基于大型工程實例評價兩種常用的消毒方式

吳仲斯等

摘 要：以某南方大都市A水廠為研究對象，通過對實際運行中消毒工藝變更前后的出廠水和管網水的水質和耗氯量進行分析，評價兩種消毒工藝的消毒效果、副產物產生情況以及運營成本。結果表明：氯胺和液氯兩種消毒劑均有良好的消毒效果；使用液氯后水中的三氯甲烷和游離氯的含量驟增；液氯消毒成本較低，約為氯胺消毒的70%。

關鍵詞：液氯 氯胺 余氯 三氯甲烷 消毒成本

中圖分類號：TU757.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0060-03

Abstract：In order to evaluate the effectiveness of two different types of disinfection processes， the production of disinfection byproducts and relevant capital costs for a water treatment plant， named A Water Treatment Plant， located in the south part of China， water quality analysis and determination of chlorine usage for the treated water by the two processes are conducted. It has been concluded that chloramine and chlorine are both effective. The concentration of chloroform and free chlorine in the water are rapidly increased after chlorine treatment. Additionally， the costs of chlorine are 70% of chloramine costs， which are relatively lower.

Key words：chlorine chloranmine residual chlorine chloroform disinfection costs

液氯與氯胺是城市供水消毒工藝中兩種重要的消毒劑，它們在消毒效果、次生產物、持久性能等方面均存在一定差異。研究表明[1-3]，液氯的消毒效果優(yōu)于氯胺消毒，但液氯會與水中的部分有機物生成具有“三致”作用的三鹵甲烷、鹵乙酸等，存在較大的潛在危害。該文系統(tǒng)地分析了微生物指標、三氯甲烷產生情況與消毒劑成本三個方面的變化趨勢，為水廠水質安全和經濟效益提供參考。

1 工藝與方法

1.1 水廠概況與采樣

A廠共有四個車間產水，日產水量56萬m3，該廠于2012年年底更換消毒工藝，采用液氯消毒，此前一直使用氯胺作為消毒劑，其主要凈水工藝如圖1所示。

按照《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）及《城市供水水質標準》（CJ/T 206-2005）的監(jiān)測要求，該廠水質監(jiān)測中心每月定點對出廠水和管網水中的三氯甲烷和游離氯含量進行檢測，而菌落總數(shù)和總大腸桿菌群為日常監(jiān)測指標。由于管網跨度和時間跨度大，游離氯、菌落總數(shù)、三氯甲烷等指標均以年均值表征。

1.2 分析方法

各項指標檢測均依據《生活飲用水標準檢測方法》（GB 5750-2006），具體方法如表1所示。

2 結果與討論

2.1 余氯的變化趨勢

余氯是指氯制劑加入水中并氧化還原性物質后剩余的總氯量[4]，包括結合氯（NH2Cl、NHCl2、NCl3）與游離氯（Cl2、HOCl、ClO-），其中主要起殺毒作用的是游離氯，A廠2010年至2014年出廠水與管網水中的一氯胺和游離氯含量變化如圖2所示。

由圖2可知，2010年和2014年出廠水和管網水中的一氯胺含量總體呈下降趨勢，相反，游離氯的含量在2010年至2011年為0，更換工藝后驟增。液氯消毒與氯胺消毒原理分別可由式（1）與式（1）～式（4）表示[5]：

（1）

（2）

（3）

（4）

根據上列反應式，液氯進入水后以次氯酸和單質氯的形式存在，故使水中的游離氯猛增，而單質氯也可與水中的氨氮生成一氯胺；氯胺以逆向反應的形式緩慢地釋放出的HOCl立即與水中的還原性物質反應，從而持續(xù)消毒，因此溶解于水中的次氯酸極低。除此之外，由于在輸水過程中，一氯胺不斷分解釋放次氯酸與游離氯的持續(xù)的消毒作用，故管網水中的一氯胺和游離氯含量均低于出廠水。

2.2 三氯甲烷變化趨勢

加氯消毒的副產物（CDBPs）主要是氯、溴等鹵素原子與水中的烴、羧酸、醛、酚等有機物發(fā)生取代反應而生成的鹵代物，其中三鹵甲烷（THMs）與鹵乙酸（HAAs）的含量最高，兩者之和約占CDBPs的80%以上[1]。

消毒工藝替換前后的年均三氯甲烷值如圖3所示，由圖可知，在2012年之后的三氯甲烷含量明顯高于之前的含量，根據Li bo[6]等的研究，THMs的產生可由式（5）表示：

（5）

其中，THMFP為三鹵甲烷的前驅物質，由此可見，改用Cl2作為消毒劑后會導致水中的THMs升高。聯(lián)系圖2和圖3可發(fā)現(xiàn)三氯甲烷與游離氯的變化趨勢相似，這也證明了上述理論。然而，管網水中的Cl2低于出廠水但其三氯甲烷含量卻高于后者，這可歸因于管網中的復雜物理、化學、生物作用，如有機物溶解、氧化分解、微生物代謝等等，使水中的三氯甲烷前驅含量增大。

2.3 消毒效果與加氯量變化趨勢

國內大多數(shù)水廠均采用菌落總數(shù)和總大腸桿菌群作為微生物指標中的主要控制指標[7]，水廠運行以消毒過程來確保微生物指標合格，因此菌落總數(shù)和總大腸桿菌群可用來評價消毒效果。根據《生活飲用水標準》（GB 5749-2006）中相關規(guī)定，菌落總數(shù)不得超過100CFU/mL，大腸桿菌群不得檢出。表2列出了A廠2010年至2014年出廠水和管網水中的菌落總數(shù)與總大腸菌群的年均值。

由表2可知，在2010年至2014年年間，出廠水和管網水中均未檢出總大腸菌群，并且，菌落總數(shù)均遠低于限值，故從這兩項微生物指標來看，兩種消毒劑均有良好的消毒效果。此外，由于管網中存在復雜的理化作用與生物作用，加之輸送過程延長了供水的停留時間，故管網水中的菌落總數(shù)均高于出廠水，但管網水中的菌落總數(shù)也遠小于100CFU/mL，說明盡管兩種工藝產生的余氯在水中的存在形態(tài)不同，但兩者均有較好的持續(xù)消毒能力。

圖4表明使用氯胺時的氯耗較高，更換工藝后比之前的加氯量低10%左右。近年來，液氯的售價持續(xù)升高，從2010年的3 660元/t升高到目前的4 300元/t，而液氨的價格約為4400元/t，A廠使用氯胺消毒時液氯與液氨的混合比約為4：1，圖5顯示2011年至2014年水廠實際運營中消毒劑成本的變化，使用液氯消毒的運營成本約為氯胺消毒運營成本的70%左右，同時，根據表1，兩種消毒方式均有良好的消毒效果，故液氯消毒工藝的運營成本相對較低。

3 結語

（1）使用液氯消毒后，出廠水和管網水中的三氯甲烷明顯高于使用氯胺消毒時；改變工藝后，水中的游離氯含量猛增而一氯胺含量下降，在現(xiàn)有管網長度（A廠供水管路總長度約為2 100km）的條件下，但兩種工藝均有較好的持續(xù)殺菌能力，管網末梢的微生物指標均低于國家規(guī)定的限值；由于液氯作為消毒劑使水中的三氯甲烷和游離氯含量升高，對人體健康存在潛在影響，因此從飲水用安全的角度來講，氯胺消毒更具優(yōu)勢。

（2）根據GB 5749-2006規(guī)定，飲用水中的菌群總數(shù)不能高于100CFU/mL，總大腸菌群不得檢出，從這兩項指標來看，盡管管網水中的菌落總數(shù)多于出廠水，但均遠低于限值，因此兩種消毒工藝均有良好的處理效果。

（3）氯胺消毒的氯耗高于液氯消毒，加之氯胺消毒需要按一定比例投加的液氨，故其運營成本高于液氯消毒，從經濟效益的角度來講，液氯消毒占優(yōu)。

參考文獻

[1] 肖潔雯.三種消毒劑對消毒副產物的影響研究[D].廣州：華南理工大學，2012： 10-11.

[2] 白曉慧，支興華，朱斌，等.次氯酸鈉代替液氯消毒對自來水廠供水水質的影響[J].中國給水排水，2012，28（11）：47-49.

[3] 嚴烈，徐斌，高乃云，等.飲用水中典型氯化消毒副產物生成模型的研究進展[J].凈水技術，2010，29（1）：16-22.

[4] 李夢耀，潘珺，熊玉寶.水中余氯測定方法進展[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2007，23（2）：40-42.

[5] 劉兆民，展宗城.氯胺消毒在給水中的應用[J].西北民族大學學報：自然科學版，2006，27（63）：28-31.

[6] Li Bo，Qu JiuHui，Liu HuiJuan，et al. Formation and distribution of disinfection by-products[J].Chinese Science Bulletin，2008，53（17）：2717-2723.

[7] 程權，許霞，何苗.菌落總數(shù)和總大腸菌群不合格因素分析[J].供水技術，2011，5（1）：57-59.