在城市供水系統(tǒng)中,消毒是最基本的水處理工藝,它是保證用戶安全用水必不可少的措施之一。但自20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)氯消毒產(chǎn)生/三致物質(zhì)以后,人們開(kāi)始重新審視消毒問(wèn)題,并進(jìn)行了大量的研究工作。由于氯消毒產(chǎn)生/三致物質(zhì),并且不能有效殺滅隱孢子蟲及其孢囊,因此消毒技術(shù)不斷被研究開(kāi)發(fā)出來(lái),如二氧化氯、臭氧、光催化消毒、紫外線及相關(guān)復(fù)合技術(shù)等[1]。尤其隨著生物化學(xué)和基因工程等前沿科技的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的生物消毒方法也正在取得突破,在水處理消毒領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

消毒技術(shù)是給水處理工藝中的重要組成部分 ,而氯消毒是國(guó)內(nèi)外最主要的消毒技術(shù) ,但由于氯消毒產(chǎn)生有“三致”作用的消毒副產(chǎn)物等原因 ,消毒技術(shù)的優(yōu)化和發(fā)展成為十分緊迫的問(wèn)題。目前優(yōu)化消毒主要包括優(yōu)化常規(guī)的氯消毒和采用其他方式的消毒技術(shù)。詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外消毒技術(shù)的發(fā)展歷程 ,比較了氯、二氧化氯、臭氧和紫外線消毒各自的優(yōu)缺點(diǎn) ,并指出了給水處理消毒技術(shù)的發(fā)展方向 更多還原。

一、下面介紹一下給水處理消毒常用技術(shù)

1、二氧化氯

二氧化氯的消毒機(jī)理主要是氧化作用,能較好殺滅細(xì)菌、病毒,且不對(duì)動(dòng)植物產(chǎn)生損傷,殺菌作用持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),受影響小,可除臭、去色。二氧化氯是一種強(qiáng)氧化劑,對(duì)細(xì)菌的細(xì)胞壁有較好的吸附和穿透性能,可以有效地氧化細(xì)胞酶系統(tǒng),快速地控制細(xì)胞酶蛋白的合成,因此在同樣條件下,對(duì)大多數(shù)細(xì)菌表現(xiàn)出比氯更高的去除效率,是一種較理想的消毒劑,它兼有氯和臭氧消毒的許多優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是產(chǎn)生亞氯酸根離子,二氧化氯本身也有害,且不能貯存,需現(xiàn)場(chǎng)制備。二氧化氯的氧化能力要比氯和過(guò)氧化氫強(qiáng),而比臭氧弱。二氧化氯具有廣譜殺菌性,它對(duì)一般的細(xì)菌殺滅作用強(qiáng)于或不差于氯,對(duì)很多病毒的殺滅作用強(qiáng)于氯,且其消毒效果基本不受的影響。二氧化氯可以與多種無(wú)機(jī)離子和有機(jī)物發(fā)生作用。因此,二氧化氯在消毒的同時(shí),還可以去除水中的多種有害物質(zhì)。二氧化氯可以將水中溶解的還原態(tài)鐵、錳氧化,對(duì)去除鐵和錳很有效,同時(shí)對(duì)于硫化物、氰化物和亞硝酸鹽也有一定的氧化去除效果。

除高效殺滅微生物和氧化無(wú)機(jī)物之外,人們更看中二氧化氯消毒的另一顯著優(yōu)點(diǎn),即它的高選擇性。二氧化氯幾乎不與水中的有機(jī)物作用而生成有害的鹵代有機(jī)物,有機(jī)副產(chǎn)物主要包括低分子量的乙醛和羧酸(含量大大低于臭氧的值)等。而二氧化氯消毒的成本雖高于氯但卻低于臭氧。這些優(yōu)點(diǎn)使得二氧化氯成為最值得考慮的消毒劑之一。在歐洲和北美的許多城市,二氧化氯已廣泛用于飲用水和廢水的消毒處理。

與所有消毒劑一樣,二氧化氯在凈水過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物。它的副產(chǎn)物包括兩部分:一部分是被其氧化而生成的有機(jī)副產(chǎn)物;另一部分是本身被還原以及其它原因而生成的無(wú)機(jī)副產(chǎn)物。與氯相比,二氧化氯凈化的有機(jī)副產(chǎn)物較少且毒性較輕;二氧化氯主要的消毒副產(chǎn)物為亞氯酸鹽和氯酸鹽,它們對(duì)人體健康有潛在的危害,世界衛(wèi)生組織對(duì)亞氯酸鹽在水溶液中的質(zhì)量濃度建議控制在200L/以下,而對(duì)氯酸鹽的毒性還在進(jìn)一步的研究之中。

2、氯消毒技術(shù)

氯消毒主要是通過(guò)次氯酸的氧化作用來(lái)殺滅細(xì)菌,次氯酸是很小的中性分子,能擴(kuò)散到帶負(fù)電的細(xì)茵表面,通過(guò)細(xì)茵的細(xì)胞壁穿透到細(xì)菌內(nèi)部,并起氧化作用,破壞細(xì)菌的酶系統(tǒng)而使細(xì)菌死亡,但是對(duì)于水中的病毒、寄生蟲卵的殺滅效果較差,需要在較高值(消毒劑濃度乘以接觸時(shí)間)才能達(dá)到理想的除菌效果。

由于氯消毒的操作使用簡(jiǎn)單,便于控制,消毒持續(xù)性好,余氯的測(cè)定也很容易,并且氯消毒的價(jià)格不高,所以很快在飲用水行業(yè)推廣應(yīng)用。目前為止,在公共給水系統(tǒng)中,氯消毒成為最為經(jīng)濟(jì)有效和應(yīng)用最廣泛的消毒工藝。然而,氯在水中的作用是相當(dāng)復(fù)雜的,它不僅可以起氧化反應(yīng),還可與水中天然存在的有機(jī)物起取代或加成反應(yīng)而得到各種鹵代物。研究發(fā)現(xiàn)氯在進(jìn)行飲用水預(yù)氧化和消毒時(shí)與水中某些有機(jī)物如腐殖酸、富里酸等發(fā)生氧化反應(yīng),同時(shí)發(fā)生親電取代反應(yīng),產(chǎn)生易揮發(fā)的和不易揮發(fā)的氯化有機(jī)物如三鹵甲烷()等,這些鹵代有機(jī)化合物有許多是致癌物或誘變劑;而常規(guī)處理工藝對(duì)預(yù)氯化產(chǎn)生的副產(chǎn)物不能有效去除,有預(yù)氯化的常規(guī)處理工藝出水中鹵代物增多,出水的致突變活性較處理前約增加50%-60%。而現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展不僅使人工合成的化學(xué)物質(zhì)越來(lái)越多,也使通過(guò)各種途徑進(jìn)入水源水體的有機(jī)物質(zhì)(包括人工合成的和自然界存在的)越來(lái)越多,相當(dāng)多的水源水體呈微污染狀況,對(duì)人體的健康產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。
 
隨著人們對(duì)飲用水水質(zhì)要求的不斷提高,對(duì)氯氣和氯的衍生物消毒的副作用及其危害程度也越來(lái)越重視,如何控制飲用水中消毒副產(chǎn)物已經(jīng)成為供水業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一。積極尋找替代氯的更安全更優(yōu)越的消毒方法和消毒劑,已成為給水處理工作者的首要任務(wù)之一。經(jīng)過(guò)深入的研究,臭氧、二氧化氯和氯胺已被美國(guó)列為可替代氯的消毒劑。

3、臭氧

臭氧的消毒機(jī)理包括直接氧化和產(chǎn)生自由基的間接氧化,與氯和二氧化氯一樣,通過(guò)氧化破壞微生物的結(jié)構(gòu),達(dá)到消毒的目的。其優(yōu)點(diǎn)是殺菌效果好,用量少,作用快,能同時(shí)控制水中鐵、錳、色、味、嗅。可將氰化物、酚等有毒有害物質(zhì)氧化為無(wú)害物質(zhì);可氧化嗅味和致色物質(zhì),從而減少嗅味,降低色度;可氧化溶解性鐵、錳,形成不溶性沉淀,通過(guò)過(guò)濾去除;可將生物難分解的大分子有機(jī)物氧化分解為易于生物降解的小分子有機(jī)物[2]。但研究表明,臭氧與有機(jī)物反應(yīng)生成不飽和醛類、環(huán)氧化合物等有毒物質(zhì),在含有少量溴化物的時(shí)候,臭氧處理就會(huì)產(chǎn)生致癌性的副產(chǎn)物。主要的副產(chǎn)物有有機(jī)性副產(chǎn)物的三溴甲烷、乙腈氰甲烷、1-1二溴酮、溴乙酸等,無(wú)機(jī)性副產(chǎn)物的溴酸鹽、次溴酸、次溴離子等。在臭氧處理后再加氯或氯胺處理會(huì)分別生成三氯硝基甲烷和氯化氰, 成為新的消毒副產(chǎn)物,其毒性現(xiàn)尚不清楚。對(duì)某些農(nóng)藥,臭氧氧化后的產(chǎn)物可能更有害。這些副產(chǎn)物中最需要注意的是溴酸鹽,其最大容許濃度極低,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為0.01mg/L。

總的來(lái)說(shuō),雖然應(yīng)用臭氧消毒也會(huì)有副產(chǎn)物生成,但一般情況下濃度不高,毒性也不如氯大。根據(jù)目前的研究,無(wú)論在副產(chǎn)物的生成量和毒性方面,還是在出水的致突變活性方面,臭氧都比液氯理想。1987年,在美國(guó)大型水廠中只有三個(gè)供水廠用臭氧,到1998年,已經(jīng)有5.6%的水司使用了臭氧。由于經(jīng)濟(jì)的原因,我國(guó)在臭氧應(yīng)用上還比較少。臭氧消毒所要解決的主要問(wèn)題是生產(chǎn)設(shè)備(火花放電法)龐大,流程復(fù)雜,需要較高的運(yùn)行管理水平,制取臭氧的產(chǎn)率低(1%一2%),電能消耗大,基建設(shè)備投資也較大,成本很高。此外,臭氧是一種不太穩(wěn)定的氣體,在水中容易分解。同時(shí)臭氧容易分解,在室溫下,水中臭氧的半衰期約為30,單獨(dú)采用臭氧消毒難以保證持續(xù)的殺菌效果,因此在使用中受到一定限制。
4、氯胺

氯胺消毒是氯衍生物的消毒方法之一,由于氯胺消毒作用緩慢,它不能作為基本殺菌消毒劑,曾一度停用。但由于氯胺能避免或減緩氯與水中有機(jī)污染物質(zhì)的某些化學(xué)反應(yīng),從而使消毒后水中氯化副產(chǎn)物的生成量顯著降低,氯胺消毒被廣泛認(rèn)為是控制消毒副產(chǎn)物形成的有效手段。根據(jù)資料,出廠水采用氯胺消毒,鹵乙酸的產(chǎn)生量減少90%,三鹵甲烷的產(chǎn)生量減少70%。投加氯胺已為越來(lái)越多的水司所認(rèn)同,有更多的水廠又重新采用了氯胺消毒法。

氯胺在控制管網(wǎng)中細(xì)菌的再次繁殖和生物膜也比氯更為有效。然而氯胺消毒對(duì)水中的賈第蟲和隱孢子囊的去除效果卻不能夠令人滿意。一般認(rèn)為,對(duì)于嚴(yán)重污染且有機(jī)鹵化物含量較高的源水,或水廠的供水管網(wǎng)較長(zhǎng),水流在管中停留時(shí)間大于12時(shí),比較適合采用氯胺消毒。具體參見(jiàn)http://www.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。

5、紫外線消毒

紫外技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一種快速、經(jīng)濟(jì)的高效消毒技術(shù)。它是利用特殊設(shè)計(jì)的高效率、高強(qiáng)度和長(zhǎng)壽命的波段(110~280)紫外光發(fā)生裝置產(chǎn)生紫外輻射,用以殺滅水中的各種細(xì)菌、病毒、寄生蟲、藻類等。其機(jī)理是一定劑量的紫外輻射可以破壞生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu),通過(guò)破壞生物的遺傳物質(zhì)而殺滅水生生物,從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。

紫外線消毒是一種物理方法,它不向水中增加任何物質(zhì),沒(méi)有副作用,不會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物。但缺乏持續(xù)滅菌能力,所以它一般要與其它消毒方法聯(lián)合使用。

然而,對(duì)細(xì)菌滅活需要的紫外線劑量以紫外線的強(qiáng)度乘以輻照時(shí)間計(jì)算,它必須保證不能進(jìn)行自我復(fù)制或者突變后代不能進(jìn)行自我復(fù)制。一般細(xì)菌的體積越大或者和數(shù)目越多,對(duì)其滅活所需的紫外線劑量就越大。而病毒本身對(duì)紫外線的抵抗能力很弱,但是通過(guò)宿主的保護(hù)作用增強(qiáng)了病毒耐紫外線性。因此,紫外線消毒處理水必須經(jīng)過(guò)良好的預(yù)處理,而且消毒需要紫外線輻照劑量難以明確。另外,跟臭氧一樣,紫外線消毒也不能保持持續(xù)的殺菌效果。

二、水處理消毒新技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各學(xué)科之間的交叉滲透越來(lái)越普遍,在水處理領(lǐng)域也產(chǎn)生了一些新的消毒技術(shù),主要有:光催化消毒、生物消毒、電場(chǎng)消毒、超聲波消毒等。這些技術(shù)也是優(yōu)缺點(diǎn)并存,需要科研人員繼續(xù)進(jìn)行深入的研究。