飲用水的消毒方法分析探討

蓋文紅，孫惠霞

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

飲用水的消毒方法分析探討

蓋文紅，孫惠霞

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

水是生命之源,水質(zhì)安全在社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用,水處理是一個(gè)非常重要的工作, 消毒是水處理一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。文章著重介紹了飲用水常用的幾種消毒方法：氯氣消毒法、臭氧消毒法、二氧化氯消毒法、氯胺消毒法和紫外線(xiàn)消毒法；闡述了各種消毒方法的消毒機(jī)理，工作環(huán)境的要求；分析了各種消毒方法的消毒效果和消毒成本；探討了消毒后水中存留的副產(chǎn)物以及這些副產(chǎn)物對(duì)人體的影響。同時(shí)提出一些飲用水未來(lái)的消毒方法：高錳酸鉀消毒、TiO2光催化消毒、膜消毒、電化學(xué)氧化消毒、生物活性炭消毒以及一些聯(lián)合消毒方法，如高錳酸鉀與氯聯(lián)合消毒、紫外線(xiàn)與氯聯(lián)合消毒等。

飲用水；消毒方法；水處理

0 前言

水是生命之源，水質(zhì)安全與人類(lèi)的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人類(lèi)的生產(chǎn)、生活用水量迅速增加的同時(shí)，工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥、農(nóng)藥和化工產(chǎn)品等的使用，產(chǎn)生了大量未經(jīng)處理的生活污水和工業(yè)廢水并直接排入天然水體，超過(guò)了水體的自?xún)裟芰?，?dǎo)致水源水質(zhì)普遍受到污染，水質(zhì)安全面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。研究表明，飲用水中含有病毒和細(xì)菌，如霍亂弧菌、大腸桿菌和肝類(lèi)病毒等，這些病毒和細(xì)菌嚴(yán)重影響人類(lèi)的身體健康（張永吉，2006）。飲用水消毒消除了威脅生命的疾病，為全球減少發(fā)病率和死亡率做出了重要的貢獻(xiàn)。而飲用水消毒以沉淀、絮凝、過(guò)濾以及諸如加氯或臭氧的化學(xué)處理過(guò)程等形式存在于水處理過(guò)程中，其處理方法具有可靠、低成本、廉價(jià)構(gòu)造和隨時(shí)可修等特點(diǎn)。因此，簡(jiǎn)單易用的飲用水消毒方法已經(jīng)成為現(xiàn)在飲用水處理中的研究重點(diǎn)。

1 飲用水常用消毒方法

常用的飲用水消毒方法：氯氣消毒法、臭氧消毒法、二氧化氯消毒法、氯胺消毒法和紫外線(xiàn)消毒法，每種消毒方法的成本不同，消毒后的副產(chǎn)物不同，每個(gè)國(guó)家和地方的經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展水平的不同，人們采用的飲用水消毒方法也各不相同，有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。詳見(jiàn)表1。

表1 常用消毒方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表Tab.1 common disinfection methods advantages and disadvantages of contrast table

1.1 氯氣消毒

早在19世紀(jì)初期，在歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家，由于排出的污水、糞便和垃圾等使地表水和地下水受到污染，造成霍亂、痢疾以及傷寒等傳染病多次大規(guī)模爆發(fā)和蔓延，奪去了成千上萬(wàn)人的生命，從而產(chǎn)生了傳統(tǒng)的水處理工藝，產(chǎn)生了最早的飲用水消毒方法——投氯消毒。

（1）氯氣消毒的機(jī)理

氯氣消毒的機(jī)理是將氯氣（Cl2）通入水中，氯氣與水反應(yīng)，生成具有強(qiáng)氧化性HClO，HClO侵入細(xì)菌體內(nèi)，將細(xì)菌酶蛋白氧化，破壞了細(xì)菌的生存能力，從而達(dá)到殺死細(xì)菌的目的。

（2）氯氣消毒的特點(diǎn)

該法具有消毒效果好、消毒劑成本低、消毒工藝成熟以及消毒操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)大部分水廠都使用氯氣消毒。其缺點(diǎn)是，消毒后會(huì)生成三鹵甲烷和鹵乙酸等鹵代物，對(duì)人體健康構(gòu)成潛在危險(xiǎn)。

1.2 臭氧消毒

1856年巴黎首次應(yīng)用臭氧對(duì)醫(yī)院病房進(jìn)行消毒，1905年起臭氧開(kāi)始用于水處理消毒。臭氧消毒可除去水中的鹵化物。

（1）臭氧消毒的機(jī)理

臭氧極不穩(wěn)定，分解時(shí)產(chǎn)生[O]，其具有極強(qiáng)的氧化能力。臭氧溶于水，生成氧化能力極強(qiáng)的[HO2]和[OH]自由基。單原子氧[O]可以迅速分解水中的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、細(xì)菌和微生物；[OH]可使有機(jī)物發(fā)生連鎖反應(yīng)，對(duì)各種致病微生物具有極強(qiáng)的殺傷力。臭氧消毒的作用有兩個(gè)方面：①滅菌作用：臭氧能氧化分解細(xì)菌內(nèi)部降解葡萄糖所需的酶，破壞細(xì)菌的代謝途徑，從而使細(xì)菌死亡；臭氧可以直接與細(xì)菌和病毒作用，破壞細(xì)胞器的DNA和RNA，破壞細(xì)菌的新陳代謝，從而使細(xì)菌死亡；臭氧還可以通過(guò)細(xì)胞膜組織侵入細(xì)胞內(nèi)，破壞外膜上的脂蛋白和脂多糖，使細(xì)菌發(fā)生通透性畸變而溶解死亡。②臭氧具有強(qiáng)氧化性，能降解水中的有機(jī)物，礦化水中的無(wú)機(jī)物，從而達(dá)到水質(zhì)消毒的目的。

（2）臭氧消毒的特點(diǎn)

臭氧幾乎對(duì)所有細(xì)菌、病毒和真菌等都具有明顯的滅活效果，可殺死細(xì)菌繁殖體、芽孢、病毒和真菌等，還可以破壞肉毒桿菌毒素。臭氧由于穩(wěn)定性差，會(huì)分解成氧氣或單個(gè)氧原子，因此不存在二次污染。但是臭氧可將大分子有機(jī)物分解成較小的中間產(chǎn)物，部分中間有機(jī)物會(huì)存在毒性，在加上氯消毒后可能生成致突變性更強(qiáng)的副產(chǎn)物（王寶貞等，2002）。

臭氧消毒成本過(guò)高，O3用量較難控制，消毒后對(duì)管道有腐蝕作用；臭氧與鐵、錳和有機(jī)物等反應(yīng)，可產(chǎn)生微絮凝；若水中有Br-時(shí)，臭氧將Br-氧化成溴酸根（致癌物），對(duì)人體健康有潛在的危險(xiǎn)。

1.3 二氧化氯消毒

1956年比利時(shí)的布魯塞爾把二氧化氯作為自來(lái)水的消毒劑后，二氧化氯的消毒開(kāi)始被廣泛應(yīng)用。二氧化氯殺菌能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成二次污染，備受人們的青睞。

（1）二氧化氯消毒的機(jī)理

ClO2具有很強(qiáng)的氧化性，對(duì)微生物細(xì)胞壁有較強(qiáng)的吸附穿透能力，ClO2分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，能破壞微生物的葡萄糖氧化酶，使其不能參加氧化還原活動(dòng)并導(dǎo)致細(xì)胞的代謝機(jī)能發(fā)生障礙。此外，ClO2還可以與細(xì)菌中的部分氨基酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使氨基酸分解破壞，進(jìn)而控制蛋白質(zhì)的合成，最終導(dǎo)致細(xì)菌的死亡，達(dá)到消毒的目的。

（2）二氧化氯消毒的特點(diǎn)

二氧化氯具有極強(qiáng)的氧化能力，能夠抑制微生物中蛋白質(zhì)的合成，從而對(duì)細(xì)菌、病毒達(dá)到滅活的作用。二氧化氯不會(huì)與有機(jī)物反應(yīng)生成三鹵甲烷等，可以減少水中三鹵甲烷等副產(chǎn)物的生成。由于其強(qiáng)氧化性，對(duì)水中的無(wú)機(jī)污染物鐵、錳和硫化物等有很好的去除作用，同時(shí)能去除水中的色和味。二氧化氯在管網(wǎng)中能存留時(shí)間較長(zhǎng)，能保持長(zhǎng)時(shí)間消毒。但由于二氧化氯具有強(qiáng)氧化性，易發(fā)生爆炸反應(yīng)，不易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，用二氧化氯消毒都是在消毒現(xiàn)場(chǎng)制備，制備成本較其它方法高。此外，實(shí)驗(yàn)證明，二氧化氯溶于水后轉(zhuǎn)變成ClO2-和ClO3

-，其對(duì)人體血紅蛋白、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)有損害（王擎等，2006），因此需嚴(yán)格控制二氧化氯的用量。

1.4 氯胺消毒

該消毒方法于1916年首次在加拿大渥太華使用，1917年在美國(guó)克羅拉多丹佛市使用，20世紀(jì)20—30年代得到廣泛應(yīng)用。

（1）氯胺消毒的機(jī)理

氯胺的消毒作用是通過(guò)緩慢釋放次氯酸而進(jìn)行的，其消毒作用機(jī)理與氯氣相近，通過(guò)穿透細(xì)胞膜，使核酸變性，阻止蛋白質(zhì)的合成，從而達(dá)到殺滅微生物的目的。氯氣加入到水中，生成次氯酸，次氯酸可以與氨氣反應(yīng)生成氯胺，反應(yīng)式如下：

這些反應(yīng)均存在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，氯胺消毒起消毒作用的是其緩慢釋放的HClO。當(dāng)HClO因消耗而減少時(shí)，反應(yīng)（2）按逆反應(yīng)方向進(jìn)行生成HClO，從而實(shí)現(xiàn)消毒的目的。在消毒時(shí)，NHCl2和NCl3會(huì)使水產(chǎn)生異味和不良口感，應(yīng)該通過(guò)控制NH3：Cl2比以及其它因素，盡量避免NHCl2和NCl3的生成。

（2）氯胺消毒的特點(diǎn)

氯胺與水中的腐殖物質(zhì)作用小，可減少“三致”物質(zhì)的生成。此外，由于氯胺的氧化能力低，因此殺菌能力較弱，需長(zhǎng)時(shí)間接觸方可對(duì)病原體起到滅活作用。

1.5 紫外線(xiàn)消毒

1910年法國(guó)Marseille自來(lái)水廠首次將紫外線(xiàn)消毒技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中（顏育平，1992）。1916年美國(guó)kentucky建立紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)（劉文君，2009）。由于紫外線(xiàn)消毒技術(shù)不存在二次污染，近些年紫外線(xiàn)消毒技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

（1）紫外線(xiàn)消毒的機(jī)理

紫外線(xiàn)是指波長(zhǎng)為10～400nm的光波，而真正具有消毒殺菌作用的是200～280nm的紫外光波，且250～270nm的紫外光波殺菌能力最強(qiáng)。紫外線(xiàn)可以殺死各種微生物，包括細(xì)菌繁殖體、芽孢、分枝桿菌、病毒和真菌等。通過(guò)紫外線(xiàn)對(duì)微生物的輻射，導(dǎo)致DNA(脫氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸)的鍵和鏈的斷裂、交叉交聯(lián)及形成光化產(chǎn)物，改變DNA和RNA的生物活性，破壞細(xì)胞的生殖能力，殺死水中的細(xì)菌、病毒、寄生蟲(chóng)和水藻等，從而達(dá)到水處理過(guò)程中的消毒目的。

（2）紫外線(xiàn)消毒的特點(diǎn)

紫外線(xiàn)消毒幾乎可以殺死所有的細(xì)菌和病毒，且紫外線(xiàn)消毒時(shí)間短，在一秒鐘內(nèi)就可以殺死細(xì)菌和病毒。由于紫外線(xiàn)消毒不需要加入任何化學(xué)添加劑，因此對(duì)水及周?chē)h(huán)境不會(huì)產(chǎn)生二次污染。但紫外線(xiàn)是通過(guò)輻射殺菌，因此要求水質(zhì)清澈，當(dāng)水中的濁度、懸浮物濃度過(guò)高時(shí)，將影響水的消毒效果。

2 飲用水消毒技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

由于飲用水水源受污染的程度及廣度日趨擴(kuò)大，以及人們對(duì)飲用水水質(zhì)的要求不斷提高，水處理過(guò)程中的消毒滅菌面臨挑戰(zhàn)。世界各國(guó)加快了對(duì)飲用水消毒方法的研究。以往的消毒技術(shù)正不斷的引入到飲用水消毒當(dāng)中來(lái)，同時(shí)，越來(lái)越多的人傾向聯(lián)合消毒的水消毒技術(shù)。

2.1 消毒技術(shù)

（1）高錳酸鉀消毒

高錳酸鉀消毒原理是使菌體酶蛋白中-SH基氧化為-S-S-基而失去酶活性，代謝機(jī)能發(fā)生障礙而死亡。

（2）TiO2光催化消毒

TiO2光催化殺菌機(jī)理主要輔以酶A氧化機(jī)理、細(xì)胞壁（膜）破壞機(jī)理和遺傳物質(zhì)破壞機(jī)理為主。

（3）膜消毒法

膜過(guò)濾技術(shù)是一種高效、低能耗和易操作的液體分離技術(shù),同傳統(tǒng)的水處理方法相比具有處理效果好,可實(shí)現(xiàn)廢水的循環(huán)利用和對(duì)有用物質(zhì)回收等優(yōu)點(diǎn)。

（4）電化學(xué)氧化消毒

電化學(xué)消毒法具有環(huán)境友好、安全、效率高、處理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，電化學(xué)消毒體系中，微生物的滅活機(jī)理包括電場(chǎng)的直接作用、電化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生自由氯組分的作用和活性基團(tuán)的作用

（5）生物活性炭消毒

活性炭具有高比表面積及發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)水中溶解氧及有機(jī)物有強(qiáng)吸附特征?；钚蕴考夹g(shù)就是將活性炭作為載體，通過(guò)富集或人工固定微生物，在適當(dāng)?shù)臏囟燃盃I(yíng)養(yǎng)條件下，微生物在活性炭表面生長(zhǎng)繁殖，形成BAC。它可同時(shí)發(fā)揮活性炭的物理吸附作用和微生物的降解作用。

2.2 聯(lián)合消毒法

針對(duì)化學(xué)劑消毒法會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的缺點(diǎn)，尋找消毒效果好且產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物少的優(yōu)質(zhì)消毒劑，或是采用兩種或兩種以上的消毒劑聯(lián)合消毒即聯(lián)合消毒法。

研究物理消毒法與化學(xué)劑消毒法聯(lián)合的消毒效果，考察物理消毒法對(duì)于消毒副產(chǎn)物的降解效果，從細(xì)菌殺滅效率、消毒副產(chǎn)物的生成、成本等方面綜合考慮兩者聯(lián)合的可行性。聯(lián)合消毒法可以彌補(bǔ)單一消毒法的不足，提高消毒效果。將物理法消毒與化學(xué)藥劑聯(lián)合使用，不但可以減少化學(xué)藥劑的使用量，降低副產(chǎn)物，還可以降低物理法的使用條件限制，降低經(jīng)濟(jì)成本，這將是飲用水消毒的發(fā)展方向。

3 結(jié)論

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)水質(zhì)的要求在不斷提高，這就要求飲用水的處理工藝不斷提高，飲用水的消毒技術(shù)不斷升華。以往技術(shù)方法存在其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但已不能滿(mǎn)足人們的需要，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多新的消毒技術(shù)不斷被應(yīng)用到飲用水的消毒方法中來(lái)，同時(shí)聯(lián)合消毒的消毒技術(shù)被越來(lái)越多的人所認(rèn)可。

人們對(duì)水質(zhì)高要求的追求，催生了許多消毒技術(shù)在飲用水消毒領(lǐng)域的應(yīng)用，如高錳酸鉀消毒、TiO2光催化消毒、膜消毒、電化學(xué)氧化消毒以及生物活性炭消毒等。

聯(lián)合消毒方法，如高錳酸鉀與氯聯(lián)合消毒、紫外線(xiàn)與氯聯(lián)合消毒等，不斷的被引入到飲用水處理當(dāng)中來(lái)，提高人類(lèi)生活用水的質(zhì)量，也使人類(lèi)生活水平大大提高。

我們期待更新的消毒技術(shù)的不斷問(wèn)世，取代一些傳統(tǒng)的消毒技術(shù)，使我們能使用上優(yōu)質(zhì)的水源。盡管如此，我們也還是要保護(hù)好我們的水環(huán)境，保護(hù)好人類(lèi)的水資源。

張永吉，2006. 紫外線(xiàn)消毒對(duì)水中微生物滅活效果研究[D].清華大學(xué).

王寶貞，王欣澤，李冰，等，2002. 優(yōu)質(zhì)飲用水的消毒方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，34(4)：478-482.

王擎，鄭爽英，張弛，2006. 飲用水消毒技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國(guó)消毒學(xué)雜志，23(4)：349-351.

顏育平，1992. 紫外線(xiàn)消毒在城市污水深度處理及回用中的技術(shù)研究[D]. 天津大學(xué).

劉文君，2009. 紫外線(xiàn)消毒原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J]. 中國(guó)建設(shè)信息(水工業(yè)市場(chǎng))，(4)：18.

Analysis on the Disinfection Method of Drinking Water

GAI Wenhong, SUN Huixia
(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195)

Water is the source of lives, which quality security plays an important role in social development. The water treatment is a very important process, of which the disinfection is a key procedure. This paper emphatically introduces some frequently-used disinfection methods of drinking water: chlorine disinfection method, ozone disinfection method, chlorine dioxide disinfection method, chloramine disinfection method and ultraviolet disinfection method; explains the mechanism of various disinfection methods and their work environment requirements; analyzes the effect of sterilization and disinfection cost; discusses the left by-products and their impacts to the human body. Meanwhile, some impossible disinfection methods of drinking water are put forward:potassium permanganate disinfection, TiO2photocatalytic disinfection, membrane disinfection, electrochemical oxidation disinfection, biological activated carbon disinfection, and some combination disinfection methods, such as potassium permanganate and chlorine disinfection, ultraviolet ray and chlorine disinfection etc.

Drinking water; Disinfection method; Water treatment

A

1007-1903（2017）04-0040-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.007

蓋文紅 （1970- ），女，本科，工程師，主要從事地下水測(cè)試研究。E-mail：mengjie702@sohu.com