消毒工艺在水处理中运用的进展

魏宇航，林英姿，b

（吉林建筑大学 a.市政与环境工程学院；b.吉林建筑大学 松辽流域水环境教育部重点实验室，吉林 长春 130118）

近年来，全球出现了严重的环境威胁，改善水质仍然是卫生项目的首要任务。快速的城市化、人口爆炸以及人类活动的加剧给资源造成了巨大的负担，导致水资源恶化和枯竭[1]。即使在卫生标准较高的国家，水传播疾病的发病率仍然很高，要求采用先进技术保障饮用水安全。各种水质参数通常与微生物污染有关，这需要危险的水病原体[2]失活。

水消毒作为一种公共卫生措施可以减少疾病的传播。可采用多种消毒技术来满足水中病原菌的灭活需求。本文主要论述氯消毒、紫外消毒和高级氧化消毒。

1 氯消毒

氯被认为是最便宜和最好的消毒剂之一，用于使微生物失活。在向水中添加氯时，一部分氯首先与存在的无机和天然材料及金属发生反应，无法进行消毒，这称为水的氯需求量，其余氯称为总氯。总氯分为化合氯和游离氯。当与无机物（如硝酸盐等）和有机含氮分子（如尿素等）结合时，组合氯作为弱消毒剂无法进行消毒。游离氯是残留的氯，可用于灭活病原体，它是水的可饮用性的一种度量。因此，组合氯和游离氯的总和即为所需的总氯。例如，当我们使用完全清洁且无任何污染物的水时，氯需求量将为零，而组合氯也将为零，因为水中不存在无机或有机物质。以这种方式，游离氯浓度将等于施加的氯。由于有机物的存在，尤其是在地表水供应中，将有氯需求，而组合氯将由硝酸盐等无机化合物形成。游离氯为总氯需求量和组合氯需求量之和。

对于氯消毒来说，如果消毒剂剂量过大或使用不当，会与有机和无机前体发生反应，并产生消毒副产物(DBPs)，对健康产生不利影响。在使用化学消毒剂时，所使用的化合物和/或其DBPs 的残留物可在处理过的水中发现，可能对人体和水环境产生毒性作用。

现在的水处理中常用的氯消毒方式为游离氯消毒、氯胺消毒和二氧化氯消毒。

游离氯消毒法是现在国内大多数净水厂采用的消毒方式，其具有多年的历史，并且氯气也是最早被人们用于饮用水消毒的消毒剂。游离氯消毒法杀菌的原理是当游离氯溶于水后会产生一种强氧化剂即次氯酸(HClO),它能够穿过细胞壁,破坏细胞膜,杀灭细菌以达到消毒的目的。

游离氯消毒会产生消毒副产物(DBPs)，因为游离氯消毒的广泛性，其消毒副产物的研究也较多,有研究表明,会产生三卤甲烷和卤乙酸等消毒副产物,而这些物质都具有潜在的致癌性[3]。

氯化消毒产生的DBPs 会对人体健康造成的危害，这使得人们对其给予了越来越多的关注,人们开始寻找氯化消毒的替代消毒方法。尽管其他消毒方式有其独特优点,但其相对于氯消毒仍有不足,且在工程技术应用上不够成熟。因此,可以预见在未来很长的一段时期内,水厂的主流消毒方式仍是游离氯消毒。

氯胺是水中游离氯与氨离子反应生成的消毒中间产物。根据氯取代氢的数量进行区分。主要包括一氯胺、二氯胺和三氯胺，其中只有一氯胺和二氯胺具有消毒灭菌作用。氯胺消毒法的作用机理与游离氯消毒法相似。一氯胺和二氯胺通过细胞壁，破坏细胞膜，破坏细菌中的核酸，达到消毒灭菌的目的。

Carison M 等[5]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[6]研究了氯胺消毒对管网水质的影响,结果显示,与游离氯消毒法相比,氯胺消毒在管网中产生的消毒副产物明显减少。

氯胺的消毒效果比游离氯差，游离氯的氧化能力也稍弱，因此氯胺被视为二级消毒剂。但与游离氯消毒相比，氯胺消毒具有更好的稳定性。因此，国内许多水厂都采用氯胺消毒代替游离氯消毒。

C1O2是一种强氧化剂和高效杀菌剂,它能杀灭所有微生物,穿过细胞壁，氧化细胞内的酶，抑制细胞内蛋白质的合成，从而杀灭微生物，作为消毒剂，C1O2广泛应用于饮用水消毒领域。目前，北美有数千家水厂使用二氧化氯消毒，而一些欧洲国家也使用二氧化氯消毒[7]。Lopez A 等[8]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C1O2,而降解异丙隆时则相反,C1O2更快。

二氧化氯消毒应用范围广，能显著改善水的色度和口感。二氧化氯氧化消毒能力受温度和氨影响较小，在较宽的pH 值范围内保持较高的消毒效率。是一种安全有效的饮用水消毒方法。与游离氯和氯胺消毒相比，二氧化氯消毒几乎不会产生三卤甲烷（THMs）等卤化消毒副产物，但会产生更多的非挥发性消毒副产物（如HAAs）。

2 紫外消毒

紫外线（UV）辐射可以有效地灭活水中的各种微生物[9]，并越来越多地用于水消毒。与传统的化学消毒（如氯化或臭氧消毒）相比，紫外线辐射具有许多优势，例如不添加化学物质、不形成有害的消毒副产物（DBPs）以及不引入对细菌的消毒剂抗性[10]。但紫外线消毒没有持续的消毒能力,只适用于初级消毒[11]。目前，世界上有7 000 多个市政紫外线消毒装置[12]，小型家用紫外线消毒系统也可用[13]。据估计，2020年，紫外线消毒设备的全球市场达到28 亿美元[14]。

其原理是，当紫外线波长范围为200～300 nm时，紫外线辐射会破坏微生物细胞中的脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的分子结构，造成生长性细胞死亡和再生性细胞死亡，达到杀菌消毒的效果。

现有研究表明[15],在紫外消毒过程中起吸收紫外线的作用的主要物质是有机物，但一些大颗粒有机物会对微生物产生保护效果,因此当有机物浓度的增加时,紫外线的消毒效果会随着有机物浓度的增高而变差。Wang W 等[16]的研究表明，在pH 值高于6.0 的饮用水中消毒，水中的腐殖酸（HA）可以被紫外辐射高效的去除。

紫外线消毒效果受紫外线灯的功率、类型和照射时间的影响。因此，紫外线消毒技术一般采用高强度紫外线灯系统，紫外线消毒杀死的微生物种类繁多。但是，由于紫外线穿透力弱，只能直接杀死细菌、真菌等微生物。在实际应用中，一般采用紫外线消毒作为辅助消毒方法，结合其他消毒技术，达到更好的消毒效果，例如UV+H2O2，UV-TiO2，UV+H2O2+O3等。

3 高级氧化消毒

高级氧化工艺是一种高效的水处理技术，可以降解微污染物和灭活病原体[17-18]，如芬顿/类芬顿反应、光催化、电化学高级氧化工艺、臭氧化和基于过硫酸盐的高级氧化工艺等。高级氧化工艺的概念最早由Glaze 等[19]在1987年通过生成羟基自由基提出。在高级氧化工艺中，超氧化物可原位生成高活性氧，然后高活性氧在水中启动氧化反应，破坏病原微生物的膜、蛋白质、脂类、酶、DNA 和RNA[20-21]。

失活的主要机理，是由于高活性氧具有高度的氧化能力，它对细胞膜(包括细胞壁和细胞膜)产生了影响，导致细胞膜的通透性遭到了破坏，导致大量细胞内物质的产生泄漏。并在细胞结构分解后进入细胞，破坏细胞内物质，导致病原体失活。根据活性氧的特性和氧化能力不同，其失活途径也不同。

考虑到能源效率和成本，太阳能光催化是最经济可行的选择，芬顿是第二选择。臭氧消毒能耗低，也是目前广泛应用的高级氧化工艺消毒技术。然而，能量利用效率低和消毒副产物的产生是臭氧灭菌中仍需解决的问题。

4 结 论

在现有的各种消毒工艺中,每种工艺都有其优缺点,但总体来看,氯消毒具有良好的消毒效果，但会导致潜在致癌副产品的产生；紫外消毒不会产生消毒副产物,但不具备持续消毒能力；高级氧化消毒成本偏高，实际运用需要考虑。因此,在水处理中应考虑处理水的水质、技术可行性和可持续性，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。