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水质工程消毒小组成果报告成员：陶安范鹏举徐海阳薛涛魏奶福•水中微生物•水处理消毒技术•消毒剂泄露能够引起疾病的微生物称为致病性微生物，水体中的病原微生物一般并不是水中原有的微生物，大部分是从外界环境污染而来，特别是人和其他混血动物的粪便污染，是引起水传播疾病爆发的根源。病原菌：分为两类，一类是典型病原菌（沙门菌、志贺菌、空肠霍乱弧菌等），他们基本上都来自人或动物的排泄物，主要通过污水排放进入水环境，能引发大型传染病；另一类是条件致病菌，他们之中很多都是水中的土著细菌，对于正常的人群并不会构成明显的危害，但对于免疫力低下或免疫缺陷的人群却可能是致命的。病毒：目前已知水环境中的病毒有140种以上，绝大部分是肠病毒，泛指引起人类肠道感染并主要通过粪-口途径传播的病毒，还有轮状病毒、甲型肝炎病毒、星状病毒等，都能导致多种疾病和死亡。肠道病毒是最小的病毒之一，分布广泛，是水环境中常见的病毒，可导致疾病范围非常广泛，有脑膜炎，心肌炎，手足口病。病原性原生动物：原生动物是造成人类感染的主要病原体，他们通常个体大，在不利环境下可以形成包囊或卵囊存活于水体中，对常用的消毒处理具有较强的抵抗力。“两虫”（贾第虫和隐孢子虫）的卵囊有很强的感染性，能粘附在肠粘膜的上皮细胞，危及生命。蠕虫：泛指那些依靠身体而做蠕形运动的多细胞无脊椎动物。在全世界范围内都有分布，很多都是以人类和高等动物为宿主，其所产的卵十分微小，能够顺利的通过粪-口途径传播，导致蠕虫病。血吸虫可寄生在宿主静脉中，并可排出大量虫卵，附着在肝和结肠肠壁上，引起肉芽肿和纤维化病等疾病。蓝绿藻：广泛分布在淡水、海水、土壤环境中，其生长受环境因素影响很大，水体中营养物质的增加，温暖的气候，适宜的光照都能促进其生长。它对人类的致病作用是通过释放的藻毒素来实现的，其细胞本身不会在人体内繁殖，因此没有传染性。饮用含有藻毒素的水可引起中毒，胃功能紊乱、呕吐、发热，长期饮用会引起肝损伤甚至肝癌。•氯消毒常用消毒剂常用的有氯、漂白粉和次氯酸钠。•氯消毒机理一般认为主要通过HOCl起作用。HOCl为很小的中性分子，只有它才能扩散到带负电的细菌表面并通过细菌的细胞壁穿透到细菌内部。当HOCl分子到达细菌内部时，能起氧化作用破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。漂白粉消毒与氯消毒的原理相同。次氯酸钠也是强氧化剂和消毒剂，但消毒效果不如氯强。氯消毒方法在污水处理设备中，氯消毒有三种方法，分别是折点消毒法、普通消毒法和氯胺消毒法，它们各有自己的优缺点和作用。氯消毒法还可根据加氯点不同而分为预氯化法，后氯化法和中途加氯法。氯消毒副产物及其危害1无机副产物研究表明,氯化消毒过程中产生的最主要无机物质是氯胺,包括次氯酸与氨反应生成的一氯胺、二氯胺、三氯胺或三氯化氮及其他产物,这些无机副产物对人体健康都不会产生危害。2有机副产物氯是一种很活泼的氧化物,它在水中与很多有机物起化学反应,产生不同种类的氯化碳氢化合物。到目前为止,用气相色谱/质谱技术,在氯消毒饮用水中已检出超过500种的消毒副产物。三氯甲烷和卤乙酸由于其强致癌性已成为控制的主要目标,而且也分别代表了挥发性和非挥发性的两类消毒副产物。2.1.挥发性消毒副产物三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷和三溴甲烷。实验表明三氯甲烷的各组分具有明显的致突变作用,且存在良好的剂量反应关系。动物实验也证实三氯甲烷可引起雄性大鼠的肾脏肿瘤,雌性大鼠的肝脏肿瘤。三溴甲烷也被证实具有致癌性。大量流行病学调查表明,长期饮用氯消毒的饮用水,死于消化和泌尿系统的癌症的危险性增加,并和其他癌症的死亡率存在着统计学的关系。目前三卤甲烷类消毒副产物已成为多数国家和组织的饮用水水质标准中的控制指标。2.2.非挥发性消毒副产物20世纪80年代中期以来,饮用水氯消毒中产生的另一类非挥发性消毒副产物卤乙酸已引起美国环保局的高度重视。氯消毒及余氯控制展望由于效是余氯的控制问题果可靠，价格便宜，氯消毒方法在未来一段时间内仍会得到我国大部分净水厂的广泛应用，我们现在面对的主要问题，从而进一步减少对人体有害的三卤甲烷类致癌物质。脱氧技术一直以来都受到关注和发展，铁的出现给脱氯领域带来新的希望，金属铁来源丰富，价格便宜，它就作为脱氯还原剂是近期世界各国研究的对象，当RosyMuftikian等用钯/铁作为催化剂和还原剂得到脱氯效果比铁单质好时，二元金属合金脱氯也成为人们关注焦点如：钯/铁，镍/铁，银/铁等等。然而二元金属合金也存在一些问题，现在用的金属催化剂如钯、银等价格昂贵，使得工艺成本提高了。在未来一段时间内，金属催化剂的筛选还有待进一步的研究，纳米级零价铁的出现，使氯化物降解成碳氢化合物，为生物降解创造条件，由于纳米材料的研究还处于前沿领域，纳米级零价铁脱氯也处于研究阶段，它的生产成本，运用于工业的可行性，还需要做大量的研究工作来进一步探讨完善。总的说来金属铁资源丰富，价格低廉，其作为脱氯剂降解有机氯的研究有理论及实际意义，其应用前景将非常广阔。•物理方法：紫外线照射法、加热法、超声波法、γ辐射法、机械过滤法、磁场法、微电解法等•化学方法：臭氧法、重金属离子法（Cu/Ag）、其他氧化剂法（溴、碘、臭氧）、投加表面活性化学剂、投加碱/酸、化学熏蒸法等紫外线照射法(UV)外线消毒的历史非常悠久，在欧洲，饮用水紫外线消毒已有近百年的历史。1910年，法国的马赛一家自来水厂最先安装了一套紫外线消毒系统对饮用水进行消毒，到目前为止，西方发达国家已在污水处理厂安装了近4000套大型紫外线消毒系统，应用该技术的厂家约占污水处理厂总数的10%。同时，至2001年底已有2000多家自来水厂采用了紫外消毒技术，占自来水厂总数的10%以上，并且大量的紫外消毒技术改造工程正在进行之中。由于紫外线消毒在环保及人身安全方面的突出优点，欧洲及北美的许多国家将紫外线消毒列为用水终端和用户进水端及小型给水系统中的首选方法。尤其是发现自来水中存在隐孢子虫后，美国已经将紫外消毒工艺作为自来水消毒的最佳手段写入供水法规中。紫外线位于X射线和可见光之间，紫外线可分为UV-A(320-400nm)、UV-B(275-320nm)、UV-C(200-275nm)和真空紫外线部分。水处理中实际上是使用紫外线的UV-C部分，在该波段中260nm附近已被证实是杀菌效率最高的紫外线。紫外线灭菌的原理是基于核酸对紫外线的吸收。紫外杀菌本质上是一个光化学过程，每一粒波长253.7nm的紫外线光子具有4.9eV的能量，紫外光子必须被吸收才具有活性。核酸是一切生命体的基本物质和生命基础，核酸分为RNA和DNA两大类，其共同点是由磷酸二脂键连接起来的多核苷酸链。当微生物体受到紫外线照射时，会吸收紫外线的能量，从而引起DNA的损伤，最常见的两种损伤形式为环丁烷嘧啶二聚体(cyclobutanepyrimidinedimmer,CPD)和嘧啶-嘧啶酮光产物(pyrimidinepyrimidonephotoproducts,PP)。当DNA受到紫外线照射后，相邻的嘧啶碱基共价交联形成环丁烷四圆环，使两个碱基的5、6位双键饱和，形成CPD。嘧啶-嘧啶酮光产物是通过5嘧啶的5和6位碳原子或3嘧啶的4位碳原子和位于4位碳的氧原子或亚氨基异构体间形成的二氧乙烷或氮杂丁烷4圆环而形成的，这些都是比较稳定的化学键，从而阻止了DNA的复制；另一方面，在紫外线的照射下可以产生自由基引起光电离，造成微生物不能复制繁殖，就会自然死亡或被人体免疫系统消灭，不会对人体造成危害，从而达到消毒的目的。Advantages：1.有较高的微生物灭活效果（含贾第虫和隐孢子虫）；2.杀菌速度快，大多数都是在1秒之内；3.不产生消毒副产物，且运行操作简便，占地小，水头损失很小，运行成本相对较低；4.能降低臭味和降解微量有机物；5.消毒效果受水温、pH影响小。6.易管理，易实现自动化，维护工作量很少，没有其他噪音源。对每天5万吨污水用氯消毒来说，需建有一个130米长、3米宽的接触渠。采用紫外线消毒只需20米长3米宽的面积.Disadvantages：1.无持续杀菌能力，消毒后水若再遇新污染源，会二次污染，需与氯配合使用；不易做到在整个处理空间内辐射均匀，有照射的阴影区；效果不易迅速确定，难监测处理强度；2.浊度及水中悬浮物对紫外杀菌有较大负面影响；3.紫外灯套管容易结垢，影响紫外光的透出和杀菌效果，因此需定期清洗套管及采取表面降温措施来防止管垢形成；4.细菌的复活现象，一些细菌被紫外照射失活的病毒细菌可通过光的协助修复自身被破坏的组织，达到复活目的，另外一些细菌可能存在着暗复活现象(无需光照)；5.国内使用经验少，在国内，虽然工程上已经逐渐开始使用紫外线系统，但是对于紫外线消毒技术的研究并没有完全开展起来，对于紫外线消毒的应用也还存在较多问题。•Compliants：目前紫外线在饮用水消毒、再生回用水消毒、生活污水、工业废水等的消毒处理中得到了一定的应用。目前我国的紫外线消毒一般用于少量水处理，在纯水制备系统应用较多。另外还有分析数据显示紫外线消毒的投资和运行成本均低于氯消毒，消毒成本约为氯的一半，但其差别随着水处理规模的扩大而缩小（150万吨/日）。超声波法超声波水处理器的工作过程如下，超声波不断地从换能器中发射出来透过桶壁进入冷却水，被吸收产生空化，达到阻垢杀菌的目的。超声水处理装置由超声发生器电源和换能器两部分组成。超声发生器电源在工作时产生10～35KV的高压直流电流，通过高压电缆线，将其传输到换能器上，通过换能器转换为频率为20kHz、功率为600V的超声波，对水箱内的水进行处理。已证实，超声波可以破坏大肠杆菌、伤寒杆菌、痢疾杆菌、结核杆菌等。超声波还可以使烟草叶病毒、脊髓灰质炎病毒、狂犬病毒、流行性乙型脑炎病毒和天花病毒等失去活性。但超声波对葡萄球菌、链球菌等的效力较小。超声波的消毒作用主要源于其空化作用和热作用、机械作用等。Advantages：1.超声可增大Ca2+和CO32-在水中的溶解度，有效地抑制水中CaCO3晶体的析出，并能溶解已经形成的老垢；2.操作简单，维修方便，符合可持续发展战略；3.具备紫外线消毒的部分优点，但又各有特色。4.近年来，超声波与其他消毒方法的协同消毒作用倍受关注。如超声波与臭氧等化学消毒剂协同作用，杀菌效果优于单独采用超声波或臭氧时，并可大大降低臭氧的有效用量。分析其原因，一是超声波可分解臭氧，使其形成氧化性更强的自由基；二是超声波快速而连续性的压缩与松弛作用，使化学消毒剂的分子打破了细菌外层屏障，加速了化学消毒剂对细菌的渗透，从而强化了臭氧的氧化杀菌作用。Disadvantages：1.费用较高，不经济；2.低频率超声波的消毒效果较差；3.实际应用中，超声波消毒水的效果并不理想，水中细菌的死亡率仅见于距离波源近的地方，且仅限于水面上薄薄的一层。Compliants：1.用于处理微污染原水；2.用于处理高浓度难降解有机废水；3.用于处理高浓度难降解有机废水；4.其他应用（超声技术还可以用于饮用水杀菌、消毒、阻垢、去除水垢等）。氯消毒剂泄露危害标准状况下，液氯在-34.6℃沸腾，汽化成为氯气，氯气遇水后生成次氯酸和盐酸，再分解为新生态氧，具有强烈腐蚀性。氯气遇湿易产生强烈腐蚀性，设备及容器极易被腐蚀而泄漏。氯气被人吸入后，可迅速附着于呼吸道黏膜。之后可以导致人体支气管痉挛、支气管炎、支气管周围水肿、充血和坏死。呼吸道黏膜受刺激，可造成局部平滑肌痉挛，再加上黏膜充血、水肿及灼伤，可引起严重的通气障碍。人吸入浓度为每立方米2.5毫克的氯气时，就会死亡。氯本身不会燃烧，但是会助燃，与其他易燃气体的混合物在日晒是会发生爆炸。潮湿的氯对所有的普通金属都有很强的腐蚀性，但是大多数金属不与干燥的氯反应。液氯泄露的实例：（一）2005年，在京沪高速上发生一起交通事故，一辆载有大约35吨液氯的槽罐车也一辆货车相撞，造成槽罐车液氯大面积泄露，由于槽罐车驾驶员逃逸，货车驾驶员死亡，延误了最佳抢险救援的实际，造成了公路旁三个乡镇村民重大伤亡，中毒死亡29人，436人中毒住院治疗，1867