飲用水管網(wǎng)中細菌計數(shù)的常規(guī)指標(biāo)，即異養(yǎng)菌平板計數(shù)法或三磷酸腺苷分析，流式細胞術(shù)和分子生物學(xué)技術(shù)也被用于確定微生物群落的豐度和結(jié)構(gòu)。管網(wǎng)中的疏松沉積物是細菌生長的重要溫床，而且由于沉積物的流動性，上面附著的細菌也可以輕易到達水龍頭。顆粒上附著的細菌可以形成大量且估計不足的生物膜，而且比管壁生物膜的流動性更強。因此，顆粒附著細菌由于它們可以到達用戶的水龍頭并且被人體攝取，因而具有更大的危險性。

在微生物家族中，一些病原體對消毒劑有更強的抵抗力從而對于飲用水的安全造成很大的威脅，例如分枝桿菌和軍團菌。在消毒過程中，這些細菌對飲用水消毒劑有不同的抵抗力。相對于自由氯或者二氧化氯，分枝桿菌對于氯胺有更好的抵抗力；而軍團菌在氯化消毒的飲用水管網(wǎng)中更為豐富。獨立生存的阿米巴變形蟲在飲用水管網(wǎng)中可以作為一個病原體的庇護所。一些硝化細菌雖然自身不是病原體，但是可以引起氯胺消毒劑的消耗從而使得飲用水管網(wǎng)水直接暴露于病原體的威脅之下。

化學(xué)穩(wěn)定性

在管網(wǎng)輸配過程中，化學(xué)指標(biāo)呈現(xiàn)出較大變化的自來水被認為是化學(xué)不穩(wěn)定的，這些指標(biāo)包括濁度、色度以及和管道中鐵和鉛的釋放等。消毒在配水系統(tǒng)化學(xué)穩(wěn)定性方面也扮演了非常重要的角色。

在美國、中國和其他很多國家，鐵是飲用水管網(wǎng)中的主要管材。化學(xué)穩(wěn)定性問題主要表現(xiàn)為由于管道腐蝕和管垢破裂導(dǎo)致鐵釋放，繼而引起的水變色。通常來說，鐵質(zhì)管垢具有多層結(jié)構(gòu)：最外層很薄，是由三價鐵和四氧化三鐵構(gòu)成的致密殼狀結(jié)構(gòu)；內(nèi)層較厚，是以亞鐵化合物為主的疏松多孔結(jié)構(gòu)。但是，在輸配不同水質(zhì)過程中形成的含鐵管垢具有不同的形態(tài)和物化特征。管垢的形成、溶析，以及所引發(fā)的鐵釋放是由電化學(xué)反應(yīng)來控制的。在中國，由于配水管道較長會偶爾產(chǎn)生龍頭水色度較高的問題。硫酸鹽和氯化物濃度的改變會影響到管垢鐵釋放，而且在較小程度上也會影響到典型無機污染物（砷、鈣、銅、鉻、鉛、鎳、釩、鈾和鋅）的分布情況，然而天然有機物的影響是更加顯著的。因此，不同水源水的精心調(diào)配、提高pH或者堿度、添加正磷酸鹽等技術(shù)已經(jīng)被研究并且投入應(yīng)用來解決這些問題。淡化海水并網(wǎng)也將增加出現(xiàn)帶色自來水的可能性，這是因為淡化海水的氯化物濃度與堿度之比，即拉森系數(shù)，與原有水源水相比會大幅度增加。一些細菌也與管垢溶析和鐵釋放有關(guān)。

在美國東北部地區(qū)和一些歐洲國家，鉛管在19世紀晚期和20世紀早期大量使用。現(xiàn)在，那里的居民正在忍受鉛釋放的問題，尤其是當(dāng)年為了避免三鹵甲烷和鹵乙酸大量產(chǎn)生而采用氯胺消毒法代替氯化消毒以后。水化學(xué)和管垢成分是兩個影響管垢鉛釋放的關(guān)鍵因素。稍弱的消毒劑將會降低管道系統(tǒng)的氧化還原電位，然后穩(wěn)定的氧化鉛管垢將會被還原為溶解性有毒的鉛離子。

總之，飲用水消毒不能僅被視為病原體的滅活，或者是僅局限在自來水廠中。足夠的剩余消毒劑對于控制鐵或鉛在管道中的擴散和保持化學(xué)穩(wěn)定是非常重要的。配水管道中的水質(zhì)問題同樣復(fù)雜而且重要。

消毒副產(chǎn)物

自從20世紀70年代研究人員發(fā)現(xiàn)氯消毒后會形成一種潛在的致癌物質(zhì)——氯仿以來，平衡水生微生物帶來的介水流行病傳播風(fēng)險和消毒副產(chǎn)物暴露帶來的化學(xué)毒性風(fēng)險即成為水質(zhì)控制中的關(guān)鍵問題之一。水處理專業(yè)人員40多年來的努力使得我們對于包括三鹵甲烷、鹵乙酸在內(nèi)的消毒副產(chǎn)物的重要性和健康風(fēng)險的認識越來越深刻，從而推動了法規(guī)和標(biāo)準的頒布以及消毒副產(chǎn)物控制技術(shù)的發(fā)展。水中消毒副產(chǎn)物的種類和含量是由消毒劑的種類、劑量和水中存在的有機物與無機物等前體物的成分所決定的。因此，消毒副產(chǎn)物控制的一般方法有如下三種：（1）改進消毒工藝條件來抑制消毒副產(chǎn)物的生成，包括使用氯胺、紫外線、臭氧和二氧化氯等替代消毒劑；（2）通過強化混凝-沉淀工藝、活性炭吸附、膜處理和化學(xué)氧化（如高級氧化）等預(yù)處理或深度處理來減少消毒之前的前體物質(zhì)；（3）對于已形成的消毒副產(chǎn)物，通過膜處理、活性炭吸附、化學(xué)氧化和還原等方式來去除。盡管如此，有關(guān)消毒副產(chǎn)物毒理、生成機制和控制方法的新知識還是不斷涌現(xiàn)。

近年來，人們也越來越意識到一些新興消毒副產(chǎn)物的重要性，例如含氮消毒副產(chǎn)物（例如亞硝胺、鹵乙腈、鹵乙酰胺、鹵代硝基甲烷等）和含碳消毒副產(chǎn)物（例如鹵代酮、鹵代醛、鹵苯醌和鹵代吡咯等）。

近年來，亞硝胺由于其高致癌性、頻繁檢出和可能納入水質(zhì)標(biāo)準，在飲用水行業(yè)引起了很大的關(guān)注。有九種亞硝胺得到深入研究，包括亞硝基二甲胺（NDMA），亞硝基甲乙胺（NMEA），亞硝基二乙胺（NDEA），亞硝基二正丙胺（NDPA），亞硝基二丁胺（NDBA），亞硝基二苯胺（NDPhA），亞硝基吡咯烷（NPYR），亞硝基哌啶（NPIP）和亞硝基嗎啉（NMOR）。其中有些是氯胺消毒過程中產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物，或者是臭氧與二甲胺或其他特定合成化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物。最近，與煙草有關(guān)的亞硝胺類物質(zhì)也在有些氯胺消毒后的水體中被檢測到。

由于其公認的毒理學(xué)效應(yīng)和健康風(fēng)險水平上的檢出率，世界一些國家和地區(qū)已經(jīng)建立了飲用水中亞硝胺的標(biāo)準或準則值。大部分在北美的研究表明，NDMA的生成與氯胺消毒的關(guān)系比游離氯消毒更為密切。美國的第二階段非受控污染物監(jiān)測法案的數(shù)據(jù)庫表明，美國出廠水中含有較高濃度NDMA(>50ng/L)的水廠多采用氯胺作為主要消毒方式而非輔助消毒方式，這表明較強的氧化劑可以使?jié)撛诘膩喯醢非绑w物失活。游離氯消毒產(chǎn)生的NDMA可以歸咎于水中的高氨氮濃度，因為被氨氮污染的水源在游離氯消毒時可能會產(chǎn)生氯胺，繼而導(dǎo)致亞硝胺生成。

控制飲用水中的亞硝胺形成的基本策略是去除或者破壞亞硝胺的前體物和優(yōu)化氯胺消毒的條件，而傳統(tǒng)工藝控制亞硝胺的效果有限。同時，當(dāng)使用高分子混凝劑聚二烯丙基二甲基氯化銨（PolyDADMAC）時，NDMA的生成潛能也將驟增。高濃度的游離氯消毒會破壞或者轉(zhuǎn)變NDMA的前體物質(zhì)，但是會生成較多的鹵代消毒副產(chǎn)物。臭氧則可以破壞或者轉(zhuǎn)化仲胺、叔胺和NDMA的前體物質(zhì)。粉末活性炭和顆粒活性炭對污水中的NDMA前體物質(zhì)的去除效果好于大部分溶解有機物質(zhì)（DOC）。亞硝胺前體物質(zhì)的一般結(jié)構(gòu)是帶正電的二烷基胺部分和非極性部分，這解釋了這些反應(yīng)過程中亞硝胺前體物質(zhì)去除的機理。

其他的鹵代含氮消毒副產(chǎn)物包括了鹵代乙酰胺、鹵代硝基甲烷和鹵代腈。這些物質(zhì)中很多都比受控消毒副產(chǎn)物具有更大的遺傳毒性和細胞毒性，近年來得到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。

鹵代酰胺是目前已有相關(guān)毒理數(shù)據(jù)的消毒副產(chǎn)物中細胞毒性最大的一類新型含氮消毒副產(chǎn)物，同時也有著很高的遺傳毒性，僅次于鹵代腈。2002年美國全國性的消毒副產(chǎn)物調(diào)查中對５種鹵乙酰胺進行了檢測，包括氯乙酰胺（CAcAm）、二氯乙酰胺（DCAcAm）、三氯乙酰胺（TCAcAm）、溴乙酰胺（BAcAm）和二溴乙酰胺（DBAcAm），發(fā)現(xiàn)其廣泛存在于氯和氯胺消毒后的飲用水中，其中以DCAcAm濃度最高，達到5.6 μg/L 。2008-2010年間，美國EPA對一溴一氯乙酰胺（BCAcAm）、一溴二氯乙酰胺（DCAcAm）、一溴三氯乙酰胺（DBCAcAm）和一溴一碘乙酰胺（BIAcAm）進行了定性識別研究，發(fā)現(xiàn)這些鹵代乙酰胺也存在于飲用水中，但未對這些HAcAms開展定量調(diào)查。2012年，采用固相萃取富集-液相色譜分離和三重四級桿質(zhì)譜檢測的方法可以對所有13種已知毒性的鹵代乙酰胺進行精確定量，并且利用該方法在飲用水中識別出了三溴乙酰胺（TBAcAm）和氯碘乙酰胺（CIAcAm）的存在，處于較低的ng/L水平。消毒后所產(chǎn)生的鹵代酰胺往往來自于鹵乙腈的進一步水解，但也有可能來自于其它路徑。氨基酸是一類非常重要的鹵代乙酰胺前體物，特別是結(jié)合態(tài)氨基酸很可能在鹵代乙酰胺的生成過程中起到更大的作用。新的研究發(fā)現(xiàn)，芳香族有機物和抗生素在飲用水氯消毒過程中也會貢獻鹵代乙酰胺。除了鹵代乙酰胺，鹵代硝基甲烷的細胞毒性也達到三鹵甲烷的十倍以上，其中9種氯代和溴代硝基甲烷已被識別。在氯化和氯胺化消毒工藝之前的臭氧預(yù)處理往往導(dǎo)致鹵代硝基甲烷濃度的顯著增加。亞硝酸鹽也對鹵代硝基甲烷的形成發(fā)揮作用。相較于疏水性有機物，親水的天然有機物質(zhì)是更為重要的鹵代乙酰胺和鹵代硝基甲烷的前體物質(zhì)，從而可間接解釋傳統(tǒng)和深度處理工藝在這些前體物質(zhì)去除潛力上的不同。

對于富碘水體，相較于游離氯消毒，氯胺消毒后的碘代消毒副產(chǎn)物濃度會顯著升高，而且碘代消毒副產(chǎn)物的毒性往往高于溴代和氯代消毒副產(chǎn)物。近年來，研究人員也在不斷探尋來自不同消毒方式和不同特征水源的新型消毒副產(chǎn)物。盡管這些新型消毒副產(chǎn)物在水中的濃度往往低于三鹵甲烷等常規(guī)消毒副產(chǎn)物，但這些新型消毒副產(chǎn)物所表現(xiàn)出的更大的健康風(fēng)險促使研究人員更進一步探究它們的生成特性及控制方法。

盡管目前已在飲用水中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了700多種消毒副產(chǎn)物，但關(guān)于它們在消毒后水體中的濃度變化規(guī)律、產(chǎn)生機制和健康風(fēng)險等研究仍然還存在大量的空白。其毒性的替代指標(biāo)，包括出廠水中的總有機鹵素、綜合毒性和前體物總量等測試仍處在實驗室研究階段。未來還需進一步研究消毒副產(chǎn)物對受納水體的生態(tài)影響，以及由于呼吸和皮膚接觸帶來的飲用水和泳池水的消毒副產(chǎn)物暴露情況。

摘譯自IWA專家組報告 Global Trends & Challenges in Water Science, Research and Management

關(guān)于作者

Blanca Jiménez, UNESCO, Mexico

Chao Chen, Tsinghua University, China

Wenhai Chu, Tongji University, China

Andrea Turolla, POLIMI, Italy

John Bridgeman, University of Birmingham, UK

Shuguang Xie, Peking University, China