飲用水消毒工藝的發(fā)展

唐勵文　周柏明

摘 要：飲用水中常見的消毒工藝包括液氯、次氯酸鈉、氯胺、二氧化氯、臭氧和紫外線等，使用上，液氯消毒操作簡單，技術(shù)成熟，使用廣泛，但存在一定的風(fēng)險。從消毒能力來說，臭氧和次氯酸鈉都比較強，而液體的次氯酸鈉比臭氧更好管理一些。紫外線消毒沒有消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生，且操作簡單、安全，是今后可能取代化學(xué)消毒法的綠色環(huán)保的消毒方法。二氧化氯是目前國際公認(rèn)的一種高效，低毒，快速，廣譜的第四代新型滅菌劑，更適于給水消毒工藝。該文通過闡述其消毒原理、消毒副產(chǎn)物以及應(yīng)用局限性，指出各種方法的優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：飲用水 消毒 原理 消毒副產(chǎn)物

中圖分類號：R12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0076-03

Abstract：The common disinfecting process of drink water includes liquid chlorine，chloramines，chlorine dioxide， ozone and ultraviolet rays etc.The use of chlorine disinfection is simple，mature and widely used，but still at risk. From the disinfection ability，ozone and NaClO are relatively strong，while the liquid sodium hypochlorite is managed better than ozone.Ultraviolet disinfection is not produced disinfection byproduct，and the operation is simple and safe.It is a green environmental protection method in the future.Chlorine dioxide is a highly effective， low toxic，fast and broad spectrum of the fourth generation of new sterilization disinfectant，which is more suitable for water supply and disinfection process.In this paper，the advantages and disadvantages of various methods are pointed out by expounding the principles of disinfection，disinfection by-products and application limitations.

Key Words：Drinking water；Disinfection；Principle；Disinfection by-products

隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，對飲用水水質(zhì)的要求也越來越高。但現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的發(fā)展迅猛，通過各種途徑進(jìn)入水源水體的有機物質(zhì)越來越多，導(dǎo)致河流、地下水等飲用水水源的水質(zhì)不斷惡化。另外，伴隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，某些病原微生物諸如賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲等被檢出。為保障飲用水的微生物安全性，通常會對其進(jìn)行消毒。漂白粉被應(yīng)用于飲用水的消毒始于1820年。之后，化學(xué)消毒劑在種類和使用方法上不斷發(fā)展，消毒方式也不局限于化學(xué)藥劑，一些物理方法也被應(yīng)用于消毒工藝中，如紫外線和膜處理等。飲用水中常用的消毒方式包括液氯、次氯酸鈉、氯胺、二氧化氯、臭氧和紫外線等。現(xiàn)就近幾年飲用水消毒工藝應(yīng)用作簡單闡述。

1 液氯

1.1 消毒原理和方法

氯的分子式為Cl2，在常溫常壓態(tài)下為黃綠色氣體，經(jīng)壓縮成液體后存儲于鋼瓶中，故又稱為液氯。液氯是迄今為止最常用的消毒方法，液氯主要通過氯氣溶于水后生成的次氯酸來消毒。次氯酸能夠擴散到帶負(fù)電的微生物表面并穿透其細(xì)胞壁到內(nèi)部，通過氧化作用使細(xì)菌死亡。HOCl或OCl-形態(tài)的氯稱為游離性余氯，pH值越低，HOCl對細(xì)菌的殺滅能力越強。

1.2 消毒副產(chǎn)物

液氯及其水解物次氯酸會與水中天然的有機物（如腐植酸、富里酸、藻類）和無機物（如溴化物）發(fā)生取代、加成和氧化反應(yīng)，生成超過300種副產(chǎn)物。其中，三鹵甲烷和鹵乙酸是對人和動物有危害的DBPs物種。有研究發(fā)現(xiàn)，在消毒副產(chǎn)物的總致癌風(fēng)險中，鹵乙酸的致癌風(fēng)險占91.9%以上；而三鹵甲烷的則小于8.1%[1]。

1.3 應(yīng)用和局限

液氯消毒操作方便，成本較低，消毒能力強且作用持久，已成為目前給水系統(tǒng)中最為經(jīng)濟有效的消毒技術(shù)，但其消毒后生成的消毒副產(chǎn)物對人體存在健康隱患。隨著人們健康意識的加強，越來越關(guān)注液氯消毒副產(chǎn)物的危害性，因此，液氯消毒有被其他消毒方式逐步代替的趨勢。

2 次氯酸鈉

2.1 消毒原理和方法

次氯酸鈉，化學(xué)式NaClO，有較強的漂白作用，性質(zhì)不穩(wěn)定，受潮濕和光、熱的影響易喪失有效成分，一般采用次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制取和使用。次氯酸鈉的滅菌大致有3種方式。

第一種也是最主要的方式是通過水解形成次氯酸，次氯酸再進(jìn)一步分解形成新生態(tài)氧，新生態(tài)氧的強氧化性使菌體和病毒上的蛋白質(zhì)變性，從而殺滅病源微生物。第二種方式，次氯酸不僅可作用于細(xì)胞壁、病毒外殼，而且因次氯酸不帶電荷且分子小，可滲透入菌（病毒）體內(nèi)，與菌（病毒）體蛋白、核酸以及酶等有機高分子發(fā)生氧化反應(yīng)，來殺滅病原微生物。第三種，次氯酸生成的氯離子能顯著改變菌（病毒）體的滲透壓，使其細(xì)胞失活而死亡。

2.2 消毒副產(chǎn)物

次氯酸鈉為含氯消毒劑，主要也是由氯代消毒副產(chǎn)物對人畜產(chǎn)生影響，同時，次氯酸鈉消毒可能增加氯酸鹽、次氯酸鹽和溴酸鹽等無機物副產(chǎn)物。

2.3 應(yīng)用和局限

使用次氯酸鈉發(fā)生器制取次氯酸鈉消毒液的最大優(yōu)點是隨產(chǎn)隨用，無需外購和儲存，不存在氯氣泄漏等危害。其缺點是電極表面易腐蝕，維修難度較大。次氯酸鈉消毒工程建設(shè)投資費用低、經(jīng)濟實用、運行安全，適合于小型水廠的應(yīng)用。

3 氯胺

3.1 消毒原理和方法

氯胺是通過氯和氨反應(yīng)生成。當(dāng)水中氨氮含量低于0.05 mg/L時，便在加氯前先投加氨或銨鹽，再加氯使之生成化合性氯叫氯胺。當(dāng)Cl2∶N<5∶1時，氯與氨氮只形成一氯胺，氯胺消毒一般采用該比例范圍；5∶1

3.2 消毒副產(chǎn)物

氯胺消毒產(chǎn)生的副產(chǎn)物主要是一些親水性化合物，如三氯乙醛、鹵化腈等。與液氯消毒比，氯胺消毒生成的消毒副產(chǎn)物明顯減少，但還沒解決三鹵甲烷等有機鹵代物的問題。此外，近年來研究的熱點轉(zhuǎn)為具有強致癌風(fēng)險性的亞硝胺類消毒副產(chǎn)物[2]，而氯胺消毒產(chǎn)生的亞硝胺類物質(zhì)比氯消毒風(fēng)險更大。

3.3 應(yīng)用和局限

氯胺的滅菌作用較弱，但氯胺比氯穩(wěn)定，可以在維持較好滅菌效果的同時避免副產(chǎn)物的產(chǎn)生，也可以祛除水在嗅覺和味覺上對人的刺激。氯胺經(jīng)常與其他消毒方式聯(lián)用，如氯胺與氯的聯(lián)用，應(yīng)用在長距離的配水管線中，保證消毒效果和持久性，同時又能減少三鹵甲烷的產(chǎn)生。與高錳酸鉀聯(lián)用，在消毒效果上有協(xié)同作用。

4 二氧化氯

4.1 消毒原理和方法

二氧化氯為紅黃色有強烈刺激性臭味氣體。遇熱水則分解成次氯酸、氯氣、氧氣，光照也易分解，其溶液于冷暗處相對穩(wěn)定。二氧化氯性質(zhì)活潑極不穩(wěn)定，難以用鋼瓶壓縮貯存，一般多在現(xiàn)場制備。二氧化氯對微生物的細(xì)胞壁具有很好的穿透力和吸附能力，能阻止微生物蛋白質(zhì)的合成而死亡。氣體二氧化氯溶于水時以ClO2分子存在，有利于在水中擴散，其滅菌效果為氯氣的10倍，次氯酸鈉的2倍，抑制病毒的能力也比氯高3倍，比臭氧高1.9倍。因此應(yīng)用于飲用水消毒時具有用量少、滅菌快等特點。

4.2 消毒副產(chǎn)物

有研究認(rèn)為，二氧化氯的消毒作用是通過氧化作用破壞微生物的代謝，因此，二氧化氯與水中天然有機物發(fā)生的是氧化反應(yīng)而非氯取代作用，不易產(chǎn)生三鹵甲烷，有效地控制了氯代副產(chǎn)物的生成[3]。

二氧化氯與其他化合物反應(yīng)會生成亞氯酸鹽和氯酸鹽等無機副產(chǎn)物。未有研究數(shù)據(jù)表面二氧化氯和亞氯酸鹽具有致癌性。

4.3 應(yīng)用和局限

二氧化氯是目前國際公認(rèn)的一種高效，低毒，快速，廣譜的第四代新型滅菌劑。與液氯、氯胺相比，二氧化氯具有不生成有機鹵代物、受pH影響小、氧化能力強等優(yōu)勢；與臭氧、紫外線相比，二氧化氯有持續(xù)性強的優(yōu)勢，因此更適用于給水消毒工藝。除消毒外，二氧化氯還可將水中引起臭味的硫化氫、硫醇等物質(zhì)氧化分解為無毒無味的硫酸或磺酸，能將氰類和酚類等有毒物質(zhì)氧化降解為氨根離子和簡單的有機物。二氧化氯具有脫色、除臭、除味等凈水功能，未來會替代液氯等傳統(tǒng)方法。

5 臭氧

5.1 消毒原理和方法

臭氧，是氧的同素異形體，有極強的氧化能力，穩(wěn)定性極差，常溫下自行分解為氧，在水中的溶解度為3%。臭氧具有極強的氧化性，因此被世界公認(rèn)是一種廣譜高效滅菌劑，它的氧化能力比氯高1倍，滅菌比氯快600～3 000倍，幾秒鐘內(nèi)就可以殺死病源微生物。臭氧能氧化有機物，去除水中的色、味，降低水的渾濁度，還可去除水中溶解性的鐵、錳鹽類及酚等，有效改善水質(zhì)。

5.2 消毒副產(chǎn)物

在臭氧消毒產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物中，有機的副產(chǎn)物主要是甲醛，無機的副產(chǎn)物主要是溴酸根離子。《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）甲醛和溴酸根的限值分別是0.9 mg/L和0.01 mg/L。目前人們研究的熱點主要集中在如何能夠在有效地殺死水中的病源微生物同時又能控制溴酸根在限值以下[4]。

5.3 應(yīng)用和局限

臭氧滅菌徹底，無殘留，是一種無污染的消毒劑。臭氧消毒作為氯消毒的替代方法，應(yīng)用范圍越來越廣。但臭氧的制備工藝復(fù)雜，設(shè)備費用較高，需配備專業(yè)人員進(jìn)行日常維護(hù)和保養(yǎng)，且臭氧本身極易分解，消毒持久性差，對管網(wǎng)無剩余保護(hù)，在推廣使用上受到一定限制。

6 紫外線

6.1 消毒原理和方法

紫外線按波長范圍分為A、B、C3個波段和真空紫外線，A波段320～400 nm，B波段275～320 nm，C波段200～275 nm，真空紫外線100～200 nm。飲用水消毒用的是C波段紫外線，而殺菌作用最強的波段集中在250～270 nm。紫外線消毒是利用適當(dāng)波長的紫外線能夠破壞微生物細(xì)胞中核酸分子結(jié)構(gòu)，造成細(xì)胞死亡而達(dá)到殺菌的效果。

6.2 消毒副產(chǎn)物

紫外線消毒無任何二次污染，不殘留任何有毒物質(zhì)，不影響水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分。

6.3 應(yīng)用和局限

紫外線消毒無消毒副產(chǎn)物生成，但是要求水體有一定的透明度，水中的懸浮物，有機物和氨氮都會影響紫外線的傳播，進(jìn)而影響消毒效果；另外紫外線消毒對管網(wǎng)水無保護(hù)作用。盡管如此，紫外線消毒仍是目前世界上最先進(jìn)、最有效、最經(jīng)濟的水體消毒方法，在經(jīng)濟發(fā)達(dá)國家已被廣泛使用，在我國也越來越被重視。

7 結(jié)語

消毒一直是飲用水處理的核心問題。理想的消毒劑應(yīng)對人體無毒、無刺激性，并能迅速釋放殺滅病源微生物，且耐儲存，操作簡單方便，易于普及。因此，尋求滿足以上諸多要求的消毒劑和消毒方法是目前飲用水消毒技術(shù)發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)

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