回用水中病毒滅活方法簡介

陳真真

介紹

水（分子式為H2O）是各類生物的生命中不可缺少的最基本物質(zhì)，是人類生存的必需品，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市發(fā)展的極重要資源。人類習慣于把水當作取之不盡、用之不竭的廉價的自然資源，然而近幾十年來，伴隨著人口的持續(xù)增長和經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國很多地區(qū)相繼出現(xiàn)水資源短缺這一現(xiàn)象[1]。全國已經(jīng)有80%的城市處于缺水狀態(tài)，缺水總量達1200億m3/a，尤其在北方地區(qū)格外嚴重[2]。而水污染更是加劇了水資源的緊張狀況，并對人類的生命健康形成嚴重威脅。開源節(jié)流是解決這一問題的主要途徑，但地球上的水資源是十分有限的，在這種情況下，回用水作為新型非傳統(tǒng)水源逐漸走進人們的視野。

回用水是指城市污水或工業(yè)廢水經(jīng)過二級處理或深度處理后供給回用的水。回用水量大，易收集，成本低。據(jù)統(tǒng)計，如果使用回用水作為城市日常供水，可以節(jié)省總供水量的一半以上[3]。

目前，新型冠狀病毒肺炎(簡稱新冠肺炎，COVID原19)仍在全球很多國家肆虐，新冠肺炎疫情是近百年來全世界暴發(fā)的最為嚴重的流行傳染病，是我國遭遇過得傳播速度最快、感染范圍最廣、防控難度最大的重大型突發(fā)性的公共衛(wèi)生事件。新冠病毒主要通過呼吸道飛沫或密切接觸傳播，也有可能通過分布在環(huán)境中的新冠病毒傳播，而這一途徑很有可能來自回用水在各大場景中的使用。

城市污水回用水大多用于噴灌農(nóng)田、公園草坪、體育場以及娛樂景觀用水（比如游泳、沖浪）等與人體暴露量大、接觸頻繁的場所，其中的病毒等病原微生物對人體健康存在一定的潛在危害，水果蔬菜以及衣服表面都會成為疾病傳播途徑[4]，因此，對回用水進行有效的消毒處理十分必要。

消毒方法

1.液氯消毒法

氯氣是一種強氧化性物質(zhì)，在常溫常壓下為黃綠色氣體，分子式為Cl2，比空氣重2.5倍，具有強烈的刺激性和臭味，有劇毒。當加壓至6耀7個大氣壓時可以被液化，體積能夠縮小457倍，可灌入鋼瓶中儲存，故又稱之為液氯。液氯密度是水的1.5倍，易溶解于水（在常溫常壓下，溶解度為7160mg/L）。氯氣消毒中起消毒作用的是氯氣與水反應(yīng)生成的次氯酸，氯氣產(chǎn)生次氯酸的反應(yīng)式如下：

氯氣通過其水解的次氯酸起消毒作用。次氯酸是很小的中性分子，所以它才能不受任何排斥地擴散到帶負電的病毒分子表面，并輕易進入到細胞內(nèi)部。當次氯酸分子到達病毒內(nèi)部時，能夠起氧化作用，破壞病毒內(nèi)的蛋白質(zhì)或核酸物質(zhì)，破壞病毒的結(jié)構(gòu)或基因，導致其無法入侵生命體進行繁殖，從而達到殺滅病毒的效果。此外，次氯酸化學性質(zhì)極其不穩(wěn)定，易分解，分解容易釋放出新生態(tài)氧（[O]，O3、H2O2分解均可得到），新生態(tài)氧具有強氧化性，可以使病毒上的蛋白質(zhì)等物質(zhì)變性，從而使病毒失活。

液氯消毒應(yīng)用時間長、技術(shù)成熟、價格低廉且便于操作，我國大多數(shù)回用水仍然采用液氯進行消毒處理。氯氣消毒有非常明顯的優(yōu)點：處理水量大時，單位水體積費用低；消毒后能保持一定量的余氯，具有持續(xù)消毒能力。但氯氣消毒的缺點也不可忽略：氯氣與水中有機物反應(yīng)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物可能致癌致畸致突變，嚴重危害人體健康；氯氣消毒使用較多后會培養(yǎng)出某些微生物對氯氣的抗性，這些微生物可能會引起大規(guī)模傳染病；氯氣毒性強、易腐蝕，一旦泄露，將會導致重大的安全事故和財產(chǎn)損失[5]。

液氯消毒的有效性被多次證實。Dryden等對污水處理廠中氯消毒去除病毒效果的實驗表明，當污水中余氯濃度為5~10mg/L時，病毒的去除率可達4對數(shù)(4-log，99.99%）。Olivieri等對氯消毒試驗研究表明，當液氯濃度（c）和接觸時間（t）的乘積為55mg/L·min時，病毒去除率可達6對數(shù)（6-log，99.9999%）[6]。

2.二氧化氯消毒法

二氧化氯比氯氣的氧化性更強，常溫常壓下為黃綠色氣體，具有強烈刺激性氣味，分子式為ClO2，ClO2氣體在外觀和味道上和氯氣極為相似，極易溶于水，且不和水發(fā)生反應(yīng)，溶解度是氯氣的5耀8倍。常溫幾乎不發(fā)生水解，遇熱水解時，會分解為次氯酸、氯氣和氧氣，同樣具有強氧化性，具有消毒作用。

二氧化氯的主要作用機理是氧化作用，因其特殊的分子結(jié)構(gòu)（外層19個電子），具有非常強的掠奪電子的能力，能對富有電子的原子基團進行攻擊，使之失活或改性。另外，二氧化氯分子是中性分子，很容易在水溶液中擴散，能夠輕易進入病毒內(nèi)發(fā)揮作用。二氧化氯對于一般細胞的滅活機制可能有4種，分別是氧化DNA或RNA、中斷蛋白質(zhì)合成、氧化蛋白質(zhì)和氨基酸以及氧化細胞膜導致細胞物質(zhì)泄露。對于病毒可能只有氧化DNA、RNA或蛋白質(zhì)這幾種機制。

二氧化氯跟氯氣相比更有優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：二氧化氯（1.51V）的氧化還原電位高于氯（1.36V），氧化還原電位越高，反應(yīng)速度更快；二氧化氯有效氯濃度是氯氣的2.6倍，用量比氯氣少就能達到比氯氣更好的滅活效果；二氧化氯溶解度高，且不與水中有機物發(fā)生反應(yīng)，不產(chǎn)生有毒三致副產(chǎn)物；二氧化氯適用的酸堿度范圍更廣。但是二氧化氯易揮發(fā)、易爆炸，空氣中濃度大于10%或水中濃度大于30%都會發(fā)生爆炸，所以不方便貯存，只能現(xiàn)場制備。二氧化氯消毒成本也比氯氣消毒高出一倍之多[7]。

任哲[8]等用40mg/L二氧化氯滅活鼠肝炎冠狀病毒(MHV)，1min即可達到4.83-造og的去除率，MHV被完全滅活。李學敏[9]等用濃度為100mg/L的二氧化氯對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌滅活，分別作用7.5 min，殺滅對數(shù)值均躍5.00；對白色念珠菌作用7.5 min，殺滅對數(shù)值躍4.00。

猿援臭氧消毒法

臭氧（O3）是分子氧（O2）離解成為原子氧（O）時產(chǎn)生的一種不穩(wěn)定氣體，常溫常壓下，可自行分解為氧氣。臭氧密度是空氣的1.6倍，常溫常壓下呈現(xiàn)出淡藍色，具有特殊的臭味，少量吸入對人體有益，過量吸入對人體有害。臭氧作為一種常見的強氧化劑，其氧化能力是氯氣的2倍，殺菌能力更是達到氯氣的數(shù)百倍。臭氧消毒目前在歐洲發(fā)達國家應(yīng)用較多，國內(nèi)水廠應(yīng)用較少。臭氧的生成反應(yīng)式如下所示：

臭氧對微生物的滅活作用，是因為其具有強氧化性和生物膜擴散能力。其作用機制可能有2點，分別是：①直接與微生物細胞、病毒體作用，破壞真核細胞細胞壁、DNA或RNA，使細胞的遺傳物質(zhì)、新陳代謝受到破壞，導致死亡；②滲透進入細胞膜內(nèi)，作用于外膜的脂蛋白或內(nèi)部的脂多糖，使細胞發(fā)生透性畸變，直至溶解死亡。

臭氧消毒具有以下優(yōu)點：現(xiàn)場制備，減少了運輸貯存環(huán)節(jié)；氧化作用強，滲透速度快，消毒效果強于氯和氯胺等消毒劑；消毒產(chǎn)物只有氧氣和水等無害化物質(zhì)；對抗性很強的微生物也有很強的滅活效果。臭氧消毒具有以下缺點：當水中存在一定濃度溴離子時，臭氧氧化過程中可能會生成對人體有害的溴酸鹽；臭氧衰減速度很快，室溫下30min就可能衰減完全，因此不具有持續(xù)消毒能力[10]。

彭紅[11]等測試了臭氧對大腸桿菌的滅活效果，在1m3的臭氧發(fā)生器密閉箱中氣體臭氧濃度達到80.86mg/m3，作用90min后，載體上大腸桿菌滅火率達到96.90%。水中臭氧濃度為3.0mg/100ml，作用5 min后，對水中大腸桿菌平均滅活率達到99.92%。水中臭氧濃度為20.64 mg/L，作用30 min后，對載體上大腸桿菌平均滅活率達到99.91%。

源援紫外消毒法

紫外線（UV）是電磁波譜中波長為10耀400nm輻射的總稱，其中200耀300nm之間的紫外線有滅菌作用。飲用水消毒使用250耀265nm最佳波長的紫外線，波長253.7nm的紫外線殺菌作用最強。紫外線消毒是當今世界上最有效、最經(jīng)濟、最先進的水體消毒方法，在歐美等發(fā)達國家己廣泛應(yīng)用，當前在我國也越來越受重視。

紫外線消毒的原理是利用波長范圍在250耀265nm的紫外線，直接破壞微生物細胞或病毒體中的DNA或RNA的分子結(jié)構(gòu)，導致核酸鍵和鏈的斷裂，形成光化產(chǎn)物，阻斷DNA和RNA的復制過程，進而造成細胞死亡，從而達到殺菌消毒的效果。另一種可能的機理是水以及水中的溶解氧在紫外線的照射下，能夠生成O2-（超氧負離子）、O2*（激發(fā)基態(tài)氧分子）、H2O2（過氧化氫）和·OH（羥基自由基）等氧化性極強的激發(fā)態(tài)物質(zhì)，這些物質(zhì)對水中病毒等病原體有毀滅性的破壞作用。

紫外消毒具有以下優(yōu)點：沒有消毒副產(chǎn)物生成，對處理水的后續(xù)應(yīng)用沒有影響；消毒效果不受水溫（T）、酸堿度（pH）等水體內(nèi)部以及附近環(huán)境條件影響；紫外消毒工藝依靠的是紫外光的照射，消毒系統(tǒng)一般采用成套的集成裝置，不直接介入水體，出水水質(zhì)不受影響；消毒系統(tǒng)自動化程度高，操作容易且管理簡單。紫外線消毒也存在以下明顯的缺點：受濁度的影響大，原水濁度比較高時，紫外線穿不透水面，嚴重影響紫外光的殺菌效果；不能提供剩余消毒能力，消毒后的水經(jīng)輸水管道水容易再次被污染；存在光復活的現(xiàn)象，某些被紫外線殺傷的微生物在脫離紫外線的照射范圍后會修復損傷的DNA分子，使細胞復活[12]。

紫外線消毒效果極好，夏冠英炫等研究了LED紫外線燈殺菌效果，結(jié)果顯示，用LED紫外線燈在垂直2耀5 cm處照射5 min，對金黃色葡萄球菌滅菌率達到100%。在垂直2耀4cm處照射15min以上，對大腸桿菌的滅菌率達到100%[13]。

結(jié)束語

在不同類型的物體表面，病毒均可有效存活，且保持感染性的時間為2h耀9d。高溫如30益或40益可減少高致病性病毒的存活時間，低溫如在4益的環(huán)境中，病毒存活時間可延長至28 d以上。回用水是目前我國解決水資源短缺的一個有效的途徑，未來回用水應(yīng)用會越來越廣泛，人類暴露在使用回用水的公共場所的機會越來越多。因此，確保回用水中各種病原體含量低于國家標準，不對人體產(chǎn)生傷害是水處理中必須要做到的。通過對以上幾種消毒方法的簡要介紹，我們可以清晰地看到，消毒效果相對較好的臭氧和紫外線消毒，成本較高且不具備持續(xù)消毒能力，而具備持續(xù)消毒能力的液氯產(chǎn)生較多“三致”物質(zhì)。相對來說，二氧化氯消毒可能更具優(yōu)勢，消毒效果好且具有持續(xù)消毒能力，但二氧化氯不易貯存，只能現(xiàn)場制備，增加了操作的復雜性。近些年來，對于紫外垣液氯、臭氧垣二氧化氯等聯(lián)合消毒處理工藝的研究越來越多，應(yīng)用在回用水消毒中的工藝也會越來越多。未來，我們將不會再為回用水中有無病原體而擔心。