生活飲用水消毒技術的應用及研究進展

崔海松　湯杰　魏峰　劉威

摘要：隨著人們對健康的重視程度越來越高，飲用水的質量成為人們生活中關注的重要部分。文章綜述了飲用水消毒技術的發展過程及分析了各種消毒技術的利弊，通過對比這些消毒工藝的利與弊，得出了聯合消毒技術不僅能夠節約能耗，還可以保證很好的消毒效果，具有極大的推廣價值。

關鍵詞：生活飲用水；消毒技術；消毒副產物；聯合消毒；飲用水質量 文獻標識碼：A

中圖分類號：R123 文章編號：1009-2374（2016）26-0043-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.021

清潔飲用水是人類生活的一個根本要求，可是隨著人類人口不斷大量的增長，人類對水資源的需求量也開始不斷擴增，導致生活飲用水日益短缺這個問題漸漸變得十分嚴峻起來。采用安全、高效的飲用水消毒方法是維護人類健康的根本前提。未來生活飲用水消毒技術的發展既要保證對飲用水的消毒效果，也應該最大化減少化學藥劑的使用與投放，最大程度使得有害消毒副產物的產生得到減少。傳統的飲用水消毒是氯消毒，始于19世紀初。它可以十分有效地殺滅水體中病原微生物，能夠使人們感染傷寒、霍亂等水傳播疾病的概率最大程度降低。可是從20世紀70年代起，由于氯消毒過程中產生的三鹵甲烷（THMs）消毒副產物不斷被檢出，THMs有致癌作用，對人體的健康影響非常大，因此氯消毒的安全性受到了質疑。同時氯消毒對隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲等病原體是低效甚至無效的，于是其他消毒技術開始逐漸得到了應用和發展，主要包括化學消毒法、物理消毒法以及聯合消毒法。

1 化學劑消毒法

1.1 ClO2消毒

由于ClO2具有很強的氧化性，所以它對微生物的細胞壁有著十分強的吸附和穿透能力，能夠非常有效地將細胞內含硫基的酶給氧化，十分迅速地控制微生物蛋白質的合成進而阻礙微生物的生長繁殖，從而完成消毒殺菌的目的。近些年來，研究發現ClO2不僅能殺滅水中病毒、鐵細菌、細菌、硫酸鹽還原菌、藻類、真菌及浮游生物甚至包括抗逆性最強的芽孢，而且對新國標中的“兩蟲”（隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲）也可以達到滿意的滅活效果。自20世紀90年代以來，我國開始向美國自來水廠學習，在一些中小型自來水廠中應用ClO2來對飲用水進行滅菌殺毒處理。如果和氯消毒技術做比較的話，使用ClO2來消毒生活飲用水的時候，即使不太可能會產生鹵乙酸、三鹵甲烷等這種有強致癌作用的消毒副產物，但還是會生成氯酸鹽、亞氯酸鹽等這種無機的并且有毒有害的消毒副產物。另外，ClO2不宜在水中保存和運輸，一般采用現場制備的方式，對某些中小型水廠較為合適，但是對某些大型的水廠，因為人為投加ClO2的量很大，那么在現場制備ClO2的產量也隨之相應不斷增大，所以使用這種方式進行消毒就顯得非常不合適。總之，我們不斷地尋找ClO2既經濟且適用的制備方法，它已經成為了相關研究的熱點。

1.2 氯胺消毒

氯胺作為一種新型飲水消毒劑，其優點在于產生少量的三鹵甲烷以及能維持很長時間的消毒效果。由于單獨使用氯胺的消毒效果較差，往往采用聯合應用將氯胺作為末端消毒劑來使用到生活飲用水的殺毒滅菌中來。最主要的原因還是相對于飲用水中的游離的氯，氯胺在水體中呈現出更加良好的穩定性，可以在飲用水體中保存停留很長的一段時間，使得水體中能夠保持一定量的余氯，這樣能夠防止水體再次受到污染。由于氯胺在消毒飲水方面有很多可取之處，因此在我國不少水廠已經開始采用氯胺消毒工藝。

1.3 臭氧消毒

O3一直是屬于非常高效的消毒劑的范疇，對各種各樣的微生物都能夠十分有效地殺死滅活，O3氣體或者將它溶在水溶液中都會產生十分強大的殺滅許多微生物的作用，并且相對于有效氯而言，臭氧殺死多種微生物的速度要比其他消毒劑快且快數百倍。臭氧正是靠著它強大的氧化能力，不僅能夠殺滅生活飲用水體中絕大多數的細菌、病毒、包囊、芽孢，還能夠破壞大部分微生物內部的有機物，同時臭氧還可以起到去臭、脫色作用。臭氧的消毒效果比氯消毒好太多了，如果控制水溫越低，臭氧的消毒效果就會越來越好。

臭氧消毒的不足之處在于：第一，O3氣體的穩定性太差、水溶性十分小，對生活飲用水充分徹底地消毒后，無法在水體中保持余留量，并沒有持續的殺菌滅毒效果；第二，臭氧被用作在生活飲用水中的消毒劑，雖然在殺菌滅毒過程中不會生成氯化消毒副產物，但有很大的可能性它會在水體中生成溴酸鹽、醛類和過氧化物等一類具有高度潛在危險和毒性的副產物，其中溴酸鹽被國際癌癥研究機構定位2B級潛在致癌物。臭氧在殺滅生活飲用水菌體的過程中，影響它產生和生產溴酸鹽的因素復雜得簡直令人不可思議，它不僅受到生活飲用水體中溴化物含量的重大影響，還會受到O3氣體的濃度、接觸生活飲用水體的時間、生活飲用水體的ORP電位等很多因素的影響，因此必須有效地控制溴酸鹽的產生。

1.4 NaClO消毒

NaClO一般情況下是可以直接將其投加到生活飲用水中進行殺毒滅菌的，這樣做的目的是既可以避免Cl2投加到生活飲用水中所出現的審批問題，又可以避免投加二氧化氯到生活飲用水中時不可避免所帶來的消防安全問題，因此次氯酸鈉殺毒滅菌在某種程度上具有投加非常方便、審批非常簡單、較低的安全要求等許許多多的優點，從這方面看，次氯酸鈉相對其他消毒劑而言，算是很好的生活飲用水消毒替代方式。可是NaClO溶液也存在明顯的不穩定性，隨著放置空氣中時間的延長，其消毒效果會越來越差。為了盡量解決NaClO的不穩定、易降解的特點，建議在現場制備使用此種方式時解決此問題。同時，NaClO如果和液氯方式進行對比，由于次氯酸鈉的消毒滅菌原理與液氯殺毒滅菌原理基本相同，因此在某種意義上，次氯酸鈉殺毒滅菌也會存在對“兩蟲”（包括隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲）等殺毒效果非常差勁以及會產生消毒副產物的問題，所以需要將其和其他消毒方法（紫外線等）進行聯合應用，以達到更好的消毒效果。

1.5 高鐵酸鹽消毒

高鐵酸鹽作為一種綠色、無機、多功能強氧化劑越來越受到國內外普遍關注。它具有氧化、吸附、絮凝、殺菌、消毒等多功能性質，操作方便且殺菌力強。高鐵酸鹽在氧化消毒過程中產生的還原產物Fe（OH）3不僅安全性較高，而且它作為助凝劑也是十分良好的。高鐵酸鹽在去除有害細菌和病毒的同時可有效去除水中的懸浮物及重金屬離子，因此高鐵酸鹽這種安全無任何毒副作用的多功能高效水處理藥劑，在飲用水殺菌消毒領域中具有重要的研究開發和應用前景。

2 物理消毒方法

2.1 紫外線（UV）消毒

將紫外線消毒應用于生活飲用水殺毒滅菌，具有消毒十分徹底、快速、便捷并且不會污染生活飲用水質的優點，最重要的是操作起來十分簡便、使用和維護的費用很低等。紫外線殺菌的原理是利用紫外線光量子的能量使與之接觸的微生物體的核酸結構受到破壞，微生物最終失去復制以及繁殖的能力。紫外線消毒是一種比較環保的技術，具有無需化學藥劑添加、無消毒副產物形成以及成本經濟等優點，在水質凈化領域中的使用方面是非常廣泛且普遍的。

雖然對絕大多數的病原體來說，紫外線的消毒滅菌的效果非常好，但是到現在為止，市場上普遍的紫外消毒滅菌的系統都是為燈管浸沒式，這種燈管存在下列非常普遍的問題：更換紫外燈管十分困難，石英的管壁需要經常的維護和清洗，紫外線利用的效率非常低，同時能耗很高，如果將紫外線直接浸沒在水中，紫外燈中的汞不僅對環境，而且對人體的健康都存在很大潛在的威脅，因此一種高效且非常可靠的光纖傳導紫外光消毒技術就出現在市場上。該技術的基本原理就是利用光學聚焦系統將光源產生的紫外光匯聚于一點，然后通過石英光纖再將其導入水中，并在光纖散光點處均勻地透射，從而滅活水中生存的微生物。

紫外線消毒滅菌的最大的缺點就是無法具有可持續性，不能絕對保證輸送和配送水管網內各類微生物的滅活穩定性，所以通常需要聯合常規消毒方式實現持續消毒效果。此外，生活飲用水體中的懸浮顆粒物、有機物COD及氨氮（NH3-N）都會在紫外線的傳播過程中帶來許許多多的干擾，進而十分影響消毒滅菌的效果，所以紫外線處理水要求水體具備很高的透明度。

2.2 超聲波消毒

超聲波輻射技術是一項非常好的水處理技術，它具有很好的發展前景，它在浮游生物的滅活、過濾膜及陶瓷濾芯的清洗等方面已有應用。從相關文獻得知，高頻率超聲的主要作用就是將水體中的菌膠團解聚，然而對于細菌的滅活的效用并不是太好，低頻率的超聲波才真正地具備有消毒滅菌的效果，可是如果只想單純地依靠超聲波消毒，我們又會面臨可能出現的能耗較高的問題。因此往往將超聲波與紫外線聯合應用進行消毒，這樣不僅比單純的超聲波或紫外線消毒工藝節約能耗，而且能產生很好消毒效果。

2.3 TiO2光催化消毒技術

TiO2光催化反應的基本原理就是利用具有強氧化性的活性自由基（羥基自由基）參與到生活飲用水體中的各種化學反應，由于羥基自由基具有很強的氧化性能，能夠將絕大多數水體中的有機物氧化分解并且最終將其礦化為水和二氧化碳等無機小分子。此外，TiO2光催化消毒技術具有很大的殺菌消毒的功效，TiO2作為催化劑本身不會溶解于水，沒有毒性，且不會對生活飲用水體產生污染，非常適用在飲用水方面進行消毒滅菌。近些年，正是由于TiO2光催化消毒技術在其性能上具有得天獨厚的優勢，其光催化殺毒滅菌機理及TiO2在生活飲用水消毒滅菌領域中的廣泛應用，所以TiO2光催化消毒技術逐漸成為各國科學家的研究熱點。

2.4 膜消毒

膜技術是20世紀60年代后迅速崛起的一門分離技術。它去除水中雜質的主要原理是機械篩分，膜技術應用于飲水消毒具有水質優良、操作簡單、占地小等優點，已成為人們提高水質的一項重要措施。在國外，膜技術用于飲用水消毒的研究十分多且復雜，用膜對病毒、致病細菌以及賈第蟲和隱孢子蟲這“兩蟲”消毒滅菌，能夠有很好的去除效果。

3 聯合消毒方式

3.1 “紫外線+氯（氯胺）”聯合消毒

在飲用水處理中，紫外線消毒對微生物滅活特性與氯（氯胺）消毒相比較是正好相反的。其中紫外線對原生動物和細菌的滅活效果最好，而氯消毒則是對大多數的病毒和細菌滅活效果最好，可是對“兩蟲”（賈第蟲和隱孢子蟲）效果較差。因此采用“液氯和紫外線（氯胺）”聯合的消毒滅菌技術，不僅可以滿足實現新國標里面對病原微生物指標控制的要求，還可以為生活飲用水提供很多級別的滅菌消毒的安全保障。

在實際工程中，由于紫外線對各類水體中微生物滅活效率很高，因此我們通常利用這一特點，在最開始的凈水工藝流程中，我們就是采用紫外線消毒滅菌來作為消毒的主工藝，必須充分保證對微生物的滅活效果，隨之僅使用少量余氯就可以非常有效抑制微生物的復活，不僅可有效減少后續氯的投加使用量，從而減少消毒副產物的產生，因此紫外線與氯（氯胺）消毒工藝相結合，將會對處理飲用水具有十分重要的現實意義。

3.2 紫外線+超聲波+氯（氯胺）聯合消毒

超聲波和紫外線聯合起來對水體進行消毒的效果在某種意義上肯定會優于這二者單獨作用于生活飲用水中的消毒效果，如果單獨采用超聲波進行預處理，我們可以將水中比較大粒徑的懸浮顆粒和菌膠團進行徹底擊碎、完全分散。我們在紫外線消毒的過程中，紫外線也將能夠更容易接觸到各類微生物及懸浮顆粒，從而可以不斷加強紫外線的殺菌滅菌的效果，提高紫外線的消毒效率。如果我們采用超聲波對水體進行一定程度上的預處理，我們只會需要很短的輻射時間就能把紫外線的消除效率進行顯著地提高，同時所用的能耗并沒有增加太多，因此我們將超聲波與紫外線進行聯合作用。這樣我們不僅能夠減少末端投加消毒劑（液氯或氯胺）所產生消毒副產物帶來的影響，同時一定程度上還可以抑制水體中微生物的復生現象，從而滿足新國標中對病原微生物指標嚴格控制的要求。這種殺菌消毒技術在國內某些企業中正在被研究應用，并且已經取得了初步的研究

成果。

除了以上消毒技術，還有高級氧化技術、水力空化、銀法+紫外、磁化法、靜電法、微電解法等新型消毒技術，這些新型消毒技術的研究大多只局限于理論研究階段，缺乏規模化的應用實驗研究。由于飲用水消毒關系到人們的健康，開發發展新的消毒技術還需要長期的應用研究。

4 展望

今天我們身處全世界在進行城市化這個龐大的背景之下，因為我們人類現在十分關注環境與安全方面所暴露出來的問題，當人們面臨用消毒劑處理飲用水問題時，人們不僅對化學消毒劑的安全使用提出了一定的要求，而且對政府監督也提出了更高的要求。由于當前我國飲用水的水源水質相對于國外的飲用水質來說，不僅更為復雜，而且處理起來更加困難，最重要的是和國情與發達國家相比，現在我國的經濟狀況和他們有著非常龐大的差距，這也導致我國在供水方面和排水等方面與發達國家的水平存在著相當大的差距。與此同時，國內目前還沒有研究出一種能夠完全滿足人們要求的消毒殺菌劑，我們只能按照消毒的對象和消毒目的來進一步確認選擇不僅經濟且適用的消毒劑。每一種消毒技術都存在優點和缺點，我們知道傳統的消毒工藝需要改進，那么生活飲用水聯合消毒的工藝就值得大量推廣和應用，如紫外線-氯（氯胺）消毒工藝等。在實際的生產生活中，應該花大力去開發新型的消毒技術以及物美價廉性價比更高的新型消毒劑，之后再結合我們國家的飲用水水源水質，還有最重要的經濟狀況也必須考慮其中，第一步就是將消毒工藝進行不斷地優化，在保證水的質量的前提下，我們應該盡量降低和減少最后一道消毒工藝的處理污染負荷，切實地縮小和降低運行成本，以便獲得最好的處理效果，這樣我們就能夠得到最優質的飲用水。

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基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項課題（2012ZX07403-003）。

作者簡介：崔海松（1982-），男，河北安國人，供職于杭州綠潔水務科技股份有限公司，浙江省重點科技創新團隊“飲用水安全保障與城市水環境治理”核心參與人員，碩士，研究方向：分析儀器方法、系統集成等。

（責任編輯：蔣建華）