消毒工藝在水處理中運用的進展

魏宇航，林英姿，b

（吉林建筑大學 a.市政與環(huán)境工程學院；b.吉林建筑大學 松遼流域水環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 130118）

近年來，全球出現(xiàn)了嚴重的環(huán)境威脅，改善水質(zhì)仍然是衛(wèi)生項目的首要任務(wù)。快速的城市化、人口爆炸以及人類活動的加劇給資源造成了巨大的負擔，導致水資源惡化和枯竭[1]。即使在衛(wèi)生標準較高的國家，水傳播疾病的發(fā)病率仍然很高，要求采用先進技術(shù)保障飲用水安全。各種水質(zhì)參數(shù)通常與微生物污染有關(guān)，這需要危險的水病原體[2]失活。

水消毒作為一種公共衛(wèi)生措施可以減少疾病的傳播。可采用多種消毒技術(shù)來滿足水中病原菌的滅活需求。本文主要論述氯消毒、紫外消毒和高級氧化消毒。

1 氯消毒

氯被認為是最便宜和最好的消毒劑之一，用于使微生物失活。在向水中添加氯時，一部分氯首先與存在的無機和天然材料及金屬發(fā)生反應(yīng)，無法進行消毒，這稱為水的氯需求量，其余氯稱為總氯。總氯分為化合氯和游離氯。當與無機物（如硝酸鹽等）和有機含氮分子（如尿素等）結(jié)合時，組合氯作為弱消毒劑無法進行消毒。游離氯是殘留的氯，可用于滅活病原體，它是水的可飲用性的一種度量。因此，組合氯和游離氯的總和即為所需的總氯。例如，當我們使用完全清潔且無任何污染物的水時，氯需求量將為零，而組合氯也將為零，因為水中不存在無機或有機物質(zhì)。以這種方式，游離氯濃度將等于施加的氯。由于有機物的存在，尤其是在地表水供應(yīng)中，將有氯需求，而組合氯將由硝酸鹽等無機化合物形成。游離氯為總氯需求量和組合氯需求量之和。

對于氯消毒來說，如果消毒劑劑量過大或使用不當，會與有機和無機前體發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物(DBPs)，對健康產(chǎn)生不利影響。在使用化學消毒劑時，所使用的化合物和/或其DBPs 的殘留物可在處理過的水中發(fā)現(xiàn)，可能對人體和水環(huán)境產(chǎn)生毒性作用。

現(xiàn)在的水處理中常用的氯消毒方式為游離氯消毒、氯胺消毒和二氧化氯消毒。

游離氯消毒法是現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)凈水廠采用的消毒方式，其具有多年的歷史，并且氯氣也是最早被人們用于飲用水消毒的消毒劑。游離氯消毒法殺菌的原理是當游離氯溶于水后會產(chǎn)生一種強氧化劑即次氯酸(HClO),它能夠穿過細胞壁,破壞細胞膜,殺滅細菌以達到消毒的目的。

游離氯消毒會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物(DBPs)，因為游離氯消毒的廣泛性，其消毒副產(chǎn)物的研究也較多,有研究表明,會產(chǎn)生三鹵甲烷和鹵乙酸等消毒副產(chǎn)物,而這些物質(zhì)都具有潛在的致癌性[3]。

氯化消毒產(chǎn)生的DBPs 會對人體健康造成的危害，這使得人們對其給予了越來越多的關(guān)注,人們開始尋找氯化消毒的替代消毒方法。盡管其他消毒方式有其獨特優(yōu)點,但其相對于氯消毒仍有不足,且在工程技術(shù)應(yīng)用上不夠成熟。因此,可以預(yù)見在未來很長的一段時期內(nèi),水廠的主流消毒方式仍是游離氯消毒。

氯胺是水中游離氯與氨離子反應(yīng)生成的消毒中間產(chǎn)物。根據(jù)氯取代氫的數(shù)量進行區(qū)分。主要包括一氯胺、二氯胺和三氯胺，其中只有一氯胺和二氯胺具有消毒滅菌作用。氯胺消毒法的作用機理與游離氯消毒法相似。一氯胺和二氯胺通過細胞壁，破壞細胞膜，破壞細菌中的核酸，達到消毒滅菌的目的。

Carison M 等[5]表明,氯胺消毒法可以有效減少非揮發(fā)性消毒副產(chǎn)物(如HAAs)和揮發(fā)性消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷(THMs)的產(chǎn)生。Norton C D 等[6]研究了氯胺消毒對管網(wǎng)水質(zhì)的影響,結(jié)果顯示,與游離氯消毒法相比,氯胺消毒在管網(wǎng)中產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物明顯減少。

氯胺的消毒效果比游離氯差，游離氯的氧化能力也稍弱，因此氯胺被視為二級消毒劑。但與游離氯消毒相比，氯胺消毒具有更好的穩(wěn)定性。因此，國內(nèi)許多水廠都采用氯胺消毒代替游離氯消毒。

C1O2是一種強氧化劑和高效殺菌劑,它能殺滅所有微生物,穿過細胞壁，氧化細胞內(nèi)的酶，抑制細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，從而殺滅微生物，作為消毒劑，C1O2廣泛應(yīng)用于飲用水消毒領(lǐng)域。目前，北美有數(shù)千家水廠使用二氧化氯消毒，而一些歐洲國家也使用二氧化氯消毒[7]。Lopez A 等[8]曾對ClO2與氯化降解飲用水水源中的莠滅凈和異丙隆進行了對比,在相同實驗條件下,氯化降解莠滅凈的速度大于C1O2,而降解異丙隆時則相反,C1O2更快。

二氧化氯消毒應(yīng)用范圍廣，能顯著改善水的色度和口感。二氧化氯氧化消毒能力受溫度和氨影響較小，在較寬的pH 值范圍內(nèi)保持較高的消毒效率。是一種安全有效的飲用水消毒方法。與游離氯和氯胺消毒相比，二氧化氯消毒幾乎不會產(chǎn)生三鹵甲烷（THMs）等鹵化消毒副產(chǎn)物，但會產(chǎn)生更多的非揮發(fā)性消毒副產(chǎn)物（如HAAs）。

2 紫外消毒

紫外線（UV）輻射可以有效地滅活水中的各種微生物[9]，并越來越多地用于水消毒。與傳統(tǒng)的化學消毒（如氯化或臭氧消毒）相比，紫外線輻射具有許多優(yōu)勢，例如不添加化學物質(zhì)、不形成有害的消毒副產(chǎn)物（DBPs）以及不引入對細菌的消毒劑抗性[10]。但紫外線消毒沒有持續(xù)的消毒能力,只適用于初級消毒[11]。目前，世界上有7 000 多個市政紫外線消毒裝置[12]，小型家用紫外線消毒系統(tǒng)也可用[13]。據(jù)估計，2020年，紫外線消毒設(shè)備的全球市場達到28 億美元[14]。

其原理是，當紫外線波長范圍為200～300 nm時，紫外線輻射會破壞微生物細胞中的脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的分子結(jié)構(gòu)，造成生長性細胞死亡和再生性細胞死亡，達到殺菌消毒的效果。

現(xiàn)有研究表明[15],在紫外消毒過程中起吸收紫外線的作用的主要物質(zhì)是有機物，但一些大顆粒有機物會對微生物產(chǎn)生保護效果,因此當有機物濃度的增加時,紫外線的消毒效果會隨著有機物濃度的增高而變差。Wang W 等[16]的研究表明，在pH 值高于6.0 的飲用水中消毒，水中的腐殖酸（HA）可以被紫外輻射高效的去除。

紫外線消毒效果受紫外線燈的功率、類型和照射時間的影響。因此，紫外線消毒技術(shù)一般采用高強度紫外線燈系統(tǒng)，紫外線消毒殺死的微生物種類繁多。但是，由于紫外線穿透力弱，只能直接殺死細菌、真菌等微生物。在實際應(yīng)用中，一般采用紫外線消毒作為輔助消毒方法，結(jié)合其他消毒技術(shù)，達到更好的消毒效果，例如UV+H2O2，UV-TiO2，UV+H2O2+O3等。

3 高級氧化消毒

高級氧化工藝是一種高效的水處理技術(shù)，可以降解微污染物和滅活病原體[17-18]，如芬頓/類芬頓反應(yīng)、光催化、電化學高級氧化工藝、臭氧化和基于過硫酸鹽的高級氧化工藝等。高級氧化工藝的概念最早由Glaze 等[19]在1987年通過生成羥基自由基提出。在高級氧化工藝中，超氧化物可原位生成高活性氧，然后高活性氧在水中啟動氧化反應(yīng)，破壞病原微生物的膜、蛋白質(zhì)、脂類、酶、DNA 和RNA[20-21]。

失活的主要機理，是由于高活性氧具有高度的氧化能力，它對細胞膜(包括細胞壁和細胞膜)產(chǎn)生了影響，導致細胞膜的通透性遭到了破壞，導致大量細胞內(nèi)物質(zhì)的產(chǎn)生泄漏。并在細胞結(jié)構(gòu)分解后進入細胞，破壞細胞內(nèi)物質(zhì)，導致病原體失活。根據(jù)活性氧的特性和氧化能力不同，其失活途徑也不同。

考慮到能源效率和成本，太陽能光催化是最經(jīng)濟可行的選擇，芬頓是第二選擇。臭氧消毒能耗低，也是目前廣泛應(yīng)用的高級氧化工藝消毒技術(shù)。然而，能量利用效率低和消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生是臭氧滅菌中仍需解決的問題。

4 結(jié) 論

在現(xiàn)有的各種消毒工藝中,每種工藝都有其優(yōu)缺點,但總體來看,氯消毒具有良好的消毒效果，但會導致潛在致癌副產(chǎn)品的產(chǎn)生；紫外消毒不會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物,但不具備持續(xù)消毒能力；高級氧化消毒成本偏高，實際運用需要考慮。因此,在水處理中應(yīng)考慮處理水的水質(zhì)、技術(shù)可行性和可持續(xù)性，選擇合適的消毒工藝或組合消毒工藝，以達到更好的消毒效果。