水处理消毒新技术

水处理消毒技术现状及展望摘要:新型的生物消毒剂能有效杀灭水中的有害微生物，且具有对人体健康无害、广谱杀菌、对环境无影响、使用安全方便、成本相对低廉等特点，是一种符合人类社会可持续发展理念的生态环保型水处理消毒方法，具有重要的应用价值。消毒是水质工程中一个重要的工艺。在本文里，将概述水质工程中常用的几种消毒方法，并探讨随着水消毒技术前沿科学的发展水处理中出现的一些新型消毒技术。同时，科技的发展也促进了水处理消毒技术的发展，新的消毒技术不断被研究开发出来，如生物消毒等，尤其随着由于生物化学和基因工程等前沿科技的迅速发展，传统的生物消毒方法也正在取得突破，在水处理消毒领域的应用前景十分广阔。关键词：消毒；常规技术；新技术；展望人们很早就认识到自然界中一些生物能够对某些有害微生物起到抑制或者杀灭作用，而又不对环境产生任何持续性的破坏作用，并受到这些生物特殊功能的启发，发展了利用这些生物及其代谢产物进行消毒灭菌的生物消毒法。早期的生物杀毒主要直接利用生物尤其是微生物机体本身进行消毒。在中国古代，人们很早就认识到一些特殊的植物具有帮助人们增强体质，抵抗疾病的医学功能，因而一些中草药可以说是最早的生物消毒剂。最近几十年，国外已经有研究者利用噬菌体和致弧菌来进行水的消毒。又例如，在水处理领域，当水进行砂滤时可通过生物在新陈代谢过程中产生的生物膜将微生物滤除。此类传统的生物消毒技术一般直接使用生物体进行消毒，过程较为缓慢，对有害生物的杀灭效果尚不完全可靠，尤其对抵抗力较强的细菌芽孢一般无杀灭作用。此外还存在消毒效果难以确定、消毒效率不高以及不利于规模化应用等问题，难以达到现代水处理工业中水消毒的技术要求。下面通过水质工程消毒技术的常规技术、新技术进行概述。一、水处理的消毒常规技术1.氯化消毒氯化消毒目前仍然得到最广泛的应用，也是传统的消毒方法，人们对其消毒机理进行了较多的研究。氯消毒主要是通过次氯酸的氧化作用来杀灭细菌，次氯酸是很小的中性分子，能扩散到带负电的细菌表面通过细菌的细胞壁穿透到细菌内部，并起氧化作用破坏细菌的酶系统而使细菌死亡，但是对于水中的病毒、寄生虫卵的杀灭效果较差，需要在较高CT值，消毒剂浓度乘以接触时间，才能达到理想的除菌效果。氯胺消毒的机理一般认为与氯消毒相同，由于采用氯胺消毒能够减少消毒过程中的THMs的产生，并且氯胺在管网中的持续时间更长，所以近年来许多水厂由氯消毒改用氯胺消毒而且采用氯胺消毒也缓解自来水中的氯味问题。氯胺在控制管网中细菌的再次繁殖和生物膜也比氯更为有效，然而氯胺消毒对水中的贾第虫和隐孢子囊的去除效果却不能够令人满意。氯消毒能较快地杀灭水中病菌，成本不高，主要问题是消毒过程中会产生有害副产物，特别是现代水源由于不同程度地受到有机污染，氯化这些有机污染物，会产生有机氯化物。不仅使水产生异臭和异味，而且有毒和致癌，对人体健康产生严重危害。2.二氧化氯消毒二氧化氯作为一种新型高效多功能水处理消毒剂,已在国内外许多领域得到广泛应用,二氧化氯在城市水质处理上显示出很强的优势,对印染废水的脱色、含氰含酚废水的处理有极好的处理效果。二氧化氯不仅具有一般的杀菌、灭藻效能，而且能分解残留的细胞结构，具有杀孢子、杀病毒的效能。因此，二氧化氯的使用对于环境保护人类的生命健康有着广泛的意义。二氧化氯与细菌及其它微生物细胞中蛋白质发生氧化还原反应，使其分解破坏，进而控制微生物蛋白质合成，最终导致细菌死亡。二氧化氯对细菌壁有较强的吸咐的穿透能力。二氧化氯对水中的病原微生物，包括病毒、芽子孢、配水管网中的异养菌、硫酸盐、还原菌及真菌等均有很高的杀灭作用，二氧化氯能在pH值很宽的范围内杀灭大肠杆菌，其杀灭效果与温度T有关，是温度（1/T）的函数。这一优点弥补了因温度升高而使二氧化氯在水中溶解度降低的缺点。3.臭氧消毒臭氧(O3)常温常压下是一种淡紫色有鱼腥味的气体，具有很强的氧化能力，其标准氧化还原电位为2.07V，仅次于氟，能杀灭细菌、病毒等微生物，还能氧化多种有机物和无机物，在水处理中得到了广泛的应用。臭氧之所以表现出强氧化性，是因为臭氧分子中的氧原子具有强烈的亲电子或亲质子性，臭氧分解产生的新生态氧原子有很高的氧化活性，臭氧在水中还能形成具有强氧化作用的HO·，不仅可以消毒杀菌，还可以氧化分解水中污染物。臭氧可以氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必须的葡萄糖氧化酶，也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏其细胞器和核糖核酸，分解DNA，RNA，蛋白质，脂类和多糖等大分子聚合物，使细菌的物质代谢和繁殖过程遭到破坏，还可以侵入细胞膜内作用于外膜脂蛋白和内部的脂多糖，使细胞发生通透性畸变，导致细胞的溶解死亡，并且将死亡菌体内的遗传基因、寄生菌种、寄生病毒粒子、噬菌体、支原体及细菌病毒代谢产物等溶解变性死亡，从而起到消毒作用。臭氧可将水中可溶性铁、锰离子氧化成三价铁、四价锰生成沉淀而去除；氨氮被臭氧缓慢地氧化成硝酸根离子，然后经生物硝化和代谢同化得以去除，在存在溴化物的情况下，氨可以经臭氧氧化降解为氮气，同时溴离子被臭氧迅速氧化成HOBr，然后再与氨反应形成N：和Br一，Br～再被臭氧氧化，直到将氨全部去陈；氰化物经臭氧氧化后形成氰酸盐，后者可水解成CO2和N2；无机硫化物易氧化生成单质硫，并进一步氧化成SO32-和SO42-。4.紫外线消毒紫外线是在波谱中位于x射线与可见光之间的电磁波。紫外线杀菌是通过破坏微生物遗传物质DNA，干扰其复制和转录，使其失去繁殖能力进而对其灭活的。自1910年Cernovedeow和Henvi第一次将紫外线消毒技术用于饮用水消毒，紫外线技术在水处理领域得到了快速发展。在欧美许多国家的水处理厂中，紫外线消毒被广泛采用。如在芬兰的赫尔辛基，处理能力达310万m3/d的紫外线消毒装置已在一家企业投入使用。美国已将紫外消毒工艺作为自来水消毒的最佳消毒方式写入供水法规中。紫外线消毒的优点:杀毒效率高、不产生二次污染、无生物免疫力、广谱性。与传统的消毒方式相比，紫外线还具有运行安全性高、运行维护费用低、安装操作简便、占地小、可以连续大量消毒等优点。在欧洲目前已有2000多座饮水处理厂采用紫外线进行消毒，在西欧的奥地利、荷兰、挪威和瑞士，紫外线辐射消毒是饮用水生产的唯一方法，在英国，饮用水紫外线消毒装置的使用尤其广泛，其中世界上最大的饮用水紫外线消毒装置(处理量达66000m3／d)就在英国的伦敦。在自来水中检测出隐孢子虫属后，美国和加拿大已将紫外线消毒列为用水终端、用户进水端及小型给水系统的首选方法。近些年来我国也有一些水厂采用或计划采用紫外线进行自来水的消毒。紫外线消毒技术在小型供水系统中应用的较多，如北京“欧陆经典一万兴苑”小区饮用净水工程等一些高层建筑中都采用紫外线消毒器处理水，从而防止高位水箱的二次污染。在一些集团(如办公楼，宾馆，饭店等)或家庭用的小型净水器中也常见紫外线消毒装置，此外一些随身可携带的临时用紫外线杀毒装置在市场上也很常见。紫外线消毒虽然具有诸多优点，但在应用中也存在一些不足之处，如光复活、穿透力低、没有持续消毒能力等，只有对这些缺点进行深入分析并给出一定的解决方案，才能为其更好地应用于实践扫清障碍。二、水处理消毒新技术随着科技的发展9将其它领域的科技成果应用于水处理消毒领域9促使一些新的消毒技术的诞生。目前研究的主要有以下几类消毒新技术:1.生物消毒由于生物化工等前沿科技的发展，生态环保型的生物消毒技术在水处理领域里的研究和应用也愈来愈广泛。在自然界中一些生物能够分泌一些物质来消灭病菌、病毒或使其丧失活性而又不对环境产生任何连续性的破坏作用。受到这些生物的启发，人们很早就发展了利用这些生物及其代谢产物消毒的生物消毒法，传统的生物消毒法直接使用生物体自身进行消毒，过程缓慢，对细菌芽孢一般无杀灭作用，消毒效果难以确定。消毒效率不高，不利于规模化应用，达不到现代水处理工业中水消毒的要求。实践证明，生物消毒具对人体健康无影响、环境友好、广谱杀菌、使用安全方便、成本相对低廉，是目前相对比较理想的消毒方法，因而，生物消毒法在市政水处理领域有比较好的应用前景。2.电场消毒目前,有关电化学法杀菌的机理仍未彻底研究清楚,但是普遍认为在电化学消毒的过程中起重要作用的有3种因素:一种是水流通过电场而产生的一些强氧化剂,如氯气和臭氧等；另外一种是水中产生了氧化性极强但存在时间很短的自由基,如羧基、自由基；还有就是电场本身对细菌细胞产生的作用,如细胞膜的电击穿现象，细胞的电灼烧现象，以及影响细菌代谢功能的电渗和电泳现象。这种方法的优点在于:消毒运行管理简单、安全、可靠。经过实验验证，杀菌速度快、耗电量低。3.超声波消毒超声消毒的原理:水溶液在声波作用下，不断产生液泡，液泡在声波增强的半周期内增大，减弱的半周期内破裂，在液泡破裂时溶液产生高温高压，温度约为2000-4000K，压力约为330atm，液泡分裂时可将反应中心分为三个区:气相区、过渡区、液相区。在高温下的燃烧分解主要发生在这几个区，此时溶液中的水分解成OH、过氧化氢。而0H、过氧化氢具有强的氧化杀菌作用，从而达到处理水消毒的目的。超声波消毒的效果与水的流速、超声波的频率功率有关，能够杀灭较多病菌，有广谱特征性。4.铜银离子化水消毒铜银离子化水消毒就是用电解的方法产生铜银离子用于水的消毒。铜银离子的杀菌机理国外做了大量研究。现在一般认为，铜银离子的杀菌功能是由于带正电的铜银离子和带负电的细菌细胞结合，并穿透细胞壁与细胞内特定部位的DNA和RNA结合，破坏细菌细胞的蛋白酶和呼吸酶9造成细菌细胞的溶解和死亡。铜银离子无色、无味、化学稳定性强，几乎不受阳光温度和时间的影响。在合适的pH值下可提供长时间稳定的残留浓度来维持消毒效果，并且不产生有毒副产物。但也存在没有氧化功能，消毒效果缓慢的缺点。基于以上特点，电解铜银离子化水消毒技术大都用在经过市政供水系统消毒后水的保持上，广泛使用在飞机、轮船、冷却塔、喷泉以及食品、酿造、饮料等化学消毒剂能对其产品品质造成影响的工业上。但没有在真正意义上应用于公共市政供水工程。三、水质工程消毒技术的发展与展望总体而言，绿色环保的生物消毒技术在水处理领域的应用前景广阔，研究表明生物消毒技术可以在很多领域发挥作用，如用于饮用水消毒、污水消毒、海水消毒和用于控制微生物污染的工业循环水及中水回用等领域。近年来随着生物科技的发展以及对生物消毒机理认识的深化，人们认识到这些生物之所以具有消毒作用，是因为这些生物能够分泌一些特定的生物化学活性物质来消灭病菌、病毒或使其丧失活性，因此人们开始研究提取、利用和制备这些活性物质并用于水的消毒。目前比较有代表性的是一些以某种有消毒特性的酶为主要活性成分的生物消毒剂，包括应用现代生物基因工程技术生产的细菌胞壁溶解酶、酵母胞壁溶解酶、霉菌胞壁溶解酶、溶葡萄菌酶等活性物质。当这些活性物质投加到水中时各种酶通过裂解或破碎细胞壁、细胞膜和各种病毒的外壳蛋白，直接作用于水中有害细菌和病毒的遗传物质，裂解其DNA或RNA，达到杀灭这些有害细菌和病毒的目的。试验研究表明，以这些生物酶活性物质为主要成分的生物消毒剂有良好的消毒作用，在国外已有某些品种的生物消毒剂实现了工业化生产，并主要应用于水的卫生消毒中。由于生物酶消毒剂的成本相对较高以及其他一些原因，目前还不能广泛应用于水处理行业。水处理的消毒就是指消除或杀灭水中的病原微生物，使其达到无害化。这里的无害化只是针对病原微生物，并不要求消除或杀灭所有微生物。同时，消毒是相对的而不是绝对的，它只要求将有害微生物的数量减少到无害的程度，而并不要求把所有有害微生物全部杀灭。一般来说，若能使微生物在消毒过程中的存活概率达到一个低值则可认为消毒合格。同时，尤其是饮用水消毒要求不产生有毒物质、使用时有效浓度低、对致病微生物有较强杀菌效果。研究证明，萘醌类、吲哚类等具有消毒活性的物质中有一些生物活性物质完全能满足这些要求，具有良好的消毒效果。这些物质在浓度很低的情况下就能起到消毒作用，对包括人在内的哺乳动物健康基本无害。研究结果还表明，利用这些物质开发的新型的水处理生物消毒剂将有以