溴化物相关溴化消毒副产物的生成、毒性及控制策略

发布时间：2025-03-14 阅读：509

化学消毒剂的使用可使病原体失活，但它也导致了消毒副产物的形成。溴化消毒副产物具有较高的毒性，因此有必要全面了解其产生机制、毒性和控制策略。Bromide and its associated brominated disinfection byproducts: occurrence, toxicity and control strategies系统性地检索了涉及地表水、地下水以及废水中溴化物的研究文献，涵盖380个采样点。针对溴化消毒副产物的细胞毒性、遗传毒性和发育毒性进行了全面的综述。此外，本文详细归纳了溴化消毒副产物在臭氧化、氯基和过硫酸盐基消毒过程中的形成机制，并对溴化消毒副产物及其相关毒性的控制策略进行了评估。研究结果表明，沿海地区地表水、地下水以及废水中的溴化物浓度普遍高于内陆地区，且其浓度受气候、地形和水源等多种因素的影响。不同类型的溴化消毒副产物呈现出不同的毒性。值得注意的是，溴化物浓度的升高会增强水的毒性，特别是在臭氧化处理后。当引入1000微克/升的溴化物时，会使细胞毒性增加3.06倍，遗传毒性增加4.72倍。在控制策略方面，过氧化氢和氨对溴酸盐的生成有显著的控制效果，然而，过氧化氢在溴化消毒副产物的控制上存在一定局限性，而氨的使用存在毒性增加的风险，其可使遗传毒性最高增加2.86倍。此外，紫外线/臭氧和紫外线/过硫酸盐虽然能够有效控制溴化消毒副产物及其毒性，但可能会促进溴酸盐的生成。本综述通过对溴化消毒副产物及其毒性的全面剖析，有助于溴化消毒副产物控制工艺的进一步优化和开发。

溴化消毒副产物的形成与毒性特征

化学消毒剂的使用在灭活病原体的同时，会与水中有机/无机物反应生成消毒副产物（DBPs），其中溴化消毒副产物（Br-DBPs）因其高毒性引发广泛关注。研究表明，溴离子（Br⁻）在氯基、臭氧和过硫酸盐消毒过程中可与消毒剂反应生成溴代三卤甲烷（如三溴甲烷）、溴代乙酸等物质。相较于氯化副产物，溴化副产物的细胞毒性和遗传毒性显著升高，例如三溴甲烷的致癌风险比三氯甲烷高10-100倍。毒性机制研究表明，Br-DBPs通过破坏细胞膜完整性、干扰DNA修复（如诱导双链断裂）和干扰胚胎发育信号通路等方式产生危害。实验数据显示，当水中溴化物浓度达1000 μg/L时，臭氧消毒后的水样细胞毒性增加3.06倍，遗传毒性激增4.72倍。

溴化物地理分布与来源解析

全球水体中溴化物的浓度呈现显著地域差异。沿海地区地表水、地下水及废水的溴化物浓度普遍高于内陆，如南非地下水溴化物浓度最高达132.68 mg/L，而中国贵屿电子废弃物拆解区地表水中多溴联苯醚（PBDEs）浓度高达63.83 ng/L，远超珠江水体。这种差异源于多重因素：

自然因素：海水入侵和海洋气溶胶沉降使沿海地区水体Br⁻背景值升高，如澳大利亚Gellibrand河谷地下水Cl⁻/Br⁻比值与海水蒸发特征一致。
人为活动：农业灌溉（含溴农药使用）、工业废水（如电子废弃物处理）和医疗废水排放是内陆溴化物异常升高的主因。突尼斯格罗姆巴利亚地区浅层地下水Br⁻浓度达9.3 mg/L，与农业区肥料渗滤密切相关。
水文地质：盐岩溶解、蒸发浓缩等过程进一步加剧溴化物富集，如美国阿勒格尼河系统因页岩气废水排放导致Br⁻浓度激增。

消毒工艺对Br-DBPs生成的影响

臭氧消毒：O₃通过直接氧化Br⁻生成次溴酸（HOBr），进而转化为溴酸盐（BrO₃⁻）。BrO₃⁻被国际癌症研究机构列为2B类致癌物，其生成量与Br⁻浓度、pH值（>7时加速）和臭氧投加方式正相关。
氯基消毒：Cl₂与Br⁻竞争反应生成HOBr，后者与有机物结合形成溴代三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs）。当Br⁻/Cl⁻摩尔比>0.5时，溴代产物占比超过80%。
过硫酸盐消毒：活化过硫酸盐（如UV/过硫酸盐）产生硫酸根自由基（SO₄·⁻），其与Br⁻反应生成Br·和Br₂·⁻自由基，促进溴代副产物形成。

Br-DBPs控制策略的效能与风险

现有控制技术需在副产物削减与毒性风险间权衡：

前体物去除：膜分离技术（如反渗透）可有效截留Br⁻，但成本较高；活性炭吸附对低分子量有机物去除效果显著，可使THMs生成量降低60%以上。
工艺优化：臭氧多点投加（如分阶段投加）可使BrO₃⁻生成量减少46.5%；氯胺消毒虽减少THMs生成，但可能增加含氮副产物（如亚硝胺）的风险。
化学抑制剂：
- 过氧化氢（H₂O₂） ：通过淬灭羟基自由基抑制BrO₃⁻生成，但对溴代THMs控制效果有限，且过量H₂O₂可能引发二次污染。
- 氨（NH₃） ：与HOBr反应生成溴胺，减少BrO₃⁻生成，但会提升遗传毒性（最高增加2.86倍）。
联合技术：UV/O₃和UV/过硫酸盐可高效降解Br-DBPs，但可能促进BrO₃⁻生成。例如，UV/H₂O₂对枯草杆菌芽孢的协同灭活率达99.9%，但对溴酸盐控制需精确调控反应条件。

环境风险评估与管控建议

Br-DBPs的风险评估需结合毒性当量、暴露途径和区域水文特征。珠三角城市水体监测发现，消毒副产物持久性存在对水生生态系统构成潜在威胁。建议采取分级管控策略：

高风险区（如沿海工业带） ：优先采用膜技术+紫外联合消毒，建立Br⁻在线监测网络。
农业密集区：限制含溴农药使用，推广臭氧/氯胺交替消毒以降低副产物累积风险。
新兴技术方向：纳米TiO₂催化臭氧氧化可抑制83%的BrO₃⁻生成，且对pH和温度变化适应性较强；基于毒性指纹的快速检测技术（如彗星试验）可提升风险评估效率。