综述：气候变化驱动的水质改变及其对三卤甲烷生成的影响：消毒副产物控制技术研究进展

《Journal of Water Process Engineering》：Climate change–driven alterations in water quality and their impact on trihalomethane formation: A review of treatment technologies

　　

气候变化通过改变水源水环境特征持续威胁饮用水水质安全。除渐进性升温与降水格局改变外，干旱、洪水及野火径流等极端事件可快速改变原水组分，导致天然有机质（NOM）与浊度升高，进而在氯化消毒过程中加剧三卤甲烷（THM）等消毒副产物（DBP）的生成。现有研究表明，气候变化普遍提升水源水的浊度、营养盐负荷及NOM浓度，其中NOM对THM生成势（THMFP）的影响最为显著；同时，水温升高可加速反应动力学过程，进一步放大公共健康风险。本研究系统综述了气候胁迫与极端水文条件下THM生成机制及 mitigation策略，检索关键词涵盖“THM”“消毒”“水质”及“气候影响”。研究发现现有文献可归纳为四大主题簇：消毒副产物表征、处理工艺优化、NOM源头控制及THM生成机理研究。高级氧化工艺（AOPs）、杂化膜技术、吸附工艺及替代消毒剂等技术对THM的去除效率普遍超过80%。其中，消毒前针对NOM的预防性削减策略最具可持续性，尤其适用于水质波动场景；而曝气与高级吸附等后处理技术则可增强系统对突发性污染的韧性。保障饮用水安全需将预防性技术与先进处理工艺相结合，并配套适配原水水质动态变化的适应性监管体系，以同时满足合规要求并推进联合国可持续发展目标6（SDG 6）“清洁饮水与卫生设施”的实现。

1. 1.
   气候变化下的水质挑战
   水是地球分布最广且不可或缺的自然资源，对人类生存与发展至关重要。然而，人口增长、工业化及消费型社会转型已显著加剧水体污染，河流、湖泊、地下水乃至雨水等所有天然饮用水源均受到有毒污染物与病原微生物的侵袭。气候变化驱动的全球升温正重塑水体热力动态，导致年均温与季节性温度升高，破坏长期稳定的气候模式，加剧野火、干旱与洪水的发生频率与强度，进而恶化区域水质，为介水传染病传播创造有利条件。水温升高显著影响天然有机质（NOM）的动态转化，NOM由植被残体、微生物及其他生物过程衍生的化合物组成，其降解速率随水温上升而加快，可能增加氯化消毒过程中三卤甲烷（THM）与卤乙酸（HAA）等副产物的生成。此外，升温促进特定微生物增殖，既影响水质，又提升了对高效处理技术的需求。饮用水处理厂（DWTP）需优化氯化、臭氧氧化及紫外辐射等消毒工艺，在保证病原体灭活效果的同时抑制有害副产物生成，其中氯化工艺需精准控制投加量与接触时间，以避免氯与NOM反应生成毒性化合物。温度与降水是影响地表水中NOM浓度的关键环境因子，而NOM是饮用水消毒副产物（DBP）的主要前体物。THM作为DBP中占比最高的类别之一，由NOM与氯反应形成，与HAA共同占DBP总生成量的50%以上。气候变暖通过多重机制加剧THM生成问题：升温加速化学反应速率、极端天气事件增加NOM入河通量、干旱导致污染物与有机质浓缩，最终提升氯化后THM浓度。气候模拟研究强调，需在饮用水供应系统的适应策略中纳入气温、降水变率及极端事件频率等气候变量，从技术层面实施先进处理技术、优化消毒工艺及完善实时监测体系，从政策层面建立动态监管框架、推动水资源多层级治理及鼓励地方利益相关方参与决策，以提升制度韧性。现有综述多聚焦于技术描述、国际法规对比及发展差异分析，本研究则首次在气候变化事件背景下系统探讨THM生成与控制技术，填补了该领域的研究空白。
2. 2.
   水净化重要性、可持续发展目标与氯化消毒应用
   获取安全饮用水已成为基本人权，但面临气候变化的空前挑战。联合国可持续发展目标6（SDG 6）明确提出“为所有人提供水资源与卫生设施的可持续管理”，实现该目标需整合技术、经济、社会与环境维度的多部门协作。据估算，约7.71亿人缺乏基础饮用水服务，其中80%居住在农村地区，近半数位于最不发达国家；2022年全球近50%人口经历缺水事件，预计2030年仍有20亿人无法获得安全管理的饮用水，当前进展速度需提升4倍方能达标。全球水资源需求受人口增长、城市化、经济发展及消费模式转变驱动呈指数级增长，叠加气候变化导致的干旱、洪水等极端事件频发，进一步加剧了水资源供需矛盾。西班牙作为典型案例，干旱频发与河流、含水层过度开采导致其南部与东部地区成为欧洲水资源超采最严重的区域，预计2040年前各流域可用水资源将减少3%-7%，且其水足迹居全球第八、欧洲第二，凸显了即便在发达国家仍面临严峻挑战。氯化消毒因高效、可及性强及成本较低，仍是全球最主流的水净化方法，但高收入与低收入国家存在显著差异：发达国家采用包含混凝、絮凝、沉淀、过滤及高级消毒的集成工艺，可通过替代消毒剂（臭氧、紫外辐射）或NOM预处理降低THM生成；而发展中国家受限于资金、基础设施与治理能力，家庭级简易氯化常成为抵御介水病原体的唯一屏障，尽管存在缺陷，仍对预防霍乱、痢疾等致死性疾病至关重要。SDG 6全球加速框架旨在协调行动、优化融资及强化能力建设，但进展仍显不足。发达国家需聚焦降低THM等慢性健康风险的监测技术优化，发展中国家则需优先建立基础供水系统以控制急性微生物风险。技术本土化转移、技术与制度能力建设、可持续融资国际合作及渐进式监管框架构建是实现SDG 6的关键互补措施，而适应性管理必须作为水资源可持续管理的跨领域要素，以应对气候、人口与经济压力下的普遍安全饮用水供给挑战。
3. 3.
   气候变化背景下三卤甲烷管控的挑战与法规体系
   各国THM法规在限值、采样频率与政府监管力度上存在显著差异。全球120个国家中，97%制定了饮用水法规，其中77%明确规定了THM限值，53%实施了定期监测，法规覆盖人口占全球76%。丹麦（25 μg/L）、欧盟（100 μg/L）、美国（80 μg/L）、澳大利亚（250 μg/L）及博茨瓦纳（1000 μg/L）等国限值差异显著，印度、中国、俄罗斯与尼日利亚等国的法规覆盖率不足10%，影响全球40%人口。受干旱与极端天气影响严重的美国、西班牙及澳大利亚，以及基础设施薄弱的印度、尼日利亚与拉美部分地区，THM污染风险尤为突出。欧盟通过《98/83/EC饮用水水质指令》设定统一标准，成员国可制定更严格限值，西班牙、意大利与法国均沿用100 μg/L的欧盟标准。西班牙《皇家法令3/2023》规定THM限值为100 μg/L（以溴二氯甲烷、溴仿、氯仿及二溴一氯甲烷总和计），并将于2026年起强制监测卤乙酸（HAA）。该国2560座DWTP日均处理水量23.16 Hm3，61.2%采用含氯消毒剂，2023年40663份出厂水全分析中98.91%符合THM限值，超标事件主要集中在瓜迪亚纳、埃布罗及北部流域，且与2023年西班牙创纪录高温（较1991-2020基准期高1.3°C）及降水异常密切相关。月度降水数据显示，研究流域降水较基准期显著偏离，旱涝急转现象导致NOM脉冲输入，提升了氯化过程中的DBP生成风险。地中海气候区夏季与秋季THM浓度通常较高，与高温、低流量下的溴化物浓缩及NOM活性增强有关，凸显了构建气候韧性处理系统的紧迫性。
4. 4.
   研究方法
   本研究采用系统性文献综述法，检索Web of Science、Scopus及官方机构数据库，关键词包括“trihalometane”“饮用水”“去除”“氯化”“前体物”及“气候变化”，聚焦近15年文献，筛选标准为相关性、发表时间、引用频次及实证数据完整性。1990-2024年全球THM相关出版物呈持续上升趋势，但2005年后篇均年引用量显著下降，可能源于期刊数量扩张及发达国家通过替代消毒技术控制THM后研究重心转移。学科分布显示，47.2%文献属于环境科学领域，14.5%属化学领域，12.2%属工程领域，健康科学领域占比亦不容忽视，反映学界对THM健康风险的关注。关键词共现分析识别出四大主题簇：核心簇（深紫色）涵盖“THM”“消毒”“DBP”等基础术语，代表早期研究焦点；技术簇（黄绿色）聚焦臭氧化、过滤、活性炭吸附等去除技术，反映2015-2017年的研究热点；工艺簇涉及混凝、膜过滤、超滤及NOM等前体物控制，体现预防性策略转向；机制簇关注腐殖质、生物降解、吸附及反应动力学，代表近年分子层面的研究深化。整体而言，THM去除研究已从副产物识别与健康风险评估，转向可持续 mitigation技术开发，为后续章节的技术分类与效能分析奠定基础。
5. 5.
   驱动三卤甲烷生成的气候因子
   THM生成受化学、环境与操作变量的耦合调控，pH、氯投加量、接触时间与水温是核心控制参数。气候变化通过改变这些驱动因子的作用强度与交互模式，显著提升DBP生成风险。水文循环加剧导致干旱与洪水频率上升，枯水期污染物浓缩，丰水期沉积物、营养盐与NOM输入增加，共同提升氯化过程中的DBP生成潜力。暴雨与高流量常伴随浊度与溶解性有机物升高，干旱后强降雨可冲刷累积的NOM进入水库，野火产生的热解径流则在灾后数月内持续提升溶解性有机碳（DOC）/溶解性有机氮（DON）与THM前体物浓度，对处理工艺构成严峻挑战。

5.1. NOM与浊度对三卤甲烷生成的影响

NOM是THM与HAA等DBP的首要前体物，包含腐殖酸、富里酸等含酚羟基、羧基的反应性官能团，其浓度（以总有机碳TOC或溶解性有机碳DOC计）与THM生成呈正相关。尽管浊度与NOM存在关联，但前者反映悬浮颗粒（黏土、 silt、藻类等的综合水平，后者特指溶解性有机物。研究显示浊度与三氯甲烷的Spearman秩相关系数为0.351（p<0.01），呈弱正相关但仍可作为DWTP运行稳定性的关键指示指标。NOM组分中，疏水性酸性组分（尤其是腐殖酸）因富含卤代反应位点，对THM生成的贡献最大，其芳香度、紫外吸光度（UV₂₅₄）及官能团组成是预测反应活性的关键参数。气候变暖通过“褐变”现象提升地表水色度与DOC浓度，极端事件引发的NOM脉冲则导致短期内THMFP飙升，迫使水厂提高混凝剂投量。流域尺度研究证实，DOC对气候变化的响应存在显著空间异质性：积温升高提升基线DOC浓度，夏季有效降水减少促进土壤DOC累积，暴雨事件则引发DOC冲刷，导致浓度波动加剧。地下水因水质稳定，可作为应对地表水水质波动的替代水源。

5.2. 温度与季节变化对三卤甲烷生成的影响

水温通过提升反应分子动能显著降低卤代反应活化能，加速氯与有机前体物的反应速率，是THM生成的关键驱动因子。升温同时促进NOM降解，释放更多反应性前体物，并改变营养盐循环过程，提升沉积物氮磷释放速率，加剧水体富营养化与藻华风险，间接增加DBP前体物负荷。模型预测显示，平均气温升高1.8°C可导致夏季THM浓度上升39%，且高温常与高DOC浓度协同作用。季节动态方面，春季与夏季原水THM前体物浓度较高，与水温升高加速生物活动及化学反应有关；雨季径流输入大量NOM，旱季则因蒸发浓缩提升溴化物浓度，导致溴代THM占比上升——这类物质具有更高的毒理学显著性。地中海气候区THM峰值通常出现在夏末秋初，与高温、低流量及溴化物浓缩密切相关。西班牙巴塞罗那的监测数据显示，干旱与高温事件后5天THM浓度显著上升，凸显了季节性操作预案与预测模型的必要性。

5.3. 消毒操作条件对三卤甲烷生成的影响

pH通过改变化学环境调控卤代反应路径，碱性条件（pH升高）通常促进THM生成，需在前处理阶段精准控制。氯投加量与THM生成呈非线性关系，超过临界阈值后继续增加氯剂量不会显著提升THM产量，因此优化投加量是平衡消毒效能与副产物控制的核心。长管网停留时间会加剧氯衰减与余氯消耗，而升温（尤其是城市热岛效应）会进一步加速余氯分解，可能导致嗜肺军团菌等耐热机会性病原体增殖，若通过提升氯投量补偿衰减则可能陷入THM生成增加的恶性循环。溴离子浓度是调控THM组分的关键因素，即便ppb级浓度的溴离子也可竞争卤代反应位点，依次生成溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷与溴仿，这类溴代THM的健康风险显著高于氯仿。此外，低效混凝导致的残余有机物、 turbidity提供的反应界面等因素也会间接促进THM生成，需通过预处理工艺优化予以控制。

1. 6.
   三卤甲烷减排先进技术
   THM控制策略可分为消毒前预防（前处理）与生成后去除（后处理）两大类。前处理聚焦NOM等前体物削减，后处理则直接去除已生成的THM，二者集成可实现全流程管控。

6.1. 消毒前处理技术

预防性策略通过源头削减NOM，不仅能降低THM生成，还可减少消毒剂用量、降低运营成本与环境负荷，是更具可持续性的长期方案。主要技术包括NOM去除、替代消毒剂应用及杂化工艺开发。

6.1.1. NOM去除技术

混凝-絮凝工艺通过铝盐、铁盐及复合生物絮凝剂去除疏水性NOM，成本低廉但污泥产量大，效能受pH与碱度影响；吸附技术中，活性炭（AC）对芳香族化合物吸附效率高，可改善水的感官性状，但存在溴化物干扰与吸附容量衰减问题；离子交换膜适用于高有机负荷水体，但在高氯环境下效能受限；纳米颗粒与磁性纳米复合材料兼具抗菌性能与热稳定性，但成本较高且可能产生残留；超滤（UF）与纳滤（NF）可截留低分子量前体物与溴化物，但面临膜污染与高能耗挑战；生物滤池则通过微生物降解去除大分子疏水性有机物，需配套后续消毒工艺。极端事件下，需动态调整混凝剂种类、投加量及pH，优化絮凝搅拌强度与时间，并通过调节滤速、反冲洗周期缓解高浊度冲击。

6.1.2. 替代消毒剂应用

二氧化氯与臭氧等替代氧化剂可显著降低THM前体物活性。臭氧通过分解大分子有机物为易生物降解的小分子，提升后续生物过滤效能，减少NOM与氯的反应活性；二氧化氯作为预氧化剂可修饰THM前体物结构，降低氯耗与卤代副产物生成，尤其在富溴水体中优势明显；紫外（UV）辐射单独使用对NOM降解有限，但与H₂O₂或臭氧联用的高级氧化工艺可提升小分子有机物矿化效率；高铁酸盐（VI）能在中性至碱性条件下氧化NOM，且不与溴离子反应生成卤代副产物；高锰酸钾则常作为辅助预氧化剂用于杂化工艺体系。

6.1.3. 杂化技术

工艺集成是突破单一技术瓶颈的关键路径。预臭氧化-混凝联用可提升前体物去除率；FeCl₃-粉末活性炭（PAC）组合对UV₂₅₄与DOC的去除效率显著优于单一工艺，可有效削减低分子量有机物；生物离子交换（BIEX）通过微生物降解与离子交换协同作用，无需化学再生即可持续去除DBP前体物；光芬顿工艺在中性pH条件下可实现90%以上的DOC与UV₂₅₄去除率，大幅降低THMFP；Fe(II)/Fe(III)-S(IV)-Air氧化预处理利用自由基反应矿化有机物，终产物无毒，环境友好性突出。膜杂化技术中，臭氧-纳滤（O₃/NF）组合对THM前体物去除率超90%，陶瓷膜-混凝联用能高效截留疏水性DOM，催化臭氧化-陶瓷膜工艺则通过减缓膜污染提升运行稳定性。尽管杂化技术效能卓越，但高资本投入、复杂运维需求及潜在副产物生成风险限制了其大规模推广，未来需通过材料创新与工艺优化降低成本。

6.2. 消毒后处理技术

后处理技术作为前处理的补充，在极端水质波动导致THM超标时发挥关键作用，主要包括物理分离、吸附与高级氧化三类路径。

6.2.1. 曝气技术

曝气利用THM的高挥发性，通过气液传质将其从液相转移至气相，操作简单、成本低且无二次污染，适用于中小型水厂。表面曝气适用于中小规模系统，鼓泡塔、冷却塔与喷淋曝气则用于大型工程。但曝气对高分子量THM去除效率有限，在高NOM水体中需配套预处理，且需控制尾气排放与能耗。

6.2.2. 吸附技术

活性炭（AC）是传统吸附材料，其疏水性决定了吸附效率遵循溴仿>二溴一氯甲烷>溴二氯甲烷>氯仿的规律；金属改性AC（如零价铁、银负载）与锌铁共浸AC可同步提升THM与NOM去除效能，且可由椰壳、象草等可再生资源制备，可持续性突出。碳纳米管（CNT）凭借高比表面积与中空结构，对THM吸附容量优异，直径5.5 nm的CNT可实现饮用水中THM完全去除，酸改性可进一步提升其对极性分子的亲和力。磁性纳米颗粒（如Fe₃O₄-MnO₂复合颗粒）对溴仿去除率达100%，且可通过外加磁场快速分离，降低运行成本。聚合物吸附剂（如β-环糊精、壳聚糖）则通过疏水作用与分子识别机制实现对溴代THM的高选择性吸附。

6.2.3. 高级氧化工艺

高级氧化工艺（AOPs）通过生成羟基自由基等活性物种矿化THM，避免污染物相转移。伽马辐射通过水分子解离产生的自由基降解THM，溴代化合物更易被去除，但需优化辐射剂量以实现完全矿化；光芬顿工艺在UV-C照射下可同步降解THM与致嗅物质，相比臭氧工艺能耗更低；基于TiO₂、ZnO等宽禁带半导体的非均相光催化技术，结合硫酸根自由基与过一硫酸盐氧化剂，在太阳能丰富的地中海地区应用潜力巨大。

6.2.4. 膜分离技术

膜技术通过疏水吸附与尺寸排阻协同去除THM及其前体物。功能化氧化石墨烯膜（如-F基团修饰）比-OH与-H基团修饰膜表现出更优的分离性能；纳米级孔径可实现对THM的高效截留，但膜污染会导致疏水性下降，尤其影响溴代与碘代THM的去除效率。多段反渗透（RO）系统通过“疏水吸附-尺寸排阻”机制的阶段互补，在后期阶段仍能维持高分离效率，提升水回收率并降低能耗。

1. 7.
   三卤甲烷减排技术对比分析
   预处理阶段的膜生物反应器（MBR，如NS-MBR、A/O-MBR）对DOC与THM的去除率普遍超过90%；FeCl₃+PAC杂化工艺对UV₂₅₄与THMFP的去除率分别达94%与95%，表现稳健。后处理阶段的碳纳米管与表面改性磁性纳米颗粒在特定条件下可实现近100%的THM去除，但受限于高成本与实验室尺度限制，难以大规模推广。传统混凝工艺（如聚合氯化铝、明矾）在标准水质下仍具适用性，但对高有机负荷与pH波动的耐受性较差。曝气技术因受气液平衡限制，去除率相对较低（26%-72%），但凭借低成本优势可作为应急补充手段。整体而言，需根据水源特征、成本约束与处理目标，构建“预处理-后处理”协同的工艺体系，以满足日益严格的法规要求。未来研究亟需评估各类技术在极端水质情景下的运行稳定性，将韧性、可靠性与风险指标纳入DWTP的设计、运维与评估全生命周期。
2. 8.
   三卤甲烷控制未来展望
   THM管控需构建“预防-过程控制-末端去除”的多层级策略，技术选择应综合考虑水源水化学特征、成本效益与气候适应性。前体物削减技术是保障水质安全的核心，需与后处理技术协同以应对降水格局变化带来的水质冲击。膜分离、杂化混凝-吸附等预处理技术对DOC与THM的去除率稳定在90%以上，碳纳米管与磁性纳米颗粒等后处理技术虽效能卓越，但需突破成本与规模化瓶颈。常规混凝工艺在极端水质条件下的效能衰减问题亟待解决，而极端事件模拟下的技术韧性评估仍是研究空白。未来需进一步整合预测模型与自适应管理框架，推动水处理系统从“被动应对”向“主动适应”转型，最终实现气候变化背景下饮用水安全的可持续保障。