消毒工藝在水處理中運用的進展

魏宇航，林英姿，b

（吉林建筑大學 a.市政與環境工程學院；b.吉林建筑大學 松遼流域水環境教育部重點實驗室，吉林 長春 130118）

近年來，全球出現了嚴重的環境威脅，改善水質仍然是衛生項目的首要任務。快速的城市化、人口爆炸以及人類活動的加劇給資源造成了巨大的負擔，導致水資源惡化和枯竭[1]。即使在衛生標準較高的國家，水傳播疾病的發病率仍然很高，要求采用先進技術保障飲用水安全。各種水質參數通常與微生物污染有關，這需要危險的水病原體[2]失活。

水消毒作為一種公共衛生措施可以減少疾病的傳播。可采用多種消毒技術來滿足水中病原菌的滅活需求。本文主要論述氯消毒、紫外消毒和高級氧化消毒。

1 氯消毒

氯被認為是最便宜和最好的消毒劑之一，用于使微生物失活。在向水中添加氯時，一部分氯首先與存在的無機和天然材料及金屬發生反應，無法進行消毒，這稱為水的氯需求量，其余氯稱為總氯。總氯分為化合氯和游離氯。當與無機物（如硝酸鹽等）和有機含氮分子（如尿素等）結合時，組合氯作為弱消毒劑無法進行消毒。游離氯是殘留的氯，可用于滅活病原體，它是水的可飲用性的一種度量。因此，組合氯和游離氯的總和即為所需的總氯。例如，當我們使用完全清潔且無任何污染物的水時，氯需求量將為零，而組合氯也將為零，因為水中不存在無機或有機物質。以這種方式，游離氯濃度將等于施加的氯。由于有機物的存在，尤其是在地表水供應中，將有氯需求，而組合氯將由硝酸鹽等無機化合物形成。游離氯為總氯需求量和組合氯需求量之和。

對于氯消毒來說，如果消毒劑劑量過大或使用不當，會與有機和無機前體發生反應，并產生消毒副產物(DBPs)，對健康產生不利影響。在使用化學消毒劑時，所使用的化合物和/或其DBPs 的殘留物可在處理過的水中發現，可能對人體和水環境產生毒性作用。

現在的水處理中常用的氯消毒方式為游離氯消毒、氯胺消毒和二氧化氯消毒。

游離氯消毒法是現在國內大多數凈水廠采用的消毒方式，其具有多年的歷史，并且氯氣也是最早被人們用于飲用水消毒的消毒劑。游離氯消毒法殺菌的原理是當游離氯溶于水后會產生一種強氧化劑即次氯酸(HClO),它能夠穿過細胞壁,破壞細胞膜,殺滅細菌以達到消毒的目的。

游離氯消毒會產生消毒副產物(DBPs)，因為游離氯消毒的廣泛性，其消毒副產物的研究也較多,有研究表明,會產生三鹵甲烷和鹵乙酸等消毒副產物,而這些物質都具有潛在的致癌性[3]。

氯化消毒產生的DBPs 會對人體健康造成的危害，這使得人們對其給予了越來越多的關注,人們開始尋找氯化消毒的替代消毒方法。盡管其他消毒方式有其獨特優點,但其相對于氯消毒仍有不足,且在工程技術應用上不夠成熟。因此,可以預見在未來很長的一段時期內,水廠的主流消毒方式仍是游離氯消毒。

氯胺是水中游離氯與氨離子反應生成的消毒中間產物。根據氯取代氫的數量進行區分。主要包括一氯胺、二氯胺和三氯胺，其中只有一氯胺和二氯胺具有消毒滅菌作用。氯胺消毒法的作用機理與游離氯消毒法相似。一氯胺和二氯胺通過細胞壁，破壞細胞膜，破壞細菌中的核酸，達到消毒滅菌的目的。

Carison M 等[5]表明,氯胺消毒法可以有效減少非揮發性消毒副產物(如HAAs)和揮發性消毒副產物三鹵甲烷(THMs)的產生。Norton C D 等[6]研究了氯胺消毒對管網水質的影響,結果顯示,與游離氯消毒法相比,氯胺消毒在管網中產生的消毒副產物明顯減少。

氯胺的消毒效果比游離氯差，游離氯的氧化能力也稍弱，因此氯胺被視為二級消毒劑。但與游離氯消毒相比，氯胺消毒具有更好的穩定性。因此，國內許多水廠都采用氯胺消毒代替游離氯消毒。

C1O2是一種強氧化劑和高效殺菌劑,它能殺滅所有微生物,穿過細胞壁，氧化細胞內的酶，抑制細胞內蛋白質的合成，從而殺滅微生物，作為消毒劑，C1O2廣泛應用于飲用水消毒領域。目前，北美有數千家水廠使用二氧化氯消毒，而一些歐洲國家也使用二氧化氯消毒[7]。Lopez A 等[8]曾對ClO2與氯化降解飲用水水源中的莠滅凈和異丙隆進行了對比,在相同實驗條件下,氯化降解莠滅凈的速度大于C1O2,而降解異丙隆時則相反,C1O2更快。

二氧化氯消毒應用范圍廣，能顯著改善水的色度和口感。二氧化氯氧化消毒能力受溫度和氨影響較小，在較寬的pH 值范圍內保持較高的消毒效率。是一種安全有效的飲用水消毒方法。與游離氯和氯胺消毒相比，二氧化氯消毒幾乎不會產生三鹵甲烷（THMs）等鹵化消毒副產物，但會產生更多的非揮發性消毒副產物（如HAAs）。

2 紫外消毒

紫外線（UV）輻射可以有效地滅活水中的各種微生物[9]，并越來越多地用于水消毒。與傳統的化學消毒（如氯化或臭氧消毒）相比，紫外線輻射具有許多優勢，例如不添加化學物質、不形成有害的消毒副產物（DBPs）以及不引入對細菌的消毒劑抗性[10]。但紫外線消毒沒有持續的消毒能力,只適用于初級消毒[11]。目前，世界上有7 000 多個市政紫外線消毒裝置[12]，小型家用紫外線消毒系統也可用[13]。據估計，2020年，紫外線消毒設備的全球市場達到28 億美元[14]。

其原理是，當紫外線波長范圍為200～300 nm時，紫外線輻射會破壞微生物細胞中的脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的分子結構，造成生長性細胞死亡和再生性細胞死亡，達到殺菌消毒的效果。

現有研究表明[15],在紫外消毒過程中起吸收紫外線的作用的主要物質是有機物，但一些大顆粒有機物會對微生物產生保護效果,因此當有機物濃度的增加時,紫外線的消毒效果會隨著有機物濃度的增高而變差。Wang W 等[16]的研究表明，在pH 值高于6.0 的飲用水中消毒，水中的腐殖酸（HA）可以被紫外輻射高效的去除。

紫外線消毒效果受紫外線燈的功率、類型和照射時間的影響。因此，紫外線消毒技術一般采用高強度紫外線燈系統，紫外線消毒殺死的微生物種類繁多。但是，由于紫外線穿透力弱，只能直接殺死細菌、真菌等微生物。在實際應用中，一般采用紫外線消毒作為輔助消毒方法，結合其他消毒技術，達到更好的消毒效果，例如UV+H2O2，UV-TiO2，UV+H2O2+O3等。

3 高級氧化消毒

高級氧化工藝是一種高效的水處理技術，可以降解微污染物和滅活病原體[17-18]，如芬頓/類芬頓反應、光催化、電化學高級氧化工藝、臭氧化和基于過硫酸鹽的高級氧化工藝等。高級氧化工藝的概念最早由Glaze 等[19]在1987年通過生成羥基自由基提出。在高級氧化工藝中，超氧化物可原位生成高活性氧，然后高活性氧在水中啟動氧化反應，破壞病原微生物的膜、蛋白質、脂類、酶、DNA 和RNA[20-21]。

失活的主要機理，是由于高活性氧具有高度的氧化能力，它對細胞膜(包括細胞壁和細胞膜)產生了影響，導致細胞膜的通透性遭到了破壞，導致大量細胞內物質的產生泄漏。并在細胞結構分解后進入細胞，破壞細胞內物質，導致病原體失活。根據活性氧的特性和氧化能力不同，其失活途徑也不同。

考慮到能源效率和成本，太陽能光催化是最經濟可行的選擇，芬頓是第二選擇。臭氧消毒能耗低，也是目前廣泛應用的高級氧化工藝消毒技術。然而，能量利用效率低和消毒副產物的產生是臭氧滅菌中仍需解決的問題。

4 結 論

在現有的各種消毒工藝中,每種工藝都有其優缺點,但總體來看,氯消毒具有良好的消毒效果，但會導致潛在致癌副產品的產生；紫外消毒不會產生消毒副產物,但不具備持續消毒能力；高級氧化消毒成本偏高，實際運用需要考慮。因此,在水處理中應考慮處理水的水質、技術可行性和可持續性，選擇合適的消毒工藝或組合消毒工藝，以達到更好的消毒效果。