饮用水氯胺消毒控制及特点

饮用水氯胺消毒控制及特点环境工程姚宁波1413021009随着水处理技术的发展，饮用水消毒剂及应用研究取得了很多成果。饮用水消毒是指杀灭水中的病原菌、病毒和其它致病性微生物，为了防止这种通过水介质引起疾病的传播[1]。一．氯胺消毒工艺的特点氯胺消毒是通过氯和氨在水中反应生成一氯胺(NH2C1)、二氯胺(NHCl2)和三氯胺(NCl3)，主要生成一氯胺(NH2CL).氯胺与水中消毒副产物前驱物反应活性远低于自由氯,同等条件下的DBPs生成量也大大减少[2]。尽管NH2Cl比其他消毒剂的氧化性较低，达到预期微生物控制要求的时间较长，但它在配水管网中的剩余物更加稳定，持续灭菌时间更长。同时，可减少经加氯处理后水中经常存在的氯代芳烃引起的不良嗅与味(如氯酚)。尽管在饮用水消毒方法中一氯胺的使用一直认为与做透析治疗病人的变性血红素的产生有关，但从实验室的动物试验研究中始终未能证实这一结果。另一种影响健康的考虑是NH2Cl可能对生殖能力有毒性作用(geno-toxic)，但产生上述结果的浓度在自来水中是不可能达到的。氯胺在水中衰减慢，分散性好，穿透生物膜能力较强;能很好地控制军团菌的生长，军团菌有时能从氯消毒后的水中恢复，但不能从氯胺消毒的水中恢复，可以减少90%的军团菌发病者;引起的管网腐蚀少于连续氯消毒。其有效成分是一氯胺。氯胺表现出对控制生物膜形成是优越的，主要是控制生物膜成长的灭菌作用，这种高超的对生物膜成长的控制作用，在铁管上表现最为突出。氯胺消毒的优点1)由于氯胺可以避免或减缓水中一些有机污染物发生氯化反应,因此氯胺消毒一般很少产生三卤甲烷(THMS)和卤乙酸(HAAs),产生致癌致突变的化合物也比较少；2)氯胺的稳定性好，杀菌持久性强，用于供水管网较长的水厂和高层建筑储水水箱，不仅能更好地保证管网水中的余氯量和持续时间，有效控制管网中的有害微生物的繁殖和生物膜的形成，还可以有效抑制氯化消毒副产物的生成，是一种效果较好的消毒方法；3)氯氨消毒是由缓慢释放出的HClO发生作用,故氧化能力相对比较弱,可以大大减缓液氯消毒残留的臭味；4)氯胺消毒对供水管网的腐蚀性比较小。氯胺消毒存在的缺点尽管氯胺消毒存在一系列优点,使越来越多被用于水厂消毒中,但也有一定的局限性。1)氯胺消毒能力比较弱,杀菌作用不及自由氯，所需氯胺的浓度较高，接触时间也需要更长；2)如果控制不好的投加量,会激活水中的氨氧化细菌,而使转化成亚硝酸盐和氨氮,从而使出水中亚硝酸盐和氨氮超标.相比于氯气消毒法，氯胺消毒过程中更易产生危害性更大的含氮消毒副产物—亚硝胺、卤代硝基甲烷、卤代乙腈（HANs）[3]；3)氯氨消毒需要专门设加氨间和加氯间,氨气泄漏事件的防治目前还没有比较完善的措施；4）一般不能用作单一的消毒剂。二.氯胺的消毒原理氯胺的制备采用次氯酸钠溶液和氯化铵溶液按照氯与氨氮的比值为4∶1,在pH为8.3±0.1的磷酸盐缓冲溶液中采用先加氯化铵后加次氯酸钠，混合30min后使用[5]。氯胺（NH2Cl）的消毒作用是通过缓慢释放次氯酸（HOCl而进行的。氯胺消毒作用机理与氯气相近，通过穿透细胞膜，使核酸变性，阻止蛋白质的合成来达到杀灭微生物的目的。氯气加到水中，生成次氯酸，次氯酸可以与氨气反应生成氯胺，反应如下：Cl2+H2O⇌HClO+HCl(1)NH3+HClO⇌NH2Cl+H2O(2)NH2Cl+HClO⇌NHCl2+H2O(3)NHCl2+HClO⇌NCl3+H2O(4)由上面的反应式可以看出,这些反应均存在一个动态平衡.氯胺消毒起消毒作用是其缓慢释放的HClO，当HClO因消耗而减少时，NHCl2按逆反应方向生成HClO,从而实现消毒的目的[4].用氯胺消毒饮用水，起主要作用的是一氯胺。二氯胺和三氯胺不仅会消耗大量的氯，还会使水产生异味和不良口感，在消毒时应尽量避免两者的产生。当Cl2和NH3的物质量化为(15～20)：1时才有显著的NCl3存在.NCl3存在和含量在消毒中的影响不大,并且有明显的气味，一般不希望其生成。在实际生产中,在将Cl2和NH3的物质的量比控制在3～5之间,以保证在正常pH值下一氯胺是主要生成物，氯胺消毒时，氯和氨的理想投加比例为4：1，但是这和原水的pH值、需氯量以及氨含量相关。如果加入过多的氯，就会生成二氯胺，这会导致形成生物膜或者产生硝化作用。当pH太低，Cl2和NH3的比值越高，对生成较不稳定的氯胺有利，当pH=5～8时，NH2Cl和NHCl2共存.它是一种比NH2Cl更强的消毒剂，但不稳定,有明显的气味。在实际生产中，使用氯胺重要的一点是加强生产管理,控制氯和氨的投加比例,一般投氯1.3～1.4mg/L,投氨0～0.3mg/L.并且要严格控制投氨量,避免过多的氨引起出水中亚硝酸盐和氨氮的超标。通过改变预先配制的氯胺溶液的pH值、氯氮的质量比，研究这些因素对氯胺消毒过程中溶解性有机卤化物(DOX)、三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)等消毒副产物的形成特点。结果表明，低pH值、高C12:N比的条件下，总指标DOX和具体的副产物指标DBPs较高，且随pH值的升高和C12:N比的下降而降低。氯胺消毒中三卤甲烷大大减少，由于二卤乙酸的形成，氯胺消毒中卤乙酸的问题较三卤甲烷更值得重视;采用氯胺消毒的水厂在确定适宜的工艺条件时应重点考虑以上因素，才能全面反映消毒副产物的状况。三．氯胺消毒给水管网中的硝化作用及其控制研究表明,在采用氯胺消毒的给水管网中,存在着硝化反应发生的可能性。硝化作用会造成出水亚硝酸盐含量升高、消毒剂含量降低、异养菌繁殖等危害。分析认为这是由于氯胺的生成过程中加入了过量氨及氯胺在水中的分解,使氯胺消毒系统中存在一定浓度的氨并被水中的硝化细菌(包括氨氧化菌和硝化细菌)利用生成了亚硝酸盐和硝酸盐[4],而亚硝酸盐在人体中会与胃液反应生成亚硝胺类致癌物质,并与氯或氯胺反应从而造成水中消毒剂浓度的降低,削弱氯胺的消毒效果。此外氨氧化菌和硝化细菌在自身繁殖过程中所产生的代谢产物又可能成为异养菌的营养物质,促进其繁殖。因此给水管网内的硝化现象应该引起足够的重视。硝化作用的控制方法给水管网中一旦发生硝化反应,即使氯胺投量达到8mg/L仍然不能对其控制,表明仅仅通过增大消毒剂投量是不能达到控制硝化反应的。氨氮是硝化细菌能量的来源，因而减小水中氨氮的含量可以降低硝化细菌的生长，从而控制硝化反应的发生。水中的氨一部分来自于氯胺生成过程中剩余的氨,另一部分来自于水中氯胺的分解和氯胺与其他有机物及无机物反应的产物。因此一些水厂采用折点加氯或生物滤池的方法来降低水中的氨氮,通过高速反冲洗去除管壁上的生物膜以降低硝化细菌的数量来控制硝化作用。降低氯胺在水中的衰减是一个重要的手段,如去除可以和氯胺反应的物质—腐殖酸。另外,降低水力停留时间也有利于控制硝化反应的发生。蒋展鹏等对饮用水常规处理过程中硝酸盐和亚硝酸盐的迁移和转化规律进行了研究,认为常规水处理工艺存在亚硝酸盐超标的危险，不同有机物对亚硝酸盐生成的促进作用不同，官能团越多的有机物其促进作用越大。同时建议采用氯胺消毒时，不同pH值采用不同的氯氨比，如pH值为7.3时，氯氨比采用3:1；pH值为7.5时,氯氨比采用4:1；pH值为7.7时,氯氨比采用5:1。深圳水司对水厂季节性氯耗升高的原因进行了调查,发现水厂出水中亚硝酸盐浓度升高、氯耗大幅度增加,认为这是由于原水中的氨氮含量过高,造成滤池内发生了硝化反应所致。刘丽君等对供水过程中的硝化反应进行了研究，得出亚硝酸盐主要来源于制水过程中生物氧化作用的结论,并就消毒工艺对硝化反应的影响做了初步研究，认为氯消毒系统中氯作为氧化剂可以将水中的含氨有机物氧化成硝酸盐,中间产物是亚硝酸盐[6]。杭州水司、广州西村水厂及其他水司在其后也进行了相关研究，也得出了相似结论。在管网硝化作用方面,陈忠林等对深圳部分管网内的硝化作用及配水系统中亚硝酸盐的变化规律进行了研究,提出可以通过优化氯胺消毒工艺及折点加氯等方式来控制水中的硝化作用[7]。综上所述,国内外对水中硝化作用的研究主要集中在亚硝酸盐和硝酸盐的生成规律及其硝酸盐在水源及处理构筑物中的迁移和转化以及硝化与水质的相互影响等方面[8]。结论由于氯胺消毒技术本身所具有的优点以及在检测和自动控制方面的突破，目前，美国大约30％的饮用水厂用氯胺作为残留消毒剂。据不完全统计，在我国现阶段有北京、上海、广州、深圳、浙江等水司下属的30余家水厂，共计约1300×104m3/d的自来水用氯胺消毒。上海威立雅自来水公司浦东水厂自采用氯胺消毒以来，其出水的各项控制指标均满足目前的国家饮用水水质的规定。从该水厂的生产和检验数据可以看出，采用氯胺消毒其出水管网余氯达标率非常好，出厂水和管网水氯仿含量均比较低，能够满足现行饮用水卫生标准，在消毒的同时对DBPs的产生有较明显的抑制作用。硝化作用是氯胺消毒给水管网中普遍存在的一种现象,硝化作用会造成管网水质的微生物学指标不稳定,对人体健康造成潜在危害。减小水中氨氮的含量可以降低硝化细菌的生长，从而控制硝化反应。具体可采用折点加氯或生物滤池的方法来降低水中的氨氮,通过高速反冲洗去除管壁上的生物膜以降低硝化细菌的数量来控制硝化作用。降低氯胺在水中的衰减是一个重要的手段,如去除可以和氯胺反应的物质—腐殖酸。另外,降低水力停留时间也有利于控制硝化反应的发生。参考文献：[1]郑德瑞,王卫东,任立,等.饮用水的消毒及其消毒副产物的控制[J].环保技术,2014,（4):70-73.[2]智修德,姜明基,林英姿.消毒技术在饮用水处理中的研究现状[J].辽宁化工,2010,39（4）;369-375.[3]Krasner，S.W.，Weinberg，H.S.，Richardson，S.D.，Pastor，S.J.，Chinn，R.，Sclimenti，M.J.，GretchenD.O.&Thruston，A.D.Occurrenceofanewgenerationofdisinfectionbyproducts.EnvironmentalScience&Technology，2006，40（23）[4]刘兆民,展宗城.氯胺消毒在给水中的应用[J].西北民族大学学报,2006,27(63):28-31.[5]焦中志,陈忠林,陈杰.氯胺消毒对消毒副产物的控制研究[J].哈尔滨工业大学学报.2005,37（11):1486.[6]刘丽君.供水过程中的硝化反应[J].给水排水,1997,23(5):8-10.[7]陈忠林,孙运磊,李国良,等.南方某城市给水配水系统中亚硝酸盐状况调查[J].哈尔滨工业大学学报,2006,38(7):1047-1050.[8]张永吉,周玲玲,李伟英.氯胺消毒给水管网中的硝化作用及其控制[J].中国给水排水,2008,24(2):7-8.