消毒技術(shù)在飲用水處理上的研究進展

【摘要】本文對國內(nèi)外飲用水消毒的研究現(xiàn)狀進行了闡述，并且對我國常用的幾種飲用水消毒技術(shù)進行了詳細介紹，最后對消毒工藝的發(fā)展方向進行了合理展望，以期為飲用水消毒技術(shù)的研究提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】消毒；飲用水；水處理；微生物

1、前言

水是生命之源，是維持生命最重要的物質(zhì)之一，人的生活離不開水。隨著城鎮(zhèn)化工作的不斷推進，自來水將走進越來越多的用戶家中。自來水經(jīng)龐大的地下管網(wǎng)輸送到用水點的過程中會發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)，有害細菌及微生物也會借此得到繁殖，危害人類健康。因此，飲用水的消毒是一個至關(guān)重要的過程，對預(yù)防和控制介水傳染病有著非常重要的作用。

常用的消毒技術(shù)可分為物理消毒技術(shù)和化學(xué)消毒技術(shù)。物理消毒技術(shù)是利用冷凍、加熱、照射等方式破壞生物質(zhì)的核酸，從而達到消毒的目的，例如紫外線消毒、超聲波消毒、微電解毒等方式?；瘜W(xué)消毒是指利用一定的藥劑改變水質(zhì)成分，氧化微生物機能從而達到消毒的目的，例如臭氧消毒、氯化消毒等。

2、國內(nèi)外飲用水消毒研究現(xiàn)狀

我國用于飲用水消毒的方法主要有二氧化氯消毒、氯化消毒、紫外消毒、臭氧消毒等消毒工藝。當(dāng)前，國內(nèi)絕大多數(shù)的水廠采用的消毒工藝是傳統(tǒng)的混合、絮凝、沉淀、過濾、氯消毒的水處理工藝。盡管氯消毒具有成本低、消毒效果好等優(yōu)勢，但是在清除水中的有機物效果方面并不理想，還會產(chǎn)生二十多種副產(chǎn)物，例如鹵乙酸、三鹵甲烷等等，這些副產(chǎn)物有很強的致癌作用，嚴(yán)重危害著人類的身體健康，因此氯化消毒副產(chǎn)物引起了人們的重視。經(jīng)過科學(xué)家二十多年的研究，基本已經(jīng)證實了氯消毒能夠使原水中產(chǎn)生鹵乙酸、三鹵甲烷、鹵乙腈、鹵代酚、鹵代酮、鹵代醛、鹵代硝基甲烷等等具有嚴(yán)重致癌作用的副產(chǎn)物。經(jīng)過大量的動物實驗證明，氯仿能夠致癌，一溴二氯甲烷和二溴一氯甲烷能夠使肝、腎中毒。美國等國家發(fā)現(xiàn)，在有機鹵代烴含量高的地區(qū)，胃癌、肝癌等的發(fā)病率明顯高于其他地區(qū)。盡管我國對出廠水消毒副產(chǎn)物的控制制定了詳細的標(biāo)準(zhǔn)，但是長時間的飲用帶有這些具有毒副產(chǎn)物的水，還是有一定的健康風(fēng)險存在。

飲用水的消毒工藝應(yīng)該跟上國際先進潮流，與時俱進，從而保障人民群眾的生命健康。一成不變的工藝只能在歷史進程中逐漸被淘汰。因為氯消毒工藝的副產(chǎn)物具有很高的致癌性，因此如何改善氯化消毒工藝，提高其安全性，或者尋找替代氯化消毒新技術(shù)已經(jīng)成為日后消毒技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)前，二氧化氯替代液氯用于飲用水消毒和水處理工作已經(jīng)是大勢所趨，但是受到設(shè)備、資金和技術(shù)安全等因素的限制，目前還處于初級階段。相信在經(jīng)濟和科技飛速發(fā)展的時代，不久的將來，原有的液氯消毒會被優(yōu)化的消毒工藝所代替。

3、常見飲用水消毒技術(shù)

3.1臭氧消毒技術(shù)

臭氧是一種常用的過氧化物類強氧化劑，具有很強的殺菌作用，應(yīng)用十分廣泛。和氯相比，臭氧的殺菌速度要高六百到三千倍，屬于急速殺菌，同時還對水中色、臭、味等有機物以及鐵、錳等金屬離子有很好的去除作用。另外，臭氧還有助凝的功能。

有關(guān)臭氧的消毒機理方面的研究非常多。臭氧是通過自身分解，從而產(chǎn)生具有強氧化能力的新生氧。臭氧首先和細胞壁中存在的脂類雙鍵結(jié)構(gòu)起反應(yīng)，從而穿過細胞壁進入細胞壁的內(nèi)部，再與結(jié)構(gòu)中的脂蛋白和內(nèi)部脂多糖反應(yīng)，從而改變細胞的通透性，導(dǎo)致細胞溶解并死亡。張征等通過實驗發(fā)現(xiàn)，在低溫強酸性的環(huán)境下，臭氧具有最佳的殺菌效果，而在大通氣流量下殺菌效果很差。

臭氧消毒具有用量少、作用迅速、殺菌徹底、副產(chǎn)物少、易得等優(yōu)勢，但同時也具有耗資高、穩(wěn)定性差等缺點，因此一般要用第二消毒劑進行輔助消毒。另外，臭氧消毒法應(yīng)用范圍也很有限，對于青霉素、綠霉菌等具有抗藥性的細菌需要很長時間才能消滅。在單獨使用臭氧作為消毒劑時，由于其在短時間內(nèi)分解的特性，很可能出現(xiàn)細菌回升的現(xiàn)象，因此通常采用輔助加氯的方法彌補這一缺憾。

3.2氯化消毒技術(shù)

氯化消毒是一種傳統(tǒng)的消毒工藝，在我國的應(yīng)用十分廣泛。常用的氯消毒劑的種類有很多，有氯氣、漂白粉、漂白粉精、有機含氯消毒劑、次氯酸鈉等。有關(guān)氯的殺菌機理，許多學(xué)者進行了相關(guān)研究。氯具有很好的消毒作用主要是因為次氯酸具有體積小，電荷中性等優(yōu)勢，很容易穿過細胞壁，同時其強氧化性能夠損害細胞膜，釋放蛋白質(zhì)、氨基酸等物質(zhì)并且影響多酶系統(tǒng)，從而導(dǎo)致細菌死亡。在對病毒的作用方面，主要是對病毒核酸具有致死性的危害。實驗證明，pH值、溫度、接觸時間、加氯量以及水中微生物的含量等因素對于氯化消毒的效果都有很直接的影響。根據(jù)工藝條件的不同，氯消毒工藝還可以細分為普通氯化消毒法、折點氯消毒法、過量氯消毒法幾種工藝。

氯化消毒過程中，氯與水反應(yīng)會有許多副產(chǎn)物產(chǎn)生，這些副產(chǎn)物對人體健康有很大的危害。通常，將水中能與氯形成氯化副產(chǎn)物的有機物稱之為有機前體物，天然水中的有機前體物主要是腐殖酸類，其次是藻類及其代謝產(chǎn)物。在氯化消毒過程中，腐殖質(zhì)是形成氯化副產(chǎn)物三鹵甲烷（氯仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷、溴仿）的主要有機前體物。其中氯仿具有最高的含量。同時，還有一些非揮發(fā)性鹵代有機物產(chǎn)生，如鹵乙酸、鹵乙腈、鹵代酚、鹵代酮、鹵代醛等等。

在對氯化副產(chǎn)物的防治方面，我國也做了許多工作。例如盡可能的選擇有機前體含量低的水源，加強混凝沉淀和過濾等凈化措施，防止藻類在制水構(gòu)筑物內(nèi)生長等等。另外，在對氯化消毒工藝的改進上也做了許多工作，例如取消預(yù)氯化和避免折點氯消毒，利用管網(wǎng)中途加氯，從而減少氯化副產(chǎn)物的產(chǎn)生；利用顆?；钚蕴繉λM行過濾，去除氯化副產(chǎn)物等等。

3.3二氧化氯消毒技術(shù)

二氧化氯消毒技術(shù)是十九世紀(jì)歐洲一些國家首先發(fā)現(xiàn)的。但是因為制造復(fù)雜，價格昂貴而被忽視，沒有發(fā)展起來。近些年，為了降低氯化消毒的危害而尋找新的消毒劑，從而對二氧化氯的研究和應(yīng)用也就日益增多。

二氧化氯是一種橙黃色氣體，在熱水中易分解成氯氣、氯酸和氧氣。二氧化氯易溶于水，形成黃綠色的溶液，但是并不與水進行化學(xué)反應(yīng)，敞開放置時很容易被光分解，因此不宜貯存。另外，二氧化氯很容易引起爆炸，當(dāng)空氣中濃度高于百分之十或在水中濃度高于百分之三十時，都具有很強的爆炸性，因此在生產(chǎn)中要利用空氣對二氧化氯氣體進行沖淡，以降低其濃度。實驗表明，二氧化氯在酸性條件下具有很強的氧化性，容易透過細胞膜通過其強氧化性，將微生物細胞內(nèi)的氨基酸進行氧化破壞，進而控制其蛋白質(zhì)的合成，從而達到殺滅微生物的目的。二氧化氯水溶液不會產(chǎn)生對人體有很大危害的三鹵甲烷，其殘留生成物主要為水、氯化鈉和微量的二氧化碳、有機糖等無毒物質(zhì)。

除此之外，二氧化氯在除嗅和脫色性能上有很明顯的優(yōu)勢，明顯優(yōu)于活性炭、紫外線和超聲波等傳統(tǒng)除嗅脫色方式。黃君禮等通過研究證明，二氧化氯對水中的硫化氫、硫醇、二甲基硫酸鹽、甲酸、草酸、乙二酸鹽和酚類都有很好的氧化效果。

3.4氯胺消毒技術(shù)

氯胺消毒技術(shù)是一種運行方便，運行費用比臭氧和二氧化氯低的一種飲用水消毒技術(shù)。利用氯胺作為消毒劑，產(chǎn)生的副產(chǎn)物要比氯產(chǎn)生的副產(chǎn)物少的多，能夠?qū)⑷u甲烷產(chǎn)量降低至百分之七十多，對于鹵乙酸的產(chǎn)生也有很強的抑制作用。另外，在對管網(wǎng)的腐蝕程度方面，氯胺也比氯要小的多，但是氯胺在對微生物進行滅活方面的能力比較弱，僅為氯的百分之一，尤其是對水中病毒的滅殺上面。同時，氯胺還會增加水中AOC的量，使水呈現(xiàn)生物不穩(wěn)定性，因此一般不選用氯胺作為飲用水消毒的主要消毒劑。

3.5紫外線消毒

紫外線是波長范圍在200-300nm的光。一般，飲用水消毒常用254nm波長的紫外光對病原微生物進行滅活。當(dāng)紫外線照射在微生物身體上時，紫外線則會透過微生物細胞壁和細胞膜，直接作用于細胞內(nèi)的核酸和蛋白質(zhì)，從而發(fā)生各種化學(xué)變化而造成微生物死亡。紫外線消毒法能夠在較短的時間內(nèi)達到很高的殺菌效率，在一定的輻射強度下一般病原微生物僅需要十幾秒便可殺滅，同時能夠在一定程度上控制一些較高等的水生生物，如藻類和紅蟲的生長繁殖，并且不改變水的物理化學(xué)性質(zhì)。紫外線消毒還不產(chǎn)生副產(chǎn)物，也沒有異味。另外，紫外線的殺菌一體化的設(shè)備構(gòu)造簡單，易安裝，小巧輕便，占地小，便于操作和管理，并且易實現(xiàn)自動化，運行管理比較安全。但是，紫外線消毒同時也存在一定的缺點，它沒有持續(xù)殺菌的作用，容易造成微生物復(fù)生的現(xiàn)象。每只紫外燈管處理水量也是非常有限的，并且還需要定期進行清洗更換。另外處理水量較小，在運行成本上也比較高，因此除了個別單位供水之外，紫外線消毒技術(shù)還沒有獲得廣泛的應(yīng)用。

3.6膜消毒

膜技術(shù)是近些年才發(fā)展起來的一項新型技術(shù)，在水處理方面得到了很廣泛的應(yīng)用。膜技術(shù)應(yīng)用在飲用水消毒方面主要是依靠膜的分離功能，其主要的影響因素是膜的孔徑。根據(jù)膜孔徑的大小，膜消毒技術(shù)還可以分為納濾、反滲透、超濾以及微濾。因此膜消毒技術(shù)的機理主要就是篩分和吸著。實驗表明，膜技術(shù)對細菌病毒和微生物均有很好的清除作用。

利用膜技術(shù)進行消毒的水質(zhì)好并且穩(wěn)定，運行費用也相對較低，在操作方面也很簡單，并且占地少。但是膜消毒技術(shù)存在微生物后生長，對微笑顆粒節(jié)流能力差，膜孔容易被堵塞等缺點，因此，只有將這些問題解決了，才能夠?qū)⒛は炯夹g(shù)進行進一步的推廣應(yīng)用。

3.7水力空化消毒

水力空化消毒技術(shù)是一種新型的消毒方法。該方法是物理工藝化學(xué)機理的消毒工藝。當(dāng)水流流過一個限流區(qū)域時，會產(chǎn)生壓降，當(dāng)壓力降低到蒸汽壓時，溶解在水中的氣體就會被釋放出來，從而造成流體汽化，產(chǎn)生大量的空化氣泡。這些氣泡隨著水流進一步流動，當(dāng)周圍壓力增大時，體積會急劇縮小直至潰滅。氣泡的潰滅會到來高溫、瞬間高壓、沖擊波和水射流，并且能夠產(chǎn)生具有強氧化性的氧自由基和雙氧水，從而使水中存在的有機污染物被氧化降解。陳利軍等經(jīng)過試驗證明，水力空化技術(shù)在去除三氯甲烷上有卓著的效果，因此可以用作水處理的預(yù)處理階段，同時還能夠去除水中部分天然有機物，從而大大降低消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)量，因此水力空化技術(shù)在飲用水消毒方面還有很廣闊的應(yīng)用前景。

3.8組合消毒工藝

飲用水的消毒任務(wù)主要有兩個，首先就是要將水體中的微生物進行滅活，從而使水質(zhì)符合飲用水的微生物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，保障人體健康；其次就是要保障管網(wǎng)中有剩余消毒劑存在，從而抑制微生物的再次生長。氯和二氧化氯都可以滿足這兩個要求，但是同時還具有一定的不足。臭氧對細菌、病毒和原生動物包囊具有很好的滅活效果，紫外線也對殺死細菌和病毒十分有效，但是二者的持續(xù)消毒能力都不強，因此不能滿足要求二。氯胺盡管有很好的維持效果，能夠抑制管網(wǎng)內(nèi)細菌再次生長，但是它的消毒能力比較弱，不能很好的滿足徹底消滅微生物的要求。鑒于各種消毒工藝的優(yōu)缺點存在互補的方面，因此，有關(guān)兩種或兩種以上的組合消毒工藝的研究越來越多，消毒技術(shù)的改進也就朝著組合消毒工藝的方向進行發(fā)展，多種消毒劑順序使用或者同時使用的消毒工藝在水處理工藝中的使用逐漸增多。

許多研究結(jié)果表明，組合消毒工藝在滅活微生物時具有協(xié)同滅活的效果。但是對于組合消毒劑協(xié)同作用的研究還處于初級階段，對于組合消毒工藝的CT值理論等還沒有正式確立，仍需要大量的研究支持。目前利用比較多的有紫外線與氯聯(lián)合消毒技術(shù)、生物氧化與臭氧消毒聯(lián)合技術(shù)等等。

3.9新型消毒技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，出現(xiàn)了許多高科技新型飲用水消毒技術(shù)，例如超聲波法、銀法、光催化氧化法、磁化法、靜電法、微電解法等等。相信隨著我國在科技方面的投入力度越來越大，這些新型的消毒技術(shù)在一定時間內(nèi)一定會廣泛使用起來。

4、飲用水消毒技術(shù)發(fā)展趨勢

我國在供水方面和發(fā)達國家還存在很大的差距。以上介紹的各種消毒技術(shù)各自存在優(yōu)點和不足，在實際生產(chǎn)中還要結(jié)合我國飲用水水源水質(zhì)的綜合情況以及國情，從而將各種消毒工藝進行組合，獲得更好的消毒效果。因此，組合消毒技術(shù)必將在我國得到大力推廣。另外，對于新型飲用水消毒技術(shù)和消毒劑的開發(fā)還會繼續(xù)加強，例如磁化消毒技術(shù)，等離子消毒技術(shù)等的?？傊?，飲用水消毒技術(shù)必將向著成本低，對環(huán)境危害小的方向發(fā)展。

5、結(jié)束語

飲用水的水質(zhì)與人民的生活息息相關(guān)，而消毒則是保證飲用水質(zhì)量安全的重要環(huán)節(jié)。因此，推行合理、安全、環(huán)保、經(jīng)濟、有效的飲用水消毒技術(shù)，保證人民的身體健康是十分艱巨的任務(wù)。鑒于目前各種消毒技術(shù)還存在許多缺點和不足，因此要投入更多的人力和物力參與到消毒技術(shù)的進一步研究上來。

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