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第3讲饮用水安全消毒技术内容：目前消毒技术存在的问题，优化氯消毒技术，二氧化氯消毒技术，臭氧消毒技术，紫外线消毒技术。重点：目前消毒技术存在的问题，优化氯消毒技术4.1我国城镇供水行业消毒技术现状简述1.氯消毒在给水处理中得到广泛应用消毒是给水处理工艺的重要组成部分。19世纪中叶，人类历史上第一次将水质与人体健康直接联系起来，正是认识到严重危害生命的霍乱、伤寒、痢疾等传染病是微生物通过饮用水传播的。上世纪初发现氯可以灭活水传致病微生物后，氯消毒在给水处理中得到广泛应用，成为20世纪保护人体健康的重要技术进步之一。2.氯消毒现状目前我国各供水企业的水处理工艺普遍采用液氯作消毒剂，其优点是成本低、投加设备简单，设计、运行管理经验丰富．近年来余氯自动检测与加氯自动控制技术发展迅速，特别是在大中型水厂得到广泛应用，部分中小型水厂则加氯技术相对落后，加氯不能完全实现自动化，使加氯量和余氯控制不能很好满足水质要求。较先进水平的加氯机主要靠引进国外产品。同时国内对加氯量的计算与发达国家有差距，不是按照满足CT值的要求计算。二氧化氯消毒在极少数小水厂有应用，首家紫外线消毒于2003年底在大庆自来水公司建成投产。总体上氯消毒仍是绝对主流技术。3.其它消毒方式的应用4.2目前消毒技术存在的问题1．消毒效率问题目前执行的国家法定水质标准对细菌学指标的规定为：加氯消毒要求游离余氯在与水接触30min后不得低于0.3mg／L，管网末梢不低于0.05mg／L。对细菌学指标的规定为：加氯消毒要求游离余氯在与水接触30min后不得低于0.3mg／L，管网末梢不低于0.05mg／L。表14．1中列出常规处理工艺难以解决的水质问题和可供选择的主要处理方法。美国要求采用CT值来决定加氯量，在提高消毒效率的前提下减少氧耗，达到减少消毒副产物的目的。正在修订的《室外给水设计规范》提出氯消毒应计算CT值，但未给出具体说明从上世纪70年代起，饮用水中不断发现新的病源微生物，如微小似病毒、贾第虫、军团菌和隐孢子虫等。饮用水中越来越多的致病微生物种类对饮用者健康构成直接威胁，而且部分新型致病微生物如隐孢子虫等不能被氯杀死。为了保证饮用水的安全性，特别是考虑将来饮用水的直接饮用，采用更有效的消毒技术十分必要。2．消毒副产物问题自上世纪70年代发现氯消毒产生有“三致作用”消毒副产物三卤甲烷以后，对氯消毒产生的消毒副产物成为各国关注的热点。越来越多的消毒副产物如三卤甲烷、卤己酸、卤代腈、卤代醛等在饮用水中被发现。三卤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。美国专门有消毒剂和消毒副产物法(D／DBPsRULE)对氯消毒剂和消毒副产物进行了规定。我国国标《生活饮用水卫生标准》(GB5749—85)规定三氯甲烷不高于60μg/L。国内自上世纪90年代以后对消毒副产物的研究推动了消毒副产物列入新的水质标准。在卫生部《生活饮用水卫规范》中对三卤甲烷、卤乙酸、亚氯酸盐、三氯乙醛都作了规定。建设部制定的《城市供水水质标准》(CJ／T206—2005)也对消毒副产物作了严格规定(见表21．1)。因此为了控制消毒副产物，对消毒技术的优化十分必要。水质标准对消毒剂和消毒副产物的规定比较单位：mg/L三卤甲烷卤乙酸余氯氯胺二氧化氯亚氯酸盐溴酸盐美国0.0800.060440.81.00.01中国0.1000.060－－－0.70.01注：中国的规定摘自《城市供水水质标准》（CJ／T206—2005)3．管网水质生物稳定性问题由于出厂水中存在可生物降解有机物(BiodegradableOrganicMatter，缩写为BDOM)，成为管网中异养细菌生长繁殖所需的营养基质，使出厂水中未被消毒杀死的细菌或其他途径进入给水管网的细菌重新生长(Regrowth或aftergrowth)。部分细菌随机附着在管壁上利用营养基质生长而成生物膜。管壁生物膜可能成为管壁腐蚀和结垢的诱因。生物膜的老化脱落会恶化水质，使用户水水色度和浊度上升，细菌数增加，致病菌和条件致病菌生长，最终恶化水质。管壁结垢和腐蚀会降低管网过水能力，增加二级泵站动力消耗，引起水在管道里的跑冒滴漏，严重时造成爆管事故。因此，作为营养基质的有机物存在于给水管网中将给管网和管网水质带来严重影响。4.3消毒技术发展目标1．建立科学的消毒评价指标体系消毒是保证饮用水水质安全可靠的重要手段，因此基于现代水处理科学和相关学科的发展，对消毒单元的评价指标体系必须同时考虑微生物学指标、毒理学指标、生物稳定性指标，使消毒的综合效果达到最佳。微生物学指标要重点突出饮用水中可能出现的、对人体健康有直接或者间接危害的微生物，包括致病菌、病毒、原生动物等。这些微生物指标的测定还必须具有可操作性，相对简单易行，便于在全国供水企业推广。建设部制定的《城市供水水质标准》(LJ／T206－5001)对微生物学指标已有新的规定，包括细菌总数、总大肠杆菌群、余氯、二氧化氯、粪型链球菌群、蓝氏贾第鞭毛虫孢囊和隐孢子虫卵囊。根据科学发展，这个名单还应该不断与时俱进，作出调整。毒理学指标也应消毒副产物反应现代科学的新进展。中国城镇供水协会应该建立全国性的饮用水消毒副产物信息网，根据各个地区供水企业检测到的消毒副产物和其潜在的危害对水质标准中的消毒副产物名单及时作出调整。未来的水质标准不应该是一制定就实行很长时间，而是应该根据研究的新发现不断更新、调整。就消毒副产物而言，尽管目前美国和中国水质标准对氯代消毒副产物的规定只有三卤甲烷和卤乙酸两类，实际上研究发现的消毒副产物名单很长，比较重要的有：三卤甲烷(THMs)卤乙酸(Haloaceticacids)卤代醛(Haloacetaldehydes)卤代腈(Haloacetonitriles)卤代酮(Halopropanones)卤代硝基甲烷(Halonitromethanes)—卤代氰(Halocyanogens)无机副产物(亚氯酸盐、澳酸盐等)生物稳定性指标目前还未有定论，但随着研究的深入预计在不久的将来会有比较一致的看法。因此未来的消毒评价体系也应充分考虑生物稳定性指标。2．建立科学的消毒单元设计和运行方法消毒单元的设计和运行必须同时考虑提高消毒效果(即提高对致病微生物的控制水平)、减少消毒副产物、提高水质生物稳定性。国外最新的消毒设计和运行工具——综合消毒设计框架(IDDF，IntegratedDisinfectionDesignFrameworks)就是这样一种新的方法，在美国这个设计框架将会被用来代替地表水处理法(SWTR)中关于消毒的指导原则。最初的IDDF产生只包括三个部分；反应器水力特性、消毒剂的需求／消耗动力学、消毒动力学。但最初的IDDF存在一定的局限。新的全面的1DDF模型包括：反应器水力特性、消毒剂的需求／消耗动力学、消毒副产物生成动力学和消毒动力学。图21.2便是其内容的示意图。IDDF模型的建立是基于具体的用户的实际数据而定的。首先确定的是反应器的水力特性，然后是消毒剂的需求和消耗动力学，消毒动力学和消毒副产物形成动力学。这种方法建立起来的模型需要处理离散的水力数据。具体的模型应用是由用户提供的数据、每个子模型整合而成一个完整的lDDF。病菌的灭活计算是基于从水力学、消毒剂的需求和消耗动力学、消毒动力学模型中的输人数据。而消毒副产物的计算则是基于具体的水质和消毒副产物形成模型。这些模型提供了三种不同水平以给不同要求的用户：基础：IDDF模型的最简单的应用，只需输人参数，不需要实验。标准：IDDF模型最昔遍的应用，输入模型的数据需要做一些现场实验。高级：运用IDDF模型以实现显著的提高，需要专家来发展参数输入模型。IDDF模型应该成为我国未来氯消毒设计和运行的原则。3.改进消毒技术，全面提高饮用水水质为了全面提高饮用水水质，在优化氯消毒的前提下，还要研究新的消毒方式，以克服氯消毒的缺点。目前二氧化氯、臭氧和紫外线消毒都是可能的选择之一，但紫外线消毒技术是最有前途的技术之一，因为紫外线消毒不产生副产物，对抗氯型的隐孢子虫和贾第虫都有好的消毒效果。因此应该重点研究紫外线消毒在饮用水处理中的应用特点。消毒的首要目的是控制致病微生物的传播。一般情况下，致病微生物的风险比消毒副产物的风险要大得多，因此消毒技术的改进和优化首先应该将控制致病微生物放在第一位。在此前提下，采取技术手段，控制消毒副产物的产生。4.4改进清水池设计，以Ct10值作为设计依据1.清水池设计的改进成为减少消毒副产物的重要手段清水池是给水厂处理工艺的的重要组成部分。通常清水池主要起水量调节和消毒反应器的作用。但随着近几年对管网水质的重视，清水池作为保证管网水质的一个处理单元的重要作用越来越明显。特别是世界范围内对消毒副产物控制的重视，使清水池设计的改进成为减少消毒副产物的重要手段。2.t10／T是衡量清水池水力特性的重要参数。按照Chick—Watson消毒公式(公式21．1)，消毒效果跟CT值(C为消毒剂浓度，T为消毒反应时间)成正比。因此美国有关饮用水处理的法律专门规定消毒设计必须以CT值作为设计依据。其中C是反应时间T后的剩余消毒剂浓度(氯消毒即为余氯)，单位mg／L，T为反应时间，单位：min。而且要求T必须用t10，不能用水力停留时间T＝V／Q。t10必须通过示踪试验或根据清水池布置对水力停留时间乘以相应的系数。t10／T是衡量清水池水力特性的重要参数。二氧化氯消毒在极少数小水厂有应用，首家紫外线消毒于2003年底在大庆自来水公司建成投产。总体上氯消毒仍是绝对主流技术。3.其它消毒方式的应用保持管网足够的余氯并不能完全抑制细菌生长，只要有机营养基质存在，即使保持较高的余氯量细菌仍会在管网繁殖。而且加氯量的增加将引起氯代消毒副产物的增加，使饮用水的安全性下降。国内已经在北京供水企业、深圳供水企业、成都供水企业、天津供水企业等进行了这方面的研究，证实必须重视管网水质生物稳定性对水质的影响。关于制定AOC的标准和降低AOC的措施，也在研究中。国家“863”高科技攻关项目“南方地区安全饮用水保障技术”、“北方地区安全饮用水保障技术”、“太湖地区安全饮用水保障技术”都将饮用水生物稳定性和管网水质作为重要的研究内容。氧消毒时与有机物的反应能使AOC显著增加，从而带来副作用。氯消毒、消毒副产物和生物稳定性的相互影响关系可由图21．1表示。因此消毒技术的优化和发展成为十分紧迫的问题。在初步分析的基础上，应进一步通过模型试验来确定处理工艺以及主要参数，并应重视实地和资料调研国内外相关工程的设计与运行情况以及对应的工程建设背景和条件等，通过全面客观地总结现有工程的经验来指导本地的工程实践。总之，由于科技进步，使给水处理技术与工艺不断地发生变化，新技术被提出和得到应用或使现有工艺更加高效和经济。3.2预处理技术与工艺3.2.1生物预处理“八五”和“九五”期间，我国对各种生物预处理技术进行了系统研究，总体上讲，生物预处理能有效去除原水中可生物降解有机污染物，CODMn去除率一般为15％～20％。对氨氮和亚硝酸盐去除而言，生物预处理的去除率较高，一般可达80％以上。另外，生物预处理还能不同程度地去除原水中的铁、锰，色、嗅及浊度。当水中有机污染物可生化性较强时，采用生物预处理可明显地提高水质，但对于受工业废水污染、可生化性较低的原水，生物预处理除污染效率较低。对于北方地区，由于冬季水温低，处理效果会下降。各供水企业在进行生物预处理方案论证时，应充分利用我国在“八五”和“九五”期间在该领域的研究成果，并结合原水水质特征，进行必要的模拟试验，确定生物预处理的工艺适用性、池型及设计和运行参数。如果原水受生活污水污染，有机物和氨氮较高(接近或超过《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中的Ⅲ类水体的上限值)，与增加臭氧—活性炭深度处理相比，一般讲，选用生物预处理是解决该类水质问题的经济合理的选择方案。各供水企业在