城市饮用水消毒技术的研究进展

根据2008年中国环境状况公报[1]，全国地表水污染依然严重，七大水系水质总体为中度污染，湖泊富营养化问题比较突出，这就决定了我国很多城市和城镇饮用水水源水质差，使得给水处理对象发生了重大变化，由传统的浊度和细菌转变为有机物、微量污染物、有毒有害物质和致病菌等，传统的氯消毒工艺不仅不能有效去除有机物，而且会产生三卤甲烷等消毒副产物。因此，为了解决水源的微污染化给许多自来水厂带来的问题，选择经济适用的消毒技术是非常有必要的。常用的消毒技术有物理消毒技术和化学消毒技术。物理消毒是利用加热、冷冻、照射等方法对生物遗传物质的核酸进行破坏从而达到消毒的目的，主要有紫外线消毒、微电解消毒、超声波消毒和水力空化消毒等。化学消毒是指使用一定的药剂改变了水质成分的同时，氧化微生物机能而达到消毒目的，主要有臭氧消毒、氯化消毒、二氧化氯消毒、氯胺消毒和膜消毒等。1城市饮用水消毒技术1.1臭氧消毒臭氧是一种强氧化剂，在消毒上属于过氧化物类消毒剂，具有广谱和高效的杀菌作用，臭氧的杀菌速度比城市饮用水消毒技术的研究进展戚成栋（江苏省设备成套有限公司，江苏南京210009）摘要：综述了当前饮用水消毒技术的研究现状，包括臭氧、紫外线、氯化、二氧化氯、膜等，然后展望了消毒技术的发展方向，指出二氧化氯消毒和组合消毒工艺值得推广应用，同时应大力开发新的消毒技术和消毒剂。关键词：饮用水；消毒；组合工艺；二氧化氯ProgressindisinfectionTechnologiesofCityDrinkingWaterQiCheng-dong（JiangsuCompleteEquipmentCo.,Ltd,Nanjing210009）Abstract:Theprogressindisinfectiontechnologiesofcitydrinkingwatertreatmentprocesswerespecifiedinthepaper,suchasozone,ultravioletradiation,chlorination,chlorinedioxide,membranedisinfectionandsoon,andthendevelopmentaspectofthedisinfectiontechnologywereprediacted.Inthemeantime,thepapersuggestedthatchlorinedioxidedisinfectionandassembleddisinfectionprocessshouldbeenappliedwidelyinchina,andmeanwhilenewdisinfectiontechnologiesanddisinfectorswouldbedevelopedstrongly.Keywords:drinkingwater;disinfection;assembledprocess;chlorinedioxideJishuTantao◆技术探讨45氯快600～3000倍，氯的杀菌作用是渐进的，而O3的作用是急速的，还可以去除水中的色、臭、味等有机物以及除Fe、Mn和助凝等功能。臭氧的消毒机理主要是先靠其自身分解后产生的新生氧的氧化能力，臭氧首先与细胞壁的脂类的双键起反应，穿破胞壁，进入细胞壁内，作用于外壳脂蛋白和内部的脂多糖，使细胞的通透性发生改变，最后导致细胞溶解和死亡。张征[2]通过实验发现低温和低pH值下臭氧的杀菌效果相对较好，臭氧在大通气流量下杀菌效果较差。臭氧消毒具有杀菌效果好、用量少、作用快、消毒副产物少和生产条件简单等优点，但也具有消毒工艺费用较高、O3稳定性极差和需用第二消毒剂等缺点。另外臭氧作为消毒剂是有选择性的，绿霉菌、青霉菌之类对臭氧具有抗药性，需较长时间才能将其杀死；单独使用臭氧作为消毒剂时，由于臭氧能在较短时间内分解，残留效果小，甚至会出现细菌回升现象，为了改善这种状况，可以考虑辅助加氯[3]。1.2氯化消毒氯化消毒剂包括液氯、漂白粉、次氯酸钠、漂白粉精和有机含氯消毒剂，它们均能在水中产生次氯酸。氯的消毒机理是由于次氯酸体积小，电荷呈中性，易于穿过细胞壁；另外次氯酸又是一种强氧化剂，能损害细胞膜，使蛋白质、RNA和DNA等物质释出，并影响多种酶系统，主要是通过氧化破坏磷酸葡萄糖去氢酶的琉基，从而使细菌死亡。影响氯化消毒效果的因素有加氯量、接触的时间、pH值、水温、水的浊度和微生物的种类及数量等。液氯消毒具有很好的杀菌效果，杀菌能力较强，有一定的除藻、除臭、除味能力。由于液氯可以大量生产和来源方便，国内外大多数水厂都采用它作为消毒剂，氯消毒工艺也越发成熟。然而近20年来，氯消毒的负作用逐渐被发现，主要有以下3个方面：有害消毒副产物（如三卤甲烷）问题、饮用水生物稳定性问题、甲第虫和隐孢子虫问题。赵建莉等人[4]从5个方面论述和比较了饮用水中消毒副产物的各种去除途径及进展，并指出了去除副产物过程中存在的问题。1.3二氧化氯消毒二氧化氯在水中几乎100%以分子状态存在，易透过细胞膜，二氧化氯在水溶液中的氧化还原电位会高达1.5V，其ClO2分子结构外层存在一个未成对的电子一活泼自由基，具有非常强的氧化作用，通过强氧化性来杀灭微生物，同时其水溶液不会产生对人体有害的三氯甲烷，残留生成物为水、氯化钠、二氧化碳和有机糖等无毒物质。ClO2的杀菌作用主要是通过渗入细菌及其它微生物细胞内，与细菌及其它微生物蛋白质中的部分氨基酸发生氧化还原反应，使氨基酸分解破坏，进而控制微生物蛋白质合成，最终导致细菌灭亡。ClO2不仅对一般细菌有杀死作用，而且对芽抱、病毒、藻类、铁细菌、硫酸盐还原菌和真菌等均有很好的杀灭作用[5]。随着二氧化氯制备技术和应用技术的日臻完善，二氧化氯将是一种非常有应用前景的消毒剂，在我国城市自来水厂应该被大力推广应用。同时鉴于二氧化氯发生器的技术特点和适中的消毒成本，农村水厂将会有机会选择更好的消毒设备，以满足饮用水安全健康的需要。1.4氯胺消毒氯胺的氧化还原电位比自由性余氯低，氧化势仅为自由氯的71%～73%，消毒能力也较弱，但它产生的消毒副产物却少得多。氯胺的消毒机理是由于氯胺水释放出来的次氯酸具有氧化作用。焦中志[6]等人在实验中研究发现，将氯与氨氮的比值降至5，能够使单独氯消毒所生成的毒副产物减少89%，而二溴一氯甲烷也不再检出；消毒副产物的生成量与氯胺的投加量呈很好的线性关系，接触时间对消毒副产物的生成量影响很小，pH升高至8时，消毒副产物的总量比pH为7时减少82.3%，而一溴二氯甲烷不再检出。氯胺作为消毒剂的优点是水经氯胺消毒后消毒副产物比经液氯消毒少得多，衰减慢，在水中的嗅味较小，不与酚类物质发生反应，不产生二次污染，缺点是消毒技术探讨◆JishuTantao46效果差，因此氯胺常作为终端消毒剂，与其它消毒工艺联用。1.5紫外线消毒对病原微生物具有杀灭作用的紫外线波长主要为200～275nm，其中253～257nm波长的杀菌力较强，饮用水消毒常用253.7nm波长的紫外线。紫外线对病原微生物杀灭作用的原理是利用微生物被照射时，紫外线可透入微生物体内作用于核酸、原浆蛋白与酶，使其发生化学变化而造成微生物死亡。研究表明，紫外线使DNA上相邻的胸腺嗜咙键合成双体，致DNA失去转录能力，病微生物死亡。紫外线对核酸的作用可导致键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等[7]，从而改变了DNA的生物活性，使微生物自身不能复制，这种紫外线损伤也是致死性损伤。紫外线消毒技术具有不投加化学药剂、不增加水的嗅和味、不产生有毒有害的副产物、消毒速度快、效率高、设备操作简单、装置体积小、耗电省、便于运行管理和实现自动化等优点，近20年来逐渐得到广泛地应用。1.6膜消毒膜技术是近30年发展起来的一项新技术，在给水处理和工业废水领域方面得到广泛的应用。膜技术应用于水消毒主要是依靠膜的分离机制，其关键影响因素是膜的孔径，分为纳滤、反渗透、超滤以及微滤。膜消毒机理主要靠筛分作用和吸着作用，膜技术对细菌病毒和微生物均有很好地去除作用[8]。膜消毒技术具有出水水质好且稳定、运行维护费用低、操作简单和占地少等诸多优点，同时也存在很多缺点，如微生物的后生长、对微小颗粒的截流作用不彻底和膜孔易堵塞等，只有解决了这些问题，膜消毒技术才会得到更多应用。1.7水力空化消毒水力空化技术是一种新型的物理工艺化学机理的消毒方法，流体流过一个限流区域时产生压降，当压力降到蒸汽压时，溶解在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量空化泡，空泡随流体进一步流动的过程中，周围的压力增大时，体积将急剧缩小直至溃灭，气泡溃灭时不仅会产生高温、瞬时高压、冲击波和水射流，而且会产生具有强氧化性的·OH和H2O2，使有机物氧化降解。陈利军等人[9]通过实验发现水力空化技术对三氯甲烷有去除作用，可以预处理饮用水，同时可以去除水中部分天然有机物，大大降低了消毒副产物的生成量，因此水力空化技术在饮用水消毒方面具有很好的应用前景。2消毒技术的发展趋势我国与资本主义发达国家在供水方面还存在着很大的差距，这与我国目前的经济状况和国情有着密切的关系。以上各种消毒技术均有其优点也有其不足之处，所以在实际的生产中，应该结合我国饮用水水源水质以及经济状况，将各种消毒工艺优化组合，获得最好的处理效果，得到最优质的饮用水，组合消毒技术也必将在我国得到大力推广[10]。另外，开发新型饮用水消毒技术和消毒剂是今后发展的一个主要方向，如磁化消毒和等离子体消毒等，Manolache等人[11]开发了一种等离子体消毒装置，能有效杀死细菌，在20s内能杀死2×107个细菌，等离子体主要是产生具有强氧化性的·OH自由基和高能电子，·OH自由基能有效杀死细菌和病毒等。徐飞飞[12]和邓正栋[13]等人分别用新型消毒粉和三碘树脂来处理饮用水，结果发现三碘树脂具有良好的消毒效果，杀菌快速且持久，可作为便携式净水装置的消毒剂使用。3结语由于我国饮用水水源水质及其复杂，国内还没有研究出一种能够完全满足人们要求的消毒剂,只能按照消毒对象和消毒目的选择经济适用的消毒剂。各种消毒技JishuTantao◆技术探讨47术均有其优缺点，传统的消毒工艺需要改进，包括消毒前的预处理工艺，饮用水组合消毒工艺值得推广应用，如二氧化氯和液氯-氯胺消毒工艺等。对于消毒工艺今后的发展趋势,笔者个人认为应大力开发新的消毒技术和物美价廉的新型消毒剂，如等离子体消毒技术等，在选择处理工艺前，应综合考虑给水水质，优化消毒前的各单元处理工艺,在保证水质的同时，尽量降低最后一道消毒工艺的处理负荷，也切实缩减运行成本。[参考文献][1]中华人民共和国环境保护部.2008中国环境状况公报.2009[2]张征.饮用水臭氧消毒效果的影响因素[J].环境与健康杂志，2008，25(5)：429～430[3]李红兰，张克峰，王永磊.臭氧在饮用水处理的应用[J].水资源保护,2006，22(3)：60～62[4]赵建莉，王龙.饮用水消毒副产物的危害及去除途径[J].水科学与工程技术，2008，（1）：51～54[5]邱秀珍.矿泉水生产设备消毒方法的探讨[J].食肠与发酵工业，1993，3(1)：68～70[6]焦中志，陈忠林，卢伟强，等.氯胺消毒对三卤甲烷类消毒副产物的控制研究[J].环境污染治理技术与设备,2006，7(6)：43～45[7]林克椿.生物物理学［M］.武汉：华中师范大学出版社，1999[8]徐建英.水消毒处理中膜技术的应用[J].环境污染治理技术与设备，2001，2(2)：86～90[9]陈利军，吴纯德，张捷鑫.水力空化技术在饮用水消毒中的应用[J].水处理技术，2007，33（3）：45～48[10]王擎，梁爽，郑爽英，等.饮用水消毒技术研究与应用[J].中国消毒学杂志，2006，23（4）：349～351[11]ManolacheS，etal.DenseMediumPlasmaEnviron-ments:ANewApproachfortheDisinfectionofWa-ter[J]，2001