消毒副產物之簡介

自來水處理當中的消毒程序，成功地控制住水媒傳染病的傳播，大幅改善了 飲用水的品質，提昇衛生水平，為二十世紀以來公共衛生方面之重大成就。然而 消毒程序中運用之消毒劑通常具有較強之氧化能力，除了能有效殺死水中的致病 性微生物（如傷寒桿菌和霍亂弧菌等），亦會與水中之天然有機物或無機物（溴 化物或碘化物等）反應，生成具有基因毒性及致突變性之消毒副產物。

消毒副產物於 1970 年代首次被發現以來，逐漸受到重視，如今已被確認的 消毒副產物超過七百種(Matilainen and Sillanpää, 2010)，大致可分為以下幾類：

三 鹵 甲 烷 和 鹵 乙 酸 等 氯 系 消 毒 副 產 物 （ Halogenated DBPs ）、 鹵 乙 晴

（Haloacetonitriles, HANs）、鹵硝基甲烷（Halonitromethanes, HNMs）以及亞硝 胺（Nitrosamines）等氮系消毒副產物、醛類（Aldehydes）、酮類（Ketones）、羧 酸類（Carboxylic acids）、氯酸鹽（Chlorate）、亞氯酸鹽（Chlorite）及溴酸鹽類

（Bromate）等。美國環保署及其他國際組織等已針對部份消毒副產物建立法規 標準或相關準則（附錄一），規範或建議這些消毒副產物於飲用水中可容許之最 高濃度。中華民國行政院環保署所公佈之飲用水水質標準亦對部份消毒副產物訂 定相關規範（表 2-1）。由此可知，世界上無論是開發中或已開發國家，皆對於消 毒副產物的問題十分重視。

現今消毒程序最常使用的消毒劑為次氯酸（Hypochlorite）、臭氧（Ozone）、

二氧化氯（Chlorine dioxide）以及氯胺（Chloramine），不同的消毒劑與天然有 機物反應，會產生不同的消毒副產物種類或比例，此外像是天然有機物組成和濃 度、pH值、溫度、消毒劑濃度以及消毒反應時間皆會影響消毒副產物之生成 (Krasner, 2009)。

長久以來，以次氯酸作為消毒劑進行消毒反應，眾所皆知地，會產生大量的 三鹵甲烷及鹵乙酸，也因此三鹵甲烷為最早被發現之消毒副產物，亦被研究得較 為透徹。為了控制三鹵甲烷及鹵乙酸生成並同時達到消毒之目的，開始尋找替代 消 毒 劑 ， 前 人 研 究 發 現 ， 以 氯 胺 或 是 臭 氧 氧 化 後 接 續 加 氯 消 毒

（Ozonation-chlorination）之方式等，可有效控制三鹵甲烷和鹵乙酸生成，但卻 可能促進其他新興消毒副產物生成，如氮系消毒副產物(Krasner, 2009; Lee et al., 2007b)。然而台灣現行之飲用水水質標準，為了控制配水系統中微生物再生情形，

規範飲用水的自由有效餘氯濃度需在0.2～1.0 mg/L，也就是說，無論選擇何種消 毒劑進行前氧化動作，最後仍需進行加氯消毒，如此一來，三鹵甲烷和鹵乙酸生 成及控制之難題始終存在。

因次，綜合上段歸納出來之原因，無論是三鹵甲烷和鹵乙酸，或是新興消毒 副產物之一的氮系消毒副產物，仍需經過徹底研究及探討，故本實驗對於消毒副 產物之分析，將以這兩類消毒副產物為主。三鹵甲烷與鹵乙酸及氮系消毒副產物 之相關訊息將利用以下兩小節做一基本介紹。

表 2-1 行政院環保署公佈之飲用水水質標準對於部份消毒副產物之規範

（Dichlorobromomethane, DCBM）、二溴一氯甲烷（Dibromochloroform, DBCM）

及三溴甲烷（Tribromomethane）即溴仿（Bromoform）。

三鹵甲烷主要來自於水中自由餘氯與天然有機物反應而生，以氯胺作為消毒 劑，可大幅減少三鹵甲烷生成。溴仿主要來自於臭氧與含有高濃度溴化物之水源 反應而成。若以二氧化氯作為消毒劑，通常不會有三鹵甲烷產生，除非二氧化氯 純度不佳，才會產生少量之三鹵甲烷(Richardson et al., 2007)。

三鹵甲烷與鹵乙酸為自來水中最常見之消毒副產物，其中鹵乙酸含量傴次於 三鹵甲烷。鹵乙酸結構為乙酸第二個碳上的氫被不同的鹵素取代，形成不同的鹵

乙酸。雖然中華民國行政院環保署所公佈之飲用水水質標準（表2-1）尚未對鹵 乙酸進行規範，但美國環保署卻已訂定總鹵乙酸在飲用水中最高污染濃度

（Maximum contaminant level, MCL）為60 μg/L（附錄一），包括：一溴乙酸

（Monobromoacetic acid, MBAA）、二溴乙酸（Dibromoacetic acid, DBAA）、一 氯乙酸（Monochloroacetic acid, MCAA）、二氯乙酸（Dichloroacetic acid, DCAA）

以及三氯乙酸（Trichloroacetic acid, TCAA）。

以氯胺作為替代消毒劑，能大量減少三鹵甲烷與鹵乙酸生成。雖然以二氧化 氯為消毒劑能大量減少三鹵甲烷生成，但仍然會產生鹵乙酸，其中以二氯乙酸、

一氯一溴乙酸和二溴乙酸為主。臭氧同樣被證實能減少三鹵甲烷與鹵乙酸生成，

但在溴含量高的水源中，仍然可能形成二溴乙酸(Richardson, 2003)。四種已被規 範之三鹵甲烷（如本節第一段所述）尚無直接證據證實具有基因毒性，但對於囓 齒類動物擁有較高之致癌性。五種已被規範之鹵乙酸（如本節第三段所述）只有 部份種類具有基因毒性，其中含溴鹵乙酸的基因毒性大於含氯鹵乙酸。二氯乙酸、

三氯乙酸及二溴乙酸對於囓齒類動物皆有致癌性(Richardson et al., 2007)。

2.3.2 氮系消毒副產物

氮系消毒副產物屬於尚無明確管制標準之消毒副產物，雖然其於自來水中的 濃度低於三鹵甲烷與鹵乙酸，但在一般認知下，無論是基因毒性或是致突變性皆 高於三鹵甲烷與鹵乙酸(Krasner, 2009)。

氮系消毒副產物包括鹵乙晴、鹵硝基甲烷以及亞硝胺等，其中常見的鹵乙晴 包 含 Dichloroacetonitrile （ DCAN ）、 Trichloroacetonitrile （ TCAN ）、

Bromochloroacetonitrile（BCAN）與 Dibromoacetonitrile（DBAN）。氯、氯胺、

二氧化氯以及臭氧與水中天然有機物反應皆會產生鹵乙晴，但以氯胺作為消毒劑 所產生的鹵乙晴濃度最高(Richardson et al., 2007)。DCAN 以及其他鹵乙晴之生成 機制亦可能為胺基酸（Amino acid）、鍵結在腐質物質上之胺基酸、核酸上的含 氮雜環族（Heterocyclic nitrogen）或是蛋白質等，與氯反應而成(Lee et al., 2007b)。

鹵硝基甲烷的結構為，硝基甲烷碳上的三個氫被溴或氯取代，共有九種物種，

其中Trichloronitromethane（TCNM）及氯化苦（Chloropicrin）於飲用水中最為常 見。當以氯、氯胺、臭氧-氯及臭氧-氯胺進行消毒反應，便會生成這類消毒副產 物。且若以臭氧進行前氧化，再以氯或氯胺進行後消毒作用後，鹵硝基甲烷的生 成量會大幅提昇(Chiang et al., 2010; Hu et al., 2010)。且氯化苦以及其他鹵硝基甲 烷與水中亞硝酸鹽（Nitrite）含量有關(Krasner, 2009)。

不同於鹵乙晴與鹵硝基甲烷，亞硝胺類（Nitrosamies）為非鹵素置換氮系消 毒 副 產 物 （ Non-halogen substituted N-DBP ）， N- 亞 硝 二 甲 胺

（N-Nitrosodimethylamine, NDMA）即為亞硝胺類消毒副產物中最常見的一種。

雖然在廢水中擁有較多 NDMA 之前驅物質(Krasner, 2009)。亦有研究指出，

NDMA 大部分來自於某些食品、飲料及受污染之地下水和空氣(Mitch et al., 2003)，

但 NDMA 已近年來研究人員在飲用水中偵測到 NDMA 後，NDMA 已被確定為 消毒副產物之一，此汙染物也開始逐漸被重視，目前美國環保（USEPA）已將 NDMA 分類為可能致癌物質（Class B2）。許多採用氯胺作為消毒劑之淨水廠，

會產生較大量之 NDMA(Richardson et al., 2007)。在加氯消毒下，只要水中含有 天然氨氮成份，或是在混凝程序時，使用含氮的混凝劑，皆會產生少量之 NDMA(Andrzej et al., 2003)。