回用水中病毒灭活方法简介

陈真真

介绍

水（分子式为H2O）是各类生物的生命中不可缺少的最基本物质，是人类生存的必需品，是工农业生产和城市发展的极重要资源。人类习惯于把水当作取之不尽、用之不竭的廉价的自然资源，然而近几十年来，伴随着人口的持续增长和经济的快速发展，我国很多地区相继出现水资源短缺这一现象[1]。全国已经有80%的城市处于缺水状态，缺水总量达1200亿m3/a，尤其在北方地区格外严重[2]。而水污染更是加剧了水资源的紧张状况，并对人类的生命健康形成严重威胁。开源节流是解决这一问题的主要途径，但地球上的水资源是十分有限的，在这种情况下，回用水作为新型非传统水源逐渐走进人们的视野。

回用水是指城市污水或工业废水经过二级处理或深度处理后供给回用的水。回用水量大，易收集，成本低。据统计，如果使用回用水作为城市日常供水，可以节省总供水量的一半以上[3]。

目前，新型冠状病毒肺炎(简称新冠肺炎，COVID原19)仍在全球很多国家肆虐，新冠肺炎疫情是近百年来全世界暴发的最为严重的流行传染病，是我国遭遇过得传播速度最快、感染范围最广、防控难度最大的重大型突发性的公共卫生事件。新冠病毒主要通过呼吸道飞沫或密切接触传播，也有可能通过分布在环境中的新冠病毒传播，而这一途径很有可能来自回用水在各大场景中的使用。

城市污水回用水大多用于喷灌农田、公园草坪、体育场以及娱乐景观用水（比如游泳、冲浪）等与人体暴露量大、接触频繁的场所，其中的病毒等病原微生物对人体健康存在一定的潜在危害，水果蔬菜以及衣服表面都会成为疾病传播途径[4]，因此，对回用水进行有效的消毒处理十分必要。

消毒方法

1.液氯消毒法

氯气是一种强氧化性物质，在常温常压下为黄绿色气体，分子式为Cl2，比空气重2.5倍，具有强烈的刺激性和臭味，有剧毒。当加压至6耀7个大气压时可以被液化，体积能够缩小457倍，可灌入钢瓶中储存，故又称之为液氯。液氯密度是水的1.5倍，易溶解于水（在常温常压下，溶解度为7160mg/L）。氯气消毒中起消毒作用的是氯气与水反应生成的次氯酸，氯气产生次氯酸的反应式如下：

氯气通过其水解的次氯酸起消毒作用。次氯酸是很小的中性分子，所以它才能不受任何排斥地扩散到带负电的病毒分子表面，并轻易进入到细胞内部。当次氯酸分子到达病毒内部时，能够起氧化作用，破坏病毒内的蛋白质或核酸物质，破坏病毒的结构或基因，导致其无法入侵生命体进行繁殖，从而达到杀灭病毒的效果。此外，次氯酸化学性质极其不稳定，易分解，分解容易释放出新生态氧（[O]，O3、H2O2分解均可得到），新生态氧具有强氧化性，可以使病毒上的蛋白质等物质变性，从而使病毒失活。

液氯消毒应用时间长、技术成熟、价格低廉且便于操作，我国大多数回用水仍然采用液氯进行消毒处理。氯气消毒有非常明显的优点：处理水量大时，单位水体积费用低；消毒后能保持一定量的余氯，具有持续消毒能力。但氯气消毒的缺点也不可忽略：氯气与水中有机物反应产生消毒副产物，这些副产物可能致癌致畸致突变，严重危害人体健康；氯气消毒使用较多后会培养出某些微生物对氯气的抗性，这些微生物可能会引起大规模传染病；氯气毒性强、易腐蚀，一旦泄露，将会导致重大的安全事故和财产损失[5]。

液氯消毒的有效性被多次证实。Dryden等对污水处理厂中氯消毒去除病毒效果的实验表明，当污水中余氯浓度为5~10mg/L时，病毒的去除率可达4对数(4-log，99.99%）。Olivieri等对氯消毒试验研究表明，当液氯浓度（c）和接触时间（t）的乘积为55mg/L·min时，病毒去除率可达6对数（6-log，99.9999%）[6]。

2.二氧化氯消毒法

二氧化氯比氯气的氧化性更强，常温常压下为黄绿色气体，具有强烈刺激性气味，分子式为ClO2，ClO2气体在外观和味道上和氯气极为相似，极易溶于水，且不和水发生反应，溶解度是氯气的5耀8倍。常温几乎不发生水解，遇热水解时，会分解为次氯酸、氯气和氧气，同样具有强氧化性，具有消毒作用。

二氧化氯的主要作用机理是氧化作用，因其特殊的分子结构（外层19个电子），具有非常强的掠夺电子的能力，能对富有电子的原子基团进行攻击，使之失活或改性。另外，二氧化氯分子是中性分子，很容易在水溶液中扩散，能够轻易进入病毒内发挥作用。二氧化氯对于一般细胞的灭活机制可能有4种，分别是氧化DNA或RNA、中断蛋白质合成、氧化蛋白质和氨基酸以及氧化细胞膜导致细胞物质泄露。对于病毒可能只有氧化DNA、RNA或蛋白质这几种机制。

二氧化氯跟氯气相比更有优势，主要体现在：二氧化氯（1.51V）的氧化还原电位高于氯（1.36V），氧化还原电位越高，反应速度更快；二氧化氯有效氯浓度是氯气的2.6倍，用量比氯气少就能达到比氯气更好的灭活效果；二氧化氯溶解度高，且不与水中有机物发生反应，不产生有毒三致副产物；二氧化氯适用的酸碱度范围更广。但是二氧化氯易挥发、易爆炸，空气中浓度大于10%或水中浓度大于30%都会发生爆炸，所以不方便贮存，只能现场制备。二氧化氯消毒成本也比氯气消毒高出一倍之多[7]。

任哲[8]等用40mg/L二氧化氯灭活鼠肝炎冠状病毒(MHV)，1min即可达到4.83-造og的去除率，MHV被完全灭活。李学敏[9]等用浓度为100mg/L的二氧化氯对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌灭活，分别作用7.5 min，杀灭对数值均跃5.00；对白色念珠菌作用7.5 min，杀灭对数值跃4.00。

猿援臭氧消毒法

臭氧（O3）是分子氧（O2）离解成为原子氧（O）时产生的一种不稳定气体，常温常压下，可自行分解为氧气。臭氧密度是空气的1.6倍，常温常压下呈现出淡蓝色，具有特殊的臭味，少量吸入对人体有益，过量吸入对人体有害。臭氧作为一种常见的强氧化剂，其氧化能力是氯气的2倍，杀菌能力更是达到氯气的数百倍。臭氧消毒目前在欧洲发达国家应用较多，国内水厂应用较少。臭氧的生成反应式如下所示：

臭氧对微生物的灭活作用，是因为其具有强氧化性和生物膜扩散能力。其作用机制可能有2点，分别是：①直接与微生物细胞、病毒体作用，破坏真核细胞细胞壁、DNA或RNA，使细胞的遗传物质、新陈代谢受到破坏，导致死亡；②渗透进入细胞膜内，作用于外膜的脂蛋白或内部的脂多糖，使细胞发生透性畸变，直至溶解死亡。

臭氧消毒具有以下优点：现场制备，减少了运输贮存环节；氧化作用强，渗透速度快，消毒效果强于氯和氯胺等消毒剂；消毒产物只有氧气和水等无害化物质；对抗性很强的微生物也有很强的灭活效果。臭氧消毒具有以下缺点：当水中存在一定浓度溴离子时，臭氧氧化过程中可能会生成对人体有害的溴酸盐；臭氧衰减速度很快，室温下30min就可能衰减完全，因此不具有持续消毒能力[10]。

彭红[11]等测试了臭氧对大肠杆菌的灭活效果，在1m3的臭氧发生器密闭箱中气体臭氧浓度达到80.86mg/m3，作用90min后，载体上大肠杆菌灭火率达到96.90%。水中臭氧浓度为3.0mg/100ml，作用5 min后，对水中大肠杆菌平均灭活率达到99.92%。水中臭氧浓度为20.64 mg/L，作用30 min后，对载体上大肠杆菌平均灭活率达到99.91%。

源援紫外消毒法

紫外线（UV）是电磁波谱中波长为10耀400nm辐射的总称，其中200耀300nm之间的紫外线有灭菌作用。饮用水消毒使用250耀265nm最佳波长的紫外线，波长253.7nm的紫外线杀菌作用最强。紫外线消毒是当今世界上最有效、最经济、最先进的水体消毒方法，在欧美等发达国家己广泛应用，当前在我国也越来越受重视。

紫外线消毒的原理是利用波长范围在250耀265nm的紫外线，直接破坏微生物细胞或病毒体中的DNA或RNA的分子结构，导致核酸键和链的断裂，形成光化产物，阻断DNA和RNA的复制过程，进而造成细胞死亡，从而达到杀菌消毒的效果。另一种可能的机理是水以及水中的溶解氧在紫外线的照射下，能够生成O2-（超氧负离子）、O2*（激发基态氧分子）、H2O2（过氧化氢）和·OH（羟基自由基）等氧化性极强的激发态物质，这些物质对水中病毒等病原体有毁灭性的破坏作用。

紫外消毒具有以下优点：没有消毒副产物生成，对处理水的后续应用没有影响；消毒效果不受水温（T）、酸碱度（pH）等水体内部以及附近环境条件影响；紫外消毒工艺依靠的是紫外光的照射，消毒系统一般采用成套的集成装置，不直接介入水体，出水水质不受影响；消毒系统自动化程度高，操作容易且管理简单。紫外线消毒也存在以下明显的缺点：受浊度的影响大，原水浊度比较高时，紫外线穿不透水面，严重影响紫外光的杀菌效果；不能提供剩余消毒能力，消毒后的水经输水管道水容易再次被污染；存在光复活的现象，某些被紫外线杀伤的微生物在脱离紫外线的照射范围后会修复损伤的DNA分子，使细胞复活[12]。

紫外线消毒效果极好，夏冠英炫等研究了LED紫外线灯杀菌效果，结果显示，用LED紫外线灯在垂直2耀5 cm处照射5 min，对金黄色葡萄球菌灭菌率达到100%。在垂直2耀4cm处照射15min以上，对大肠杆菌的灭菌率达到100%[13]。

结束语

在不同类型的物体表面，病毒均可有效存活，且保持感染性的时间为2h耀9d。高温如30益或40益可减少高致病性病毒的存活时间，低温如在4益的环境中，病毒存活时间可延长至28 d以上。回用水是目前我国解决水资源短缺的一个有效的途径，未来回用水应用会越来越广泛，人类暴露在使用回用水的公共场所的机会越来越多。因此，确保回用水中各种病原体含量低于国家标准，不对人体产生伤害是水处理中必须要做到的。通过对以上几种消毒方法的简要介绍，我们可以清晰地看到，消毒效果相对较好的臭氧和紫外线消毒，成本较高且不具备持续消毒能力，而具备持续消毒能力的液氯产生较多“三致”物质。相对来说，二氧化氯消毒可能更具优势，消毒效果好且具有持续消毒能力，但二氧化氯不易贮存，只能现场制备，增加了操作的复杂性。近些年来，对于紫外垣液氯、臭氧垣二氧化氯等联合消毒处理工艺的研究越来越多，应用在回用水消毒中的工艺也会越来越多。未来，我们将不会再为回用水中有无病原体而担心。