再生水常用消毒方法及其主要問題*

蘇乃特 張雅君 許 萍

(北京建筑大學(xué) 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044)

再生水常用消毒方法及其主要問題*

蘇乃特 張雅君 許 萍

(北京建筑大學(xué) 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044)

消毒劑選取對再生水管網(wǎng)中的微生物控制以及用戶的安全至關(guān)重要。本文闡述了再生水常用消毒劑次氯酸鈉、二氧化氯、氯胺、臭氧和紫外線的消毒機(jī)理及其優(yōu)缺點(diǎn)，指出了目前消毒工藝存在的主要問題，并以此為基礎(chǔ)提出了未來的發(fā)展方向。

再生水；消毒；次氯酸鈉；二氧化氯；氯胺；臭氧；紫外線

再生水利用可以緩解水資源短缺、減輕污水排放對生態(tài)環(huán)境的壓力，主要回用對象包括地下水補(bǔ)水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、城市雜用水以及景觀用水等。與自來水相比，再生水中微生物、有機(jī)物以及氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的種類較多、數(shù)量較高，在輸配過程中微生物的控制更為關(guān)鍵，因此消毒作為再生水回用的最終處理單元，對保障再生水水質(zhì)安全至關(guān)重要[1]。消毒的主要目的是殺死水體中對人體有害的病原體、細(xì)菌等微生物，防止水傳播疾病，保證出水中微生物指標(biāo)達(dá)到相關(guān)要求。消毒方法選取的恰當(dāng)與否，直接關(guān)系到再生水處理效果、處理成本、工程投資、甚至操作人員的健康與安全[2]。因此，選擇何種消毒方法是再生水處理中必須認(rèn)真考慮的一個(gè)問題。

1 常用消毒方法對比分析

消毒方法通常包括物理法和化學(xué)法。物理法是采用熱、紫外線、超聲波等途徑破壞細(xì)菌細(xì)胞的蛋白質(zhì)或者核酸，通過蛋白質(zhì)的變性、凝聚或者遺傳物質(zhì)的損傷使得再生水中的微生物不能正常生長和繁殖，最終達(dá)到消毒的目的[3]，該方法中比較有代表性的是紫外線消毒。化學(xué)法是通過氧化作用使細(xì)菌的核酸、細(xì)胞膜受損，從而達(dá)到消毒的目的，目前常用的氧化劑包括次氯酸鈉、二氧化氯、氯胺和臭氧[4]。

1.1 次氯酸鈉

次氯酸鈉的分子式是NaClO，屬于強(qiáng)堿弱酸鹽，主要通過水解形成次氯酸進(jìn)行消毒。目前水處理中常用的液氯消毒，其本質(zhì)上也是通過次氯酸消毒。次氯酸分子小，不帶電荷，可滲透入菌體內(nèi)，不僅可作用于細(xì)胞壁、病毒外殼，還能氧化菌體蛋白、核酸和酶等有機(jī)高分子，殺死病原微生物[5]。次氯酸鈉是一種廣譜、高效的強(qiáng)力殺菌藥劑，與水的親和性很好，能與水任意比互溶，完全溶于水[6]。采用次氯酸鈉消毒運(yùn)行成本較低，但也存在會(huì)產(chǎn)生較多消毒副產(chǎn)物的缺點(diǎn)，如三氯乙酸、二氨乙酸、氯仿等[7]?？紤]到余氯和消毒副產(chǎn)物的影響，次氯酸鈉消毒宜用于對水質(zhì)要求不高且與人體接觸較少的工業(yè)和城市雜用等用水。

1.2 二氧化氯

二氧化氯的分子式是ClO2，在高于11℃時(shí)，二氧化氯會(huì)沸騰成為一種黃綠色氣體，它是一種極活潑的化合物，稍經(jīng)受熱就會(huì)迅速爆炸性分解為氯氣和氧氣[8]。二氧化氯對細(xì)胞壁有較強(qiáng)的穿透能力，在與微生物接觸時(shí)，它能夠進(jìn)入細(xì)菌及其他微生物體內(nèi)，氧化分解微生物蛋白質(zhì)中的氨基酸和核酸，導(dǎo)致氨基酸鏈斷裂，抑制細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，達(dá)到將微生物滅活目的。此外二氧化氯還能氧化細(xì)胞內(nèi)部含巰基(-SH)的酶，使之迅速失去活性[9]。二氧化氯具有高效的殺菌性而且?guī)缀醪慌c水中的有機(jī)物作用生成有害的鹵代有機(jī)物，大大減少了消毒副產(chǎn)物的生成。二氧化氯的持續(xù)殺毒作用較強(qiáng)，在管網(wǎng)中維持較低濃度的二氧化氯可以達(dá)到較好的殺菌效果。但是二氧化氯氣體穩(wěn)定性差，遇光易分解，貯藏運(yùn)輸較困難[10]。所以利用二氧化氯進(jìn)行消毒時(shí)，需要采取現(xiàn)場制備、現(xiàn)場使用的方式。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，二氧化氯的運(yùn)行成本也較高，是次氯酸鈉運(yùn)行成本的5倍以上[11]。

1.3 氯胺

氯胺消毒從上世紀(jì)70年代中期至80年代開始應(yīng)用至今，在水處理中應(yīng)用較為廣泛。氯胺是一氯胺(NH2Cl)、二氯胺(NHCl2)和三氯胺(NC13)的統(tǒng)稱。氯氣加入水中生成次氯酸，次氯酸在進(jìn)行消毒的同時(shí)，也可以與氨氣反應(yīng)生成氯胺。當(dāng)次氯酸因消毒而減少時(shí)，氯胺按逆反應(yīng)方向生成次氯酸，從而具有持續(xù)消毒作用。氯胺的這種消毒機(jī)理可以避免或減緩水中一些有機(jī)污染物發(fā)生氯化反應(yīng)，因此產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物較少。相比較次氯酸鈉而言，氯胺在水中衰減慢，持續(xù)滅菌時(shí)間更長，能更好地控制生物膜的生長。同時(shí)氯胺緩慢釋放次氯酸，氧化能力相對比較弱，引起的管網(wǎng)腐蝕也較小。此外，氯胺自身分解和衰減釋放自由氨氮，硝化細(xì)菌可以利用氨氮作為能量來源并且生成亞硝酸氮，加速氯胺的衰減。氯氣和氨氣的投加比例直接影響氯胺的消毒效果。氯氣和氨氣的物質(zhì)的量控制在(3～5)∶1時(shí)，生成物主要是一氯胺，此時(shí)消毒效果最好。氯胺消毒需要較長的接觸時(shí)間和較大的投藥量，且需要增設(shè)加氨的設(shè)備，操作管理復(fù)雜，在再生水消毒工藝中很少單獨(dú)使用，通常作為輔助消毒劑以抑制管網(wǎng)中細(xì)菌再繁殖[12]。

1.4 臭氧

臭氧的分子式為O3，是一種強(qiáng)氧化劑。臭氧穿透力很強(qiáng)，可以直接進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，破壞細(xì)菌和病毒的細(xì)胞器和DNA、RNA以及代謝所需的酶，使它們的新陳代謝受到破壞，最終導(dǎo)致死亡。臭氧還可以作用于細(xì)胞膜的脂蛋白和脂多糖，使細(xì)菌發(fā)生通透性畸變而溶解死亡[13]。臭氧殺菌的優(yōu)點(diǎn)是效率高，并且能夠附帶氧化致色物質(zhì)和嗅味物質(zhì)，以去除水中的色、嗅、味，達(dá)到脫色除嗅去味的目的。但是由于臭氧可將大分子、難生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子、易生物降解的有機(jī)物，會(huì)使再生水再次受到細(xì)菌污染的可能性增加[14]。而且，臭氧會(huì)將致突變物質(zhì)或消毒副產(chǎn)物的前體物如腐殖酸等分解為小分子的中間產(chǎn)物，如不飽和醛類、環(huán)氧化合物等致突變物[15]，導(dǎo)致再生水的健康風(fēng)險(xiǎn)增大。與二氧化氯類似，臭氧的性質(zhì)也不穩(wěn)定，貯藏運(yùn)輸較困難，也需要專門的發(fā)生器現(xiàn)場制備，基建投資大，設(shè)備復(fù)雜，管理麻煩，制水成本高。但由于其消毒效果好且接觸時(shí)間短，近年來再生水消毒工藝中應(yīng)用較多。臭氧不具有持續(xù)殺菌的效果，常與其他氯消毒工藝組合使用。城市雜用水有與人體接觸的可能性，所以要確保水質(zhì)安全，對水質(zhì)要求較高，所以臭氧與氯聯(lián)合消毒常用作再生水回用于城市雜用水消毒工藝。

1.5 紫外線

近年來，紫外線滅菌技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，工藝、設(shè)備也更加成熟[16]。紫外線的消毒機(jī)理是改變DNA和RNA內(nèi)含氮的雜環(huán)物質(zhì)，如胸腺嘧啶，在相鄰的核苷之間產(chǎn)生新鍵，形成二聚物，從而導(dǎo)致微生物不能進(jìn)行自我復(fù)制，達(dá)到消毒的目的。波長200～295 nm的紫外線殺菌能力較強(qiáng)。紫外線殺菌具有效率高，不產(chǎn)生殘留物質(zhì)和消毒副產(chǎn)物，且具有運(yùn)營成本較低的優(yōu)點(diǎn)，甚至比次氯酸鈉消毒的成本更低[17]。但是紫外線的消毒效果受濁度影響較大，水中的顆粒物質(zhì)會(huì)影響紫外線的穿透能力。此外，紫外線缺乏長效的滅菌能力，消毒之后見光還會(huì)導(dǎo)致微生物產(chǎn)生光復(fù)活現(xiàn)象。在再生水消毒工藝中，經(jīng)常使用紫外線和其他消毒工藝聯(lián)合，例如紫外線與臭氧聯(lián)合消毒；紫外線與液氯相結(jié)合等。景觀環(huán)境水體與人有輕微接觸，因此要求水體中不能含有對人體有害的化學(xué)物質(zhì)和病毒微生物，由于紫外消毒高效的殺菌性，無消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生，所以紫外與氯消毒適用于再生水回用于景觀環(huán)境用水，同時(shí)也適用于回用城市雜用水消毒。

2 存在的主要問題

2.1 微生物復(fù)活

再生水管網(wǎng)系統(tǒng)中，消毒后細(xì)菌會(huì)有復(fù)活再生長的現(xiàn)象，一方面是由于管網(wǎng)中的消毒劑衰減，水中殘余的微生物繼續(xù)生長。另一方面，研究表明，消毒劑會(huì)使微生物進(jìn)入亞致死狀態(tài)[18]，這種狀態(tài)下的微生物并沒有完全失去活性[19]。Kraft等人發(fā)現(xiàn)細(xì)菌具有通過SOS反應(yīng)修復(fù)DNA或者其他受損細(xì)胞結(jié)構(gòu)的功能，因此在一定的條件下，這種處于亞致死狀態(tài)的細(xì)菌細(xì)胞會(huì)恢復(fù)活性[20]。此外，某些經(jīng)過紫外線消毒的細(xì)菌，也具備通過修復(fù)受損DNA而恢復(fù)活性的功能，這種現(xiàn)象被稱為光復(fù)活。目前關(guān)于細(xì)菌的亞致死狀態(tài)和光復(fù)活現(xiàn)象的研究已成為了近年來研究的熱點(diǎn)問題之一。

2.2 管壁腐蝕

再生水管網(wǎng)系統(tǒng)中，金屬管壁表面會(huì)形成一層鈍化膜，阻隔一部分離子，減緩管壁的腐蝕。但是消毒劑的加入會(huì)在一定程度內(nèi)加速管壁腐蝕。使用次氯酸鈉消毒時(shí)，次氯酸根離子可以穿透鈍化膜，在金屬管壁表面置換出氧原子，加速陽極反應(yīng)，從而加速腐蝕，而且腐蝕速率會(huì)隨次氯酸根離子濃度的增加而上升，當(dāng)次氯酸根離子達(dá)到一定濃度時(shí)還會(huì)使鈍化膜溶解。使用氯胺消毒時(shí)分解產(chǎn)生的氨氮也會(huì)在管道中發(fā)生硝化反應(yīng)產(chǎn)生酸，造成系統(tǒng)pH下降，對管壁造成酸性腐蝕的同時(shí)，促進(jìn)鈍化膜的溶解，減緩鈍化膜的生長速率，從而對管道的抗腐蝕能力帶來負(fù)面影響[21]。

2.3 生成消毒副產(chǎn)物

消毒劑會(huì)與水中含有的一些有機(jī)物反應(yīng)生成消毒副產(chǎn)物。到目前為止，將近有600多種消毒副產(chǎn)物已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)[22]。大部分已經(jīng)鑒定的消毒副產(chǎn)物都具有細(xì)胞毒性和基因毒性，甚至致癌[23]。再生水廠處理中產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物主要是三鹵甲烷、鹵乙酸、鹵乙腈、水合三氯乙醛、鹵代酮、鹵代酚、三氯硝基甲烷、氯化氰、酸性氯化呋喃酮、溴酸鹽等[24]。常用消毒方法中，次氯酸鈉消毒時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的消毒副產(chǎn)物，而二氧化氯、氯胺、臭氧和紫外線消毒過程產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物則較少[25]。再生水處理工藝中控制消毒副產(chǎn)物生成的主要手段是通過控制水中的有機(jī)物含量，從而減緩次氯酸根離子同有機(jī)物的結(jié)合，從而達(dá)到降低消毒副產(chǎn)物的作用。

3 未來的發(fā)展方向

綜上所述，每一種消毒劑都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。次氯酸鈉是使用最久的消毒劑，消毒機(jī)理研究較深入、設(shè)備及工藝較成熟、投資較省、運(yùn)行費(fèi)用較低，但是衰減較快并且易產(chǎn)生較多的消毒副產(chǎn)物。二氧化氯消毒效果較好，消毒副產(chǎn)物生成也較低，但是其制備較復(fù)雜，而且不易存儲(chǔ)。氯胺在國內(nèi)外應(yīng)用時(shí)間也較長，消毒效果雖不如次氯酸鈉好，但是其衰減較慢，生成消毒副產(chǎn)物較少，其缺點(diǎn)是需要較長的接觸時(shí)間并且易導(dǎo)致硝化細(xì)菌的滋生。在實(shí)際工程應(yīng)用中，考慮到余氯和消毒副產(chǎn)物的影響，氯系消毒劑宜用于對水質(zhì)要求不高且與人體接觸較少的工業(yè)用水。臭氧消毒效率高，但是設(shè)備管理復(fù)雜，成本也較高。紫外線消毒速度快，設(shè)備簡單，但投資較高，而且沒有持續(xù)滅菌作用，并存在光復(fù)活的問題，而且有產(chǎn)生新菌種的生物風(fēng)險(xiǎn)。臭氧和紫外線滅菌效率較高，但都不具有持續(xù)消毒能力，經(jīng)常與氯系消毒及聯(lián)合使用，一般用于對水質(zhì)要求較高的城市雜用水和景觀用水。

由于各種消毒方法各有優(yōu)劣，近年來聯(lián)合消毒工藝開始進(jìn)入人們的視線，如將UV同次氯酸鈉結(jié)合、次氯酸鈉和氯胺結(jié)合或者氯和二氧化氯聯(lián)合的方式進(jìn)行消毒。用聯(lián)合消毒不僅可以提高消毒效率，還可以降低消毒副產(chǎn)物的生成，并且節(jié)約成本。在再生水處理中，如何組合消毒工藝起到揚(yáng)長避短的作用是未來消毒工藝中需進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

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Disinfection methods and their main issues in reused water system

Su Naite, Zhang Yajun, Xu Ping

(Beijing University of Civil Engineering and Architecture Urban rainwater drainage system and water environment key laboratory authorized by China's ministry of education，Beijing 100044, China)

Selection of disinfectant was significant for microbial control and safety of reclaimed water pipe network. This paper showed the common disinfectants disinfection mechanism and advantages and disadvantages in the reclaimed water disinfection process, pointed out the main problems of disinfection technology, and on this basis, put forward the development direction of the future.

reclaimed water; disinfection; sodium hypochlorite; chlorine dioxide; chloramines; O-zone; Ultraviolet (UV)

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278026)。

2014-10-17；2014-11-11修回

蘇乃特，女，1990年生，碩士研究生，研究方向：再生水管網(wǎng)管壁微生物膜生長與管壁腐蝕研究。E-mail：13488819619@163.com

許萍，女，副教授，研究方向：再生水利用。E-mail：xuping@bucea.edu.cn

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