追踪管网中消毒副产物的动态变化：氯消毒与氯胺消毒系统中66种DBPs的时空演化规律

《Water Research》：Chasing Disinfection Byproducts Through the Pipes: How 66 DBPs Change Over Time in Chlorinated vs. Chloraminated Distribution Systems

本研究针对饮用水管网中消毒副产物(DBPs)浓度动态变化不明确的问题，通过"追踪采样"方法系统研究了氯消毒与氯胺消毒系统中66种DBPs的时空演变规律。研究发现氯消毒系统总DBPs增加32%而氯胺系统减少23%，且计算细胞毒性在两个系统中均显著降低，为优化消毒策略和保障饮用水安全提供了重要科学依据。

　　

当我们打开水龙头接上一杯清澈的自来水时，很少有人会想到这些看似纯净的水中可能含有多种消毒副产物(Disinfection Byproducts, DBPs)。饮用水消毒是保障公共健康的重要措施，能有效杀灭水中的病原微生物，但消毒剂(如氯、氯胺)与水中天然有机物反应会生成各类DBPs。流行病学研究显示，长期暴露于DBPs与膀胱癌、结直肠癌、流产和出生缺陷等健康风险相关。

目前美国环保署(USEPA)仅对11种DBPs进行监管，但研究表明饮用水中的毒性主要来自其他非监管的DBPs，特别是碘代DBPs(I-DBPs)和含氮DBPs(N-DBPs)，它们通常比受监管的DBPs具有更高的毒性。更复杂的是，DBPs不仅在处理厂形成，还会在管网输配系统(Distribution System, DS)中继续演变——它们可能降解、转化或新生成。然而，现有研究大多只关注处理厂出水点的DBPs浓度，或仅跟踪少数几种DBPs在管网中的变化，对大多数DBPs(特别是新兴DBPs)在管网中的时空变化规律知之甚少。

为了填补这一知识空白，南卡罗来纳大学的研究团队在《Water Research》上发表了创新性研究，通过精心设计的"追踪采样"方法，首次系统比较了氯消毒与氯胺消毒系统中66种DBPs在72小时输配过程中的动态变化规律。

研究人员采用了多项关键技术方法：创新性的"追踪采样"策略，通过在不同距离的采样点按水流行进时间延迟采样，真正实现了对同一水团的追踪监测；针对66种DBPs的全面分析检测技术，涵盖9大类DBPs(包括THMs、HAAs、HANs、HAMs、HNMs、HALs、HKs及碘代DBPs)；基于液相萃取-气相色谱/质谱联用的高灵敏度检测方法；以及计算细胞毒性(TIC-Tox)评估方法，通过已知DBPs的细胞毒性数据加权计算总体毒性潜力。研究样本来自两个水源相似但消毒方式不同的实际管网系统，共采集38个采样点，覆盖从出厂到用户水龙头的完整输配过程。

3.1. 总DBPs浓度

研究发现两个消毒系统呈现出截然不同的趋势：氯消毒系统(DS2)中总DBPs浓度平均增加32%，表明管道中DBPs的形成速度超过了降解速度；而氯胺消毒系统(DS1)中总DBPs浓度平均下降23%，说明降解过程占主导。这一差异主要源于氯是比氯胺更强的氧化剂和卤化剂。

3.2. 含氮DBPs

卤乙腈(HANs)在两个系统中均呈现相似的变化模式：浓度在出厂水或2小时样品中达到首次峰值，随后下降，在48或72小时出现第二次峰值。卤乙酰胺(HAMs)浓度相对稳定，在氯胺系统中略降26%。卤硝基甲烷(HNMs)在所有路线中均保持较低浓度，变化不显著。

3.3. 碘代DBPs

这是首次对碘代DBPs在管网中的变化进行系统研究。碘代DBPs在氯胺系统中的浓度高于氯消毒系统，但随时间推移均呈现下降趋势。值得注意的是，即使在72小时后，这些高毒性DBPs仍以0.5-1.9 μg/L的浓度存在于自来水中。

3.4. 碳质DBPs

三卤甲烷(THMs)在氯消毒系统中随停留时间显著增加，而在氯胺系统中轻微下降。卤乙酸(HAAs)在氯胺系统中通常在输配系统中段达到峰值后下降，而在氯消毒系统中变化较小(<20%)。卤醛(HALs)在氯胺系统中于12小时达到峰值后下降，而在氯消毒系统中于72小时达到峰值。

3.5. Cl-DBPs vs. Br-DBPs vs. I-DBPs

在两个系统中，氯代DBPs最为丰富，其次是溴代和碘代DBPs。氯胺系统中所有卤代DBPs均轻微下降，而氯消毒系统中氯代DBPs显著增加(66%)，溴代DBPs轻微增加(9%)。

3.6. 计算细胞毒性

尽管氯消毒系统中DBPs浓度增加，但计算细胞毒性在两个系统中均显著下降(氯胺系统降33%，氯消毒系统降41%)。在氯胺系统中，毒性下降源于所有DBPs类别的普遍减少；而在氯消毒系统中，则主要由于DBPs种类向毒性较低的氯代DBPs转变。

该研究系统揭示了DBPs在饮用水输配系统中的复杂动态变化规律，挑战了仅依靠处理厂监测数据评估暴露风险的常规做法。研究发现，居住在远离水厂的用户可能接触到与近厂用户完全不同组成和毒性的DBPs混合物——在氯消毒系统中总DBPs浓度更高但毒性较低，而在氯胺系统中则两者均下降。

这一认识对饮用水安全管理具有重要启示：监管策略应考虑管网中的动态变化而非仅关注处理厂出水；消毒方式选择需权衡微生物安全与化学风险；毒性评估应关注DBPs种类转变而不仅是总量变化。研究还指出，未来需要开展全水样毒理学监测和总有机卤(TOX)跟踪研究，以更全面评估饮用水安全风险。

这项创新性工作为理解复杂管网化学提供了新视角，为优化消毒策略、降低人群暴露风险提供了重要科学依据，对保障全球数十亿人口的饮用水安全具有深远意义。