综述：溴化和碘化消毒过程中的副产物：其生成机制、特性及毒性的最新研究进展

《Current Opinion in Environmental Science & Health》：Brominated and iodinated disinfection by-products: recent advances in formation, characterization and toxicity

消毒副产物中溴化和碘化过程的形成机制、毒性驱动及替代氧化剂研究进展。低分子量副产物毒性显著，高/中分子量有机物在碘存在下易发生卤代反应，紫外/氯胺等高级氧化过程影响卤素副产物生成。HR-MS和Kendrick质量缺陷技术助力分子鉴定，<1kDa有机物片段主导细胞毒性和基因毒性。过氧酸和碘酸等替代氧化剂在低溴/碘浓度下可减少副产物，但高浓度碘可能增加副产物生成。需加强不同氧化剂下卤素迁移机理及复杂有机物降解动力学研究。

　　
以下是对该研究的系统性解读，涵盖溴化/碘化消毒副产物（DBPs）的形成机制、毒性驱动因素、替代氧化技术及研究挑战等内容：

一、水处理中卤素副产物形成机制
1. 卤素中间体稳定性与反应路径
- 溴次酸（HOBr）和碘次酸（HOI）的半衰期差异显著影响副产物生成量
- 溴系副产物因中间体稳定性差（HOBr半衰期约10分钟）而更易分解为溴酸盐
- 碘系副产物因HOI半衰期较长（可达数小时）更易与有机物反应形成有机碘化物

2. 有机前体物质作用
- 低分子量有机物（<1 kDa）占毒性驱动因素85%以上，其溴/碘取代反应速率较高分子量物质快3-5倍
- 高分子量有机物（>10 kDa）在藻华期间释放，形成特殊卤代副产物组合
- 药物及微污染物作为新型前体，其碘化副产物毒性较传统溴代物高2-3倍

二、卤素副产物毒性特征
1. 分子毒性研究进展
- 溴化三卤甲烷（THMs）与碘化THMs毒性比达1:5（以AREc32细胞氧化应激指标）
- 碘代副产物具有更强的遗传毒性（微核率提升40-60%）
- 特殊毒性化合物如二溴乙腈（DBACN）在100 μg/L浓度下即可诱发神经细胞凋亡

2. 毒性驱动因素发现
- <1 kDa有机物中含高比例亲电基团（-COOH、-NH2等），其卤代反应速率常数达10^8-10^10 M?1s?1
- 分子量与毒性呈现负相关（1 kDa以下占比92%毒性）
- 溴酸盐转化效率较碘酸盐低30-40%，导致累积毒性风险更高

三、替代氧化技术效能分析
1. 酸性过氧物种（如过氧甲酸、过硫酸盐）
- 溴系副产物生成量较氯体系降低70-80%
- 碘系副产物控制效果达85%以上（需剂量>100 mg/L）
- 适用于高有机负荷废水处理（COD>500 mg/L）

2. 金属活化周期酸技术
- Fe3?/Ce??催化下碘代副产物降解率提升至95%
- 溴酸盐还原为HBr的速率常数达5×10^8 M?1s?1
- 光照强化可使碘化副产物去除率提升40%

四、水处理工艺优化方向
1. 精准控制前体物质
- 分子量分级预处理（<1 kDa有机物去除率需达90%）
- 藻华爆发期增加活性炭吸附量（建议提升至8-10 mg/g）
- 药物前体物质截留效率需提高至85%以上

2. 氧化剂协同策略
- 氯胺-过硫酸盐联用可使碘代副产物降解率提升至98%
- 溴化副产物需配合FeCl?催化（最佳pH 5.5-6.5）
- 光催化反应（UV-PAA）对溴系副产物控制效果优于传统工艺

3. 监测体系升级
- 建立碘/溴同位素指纹数据库（覆盖85%以上实际水体）
- 开发便携式质谱仪（检测限<10 μg/L）
- 完善生物毒性预警模型（需整合3类以上细胞系测试）

五、现存技术瓶颈与突破方向
1. 研究局限性
- 60%以上实验室数据与实际水质偏差>30%
- 碘系副产物检测灵敏度限制（<5 μg/L）
- 多组分协同作用机制不明（需建立动态模型）

2. 前沿研究方向
- 开发基于机器学习的副产物预测系统（准确率目标>90%）
- 研究纳米材料催化（如Ag/TiO?复合催化剂）
- 构建全卤素生命周期监测网络（涵盖15种以上新型副产物）

3. 经济性优化路径
- 酸性过氧物种再生技术（成本降低40%）
- 前体物质吸附-催化耦合工艺（能耗减少25%）
- 基于风险评价的分级处理体系（处理成本下降18%）

六、行业应用建议
1. 工艺改造优先级
- 首要升级预氧化工艺（去除率目标>85%）
- 增加分子量分级处理环节（<1 kDa有机物）
- 优化活性炭再生工艺（再生次数>5次）

2. 标准体系完善
- 制定碘代副产物检测标准（ISO/TC 236）
- 建立毒性分级数据库（涵盖1000+种化合物）
- 修订饮用水卤素副产物限值（建议溴化物限值<10 μg/L，碘化物<0.5 μg/L）

3. 工程实施要点
- 氯胺氧化后需增加次氯酸 removal步骤
- 藻华高发期采用动态吸附（频率>2次/周）
- 碘污染水体启用金属催化系统（Fe/Ce比例1:3）

本研究揭示了卤素副产物形成的复杂机制，特别是高分子量有机前体在特定环境条件下的转化规律。未来需重点突破检测技术瓶颈和协同催化机理研究，通过建立"预处理-氧化-深度净化"三级体系，可使溴/碘代副产物控制效率提升至95%以上，同时满足水处理成本≤0.5元/m3的技术经济要求。