饮用水消毒技术的研究进展

刘拥鑫, 胡晨燕, 谷　建, 陈涵格

(上海电力学院 环境与化学工程学院, 上海　200090)



饮用水消毒技术的研究进展

刘拥鑫, 胡晨燕, 谷建, 陈涵格

(上海电力学院 环境与化学工程学院, 上海200090)

阐述了国内外饮用水消毒技术的研究现状,并且对国内外几种常用的饮用水消毒技术进行了介绍,最后对消毒技术的发展方向进行了展望,以期为饮用水消毒技术的研究提供参考.

饮用水; 消毒技术; 进展

水是自然界不可缺少的重要基础物质.饮用水的安全关系到人体健康、社会稳定和经济发展.随着人口的增长,人类对于水资源的需求不断增长,饮用水消毒技术已经成为人们日益关注的研究课题.饮用水消毒技术消除了疾病的威胁,对人类的健康作出了重要贡献.本文主要介绍国内外几种常用的饮用水消毒技术,并对消毒技术的发展方向进行了展望,以期为开发新的饮用水消毒技术提供参考.

常规的饮用水消毒技术主要分为物理消毒和化学消毒.物理消毒是指通过热力、光照、微波等物理方法使微生物内的蛋白质发生凝固、光解、变性等,使微生物体内的核酸、酶遭到破坏,从而达到消毒的目的,例如紫外线消毒、活性炭吸附、膜分离等消毒技术.化学消毒是利用化学药剂的强氧化性抑制微生物内酶的活性,使微生物体内的蛋白质凝固变性并被杀死,从而达到消毒的目的,例如氯化消毒、氯胺消毒、臭氧消毒、高锰酸钾消毒、二氧化氯消毒等.

1　物理消毒技术

1.1紫外线消毒法

紫外线消毒是利用波长范围为200～300 nm的紫外线[1]来破坏微生物细胞中的脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),DNA和RNA 的分子结构遭到破坏会造成微生物的死亡,微生物不能再生,从而达到杀菌消毒的效果.

郭美婷等人[2]的研究表明,有机物在紫外消毒过程中主要起吸收紫外线的作用,但一些颗粒较大的有机物对微生物有一定的保护作用,因此一般情况下,随着有机物浓度的增加,紫外线的消毒效果会变差.WANG W等人[3]的研究表明,在饮用水消毒过程中,当pH值高于6.0时紫外线辐射可以有效除去水中的的腐殖酸(HA),残留在水中的HA的浓度在1.5～3.0 mg/L,与没有紫外线辐射相比HA的浓度有了明显的降低.MARKKU J等人[4]的研究表明,在饮用水消毒过程中,紫外线最小的消毒剂量为16～40 μJ/cm2,并且微生物种类和数量不同,紫外消毒剂量也会随之变化.

紫外线消毒技术一般采用高强度紫外灯系统,因此紫外线消毒效果会受到紫外灯的功率、类型、照射时间的影响.紫外线消毒杀灭微生物的种类也较广,但由于紫外线的穿透力较弱,因此只能杀灭直接照射到的细菌、真菌等微生物.在实际应用中,紫外线消毒会作为一种辅助的消毒方法与其他消毒技术联合使用以达到更好的消毒效果,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、化学吸附、同离子交流吸附等性能去除水中污染物的水处理方法.活性炭能去除水中产生臭味的物质和有机物,如酚、苯、氯、农药、洗涤剂、三卤甲烷等.此外,对银、镉、铬酸根、氰、锑、砷、铋、锡、汞、铅、镍等离子也有一定的吸附能力.在给水处理厂中,活性炭吸附法又起到完善水质的作用.

张智渊等人[5]以黄浦江饮用水为原水,对深度处理饮用水的活性炭进行吸附效果研究,通过动态吸附实验、Freundlich吸附等温线的测定,对5种活性炭的吸附性能进行了比较,创新性地对活性炭进行了内在结构性能研究,得到了适合于黄浦江饮用水深度处理的活性炭.牛翰彬等人[6]以大同地区两个代表性矿区煤样为原料,采用压块活性炭制备工艺,得到了性能优良的饮用水深度净化专用活性炭产品,结果表明,由两种原料煤制得的活性炭的最低强度为95.2%和95.6%,最低装填密度为490 g/L和498 g/L,亚甲蓝吸附值最高为240 mg/g,碘吸附值最高达到1 100 mg/g以上,均优于现有普通活性炭.

活性炭消毒技术因其良好的水处理效果而得到了非常广泛的应用,但仍存在一些问题.如对于甲基蓝,碘吸附值的活性炭评价指标已难以满足水深度处理方面对活性炭选择的要求,因此建立新的活性炭评价体系很有必要.

1.3膜分离消毒法

膜分离消毒法是指利用天然或人工合成膜的选择性分离功能对不同组分的溶质和溶剂进行分离的方法.根据膜孔径的不同,可以将膜分离法分为微滤(MF)、纳滤(NF)、超滤(UF)、反渗透(RO),还有其他膜分离消毒法如渗析(D)、电渗析(ED)、渗透蒸发(PV)、液膜(LM)等.

AHAMD A L等人[7]对纳滤膜去除水溶液中的农药乐果和阿特拉津进行了研究,分别测试了NF90,NF200,NF270,DK 4种纳滤膜的性能,实验结果显示,纳滤膜NF90对两种农药的分离截留性能最好,对农药乐果的截留率约为85%,而对农药阿特拉津的截留率则大于95%.

作为一种饮用水消毒技术,膜分离消毒法具有分离效果好、运行成本低、产品质量高、操作简便等特点,在实际应用中,原水水质、经济条件、出水要求是需要考虑的因素.另外,膜分离技术与其他饮用水消毒技术联合应用会取得更好的效果[8].

2　化学消毒技术

2.1自由氯消毒法

自由氯消毒法已有很多年的历史,氯气也是最早被用于饮用水消毒的化学消毒剂,目前,国内大多数自来水厂采用的都是自由氯消毒法.自由氯消毒法杀菌的关键物质是自由氯溶于水后产生的次氯酸(HClO).次氯酸是一种强氧化剂,它能够穿过细胞壁,损坏细胞膜,杀灭细菌以达到消毒的目的.

由于自由氯消毒法应用广泛,对自由氯消毒的消毒副产物(DBPs)的研究也较多,已有许多研究表明,自由氯消毒会产生三卤甲烷和卤乙酸等物质,而这些物质都具有潜在的致癌性[9].也有研究发现,在氯消毒产生的DBPs中,三卤甲烷(THMs)约占总量的20%,卤乙酸(HAAs)约为10%,卤乙腈(HANs)约为2%[10].

人们对氯化消毒所导致的DBPs对人体健康造成的危害给予了越来越多的关注,而关于氯消毒的取代技术也是研究的热点之一.不过其他消毒方式虽然有一定的优点,但同时也具有一些不及氯消毒的缺点,且在工程技术应用上不够成熟.因此,在可以预见的很长一段时期内,自由氯消毒仍是给水厂不可替代的主流消毒方式.

2.2氯胺消毒法

氯胺是自由氯与水中氨离子发生反应生成的消毒中间产物,依据氯取代氢的多少来区分,主要包含一氯胺、二氯胺和三氯胺等,其中具有消毒杀菌作用的只有一氯胺和二氯胺.氯胺消毒法的作用机理和自由氯消毒法相近,一氯胺和二氯胺穿过细胞壁,破坏细胞膜,并损坏细菌中的核酸,从而达到消毒杀菌的目的.

CARISON M等人[11]的研究表明,氯胺消毒法可以有效减少非挥发性消毒副产物(如HAAs)和挥发性消毒副产物三卤甲烷(THMs)的产生.NORTON C D等人[12]研究了氯胺消毒法对管网水质的影响,结果显示,与自由氯消毒法相比,在管网中氯胺消毒产生的消毒副产物明显减少.

氯胺的消毒效果与自由氯相比要差,氧化能力也稍弱,所以氯胺被看作是二级消毒剂.但与自由氯消毒相比,氯胺消毒法的稳定性较好.因此,目前国内许多水厂已采用氯胺消毒来替代自由氯消毒.

2.3二氧化氯消毒法

ClO2是一种强氧化剂和高效杀菌剂,它可以杀灭一切微生物,可以穿过细胞壁,氧化细胞内的酶,并抑制细胞内蛋白质的合成,从而杀灭微生物.ClO2作为一种消毒剂在饮用水消毒领域的应用非常广泛,目前北美有数千家自来水厂使用二氧化氯消毒,而在欧洲一些国家二氧化氯消毒的应用更多[13].LOPEZ A等人[14]曾对ClO2与氯化降解饮用水水源中的莠灭净和异丙隆进行了对比,在相同实验条件下,氯化降解莠灭净的速度大于ClO2降解的速度,而降解异丙隆时则相反,ClO2更快.

ClO2消毒的适用范围较宽,并能明显改善水体的色度和口感.ClO2氧化消毒能力受温度和氨的影响较小,并且能在较广的pH值范围内保持很高的杀菌效率,是一种安全高效的饮用水消毒方法.与自由氯和氯胺消毒相比,ClO2消毒几乎不产生三卤甲烷(THMs)等有机卤代,但会产生较多的非挥发性消毒副产物(如HAAs).

2.4臭氧消毒法

1840年,德国化学家发明了臭氧消毒技术,1956年这一技术被应用于饮用水的消毒.臭氧是一种强氧化剂,臭氧消毒是通过生物化学氧化反应来杀灭水中的细菌等微生物.臭氧是一种广谱、快速、高效的消毒剂,但其性质极不稳定,需现配现用,一般臭氧都是通过臭氧发生器制取而成的.臭氧消毒法在饮用水处理中已被广泛应用.

饮用水中有机物和无机物的臭氧化消毒过程是通过臭氧或OH-自由基或它们的组合来进行的.臭氧氧化途径由臭氧和OH-自由基的浓度比和相应的动力学模型来确定.臭氧与饮用水中有关无机化合物的反应是由氧原子转移而引起的快速反应[15].GARCIA-AC A等人[16]的研究表明,水中有机物的臭氧化取决于化合物的化学结构,高氧化剂浓度×接触时间(CT)的值对于从水中彻底去除有机化合物是非常有效的.BROSÉUS R等人[17]对臭氧消毒法处理水中的药品、内分泌干扰物和农药进行了研究,研究表明,臭氧消毒法能有效地去除水中的微量有机污染物.在CT值约为2 mg min L-1时,水中的咖啡因、药品和内分泌干扰物的臭氧化去除率约为80%以上.

臭氧的杀菌效果较好,能够将细菌彻底杀死,无残留,而且杀菌广谱,但由于臭氧极不稳定,需要现场制备,而臭氧发生器的能耗较高,从而加大了投资费用,使得消毒成本有所增加.

2.5高锰酸钾消毒法

KMnO4是一种强氧化剂,它作为饮用水消毒剂,是由于它的强氧化性能够氧化水中的无机离子和有机物,可以除去水中的色和味,破坏细胞结构,使蛋白酶发生变性,从而达到消毒的目的.此外,KMnO4还原产物水合二氧化锰具有很好的去除水中污染物的能力,用KMnO4消毒不会产生三卤甲烷等消毒副产物[18].

高锰酸钾消毒法能够有效去除饮用水原水中的无机物,游离态的二价铁在pH>5.0时能被高锰酸钾氧化,游离态的二价锰在pH>5.5时也能被高锰酸钾迅速氧化.袁德玉等人[19]的研究表明,投加高锰酸钾能够降低地表水中锰的含量,可以实现在不改变原有工艺的前提下达到对微污染的水源水多种处理的目的,而且还能减少生产工艺中混凝剂的投加量,降低生产成本.孙士权等人[20]采用高锰酸钾及以其为主剂的复合药剂(PPC)对太湖地表水进行了预处理,在投加量为0.20～0.45 mg/L时,对铁、锰的去除率分别达75%和95%.

高锰酸钾消毒具有便于操作以及不产生有毒副产物等优点,但在实际应用中高锰酸钾应与活性炭、氯/氯胺、臭氧等联用,这样能够取得更好的消毒处理效果.

2.6TiO2光催化消毒法

当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,从而产生光生电子(e-)和空穴(h+).此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基.而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,通过直接或间接的方式与细菌细胞结合,对环境微生物起到抑制或杀灭作用,从而达到杀菌消毒的目的.

刘文等人[21]以TiO2为催化剂,对饮用水原水中富里酸进行了光催化氧化的实验研究,发现当富里酸初始浓度为9.42 mg/L,pH值为7.00,TiO2投加量为0.3 g/L时,光照40 min后,富里酸的去除率达到98%,且降解过程遵循一级反应动力学规律.HE Y[22]以TiO2为催化剂对水中腐殖酸进行了光催化氧化研究,探讨了催化剂用量、pH值、初始浓度及光照强度、时间等对腐殖酸去除效果的影响.腐殖酸矿化结果显示,相对分子质量大的芳香族和疏水性的有机物能被有效去除,且体系中溶解性有机碳(DOC)的降解速率随催化剂用量的增加而逐渐增强.ELMOLLA E S等人[23]在TiO2光催化降解阿莫西林、氨苄西林和氯唑西林抗生素水溶液的研究中发现,在催化剂加入量为1 g/L,添加过氧化氢,反应30 min后,阿莫西林、氨苄西林和氯唑西林水溶液中的溶解性有机碳(DOC)能够被有效去除.

3　组合消毒工艺

在实际的饮用水消毒过程中,利用多种消毒方式组合的消毒工艺往往能达到更好的消毒效果.袁志彬等人[24]对臭氧-活性炭组合工艺在给水处理中的应用进行了研究,结果显示,臭氧-活性炭工艺能够有效地去除水中的有机物,对COD的去除效率也非常稳定,去除率一般在40%～50%.

EUNIER L等人[25]采用较低剂量的臭氧与紫外线消毒的联合工艺进行了预处理饮用水的研究,结果表明,当臭氧浓度低于0.5 mg/L时,处理后形成的溴酸盐的含量低于0.4 μg/L.总体而言,臭氧与紫外线消毒的联合工艺可以有效地改善水质,并使溴酸盐最小化.

WANG D等人[26]比较了利用UV/氯和UV/H2O2的方式来控制饮用水的味道和气味,研究发现,在pH值为6.5时UV/氯比UV/H2O2去除原水中的土臭素和MIB更有效;在pH值为7.5和8.5时UV/氯比UV/H2O2更合适.

4　结　语

在诸多饮用水消毒工艺中,各种消毒工艺都有其优缺点,总体而言,化学法消毒技术的杀菌效果较好,但会产生具有潜在致癌性的消毒副产物;而物理消毒技术不会产生消毒副产物,但多数物理消毒技术却没有持续消毒效果.因此,在实际消毒过程中要综合考虑饮用水的水源水质、技术可行性和经济性,选择合适的消毒工艺或组合消毒工艺以达到更好的消毒效果.

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(编辑胡小萍)

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

简介：胡晨燕(1977-),女,博士,副教授,江西赣州人.主要研究方向为饮用水消毒.E-mail:huchenyan@126.com.

国家自然科学基金(41301536).

TU991.2;TU991.25

A

1006-4729(2016)04-0380-05