飲用水消毒技術(shù)的研究進(jìn)展

劉擁鑫, 胡晨燕, 谷　建, 陳涵格

(上海電力學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上?！?00090)

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飲用水消毒技術(shù)的研究進(jìn)展

劉擁鑫, 胡晨燕, 谷建, 陳涵格

(上海電力學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上海200090)

闡述了國內(nèi)外飲用水消毒技術(shù)的研究現(xiàn)狀,并且對國內(nèi)外幾種常用的飲用水消毒技術(shù)進(jìn)行了介紹,最后對消毒技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望,以期為飲用水消毒技術(shù)的研究提供參考.

飲用水; 消毒技術(shù); 進(jìn)展

水是自然界不可缺少的重要基礎(chǔ)物質(zhì).飲用水的安全關(guān)系到人體健康、社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展.隨著人口的增長,人類對于水資源的需求不斷增長,飲用水消毒技術(shù)已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的研究課題.飲用水消毒技術(shù)消除了疾病的威脅,對人類的健康作出了重要貢獻(xiàn).本文主要介紹國內(nèi)外幾種常用的飲用水消毒技術(shù),并對消毒技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望,以期為開發(fā)新的飲用水消毒技術(shù)提供參考.

常規(guī)的飲用水消毒技術(shù)主要分為物理消毒和化學(xué)消毒.物理消毒是指通過熱力、光照、微波等物理方法使微生物內(nèi)的蛋白質(zhì)發(fā)生凝固、光解、變性等,使微生物體內(nèi)的核酸、酶遭到破壞,從而達(dá)到消毒的目的,例如紫外線消毒、活性炭吸附、膜分離等消毒技術(shù).化學(xué)消毒是利用化學(xué)藥劑的強(qiáng)氧化性抑制微生物內(nèi)酶的活性,使微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)凝固變性并被殺死,從而達(dá)到消毒的目的,例如氯化消毒、氯胺消毒、臭氧消毒、高錳酸鉀消毒、二氧化氯消毒等.

1　物理消毒技術(shù)

1.1紫外線消毒法

紫外線消毒是利用波長范圍為200～300 nm的紫外線[1]來破壞微生物細(xì)胞中的脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),DNA和RNA 的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞會造成微生物的死亡,微生物不能再生,從而達(dá)到殺菌消毒的效果.

郭美婷等人[2]的研究表明,有機(jī)物在紫外消毒過程中主要起吸收紫外線的作用,但一些顆粒較大的有機(jī)物對微生物有一定的保護(hù)作用,因此一般情況下,隨著有機(jī)物濃度的增加,紫外線的消毒效果會變差.WANG W等人[3]的研究表明,在飲用水消毒過程中,當(dāng)pH值高于6.0時紫外線輻射可以有效除去水中的的腐殖酸(HA),殘留在水中的HA的濃度在1.5～3.0 mg/L,與沒有紫外線輻射相比HA的濃度有了明顯的降低.MARKKU J等人[4]的研究表明,在飲用水消毒過程中,紫外線最小的消毒劑量為16～40 μJ/cm2,并且微生物種類和數(shù)量不同,紫外消毒劑量也會隨之變化.

紫外線消毒技術(shù)一般采用高強(qiáng)度紫外燈系統(tǒng),因此紫外線消毒效果會受到紫外燈的功率、類型、照射時間的影響.紫外線消毒殺滅微生物的種類也較廣,但由于紫外線的穿透力較弱,因此只能殺滅直接照射到的細(xì)菌、真菌等微生物.在實際應(yīng)用中,紫外線消毒會作為一種輔助的消毒方法與其他消毒技術(shù)聯(lián)合使用以達(dá)到更好的消毒效果,例如UV+H2O2,UV+TiO2,UV+H2O2+O3等.

1.2活性炭吸附法

活性炭吸附是利用活性炭的物理吸附、化學(xué)吸附、同離子交流吸附等性能去除水中污染物的水處理方法.活性炭能去除水中產(chǎn)生臭味的物質(zhì)和有機(jī)物,如酚、苯、氯、農(nóng)藥、洗滌劑、三鹵甲烷等.此外,對銀、鎘、鉻酸根、氰、銻、砷、鉍、錫、汞、鉛、鎳等離子也有一定的吸附能力.在給水處理廠中,活性炭吸附法又起到完善水質(zhì)的作用.

張智淵等人[5]以黃浦江飲用水為原水,對深度處理飲用水的活性炭進(jìn)行吸附效果研究,通過動態(tài)吸附實驗、Freundlich吸附等溫線的測定,對5種活性炭的吸附性能進(jìn)行了比較,創(chuàng)新性地對活性炭進(jìn)行了內(nèi)在結(jié)構(gòu)性能研究,得到了適合于黃浦江飲用水深度處理的活性炭.牛翰彬等人[6]以大同地區(qū)兩個代表性礦區(qū)煤樣為原料,采用壓塊活性炭制備工藝,得到了性能優(yōu)良的飲用水深度凈化專用活性炭產(chǎn)品,結(jié)果表明,由兩種原料煤制得的活性炭的最低強(qiáng)度為95.2%和95.6%,最低裝填密度為490 g/L和498 g/L,亞甲藍(lán)吸附值最高為240 mg/g,碘吸附值最高達(dá)到1 100 mg/g以上,均優(yōu)于現(xiàn)有普通活性炭.

活性炭消毒技術(shù)因其良好的水處理效果而得到了非常廣泛的應(yīng)用,但仍存在一些問題.如對于甲基藍(lán),碘吸附值的活性炭評價指標(biāo)已難以滿足水深度處理方面對活性炭選擇的要求,因此建立新的活性炭評價體系很有必要.

1.3膜分離消毒法

膜分離消毒法是指利用天然或人工合成膜的選擇性分離功能對不同組分的溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離的方法.根據(jù)膜孔徑的不同,可以將膜分離法分為微濾(MF)、納濾(NF)、超濾(UF)、反滲透(RO),還有其他膜分離消毒法如滲析(D)、電滲析(ED)、滲透蒸發(fā)(PV)、液膜(LM)等.

AHAMD A L等人[7]對納濾膜去除水溶液中的農(nóng)藥樂果和阿特拉津進(jìn)行了研究,分別測試了NF90,NF200,NF270,DK 4種納濾膜的性能,實驗結(jié)果顯示,納濾膜NF90對兩種農(nóng)藥的分離截留性能最好,對農(nóng)藥樂果的截留率約為85%,而對農(nóng)藥阿特拉津的截留率則大于95%.

作為一種飲用水消毒技術(shù),膜分離消毒法具有分離效果好、運(yùn)行成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高、操作簡便等特點(diǎn),在實際應(yīng)用中,原水水質(zhì)、經(jīng)濟(jì)條件、出水要求是需要考慮的因素.另外,膜分離技術(shù)與其他飲用水消毒技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用會取得更好的效果[8].

2　化學(xué)消毒技術(shù)

2.1自由氯消毒法

自由氯消毒法已有很多年的歷史,氯氣也是最早被用于飲用水消毒的化學(xué)消毒劑,目前,國內(nèi)大多數(shù)自來水廠采用的都是自由氯消毒法.自由氯消毒法殺菌的關(guān)鍵物質(zhì)是自由氯溶于水后產(chǎn)生的次氯酸(HClO).次氯酸是一種強(qiáng)氧化劑,它能夠穿過細(xì)胞壁,損壞細(xì)胞膜,殺滅細(xì)菌以達(dá)到消毒的目的.

由于自由氯消毒法應(yīng)用廣泛,對自由氯消毒的消毒副產(chǎn)物(DBPs)的研究也較多,已有許多研究表明,自由氯消毒會產(chǎn)生三鹵甲烷和鹵乙酸等物質(zhì),而這些物質(zhì)都具有潛在的致癌性[9].也有研究發(fā)現(xiàn),在氯消毒產(chǎn)生的DBPs中,三鹵甲烷(THMs)約占總量的20%,鹵乙酸(HAAs)約為10%,鹵乙腈(HANs)約為2%[10].

人們對氯化消毒所導(dǎo)致的DBPs對人體健康造成的危害給予了越來越多的關(guān)注,而關(guān)于氯消毒的取代技術(shù)也是研究的熱點(diǎn)之一.不過其他消毒方式雖然有一定的優(yōu)點(diǎn),但同時也具有一些不及氯消毒的缺點(diǎn),且在工程技術(shù)應(yīng)用上不夠成熟.因此,在可以預(yù)見的很長一段時期內(nèi),自由氯消毒仍是給水廠不可替代的主流消毒方式.

2.2氯胺消毒法

氯胺是自由氯與水中氨離子發(fā)生反應(yīng)生成的消毒中間產(chǎn)物,依據(jù)氯取代氫的多少來區(qū)分,主要包含一氯胺、二氯胺和三氯胺等,其中具有消毒殺菌作用的只有一氯胺和二氯胺.氯胺消毒法的作用機(jī)理和自由氯消毒法相近,一氯胺和二氯胺穿過細(xì)胞壁,破壞細(xì)胞膜,并損壞細(xì)菌中的核酸,從而達(dá)到消毒殺菌的目的.

CARISON M等人[11]的研究表明,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等人[12]研究了氯胺消毒法對管網(wǎng)水質(zhì)的影響,結(jié)果顯示,與自由氯消毒法相比,在管網(wǎng)中氯胺消毒產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物明顯減少.

氯胺的消毒效果與自由氯相比要差,氧化能力也稍弱,所以氯胺被看作是二級消毒劑.但與自由氯消毒相比,氯胺消毒法的穩(wěn)定性較好.因此,目前國內(nèi)許多水廠已采用氯胺消毒來替代自由氯消毒.

2.3二氧化氯消毒法

ClO2是一種強(qiáng)氧化劑和高效殺菌劑,它可以殺滅一切微生物,可以穿過細(xì)胞壁,氧化細(xì)胞內(nèi)的酶,并抑制細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成,從而殺滅微生物.ClO2作為一種消毒劑在飲用水消毒領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛,目前北美有數(shù)千家自來水廠使用二氧化氯消毒,而在歐洲一些國家二氧化氯消毒的應(yīng)用更多[13].LOPEZ A等人[14]曾對ClO2與氯化降解飲用水水源中的莠滅凈和異丙隆進(jìn)行了對比,在相同實驗條件下,氯化降解莠滅凈的速度大于ClO2降解的速度,而降解異丙隆時則相反,ClO2更快.

ClO2消毒的適用范圍較寬,并能明顯改善水體的色度和口感.ClO2氧化消毒能力受溫度和氨的影響較小,并且能在較廣的pH值范圍內(nèi)保持很高的殺菌效率,是一種安全高效的飲用水消毒方法.與自由氯和氯胺消毒相比,ClO2消毒幾乎不產(chǎn)生三鹵甲烷(THMs)等有機(jī)鹵代,但會產(chǎn)生較多的非揮發(fā)性消毒副產(chǎn)物(如HAAs).

2.4臭氧消毒法

1840年,德國化學(xué)家發(fā)明了臭氧消毒技術(shù),1956年這一技術(shù)被應(yīng)用于飲用水的消毒.臭氧是一種強(qiáng)氧化劑,臭氧消毒是通過生物化學(xué)氧化反應(yīng)來殺滅水中的細(xì)菌等微生物.臭氧是一種廣譜、快速、高效的消毒劑,但其性質(zhì)極不穩(wěn)定,需現(xiàn)配現(xiàn)用,一般臭氧都是通過臭氧發(fā)生器制取而成的.臭氧消毒法在飲用水處理中已被廣泛應(yīng)用.

飲用水中有機(jī)物和無機(jī)物的臭氧化消毒過程是通過臭氧或OH-自由基或它們的組合來進(jìn)行的.臭氧氧化途徑由臭氧和OH-自由基的濃度比和相應(yīng)的動力學(xué)模型來確定.臭氧與飲用水中有關(guān)無機(jī)化合物的反應(yīng)是由氧原子轉(zhuǎn)移而引起的快速反應(yīng)[15].GARCIA-AC A等人[16]的研究表明,水中有機(jī)物的臭氧化取決于化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu),高氧化劑濃度×接觸時間(CT)的值對于從水中徹底去除有機(jī)化合物是非常有效的.BROSéUS R等人[17]對臭氧消毒法處理水中的藥品、內(nèi)分泌干擾物和農(nóng)藥進(jìn)行了研究,研究表明,臭氧消毒法能有效地去除水中的微量有機(jī)污染物.在CT值約為2 mg min L-1時,水中的咖啡因、藥品和內(nèi)分泌干擾物的臭氧化去除率約為80%以上.

臭氧的殺菌效果較好,能夠?qū)⒓?xì)菌徹底殺死,無殘留,而且殺菌廣譜,但由于臭氧極不穩(wěn)定,需要現(xiàn)場制備,而臭氧發(fā)生器的能耗較高,從而加大了投資費(fèi)用,使得消毒成本有所增加.

2.5高錳酸鉀消毒法

KMnO4是一種強(qiáng)氧化劑,它作為飲用水消毒劑,是由于它的強(qiáng)氧化性能夠氧化水中的無機(jī)離子和有機(jī)物,可以除去水中的色和味,破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),使蛋白酶發(fā)生變性,從而達(dá)到消毒的目的.此外,KMnO4還原產(chǎn)物水合二氧化錳具有很好的去除水中污染物的能力,用KMnO4消毒不會產(chǎn)生三鹵甲烷等消毒副產(chǎn)物[18].

高錳酸鉀消毒法能夠有效去除飲用水原水中的無機(jī)物,游離態(tài)的二價鐵在pH>5.0時能被高錳酸鉀氧化,游離態(tài)的二價錳在pH>5.5時也能被高錳酸鉀迅速氧化.袁德玉等人[19]的研究表明,投加高錳酸鉀能夠降低地表水中錳的含量,可以實現(xiàn)在不改變原有工藝的前提下達(dá)到對微污染的水源水多種處理的目的,而且還能減少生產(chǎn)工藝中混凝劑的投加量,降低生產(chǎn)成本.孫士權(quán)等人[20]采用高錳酸鉀及以其為主劑的復(fù)合藥劑(PPC)對太湖地表水進(jìn)行了預(yù)處理,在投加量為0.20～0.45 mg/L時,對鐵、錳的去除率分別達(dá)75%和95%.

高錳酸鉀消毒具有便于操作以及不產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn),但在實際應(yīng)用中高錳酸鉀應(yīng)與活性炭、氯/氯胺、臭氧等聯(lián)用,這樣能夠取得更好的消毒處理效果.

2.6TiO2光催化消毒法

當(dāng)光子能量高于半導(dǎo)體吸收閾值的光照射半導(dǎo)體時,半導(dǎo)體的價帶電子發(fā)生帶間躍遷,從而產(chǎn)生光生電子(e-)和空穴(h+).此時吸附在納米顆粒表面的溶解氧俘獲電子形成超氧負(fù)離子,而空穴將吸附在催化劑表面的氫氧根離子和水氧化成氫氧自由基.而超氧負(fù)離子和氫氧自由基具有很強(qiáng)的氧化性,通過直接或間接的方式與細(xì)菌細(xì)胞結(jié)合,對環(huán)境微生物起到抑制或殺滅作用,從而達(dá)到殺菌消毒的目的.

劉文等人[21]以TiO2為催化劑,對飲用水原水中富里酸進(jìn)行了光催化氧化的實驗研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)富里酸初始濃度為9.42 mg/L,pH值為7.00,TiO2投加量為0.3 g/L時,光照40 min后,富里酸的去除率達(dá)到98%,且降解過程遵循一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律.HE Y[22]以TiO2為催化劑對水中腐殖酸進(jìn)行了光催化氧化研究,探討了催化劑用量、pH值、初始濃度及光照強(qiáng)度、時間等對腐殖酸去除效果的影響.腐殖酸礦化結(jié)果顯示,相對分子質(zhì)量大的芳香族和疏水性的有機(jī)物能被有效去除,且體系中溶解性有機(jī)碳(DOC)的降解速率隨催化劑用量的增加而逐漸增強(qiáng).ELMOLLA E S等人[23]在TiO2光催化降解阿莫西林、氨芐西林和氯唑西林抗生素水溶液的研究中發(fā)現(xiàn),在催化劑加入量為1 g/L,添加過氧化氫,反應(yīng)30 min后,阿莫西林、氨芐西林和氯唑西林水溶液中的溶解性有機(jī)碳(DOC)能夠被有效去除.

3　組合消毒工藝

在實際的飲用水消毒過程中,利用多種消毒方式組合的消毒工藝往往能達(dá)到更好的消毒效果.袁志彬等人[24]對臭氧-活性炭組合工藝在給水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示,臭氧-活性炭工藝能夠有效地去除水中的有機(jī)物,對COD的去除效率也非常穩(wěn)定,去除率一般在40%～50%.

EUNIER L等人[25]采用較低劑量的臭氧與紫外線消毒的聯(lián)合工藝進(jìn)行了預(yù)處理飲用水的研究,結(jié)果表明,當(dāng)臭氧濃度低于0.5 mg/L時,處理后形成的溴酸鹽的含量低于0.4 μg/L.總體而言,臭氧與紫外線消毒的聯(lián)合工藝可以有效地改善水質(zhì),并使溴酸鹽最小化.

WANG D等人[26]比較了利用UV/氯和UV/H2O2的方式來控制飲用水的味道和氣味,研究發(fā)現(xiàn),在pH值為6.5時UV/氯比UV/H2O2去除原水中的土臭素和MIB更有效;在pH值為7.5和8.5時UV/氯比UV/H2O2更合適.

4　結(jié)　語

在諸多飲用水消毒工藝中,各種消毒工藝都有其優(yōu)缺點(diǎn),總體而言,化學(xué)法消毒技術(shù)的殺菌效果較好,但會產(chǎn)生具有潛在致癌性的消毒副產(chǎn)物;而物理消毒技術(shù)不會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物,但多數(shù)物理消毒技術(shù)卻沒有持續(xù)消毒效果.因此,在實際消毒過程中要綜合考慮飲用水的水源水質(zhì)、技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性,選擇合適的消毒工藝或組合消毒工藝以達(dá)到更好的消毒效果.

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(編輯胡小萍)

Review of the Disinfection Technology of Drinking Water

LIU Yongxin, HU Chenyan, GU Jian, CHEN Hange

(School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

The research status of the disinfection technology of drinking water is described,and several common domestic and foreign drinking water disinfection technologies are introduced.Finally,the development direction of disinfection technology is prospected in order to provide the basis for the study of drinking water disinfection technology.

drinking water; disinfection technology; progress

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.04.015

2015-10-27

簡介：胡晨燕(1977-),女,博士,副教授,江西贛州人.主要研究方向為飲用水消毒.E-mail:huchenyan@126.com.

國家自然科學(xué)基金(41301536).

TU991.2;TU991.25

A

1006-4729(2016)04-0380-05