关于减少武汉市饮用水中藻源类消毒副产物的举措探讨

邹伦妃，肖 琛，张启伟，郑 琦

（江汉大学 光电化学材料与器件教育部重点实验室，湖北 武汉 430056）

0 引言

长江与汉江在武汉市交汇，面向武汉居民的饮用水水源亦主要来自于长江和汉江［1］。随着社会经济的持续发展和城市人口的不断增加，武汉市及其周边工农业废水、生活污水总量与污水处理能力、长江水体自净能力之间的矛盾日益突出。水污染已经导致长江中下游的总氮、总磷等指标升高，结合近些年春季气温偏高，加速了地区藻类的出现与扩散趋势［2］。也有研究［3］表明，在水温适宜时，武汉市汉江水源地爆发“水华”的风险较高，可能影响供水安全。2019 年4 月，武汉市水务集团在国标GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》［4］基础上的（Q/WJT 01—2018）新增了一些指标，其中，针对汉江水源自身的特点专门增加了1 项地方特色指标——藻类。由此可见，武汉市饮用水原水中的藻类问题已较为严重，引起了有关部门的重视。

藻类爆发后可能形成所谓的“高藻水”。一方面，高藻水含有较高浓度的藻毒素，损害人类健康；另一方面，当水厂对高藻水进行氧化和消毒处理时，藻细胞会释放大量的消毒副产物（disinfection by-products，DBPs）前体物，这些前体物在氯消毒过程中又生成多种DBPs，同样威胁人类健康［5］。因而，如何安全地处理原水中的藻类是在饮用水消毒过程中必须重视与思考的问题。本文将从原水中的藻类分布情况、藻类的危害、高藻水的处理方法等方面探讨武汉市饮用水原水中的藻类解决思路。

1 武汉市饮用水原水中的藻类分布情况

一项2018 年的研究［6］表明，长江武汉段与汉江武汉段的优势藻类均为硅藻，此外还有绿藻、蓝藻、甲藻等；与此同时，藻类分布呈现明显的季节性，在冬春季节浓度较高。然而，另一项2014 年的研究［7］则显示，长江武汉段中的优势藻类为绿藻，其次是硅藻，鲜有蓝藻。此外，当发生“水华”现象时，即便处于同一季节的不同阶段，汉江中下游的藻类分布情况也随之发生变化［8-9］。这些研究结果的差异性固然与采样时间和采样地点等因素有关，但也暗示我们，从长期发展以及季节变换来看，水域中的藻类是动态变化的。因此，相关人员需要经常监测原水中的藻类情况，以便随时调整高藻水的处理方案。

2 饮用水原水中藻类的危害

采用预氧化、混凝沉淀、砂滤、消毒等工艺处理饮用水原水后，其中的大部分藻类可以被消除，而与之相关的生物危害性主要涉及两个方面：藻毒素和DBPs。淡水水域中的藻毒素主要由蓝藻产生，已有相关文献总结了其危害性，主要涉及肝肾毒性、胃肠毒性、生殖毒性、免疫毒性和神经毒性等［10-13］，本文不再赘述。

与藻毒素不同，DBPs 的来源较为复杂，其前体物与排放到水中的有机质以及各种藻类均有一定的相关性［14］。在高藻期间采用氯消毒原水时，饮用水中超过70%的DBPs 前体物可能来源于藻细胞［5］。目前已确认的DBPs 超过700 种，其中三卤甲烷、卤乙酸、溴酸盐及亚氯酸盐等，因其高毒性或致癌性已被多国纳入饮用水质量监测体系［15］。研究［16-17］表明，常见的限制性DBPs三卤甲烷和卤乙酸的生成量与原水中的藻类密切相关；另有几类具有高慢性细胞毒性和基因毒性的DBPs，如卤代硝基甲烷、卤乙腈、卤代乙酰胺等，其生成量也受到了藻类的影响［18-19］。另外，藻类不仅参与已知DBPs 的形成，且很可能与未鉴定的DBPs 存在关联性，其对饮用水安全还存在未知威胁，应当引起科研工作者和监管部门的重视。

如前文所述，武汉市饮用水原水中的藻类主要包括蓝藻、硅藻、绿藻等，因而在探讨藻类的处理方法时，这几种藻类应当被重点关注。通常需要从三个方面考虑如何处理原水中的藻类，涉及藻细胞与藻毒素的去除技术，以及如何减少藻源类DBPs 的产生等。本文重点关注与藻源类DBPs 有关的内容。

3 饮用水原水中藻类物质的去除方法

目前针对原水的除藻技术较为成熟，并且多种技术已经在水处理工艺中被积极采用，主要包括预处理技术和强化工艺技术［20］，其中，预处理技术又包括物理除藻法和化学除藻法，此外还有生物除藻法等。

3.1 物理法

常规的物理除藻手段主要通过机械筛分、强制截留等方式实现，对蓝藻、绿藻和硅藻都有一定的去除效果。另外，一些比较先进的物理法技术也逐渐被应用，如超滤膜法和气浮法。超滤膜技术除藻效果良好，具有操作简单、能耗低等特点，被认为是当下最有前景的水处理技术之一，在国外已得到了一定规模的应用，我国也有部分城市在推进［21］；气浮技术对高藻水的除藻效果亦比较显著，在包括武汉市在内的国内多个城市已得到应用［21］。此外，紫外线法和超声波法近年来也得到不少关注，它们均被证实有着不错的除藻效果，将是今后除藻技术的重要发展方向之一，但目前受限于耗时耗力、费用高等缺点，尚未得到推广［22-23］。

3.2 化学法

化学法是指通过氧化剂或某些盐类杀灭原水中的藻细胞，再结合后续的水处理工艺去除藻细胞碎片及释放的藻毒素等。目前国内水厂应用最广泛的化学法是液氯预氧化技术，其对绿藻等尺寸较小的单细胞藻类灭活效果较好，不过，对硅藻的去除率并不高。一方面，这可能与硅藻尺寸偏大且细胞壁拥有独特的硅质结构有关，使得其耐氧化性较强［24］；另一方面，水厂经常依据藻类的总量调节预氧化处理水平，然而，在藻类总量偏少但硅藻占优势的季节，因预氧化剂使用量减少而可能进一步降低硅藻的去除率［25］。硅藻是武汉市饮用水原水中的主要藻类之一，因此，单一的液氯预氧化技术可能不能满足要求，需要考虑其他技术或多种技术联合，与此同时，还要考虑季节性差异带来的影响。臭氧预氧化是另一种前景较好的技术，不仅不产生二次污染，而且易于与活性炭吸附法、气浮法等物理技术联用，在达到显著除藻效果的同时也能够有效地去除藻毒素［26］。另外，二氧化氯预氧化也是不错的选择，其杀菌能力强且氧化过程中产生的卤代烃类DBPs 更少，因而近年来引起国内外不少水厂的重视，正尝试用之取代液氯［21］。然而，因受到运行费用较高、生产条件苛刻等因素的限制，臭氧预氧化和二氧化氯预氧化技术在国内的应用还比较少。

3.3 强化工艺技术

通过增加混凝剂的投加量、调节pH、投加助凝剂等方式可以提高除藻效果，而且，混凝过程对藻细胞破坏小，有利于减少藻毒素的释放。此方法已是水厂广泛使用的技术，然而该技术使用强度有限，仅适合作为一种预除藻手段，主要原因在于：第一，大量使用混凝剂容易导致水中的盐类超标；第二，在处理低浊高藻水时，形成的藻絮体结构较为松散，沉降性能差，容易堵塞滤池等；第三，混凝过程虽然对于杆状硅藻和一些单细胞绿藻有较好的去除率，但对于某些蓝藻（如常见的微囊藻）、具突起尖刺的硅藻等，去除效果不佳［21，24］。

4 抑制藻源类DBPs 生成的策略

4.1 藻源类DBPs 的种类及来源

藻类能够增加水中有机物的含量，这是其影响DBPs 生成的主要因素，不过，因藻类有机物与具体DBPs 的关联性较为复杂，导致这方面的研究仍然比较滞后［19，27］。然而，原水中存在藻类已成为一个常见现象，这使得此类研究逐渐得到重视。

一般可大体将藻类产生的有机物分为胞内有机物（intracellular organic matter，IOM）和胞外有机物（extracellular organic matter，EOM）。常见藻类产生的有机物中约50%～ 80%是亲水的，它们是DBPs 前体的重要来源，而且，IOM 往往比EOM 产生的DBPs 更多［14，28］。这意味着，积极采用对藻细胞破坏力小的物理除藻技术与强化工艺除藻技术，应当能够为减少DBPs 做出贡献。不过，这些技术的能力有限而且不能有效地去除水溶性EOM［28］。更重要的是，化学法消毒在饮用水处理过程中是不可避免的措施，而DBPs 又主要在此过程中产生，因此，特定的消毒技术与藻源类DBPs 形成之间存在何种关联性，是必须考虑的问题。

目前而言，国内水厂使用的消毒方式仍然以氯消毒为主。在采用氯消毒时，DBPs 的生成具有如下特点：第一，与蓝藻相关的DBPs 前体物主要来源于IOM，而硅藻的IOM、EOM 均与DBPs存在重要相关性；第二，无论是含氮DBPs 还是碳质DBPs，硅藻的产生量均比蓝藻高，可能与硅藻细胞在消毒早期即被破坏且产生的DBPs 前体物种类更多有关；第三，蓝藻、硅藻、绿藻等均被发现与三卤甲烷、卤乙酸、卤乙腈、卤代硝基甲烷类DBPs 的形成有关；第四，含氮DBPs 与藻类的关系尤为密切，这与藻类能够释放大量高分子有机物相关［14，19，27-29］。另外，采用氯胺消毒时，在最初的几小时内含氮DBPs 的生成量通常会少于氯消毒［30-31］，这是氯胺消毒的显著优势之一。

4.2 利于减少藻源类DBPs 生成的处理方法

综上可知，单纯采用氯消毒方式处理原水时，不仅硅藻去除率不高，而且DBPs 的生成量也相对较高。因此氯消毒可能不适合武汉市的情况，需要其他思路。依据相关文献资料分析，本文总结出三条值得考虑的途径：紫外线照射结合氯胺消毒；臭氧预氧化结合氯胺消毒；超声波预处理结合二氧化氯消毒。

在紫外线照射结合氯胺消毒的处理方式中，当紫外线照射水样2～ 8 h，消毒过程中产生的有机氯胺会被残留的氯胺分解，因有机氯胺与DBPs 的生成密切相关，所以这种组合方式能够使藻源类DBPs 的生成量显著低于常规的氯消毒［30］。

单一的臭氧预氧化处理即有不错的除藻效果，而在预氧化之后继续使用氯胺消毒可进一步抑制相关DBPs 的生成，并且抑制效果与蓝藻的生长阶段关系不大，这意味着臭氧预氧化结合氯胺消毒技术有望在不同季节均能发挥积极作用［32］。

在用二氧化氯消毒原水之前先用超声波除藻，不仅能够显著降低水中腐殖酸的含量，甚至可以减少消毒剂的使用量，最终可通过多因素共同抑制相关DBPs 的生成［33］。

5 结语

综合分析饮用水原水中的藻类分布情况以及除藻技术与消毒技术的发展，关于减少武汉市饮用水原水中藻类相关DBPs 的举措需要从以下几个方面考虑：

1) 充分了解季节性差异对藻类分布情况的影响，并建立藻类别的长期监测机制；

2) 在许可范围内，加强物理除藻技术及强化工艺技术的使用，以便减少对藻细胞的破坏，进而减少水中IOM 的总量，尤其是大分子有机物的含量；

3) 逐步用氯胺或二氧化氯消毒取代氯消毒，以抑制DBPs 的形成；

4) 在条件成熟后，论证新型除藻技术（包括超声波、紫外线等）与化学消毒技术联合使用的可能性与必要性。