導 讀
控制飲用水中的DBPs是降低其對供水安全和公眾健康造成潛在風險的關鍵所在，其中從源頭消減DBPs前體物被認為是最有效的DBPs控制技術，而更全面地歸納DBPs前體來源對實現其源頭控制具有重要意義。梳理DBPs前體物從源頭到龍頭的全過程來源，總結歸納出DBPs的源頭控制方法，擬為飲用水中DBPs的有效控制及飲用水水質的提升提供參考借鑒。
0 引言
1974年，荷蘭水化學家Rook發現氯消毒飲用水中的三鹵甲烷（Trihalomethanes, THMs）濃度高于其在原水中的濃度，同年，美國環保署工作人員Bellar等提出消毒時增加氯的投量會導致飲用水中THMs濃度升高，THMs由此成為在飲用水中被發現的第一類消毒副產物（Disinfection by-products, DBPs）。1976年，美國環保署的一項調研數據顯示，氯仿（Chloroform, CF）及其他THMs在加氯消毒的飲用水中普遍存在，同年，美國國家癌癥研究所基于動物試驗結果將CF納入致癌物范疇。至此之后，DBPs作為一類衡量飲用水是否安全的重要指標受到了廣泛關注。
DBPs是在消毒過程中由消毒劑與水中存在的天然有機物（Natural organic matter, NOM）、人為污染物以及鹵素離子等前體物質反應生成的產物，目前受到研究較多的DBPs主要包括THMs、鹵乙酸（Haloacetic acids, HAAs）、鹵乙醛（Haloacetaldehydes, HALs）、鹵代酮（Haloketones, HKs）等含碳消毒副產物（Carbonaceous DBPs, C-DBPs），鹵乙腈（Haloacetonitriles, HANs）、鹵代乙酰胺（Haloacetamides, HAMs）、鹵代硝基甲烷（Halonitromethanes, HNMs）、亞硝胺（N-nitrosamines, NAs）等含氮消毒副產物（Nitrogenous DBPs, N-DBPs），鹵代苯酚、氯苯乙腈等芳香族DBPs，以及溴酸鹽、氯酸鹽和亞氯酸鹽等無機消毒副產物。毒理學研究顯示，大部分已被識別的DBPs具有細胞毒性、神經毒性、基因毒性以及致癌、致畸和致突變的“三致”特性。此外，流行病學研究表明，氯消毒飲用水的長期飲用和罹患膀胱癌、結腸癌、直腸癌、孕婦流產之間存在一定聯系。
飲用水中的DBPs濃度水平一般在ng/L至μg/L級別，隨著對飲用水安全的重視程度不斷提高，世界上多個國家、地區及組織制定了飲用水水質標準并在不斷進行更新與修訂，包括多種DBPs在內的新興污染物被納入管控范圍，控制飲用水中的DBPs成為國內外相關學者及工作者的研究重點。DBPs的控制技術大致可分為源頭控制、過程控制及末端控制三類，其中源頭控制是指通過保護水源或利用水廠處理工藝等方式降低DBPs前體物濃度；過程控制即為通過改變消毒方式、優化消毒工況等方法來減少DBPs的生成；而末端控制則是利用過濾、吸附、還原脫鹵、氧化降解等物理、化學方法去除已生成的DBPs。考慮到改變消毒方式可能會導致其他一些特定DBPs的生成，另外在水廠內難以對DBPs進行末端控制，且管網中剩余消毒劑的存在會導致DBPs的持續產生，由此消減DBPs的前體物質被認為是最有效的DBPs控制技術。
1 前體來源
飲用水中的化學物質一般有以下3種來源：
水源水；
水廠處理工藝；
配水管網。
水源水中存在各種已知和未知的、天然來源和人工來源的、傳統和新型的、原生和次生的污染物。以往有關DBPs前體物來源的研究大多關注于水源水中存在的前體物，但水廠處理工藝在去除水中懸浮顆粒及溶解性有機物（Dissolved organic matter, DOM）的同時也會引入一些工程材料，這在一定程度上可增加飲用水中DBPs的生成量；此外，出廠水中通常存在一定量的剩余消毒劑，以抑制管網中微生物對水質的負面影響，則DBPs的種類與濃度在配水管網中也會發生變化，飲用水中DBPs的前體來源如圖1所示。
1.1.1 天然有機物
水源水中的NOM一般被分為內源性天然有機物和外源性天然有機物兩大類，其中內源性天然有機物指的是一些由微生物、藻類在天然水體中原位生成的生物源有機物，包括糖類、氨基酸、多肽和蛋白質等；而外源性天然有機物則指的是一些由陸生動植物降解產生，隨后通過徑流、排放等方式進入水體的陸源有機物，以腐殖質為主。20世紀80年代初期，HAAs、HANs和HALs類DBPs先后在前體物消毒試驗中被檢測發現，腐植酸、富里酸和氨基酸成為了公認的DBPs前體物。
值得關注的是，藻類物質及污水處理廠出水對水源水的影響日益增大，藻源有機物（Algal organic matter, AOM）和污水排放有機物（Effluent organic matter, EfOM）已被證明是高毒性N-DBPs的重要前體物。現今受到關注較多的AOM有藻毒素、嗅味物質以及包括蛋白質和多糖在內的其他AOM，而藻細胞的胞內有機物（藻細胞由于自然死亡或工藝處理導致細胞破裂后釋放的物質）和胞外有機物（藻細胞直接向水環境釋放的代謝產物）均可在消毒時生成DBPs。此外，進入到水源水的EfOM也可視為一類外源有機物，經過污水廠生物處理的EfOM含有微生物以及可溶性微生物產物（Soluble microbial product, SMP），其中SMP是由各種高分子量及低分子量化合物組成，如蛋白質、多糖和氨基酸等。
1.1.2 鹵素離子
鹵素離子（溴、碘離子）在消毒過程中發生的反應主要可分為兩類，一是鹵素離子直接與消毒劑反應產生無機DBPs（如溴酸鹽），二是鹵素離子先與消毒劑反應生成次鹵酸，隨即再發生次鹵酸與有機物的反應，產物為毒性更高的溴代DBPs（Brominated DBP, Br-DBPs）及碘代DBPs（Iodinated DBPs, I-DBPs）。
而就前體物來源而言，溴離子進入飲用水水源的途徑主要可分為自然過程及人為活動兩類，其中自然過程包括海水入侵以及地質溶解，而人為活動則包括海水淡化、尾礦生產、化工生產以及市政污水和工業廢水的排放等。另外碘離子的來源與溴離子相似，包括有海水入侵、地質溶解以及海水淡化等，但一些微生物以及海洋里的海藻生物可通過特定的代謝作用去除水源水中的碘離子。
1.1.3 人為污染物
近年來，微污染物由于其檢出頻率較高、健康風險較大以及難以被水處理工藝去除等特性受到了世界范圍內的關注，其在自然水環境、污水處理廠以及飲用水廠中的遷移轉化以及對生態系統和人體健康的不利影響得到了廣泛研究。人為污染物主要可通過工業廢水排放、市政污水排放以及農業徑流等方式進入到水源水中。盡管這些人為污染物的濃度水平較低，但由于飲用水廠的處理工藝對其去除效率有限，則微污染物在消毒過程中發生的反應及相關產物不容忽視，包括化工原料（如雙酚S）、藥物及個人護理品（如撲熱息痛、氯霉素和三氯生）和農藥（如敵草隆）等物質在內的人為污染物被證明均是DBPs的前體物質。
1.1.4 大氣沉降
大氣沉降是指大氣中的污染物被沉降到地面或水體中的過程，按照有無降水可分為干沉降和濕沉降，其中干沉降是懸浮于大氣中的各種粒子在重力作用及分子擴散等原理下發生的大氣自凈作用，而濕沉降則是雨水沖刷大氣中的各粒徑固體顆粒物（Particulate matter, PM）及其他物質的過程。就干沉降而言，對于敞開狀態的水窖或其他雨水收集系統，大氣中物質可通過干沉降過程進入儲存的水中；而就濕沉降而言，由于缺乏相應的雨水收集和處理系統，降雨通常會通過徑流、下滲等方式補給地表水和地下水，這使得雨水在去除大氣中PM和其他物質的同時對水源水質造成影響。已有研究表明，PM可通過干濕沉降的方式進入水源水中隨即成為DOM，并在之后的消毒過程中產生DBPs。
1.2 廠內來源（水廠）
給水處理的目標是應用物理、化學、生物及耦合工藝去除原水中所含的各種有害物質，生產出符合生活飲用水水質標準的水。然而，在去除水中懸浮顆粒、溶解性有機物和致病菌的同時，水處理工藝也會引入一系列DBPs前體物，包括外界投加的化學藥劑和工程材料以及水廠工藝泄漏的化學材料和生物。
1.2.1 化學藥劑與工程材料
混凝工藝是通過投加無機或有機混凝劑使膠體顆粒發生脫穩、聚集現象，當僅投加混凝劑難以實現預期效果時，可利用一些聚合高分子電解質進行助凝。常用的聚合高分子電解質助凝劑包括有聚丙烯酰胺、陰/陽離子聚丙烯酰胺以及聚二烯丙基二甲基氯化銨等，盡管這些助凝劑的使用可改善混凝效果、減少污泥產量，但高分子化合物及其單體上的酰胺基團、季胺基團以及伯胺基團可與多種消毒劑反應產生DBPs。
另外，有關納米材料在水處理中的研究與應用日益增多，其可用作吸附劑、濾料、消毒劑以及催化材料等。其中C60是一類有前景的吸附材料，其在消毒過程中可與臭氧或氯發生表面反應進而生成含羥乙基、半甲基和環氧官能團衍生物，有研究指出C60可能是DBPs前體物，但有關這一過程的機制以及產物有待后續研究。碳納米管材料可用于吸附有機污染物、絡合金屬以及催化羥基自由基的生成，其在氯系消毒劑（包括自由氯和氯胺）以及臭氧作用下可生成多類DBPs。
此外，離子交換工藝是讓固體離子交換劑中的離子與溶液中的離子進行交換，以達到提取或去除溶液中某些離子的目的，但用于去除帶負電污染物（如硝酸鹽、砷酸鹽和高氯酸鹽）的強堿性離子交換樹脂材料已被證明是NAs和 HNMs類DBPs的前體物質。
1.2.2 膜分離與生物處理
膜分離工藝在飲用水廠可用于去除懸浮的膠體顆粒以及溶解性有機物，其對有機物的去除效果優于混凝工藝和活性炭吸附，按照膜材料的孔徑大小可將壓力驅動膜工藝分為微濾、超濾、納濾和反滲透四類。有研究者發現有機膜材料（如聚乙烯吡咯烷酮-聚砜膜）可與消毒劑（如氯和氯胺）反應進而生成DBPs，濃度可達到μg/L級別。
現如今，包括生物接觸氧化、生物活性炭濾池在內的生物處理工藝在飲用水廠受到了越來越多的應用。三維熒光光譜分析結果和DBPs生成潛能數據顯示，生物濾池中產生的SMP和脫落的生物膜也會進入到水中并在后續的消毒工藝中與消毒劑接觸，這些由生物濾池泄漏的物質更多是一些N-DBPs的前體物。
1.3 廠后來源（管網）
飲用水配水管網是給水系統中的重要組成部分，作用是將水廠出廠水送到分配管以至用戶管系，其主要由水管和其他構筑物（如蓄水池、水塔和泵站等）構成。含有剩余消毒劑的出廠水進入到配水系統之后，出廠水的水質特征（如pH、溫度、水中DOM含量、溶解氧濃度、鹵素離子濃度等）、配水管網的運行參數（包括管材、水齡、水力條件、管壁腐蝕情況、管壁生物膜生長情況等）以及剩余消毒劑的種類及濃度均會影響DBPs在配水管網中的生成與轉化。
1.3.1 管壁生物膜
給水管網中的微生物主要是以管壁生物膜的形式在管壁附著生長，其是由微生物細胞和胞外聚合物（Extracellular polymeric substances, EPS）組成的復雜基質。盡管消毒過程是消毒劑對致病菌的滅活作用，但管壁生物膜的存在會消耗管網中的消毒劑并阻止其在生物膜中發生轉移，微生物細胞破裂產生的DOM以及包裹在細胞外的EPS均會導致DBPs的生成。就微生物細胞而言，細胞在消毒劑的作用下會發生破裂，進而釋放出多糖、蛋白質和核酸等DOM，這些來源于微生物細胞的有機物相較于腐殖質而言具有更高的氮元素含量和更小的分子量；而就EPS而言，管網生物膜中90%的生物量均來源于EPS，其由包括核酸、蛋白質、多糖和脂質在內的多種物質組成。另外，當水中的氨氮濃度達到一定值時配水管網中的硝化細菌會開始生長，而發生硝化反應的生物膜可能會產生一些特定的DBPs前體物。
1.3.2 管道及儲水構筑物
配水管網中使用的一些配件材料被證明是飲用水中二甲基亞硝胺（NNitrosodimethylamine, NDMA）及其他NAs物質的來源之一，其中橡膠材質的管道密封圈可釋放NAs以及其前體物質，而儲水構筑物中新安裝的橡膠密封墊浸泡在水中會泄漏包括NDMA在內的一系列NAs類物質。此外，銅管的腐蝕產物［包括Cu(Ⅱ), Cu2O、CuO和Cu2(OH)2CO3］會加速管網中消毒劑的衰減以及某些DBPs的生成。而當儲水構筑物中的生物膜發生硝化反應時，也會釋放出N-DBPs的前體物質。
2 源頭控制方法
針對上述DBPs前體物的三類來源，本文將從廠前控制（水源）、廠內控制（水廠）以及廠后控制（管網）三個方面展開對DBPs源頭控制技術的介紹，如圖2所示。
DBPs的前體來源極其廣泛，其中水源水中的前體物尤為重要。廠前控制即是在水源水進入飲用水廠前消減其中的前體物，研究者及有關部門可通過工程技術方法及政策法規制度等方式降低市政污水、工業廢水以及農業徑流對飲用水水源水質的不利影響，實現對藻類及嗅味物質，農藥、藥物及個人護理品、工業原料等人為污染物與DBPs的協同控制。廠前控制大致可分為水源地保護、水源地修復以及原水預處理。
2.1.1 水源地保護
一是需要限制人為污染物在工業、農業以及生活中的使用，進而從根本上降低其在水環境中的含量；二是需要改善污廢水廠相關工藝的處理效果，科學提高水質排放要求，并在核算飲用水水源地納污能力的基礎上采取立法措施及建設監管機制以限制人為污染物的排放（包括點源污染和面源污染）。此外還可通過在飲用水水源地附近設置物理隔離帶（如鐵絲圍欄）或生態隔離帶（如濕地保護帶）實現污染物的隔離以及水源水的防護。
另外，AOM是飲用水水源中重要的溶解性有機氮來源，也是生成高毒性N-DBPs和I-DBPs的重要前體物質。對于尚未有藻類問題的天然水體而言，可通過控制水源水的營養化程度以及營養物質在水庫或湖泊中的循環過程限制藻類的生長。而就控制飲用水水源中的鹵素而言，除考慮污廢水的提標和限排外，一方面需要關注海水或苦咸水入侵至飲用水水源以及沉積巖物質在特定條件下溶解至飲用水水源的情況，另一方面還需要控制水源地附近化工生產、采礦、海水淡化等產業或活動的進行。
2.1.2 水源地修復
當飲用水水源地存在微污染或藻類暴發問題時，可利用生態系統的自我修復能力并輔以人工措施對受污染水源進行生態修復，從而改善水源地的生態環境和水文條件以確保水源地的安全供水。常見的飲用水水源地生態修復措施包括前置功能區技術、生態浮島（床）技術、人工濕地技術等，而當爆發藻類問題時則可通過機械或人工打撈、投加殺菌滅藻劑或利用微生物絮凝劑等方式實現控藻除藻，同時減少飲用水中藻毒素、藻嗅和DBPs的產生量。
2.1.3 原水預處理
河岸滲濾等工程技術可利用土壤、植物以及微生物之間的協同作用去除水源水中的NOM及其它污染物，在水源取水口前端實現對DBPs前體物的消減。此外，當取用水源水的水質條件較差時，有些水廠會在取水之后先將水輸送至水源廠，利用化學法（如氯、臭氧等化學藥劑）、物理法（如粉末活性炭等工程材料）、生物法（如生物接觸氧化）及耦合工藝完成原水的預處理從而減輕后續凈水廠運行壓力，但也需要關注由化學藥劑的投加、工程材料的使用以及生物預處理的應用等引入的DBPs前體物，這可通過對比水源廠進水和出水的DBPs生成潛能變化來加以判斷。
2.2 廠內控制
2.2.1 處理工藝運行
有關水廠內的DBPs源頭控制方法主要聚焦于利用水廠工藝去除DBPs前體物，常規工藝、強化常規工藝以及預處理和深度處理工藝均得到了較多研究。其中常規工藝對溶解性有機碳（Dissolved organic carbon, DOC）的去除率高于對溶解性有機氮（Dissolved organic nitrogen, DON）的去除率，而強化常規工藝可進一步改善常規工藝對有機物的處理效果。
常用于除藻、助凝和解決色度及嗅味問題的化學預氧化工藝以及利用高活性自由基去除微污染物及其他有機物的高級氧化技術在一定條件下可實現對DBPs前體物的消減，但該過程會受到預氧化劑（或自由基）種類及劑量、DBPs前體物反應活性以及對象水體的水質特征等多因素的影響。
另外，活性炭吸附和膜分離均可有效去除有機物，兩種工藝對DOC的高去除率可使DBPs的整體生成濃度降低，但活性炭吸附和膜分離很難去除溴離子，這一方面導致Br-與DOC的比值升高，另一方面DOC的降低會致使消毒劑投量減小，此時Br-與Cl2的比值也相應升高，因而有利于溴代DBPs的生成，則在使用活性炭、膜等過濾工藝時需要加強對溴代DBPs的關注，其中也包括一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷和三溴甲烷等國標內DBPs。
就生物處理而言，包括生物接觸氧化以及生物活性炭濾池在內的生物處理工藝受到了越來越多的關注，生物代謝作用被證明可降解水中的有機物，但該過程產生的SMP和脫落的生物膜也在DBPs的前體來源之列。水廠可通過增設后置砂濾池等工藝來防止生物的泄漏問題；并可通過優化相關工藝參數，如根據水質和季節調整生物濾池的反沖洗周期和強度，避免生物濾池產生的SMP進入后續消毒環節。
2.2.2 藥劑材料使用
有關飲用水廠化學藥劑及材料的使用不僅需要關注毒性效應，還需關注在后續工藝中的遷移轉化以及反應產物的健康風險；此外，這些藥劑或材料的使用多是為提高水廠工藝對原水中污染物的去除效率，但這些物質本身也可能在混凝、氧化、消毒以及管網輸送過程中成為潛在的污染物，故還需在考慮原水污染物去除效果的前提下進行權衡。在保證廠內工藝運行效果、保障出水水質穩定達標的基礎上，水廠應盡量減少化學藥劑及材料的使用。
2.3 廠后控制
給水管網中生物膜的存在會致使輸配水過程中水質下降、影響安全供水。一方面，生物膜的脫落會導致其中的微生物、條件致病菌和病毒進入水體；另一方面，組成管壁生物膜的微生物細胞和EPS均是DBPs前體物，因此，在管網中需要同時關注微生物和DBPs問題。此外，當水中的氨氮濃度達到一定值時，給水管網中的硝化細菌會開始生長進而導致給水管網中發生硝化反應，這不僅會引發亞硝酸鹽問題，還會導致N-DBPs前體物的釋放。控制給水管網中的生物膜及硝化反應的方法主要有化學法和物理法兩類，其中化學法包括調節pH、控制營養物質、優化氯氨投加比以及采用中途多點補氯等方式，而物理法則是通過清理管路或減少水力停留時間來實現控制效果。
對于管道及儲水構筑物而言，首先需要關注管道及儲水構筑物中橡膠材質配件的使用，包括橡膠密封環及橡膠密封墊圈等；另外需要對二次供水水箱（池）進行定期清理并加強對微生物與消毒劑指標的監測，通過優化水廠加氯、二次加氯、水力停留時間等參數，在保證消毒效果、微生物指標達標的前提下盡量降低DBPs的生成量；此外，考慮到入戶銅管的腐蝕產物會加快消毒劑的衰減并催化部分DBPs的生成，一方面需要清理入戶管道，另一方面還可考慮防腐涂層材料及其他管材的使用。
3 總結與展望
3.1 技術提升
消毒副產物的前體物來源極其廣泛，除水源水中的天然有機物外，還包括有大氣顆粒物、人為污染物、水處理工程材料、管壁生物膜等。水廠需優化技術工藝以協同去除原水中各類污染物及消毒副產物前體物，同時應加強科技攻關，發展綠色高效水處理技術以降低從源頭到龍頭全過程中化學藥劑及工程材料的使用，例如開發高性能、抗污染、低能耗的物理分離技術，研發具備廣譜性、低副產物和持續消毒能力的安全消毒技術，攻關基于新能源、新材料、新理念的飲用水清潔凈化技術等。
3.2 水源保護
水資源是生態與環境的控制性要素，水源水的復合污染程度加劇不僅會增加水廠原水中DBPs前體物的種類及濃度，還會導致水廠工藝冗長和化學藥劑及工程材料的過度使用，并促進給水管網中管壁生物膜的生長。從長遠角度來看，水源保護是消毒副產物源頭控制和飲用水水質全面長效提升的關鍵所在。水源保護的意義不僅限于飲用水中DBPs的控制。正如我國國務院《水污染防治行動計劃》要求的“從水源到水龍頭全過程監管飲用水安全”，相關部門需要完善我國飲用水水源的管理及保護制度以實現水污染防治和水生態保護，開展典型水源地風險污染物篩查研究并加強湖庫型飲用水水源地生態/健康風險關鍵技術研發，統一飲用水水源保護法規、統籌飲用水水源保護職責以及健全飲用水水源保護常態監管，建立健全飲用水水源保護區的水環境生態保護補償機制，實施水源地的規劃分區和保護修復以及水源水質的長期監測與穩步提升。(肖融、楚文海 )
控制飲用水中的DBPs是降低其對供水安全和公眾健康造成潛在風險的關鍵所在，其中從源頭消減DBPs前體物被認為是最有效的DBPs控制技術，而更全面地歸納DBPs前體來源對實現其源頭控制具有重要意義。梳理DBPs前體物從源頭到龍頭的全過程來源，總結歸納出DBPs的源頭控制方法，擬為飲用水中DBPs的有效控制及飲用水水質的提升提供參考借鑒。
0 引言
1974年，荷蘭水化學家Rook發現氯消毒飲用水中的三鹵甲烷（Trihalomethanes, THMs）濃度高于其在原水中的濃度，同年，美國環保署工作人員Bellar等提出消毒時增加氯的投量會導致飲用水中THMs濃度升高，THMs由此成為在飲用水中被發現的第一類消毒副產物（Disinfection by-products, DBPs）。1976年，美國環保署的一項調研數據顯示，氯仿（Chloroform, CF）及其他THMs在加氯消毒的飲用水中普遍存在，同年，美國國家癌癥研究所基于動物試驗結果將CF納入致癌物范疇。至此之后，DBPs作為一類衡量飲用水是否安全的重要指標受到了廣泛關注。
DBPs是在消毒過程中由消毒劑與水中存在的天然有機物（Natural organic matter, NOM）、人為污染物以及鹵素離子等前體物質反應生成的產物，目前受到研究較多的DBPs主要包括THMs、鹵乙酸（Haloacetic acids, HAAs）、鹵乙醛（Haloacetaldehydes, HALs）、鹵代酮（Haloketones, HKs）等含碳消毒副產物（Carbonaceous DBPs, C-DBPs），鹵乙腈（Haloacetonitriles, HANs）、鹵代乙酰胺（Haloacetamides, HAMs）、鹵代硝基甲烷（Halonitromethanes, HNMs）、亞硝胺（N-nitrosamines, NAs）等含氮消毒副產物（Nitrogenous DBPs, N-DBPs），鹵代苯酚、氯苯乙腈等芳香族DBPs，以及溴酸鹽、氯酸鹽和亞氯酸鹽等無機消毒副產物。毒理學研究顯示，大部分已被識別的DBPs具有細胞毒性、神經毒性、基因毒性以及致癌、致畸和致突變的“三致”特性。此外，流行病學研究表明，氯消毒飲用水的長期飲用和罹患膀胱癌、結腸癌、直腸癌、孕婦流產之間存在一定聯系。
飲用水中的DBPs濃度水平一般在ng/L至μg/L級別，隨著對飲用水安全的重視程度不斷提高，世界上多個國家、地區及組織制定了飲用水水質標準并在不斷進行更新與修訂，包括多種DBPs在內的新興污染物被納入管控范圍，控制飲用水中的DBPs成為國內外相關學者及工作者的研究重點。DBPs的控制技術大致可分為源頭控制、過程控制及末端控制三類，其中源頭控制是指通過保護水源或利用水廠處理工藝等方式降低DBPs前體物濃度；過程控制即為通過改變消毒方式、優化消毒工況等方法來減少DBPs的生成；而末端控制則是利用過濾、吸附、還原脫鹵、氧化降解等物理、化學方法去除已生成的DBPs。考慮到改變消毒方式可能會導致其他一些特定DBPs的生成，另外在水廠內難以對DBPs進行末端控制，且管網中剩余消毒劑的存在會導致DBPs的持續產生，由此消減DBPs的前體物質被認為是最有效的DBPs控制技術。
1 前體來源
飲用水中的化學物質一般有以下3種來源：
水源水；
水廠處理工藝；
配水管網。
水源水中存在各種已知和未知的、天然來源和人工來源的、傳統和新型的、原生和次生的污染物。以往有關DBPs前體物來源的研究大多關注于水源水中存在的前體物，但水廠處理工藝在去除水中懸浮顆粒及溶解性有機物（Dissolved organic matter, DOM）的同時也會引入一些工程材料，這在一定程度上可增加飲用水中DBPs的生成量；此外，出廠水中通常存在一定量的剩余消毒劑，以抑制管網中微生物對水質的負面影響，則DBPs的種類與濃度在配水管網中也會發生變化，飲用水中DBPs的前體來源如圖1所示。
圖1 飲用水中DBPs的前體來源
1.1 廠前來源（水源）1.1.1 天然有機物
水源水中的NOM一般被分為內源性天然有機物和外源性天然有機物兩大類，其中內源性天然有機物指的是一些由微生物、藻類在天然水體中原位生成的生物源有機物，包括糖類、氨基酸、多肽和蛋白質等；而外源性天然有機物則指的是一些由陸生動植物降解產生，隨后通過徑流、排放等方式進入水體的陸源有機物，以腐殖質為主。20世紀80年代初期，HAAs、HANs和HALs類DBPs先后在前體物消毒試驗中被檢測發現，腐植酸、富里酸和氨基酸成為了公認的DBPs前體物。
值得關注的是，藻類物質及污水處理廠出水對水源水的影響日益增大，藻源有機物（Algal organic matter, AOM）和污水排放有機物（Effluent organic matter, EfOM）已被證明是高毒性N-DBPs的重要前體物。現今受到關注較多的AOM有藻毒素、嗅味物質以及包括蛋白質和多糖在內的其他AOM，而藻細胞的胞內有機物（藻細胞由于自然死亡或工藝處理導致細胞破裂后釋放的物質）和胞外有機物（藻細胞直接向水環境釋放的代謝產物）均可在消毒時生成DBPs。此外，進入到水源水的EfOM也可視為一類外源有機物，經過污水廠生物處理的EfOM含有微生物以及可溶性微生物產物（Soluble microbial product, SMP），其中SMP是由各種高分子量及低分子量化合物組成，如蛋白質、多糖和氨基酸等。
1.1.2 鹵素離子
鹵素離子（溴、碘離子）在消毒過程中發生的反應主要可分為兩類，一是鹵素離子直接與消毒劑反應產生無機DBPs（如溴酸鹽），二是鹵素離子先與消毒劑反應生成次鹵酸，隨即再發生次鹵酸與有機物的反應，產物為毒性更高的溴代DBPs（Brominated DBP, Br-DBPs）及碘代DBPs（Iodinated DBPs, I-DBPs）。
而就前體物來源而言，溴離子進入飲用水水源的途徑主要可分為自然過程及人為活動兩類，其中自然過程包括海水入侵以及地質溶解，而人為活動則包括海水淡化、尾礦生產、化工生產以及市政污水和工業廢水的排放等。另外碘離子的來源與溴離子相似，包括有海水入侵、地質溶解以及海水淡化等，但一些微生物以及海洋里的海藻生物可通過特定的代謝作用去除水源水中的碘離子。
1.1.3 人為污染物
近年來，微污染物由于其檢出頻率較高、健康風險較大以及難以被水處理工藝去除等特性受到了世界范圍內的關注，其在自然水環境、污水處理廠以及飲用水廠中的遷移轉化以及對生態系統和人體健康的不利影響得到了廣泛研究。人為污染物主要可通過工業廢水排放、市政污水排放以及農業徑流等方式進入到水源水中。盡管這些人為污染物的濃度水平較低，但由于飲用水廠的處理工藝對其去除效率有限，則微污染物在消毒過程中發生的反應及相關產物不容忽視，包括化工原料（如雙酚S）、藥物及個人護理品（如撲熱息痛、氯霉素和三氯生）和農藥（如敵草隆）等物質在內的人為污染物被證明均是DBPs的前體物質。
1.1.4 大氣沉降
大氣沉降是指大氣中的污染物被沉降到地面或水體中的過程，按照有無降水可分為干沉降和濕沉降，其中干沉降是懸浮于大氣中的各種粒子在重力作用及分子擴散等原理下發生的大氣自凈作用，而濕沉降則是雨水沖刷大氣中的各粒徑固體顆粒物（Particulate matter, PM）及其他物質的過程。就干沉降而言，對于敞開狀態的水窖或其他雨水收集系統，大氣中物質可通過干沉降過程進入儲存的水中；而就濕沉降而言，由于缺乏相應的雨水收集和處理系統，降雨通常會通過徑流、下滲等方式補給地表水和地下水，這使得雨水在去除大氣中PM和其他物質的同時對水源水質造成影響。已有研究表明，PM可通過干濕沉降的方式進入水源水中隨即成為DOM，并在之后的消毒過程中產生DBPs。
1.2 廠內來源（水廠）
給水處理的目標是應用物理、化學、生物及耦合工藝去除原水中所含的各種有害物質，生產出符合生活飲用水水質標準的水。然而，在去除水中懸浮顆粒、溶解性有機物和致病菌的同時，水處理工藝也會引入一系列DBPs前體物，包括外界投加的化學藥劑和工程材料以及水廠工藝泄漏的化學材料和生物。
1.2.1 化學藥劑與工程材料
混凝工藝是通過投加無機或有機混凝劑使膠體顆粒發生脫穩、聚集現象，當僅投加混凝劑難以實現預期效果時，可利用一些聚合高分子電解質進行助凝。常用的聚合高分子電解質助凝劑包括有聚丙烯酰胺、陰/陽離子聚丙烯酰胺以及聚二烯丙基二甲基氯化銨等，盡管這些助凝劑的使用可改善混凝效果、減少污泥產量，但高分子化合物及其單體上的酰胺基團、季胺基團以及伯胺基團可與多種消毒劑反應產生DBPs。
另外，有關納米材料在水處理中的研究與應用日益增多，其可用作吸附劑、濾料、消毒劑以及催化材料等。其中C60是一類有前景的吸附材料，其在消毒過程中可與臭氧或氯發生表面反應進而生成含羥乙基、半甲基和環氧官能團衍生物，有研究指出C60可能是DBPs前體物，但有關這一過程的機制以及產物有待后續研究。碳納米管材料可用于吸附有機污染物、絡合金屬以及催化羥基自由基的生成，其在氯系消毒劑（包括自由氯和氯胺）以及臭氧作用下可生成多類DBPs。
此外，離子交換工藝是讓固體離子交換劑中的離子與溶液中的離子進行交換，以達到提取或去除溶液中某些離子的目的，但用于去除帶負電污染物（如硝酸鹽、砷酸鹽和高氯酸鹽）的強堿性離子交換樹脂材料已被證明是NAs和 HNMs類DBPs的前體物質。
1.2.2 膜分離與生物處理
膜分離工藝在飲用水廠可用于去除懸浮的膠體顆粒以及溶解性有機物，其對有機物的去除效果優于混凝工藝和活性炭吸附，按照膜材料的孔徑大小可將壓力驅動膜工藝分為微濾、超濾、納濾和反滲透四類。有研究者發現有機膜材料（如聚乙烯吡咯烷酮-聚砜膜）可與消毒劑（如氯和氯胺）反應進而生成DBPs，濃度可達到μg/L級別。
現如今，包括生物接觸氧化、生物活性炭濾池在內的生物處理工藝在飲用水廠受到了越來越多的應用。三維熒光光譜分析結果和DBPs生成潛能數據顯示，生物濾池中產生的SMP和脫落的生物膜也會進入到水中并在后續的消毒工藝中與消毒劑接觸，這些由生物濾池泄漏的物質更多是一些N-DBPs的前體物。
1.3 廠后來源（管網）
飲用水配水管網是給水系統中的重要組成部分，作用是將水廠出廠水送到分配管以至用戶管系，其主要由水管和其他構筑物（如蓄水池、水塔和泵站等）構成。含有剩余消毒劑的出廠水進入到配水系統之后，出廠水的水質特征（如pH、溫度、水中DOM含量、溶解氧濃度、鹵素離子濃度等）、配水管網的運行參數（包括管材、水齡、水力條件、管壁腐蝕情況、管壁生物膜生長情況等）以及剩余消毒劑的種類及濃度均會影響DBPs在配水管網中的生成與轉化。
1.3.1 管壁生物膜
給水管網中的微生物主要是以管壁生物膜的形式在管壁附著生長，其是由微生物細胞和胞外聚合物（Extracellular polymeric substances, EPS）組成的復雜基質。盡管消毒過程是消毒劑對致病菌的滅活作用，但管壁生物膜的存在會消耗管網中的消毒劑并阻止其在生物膜中發生轉移，微生物細胞破裂產生的DOM以及包裹在細胞外的EPS均會導致DBPs的生成。就微生物細胞而言，細胞在消毒劑的作用下會發生破裂，進而釋放出多糖、蛋白質和核酸等DOM，這些來源于微生物細胞的有機物相較于腐殖質而言具有更高的氮元素含量和更小的分子量；而就EPS而言，管網生物膜中90%的生物量均來源于EPS，其由包括核酸、蛋白質、多糖和脂質在內的多種物質組成。另外，當水中的氨氮濃度達到一定值時配水管網中的硝化細菌會開始生長，而發生硝化反應的生物膜可能會產生一些特定的DBPs前體物。
1.3.2 管道及儲水構筑物
配水管網中使用的一些配件材料被證明是飲用水中二甲基亞硝胺（NNitrosodimethylamine, NDMA）及其他NAs物質的來源之一，其中橡膠材質的管道密封圈可釋放NAs以及其前體物質，而儲水構筑物中新安裝的橡膠密封墊浸泡在水中會泄漏包括NDMA在內的一系列NAs類物質。此外，銅管的腐蝕產物［包括Cu(Ⅱ), Cu2O、CuO和Cu2(OH)2CO3］會加速管網中消毒劑的衰減以及某些DBPs的生成。而當儲水構筑物中的生物膜發生硝化反應時，也會釋放出N-DBPs的前體物質。
2 源頭控制方法
針對上述DBPs前體物的三類來源，本文將從廠前控制（水源）、廠內控制（水廠）以及廠后控制（管網）三個方面展開對DBPs源頭控制技術的介紹，如圖2所示。
圖2 飲用水中消毒副產物的源頭控制技術
2.1 廠前控制DBPs的前體來源極其廣泛，其中水源水中的前體物尤為重要。廠前控制即是在水源水進入飲用水廠前消減其中的前體物，研究者及有關部門可通過工程技術方法及政策法規制度等方式降低市政污水、工業廢水以及農業徑流對飲用水水源水質的不利影響，實現對藻類及嗅味物質，農藥、藥物及個人護理品、工業原料等人為污染物與DBPs的協同控制。廠前控制大致可分為水源地保護、水源地修復以及原水預處理。
2.1.1 水源地保護
一是需要限制人為污染物在工業、農業以及生活中的使用，進而從根本上降低其在水環境中的含量；二是需要改善污廢水廠相關工藝的處理效果，科學提高水質排放要求，并在核算飲用水水源地納污能力的基礎上采取立法措施及建設監管機制以限制人為污染物的排放（包括點源污染和面源污染）。此外還可通過在飲用水水源地附近設置物理隔離帶（如鐵絲圍欄）或生態隔離帶（如濕地保護帶）實現污染物的隔離以及水源水的防護。
另外，AOM是飲用水水源中重要的溶解性有機氮來源，也是生成高毒性N-DBPs和I-DBPs的重要前體物質。對于尚未有藻類問題的天然水體而言，可通過控制水源水的營養化程度以及營養物質在水庫或湖泊中的循環過程限制藻類的生長。而就控制飲用水水源中的鹵素而言，除考慮污廢水的提標和限排外，一方面需要關注海水或苦咸水入侵至飲用水水源以及沉積巖物質在特定條件下溶解至飲用水水源的情況，另一方面還需要控制水源地附近化工生產、采礦、海水淡化等產業或活動的進行。
2.1.2 水源地修復
當飲用水水源地存在微污染或藻類暴發問題時，可利用生態系統的自我修復能力并輔以人工措施對受污染水源進行生態修復，從而改善水源地的生態環境和水文條件以確保水源地的安全供水。常見的飲用水水源地生態修復措施包括前置功能區技術、生態浮島（床）技術、人工濕地技術等，而當爆發藻類問題時則可通過機械或人工打撈、投加殺菌滅藻劑或利用微生物絮凝劑等方式實現控藻除藻，同時減少飲用水中藻毒素、藻嗅和DBPs的產生量。
2.1.3 原水預處理
河岸滲濾等工程技術可利用土壤、植物以及微生物之間的協同作用去除水源水中的NOM及其它污染物，在水源取水口前端實現對DBPs前體物的消減。此外，當取用水源水的水質條件較差時，有些水廠會在取水之后先將水輸送至水源廠，利用化學法（如氯、臭氧等化學藥劑）、物理法（如粉末活性炭等工程材料）、生物法（如生物接觸氧化）及耦合工藝完成原水的預處理從而減輕后續凈水廠運行壓力，但也需要關注由化學藥劑的投加、工程材料的使用以及生物預處理的應用等引入的DBPs前體物，這可通過對比水源廠進水和出水的DBPs生成潛能變化來加以判斷。
2.2 廠內控制
2.2.1 處理工藝運行
有關水廠內的DBPs源頭控制方法主要聚焦于利用水廠工藝去除DBPs前體物，常規工藝、強化常規工藝以及預處理和深度處理工藝均得到了較多研究。其中常規工藝對溶解性有機碳（Dissolved organic carbon, DOC）的去除率高于對溶解性有機氮（Dissolved organic nitrogen, DON）的去除率，而強化常規工藝可進一步改善常規工藝對有機物的處理效果。
常用于除藻、助凝和解決色度及嗅味問題的化學預氧化工藝以及利用高活性自由基去除微污染物及其他有機物的高級氧化技術在一定條件下可實現對DBPs前體物的消減，但該過程會受到預氧化劑（或自由基）種類及劑量、DBPs前體物反應活性以及對象水體的水質特征等多因素的影響。
另外，活性炭吸附和膜分離均可有效去除有機物，兩種工藝對DOC的高去除率可使DBPs的整體生成濃度降低，但活性炭吸附和膜分離很難去除溴離子，這一方面導致Br-與DOC的比值升高，另一方面DOC的降低會致使消毒劑投量減小，此時Br-與Cl2的比值也相應升高，因而有利于溴代DBPs的生成，則在使用活性炭、膜等過濾工藝時需要加強對溴代DBPs的關注，其中也包括一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷和三溴甲烷等國標內DBPs。
就生物處理而言，包括生物接觸氧化以及生物活性炭濾池在內的生物處理工藝受到了越來越多的關注，生物代謝作用被證明可降解水中的有機物，但該過程產生的SMP和脫落的生物膜也在DBPs的前體來源之列。水廠可通過增設后置砂濾池等工藝來防止生物的泄漏問題；并可通過優化相關工藝參數，如根據水質和季節調整生物濾池的反沖洗周期和強度，避免生物濾池產生的SMP進入后續消毒環節。
2.2.2 藥劑材料使用
有關飲用水廠化學藥劑及材料的使用不僅需要關注毒性效應，還需關注在后續工藝中的遷移轉化以及反應產物的健康風險；此外，這些藥劑或材料的使用多是為提高水廠工藝對原水中污染物的去除效率，但這些物質本身也可能在混凝、氧化、消毒以及管網輸送過程中成為潛在的污染物，故還需在考慮原水污染物去除效果的前提下進行權衡。在保證廠內工藝運行效果、保障出水水質穩定達標的基礎上，水廠應盡量減少化學藥劑及材料的使用。
2.3 廠后控制
給水管網中生物膜的存在會致使輸配水過程中水質下降、影響安全供水。一方面，生物膜的脫落會導致其中的微生物、條件致病菌和病毒進入水體；另一方面，組成管壁生物膜的微生物細胞和EPS均是DBPs前體物，因此，在管網中需要同時關注微生物和DBPs問題。此外，當水中的氨氮濃度達到一定值時，給水管網中的硝化細菌會開始生長進而導致給水管網中發生硝化反應，這不僅會引發亞硝酸鹽問題，還會導致N-DBPs前體物的釋放。控制給水管網中的生物膜及硝化反應的方法主要有化學法和物理法兩類，其中化學法包括調節pH、控制營養物質、優化氯氨投加比以及采用中途多點補氯等方式，而物理法則是通過清理管路或減少水力停留時間來實現控制效果。
對于管道及儲水構筑物而言，首先需要關注管道及儲水構筑物中橡膠材質配件的使用，包括橡膠密封環及橡膠密封墊圈等；另外需要對二次供水水箱（池）進行定期清理并加強對微生物與消毒劑指標的監測，通過優化水廠加氯、二次加氯、水力停留時間等參數，在保證消毒效果、微生物指標達標的前提下盡量降低DBPs的生成量；此外，考慮到入戶銅管的腐蝕產物會加快消毒劑的衰減并催化部分DBPs的生成，一方面需要清理入戶管道，另一方面還可考慮防腐涂層材料及其他管材的使用。
3 總結與展望
3.1 技術提升
消毒副產物的前體物來源極其廣泛，除水源水中的天然有機物外，還包括有大氣顆粒物、人為污染物、水處理工程材料、管壁生物膜等。水廠需優化技術工藝以協同去除原水中各類污染物及消毒副產物前體物，同時應加強科技攻關，發展綠色高效水處理技術以降低從源頭到龍頭全過程中化學藥劑及工程材料的使用，例如開發高性能、抗污染、低能耗的物理分離技術，研發具備廣譜性、低副產物和持續消毒能力的安全消毒技術，攻關基于新能源、新材料、新理念的飲用水清潔凈化技術等。
3.2 水源保護
水資源是生態與環境的控制性要素，水源水的復合污染程度加劇不僅會增加水廠原水中DBPs前體物的種類及濃度，還會導致水廠工藝冗長和化學藥劑及工程材料的過度使用，并促進給水管網中管壁生物膜的生長。從長遠角度來看，水源保護是消毒副產物源頭控制和飲用水水質全面長效提升的關鍵所在。水源保護的意義不僅限于飲用水中DBPs的控制。正如我國國務院《水污染防治行動計劃》要求的“從水源到水龍頭全過程監管飲用水安全”，相關部門需要完善我國飲用水水源的管理及保護制度以實現水污染防治和水生態保護，開展典型水源地風險污染物篩查研究并加強湖庫型飲用水水源地生態/健康風險關鍵技術研發，統一飲用水水源保護法規、統籌飲用水水源保護職責以及健全飲用水水源保護常態監管，建立健全飲用水水源保護區的水環境生態保護補償機制，實施水源地的規劃分區和保護修復以及水源水質的長期監測與穩步提升。(肖融、楚文海 )
