浅谈给水处理消毒技术
0 概述
在城市供水系统中,消毒是最基本的水处理工艺,它是保证用户安全用水必不可少的措施之一。但自20世纪70年代发现氯消毒产生/三致物质以后,人们开始重新审视消毒问题,并进行了大量的研究工作。由于氯消毒产生/三致物质,并且不能有效杀灭隐孢子虫及其孢囊,因此消毒技术不断被研究开发出来,如二氧化氯、臭氧、光催化消毒、紫外线及相关复合技术等[1]。尤其随着生物化学和基因工程等前沿科技的迅速发展,传统的生物消毒方法也正在取得突破,在水处理消毒领域的应用前景十分广阔。
1 水处理消毒常用技术
1.1 氯消毒技术
氯消毒主要是通过次氯酸的氧化作用来杀灭细菌,次氯酸是很小的中性分子,能扩散到带负电的细茵表面,通过细茵的细胞壁穿透到细菌内部,并起氧化作用,破坏细菌的酶系统而使细菌死亡,但是对于水中的病毒、寄生虫卵的杀灭效果较差,需要在较高值(消毒剂浓度乘以接触时间)才能达到理想的除菌效果。
由于氯消毒的操作使用简单,便于控制,消毒持续性好,余氯的测定也很容易,并且氯消毒的价格不高,所以很快在饮用水行业推广应用。目前为止,在公共给水系统中,氯消毒成为最为经济有效和应用最广泛的消毒工艺。然而,氯在水中的作用是相当复杂的,它不仅可以起氧化反应,还可与水中天然存在的有机物起取代或加成反应而得到各种卤代物。研究发现氯在进行饮用水预氧化和消毒时与水中某些有机物如腐殖酸、富里酸等发生氧化反应,同时发生亲电取代反应,产生易挥发的和不易挥发的氯化有机物如三卤甲烷()等,这些卤代有机化合物有许多是致癌物或诱变剂;而常规处理工艺对预氯化产生的副产物不能有效去除,有预氯化的常规处理工艺出水中卤代物增多,出水的致突变活性较处理前约增加50%-60%。而现代工农业的迅猛发展不仅使人工合成的化学物质越来越多,也使通过各种途径进入水源水体的有机物质(包括人工合成的和自然界存在的)越来越多,相当多的水源水体呈微污染状况,对人体的健康产生严重的危害。
随着人们对饮用水水质要求的不断提高,对氯气和氯的衍生物消毒的副作用及其危害程度也越来越重视,如何控制饮用水中消毒副产物已经成为供水业面临的挑战之一。积极寻找替代氯的更安全更优越的消毒方法和消毒剂,已成为给水处理工作者的首要任务之一。经过深入的研究,臭氧、二氧化氯和氯胺已被美国列为可替代氯的消毒剂。
1.2 臭氧
臭氧的消毒机理包括直接氧化和产生自由基的间接氧化,与氯和二氧化氯一样,通过氧化破坏微生物的结构,达到消毒的目的。其优点是杀菌效果好,用量少,作用快,能同时控制水中铁、锰、色、味、嗅。可将氰化物、酚等有毒有害物质氧化为无害物质;可氧化嗅味和致色物质,从而减少嗅味,降低色度;可氧化溶解性铁、锰,形成不溶性沉淀,通过过滤去除;可将生物难分解的大分子有机物氧化分解为易于生物降解的小分子有机物[2]。但研究表明,臭氧与有机物反应生成不饱和醛类、环氧化合物等有毒物质,在含有少量溴化物的时候,臭氧处理就会产生致癌性的副产物。主要的副产物有有机性副产物的三溴甲烷、乙腈氰甲烷、1-1二溴酮、溴乙酸等,无机性副产物的溴酸盐、次溴酸、次溴离子等。在臭氧处理后再加氯或氯胺处理会分别生成三氯硝基甲烷和氯化氰, 成为新的消毒副产物,其毒性现尚不清楚。对某些农药,臭氧氧化后的产物可能更有害。这些副产物中最需要注意的是溴酸盐,其最大容许浓度极低,美国标准为0.01mg/L。
总的来说,虽然应用臭氧消毒也会有副产物生成,但一般情况下浓度不高,毒性也不如氯大。根据目前的研究,无论在副产物的生成量和毒性方面,还是在出水的致突变活性方面,臭氧都比液氯理想。1987年,在美国大型水厂中只有三个供水厂用臭氧,到1998年,已经有5.6%的水司使用了臭氧。由于经济的原因,我国在臭氧应用上还比较少。臭氧消毒所要解决的主要问题是生产设备(火花放电法)庞大,流程复杂,需要较高的运行管理水平,制取臭氧的产率低(1%一2%),电能消耗大,基建设备投资也较大,成本很高。此外,臭氧是一种不太稳定的气体,在水中容易分解。同时臭氧容易分解,在室温下,水中臭氧的半衰期约为30,单独采用臭氧消毒难以保证持续的杀菌效果,因此在使用中受到一定限制。
1.3 二氧化氯
二氧化氯的消毒机理主要是氧化作用,能较好杀灭细菌、病毒,且不对动植物产生损伤,杀菌作用持续时间长,受影响小,可除臭、去色。二氧化氯是一种强氧化剂,对细菌的细胞壁有较好的吸附和穿透性能,可以有效地氧化细胞酶系统,快速地控制细胞酶蛋白的合成,因此在同样条件下,对大多数细菌表现出比氯更高的去除效率,是一种较理想的消毒剂,它兼有氯和臭氧消毒的许多优点。其缺点是产生亚氯酸根离子,二氧化氯本身也有害,且不能贮存,需现场制备。二氧化氯的氧化能力要比氯和过氧化氢强,而比臭氧弱。二氧化氯具有广谱杀菌性,它对一般的细菌杀灭作用强于或不差于氯,对很多病毒的杀灭作用强于氯,且其消毒效果基本不受的影响。二氧化氯可以与多种无机离子和有机物发生作用。因此,二氧化氯在消毒的同时,还可以去除水中的多种有害物质。
二氧化氯可以将水中溶解的还原态铁、锰氧化,对去除铁和锰很有效,同时对于硫化物、氰化物和亚硝酸盐也有一定的氧化去除效果。
除高效杀灭微生物和氧化无机物之外,人们更看中二氧化氯消毒的另一显著优点,即它的高选择性。二氧化氯几乎不与水中的有机物作用而生成有害的卤代有机物,有机副产物主要包括低分子量的乙醛和羧酸(含量大大低于臭氧的值)等。而二氧化氯消毒的成本虽高于氯但却低于臭氧。这些优点使得二氧化氯成为最值得考虑的消毒剂之一。在欧洲和北美的许多城市,二氧化氯已广泛用于饮用水和废水的消毒处理。
与所有消毒剂一样,二氧化氯在净水过程中也会产生副产物。它的副产物包括两部分:一部分是被其氧化而生成的有机副产物;另一部分是本身被还原以及其它原因而生成的无机副产物。与氯相比,二氧化氯净化的有机副产物较少且毒性较轻;二氧化氯主要的消毒副产物为亚氯酸盐和氯酸盐,它们对人体健康有潜在的危害,世界卫生组织对亚氯酸盐在水溶液中的质量浓度建议控制在200L/以下,而对氯酸盐的毒性还在进一步的研究之中。
1.4 氯胺
氯胺消毒是氯衍生物的消毒方法之一,由于氯胺消毒作用缓慢,它不能作为基本杀菌消毒剂,曾一度停用。但由于氯胺能避免或减缓氯与水中有机污染物质的某些化学反应,从而使消毒后水中氯化副产物的生成量显著降低,氯胺消毒被广泛认为是控制消毒副产物形成的有效手段。根据资料,出厂水采用氯胺消毒,卤乙酸的产生量减少90%,三卤甲烷的产生量减少70%。投加氯胺已为越来越多的水司所认同,有更多的水厂又重新采用了氯胺消毒法。
氯胺在控制管网中细菌的再次繁殖和生物膜也比氯更为有效。然而氯胺消毒对水中的贾第虫和隐孢子囊的去除效果却不能够令人满意。一般认为,对于严重污染且有机卤化物含量较高的源水,或水厂的供水管网较长,水流在管中停留时间大于12时,比较适合采用氯胺消毒。
1.5 紫外线消毒
紫外技术是20世纪90年代兴起的一种快速、经济的高效消毒技术。它是利用特殊设计的高效率、高强度和长寿命的波段(110~280)紫外光发生装置产生紫外辐射,用以杀灭水中的各种细菌、病毒、寄生虫、藻类等。其机理是一定剂量的紫外辐射可以破坏生物细胞的结构,通过破坏生物的遗传物质而杀灭水生生物,从而达到净化水质的目的。
紫外线消毒是一种物理方法,它不向水中增加任何物质,没有副作用,不会产生消毒副产物。但缺乏持续灭菌能力,所以它一般要与其它消毒方法联合使用。
然而,对细菌灭活需要的紫外线剂量以紫外线的强度乘以辐照时间计算,它必须保证不能进行自我复制或者突变后代不能进行自我复制。一般细菌的体积越大或者和数目越多,对其灭活所需的紫外线剂量就越大。而病毒本身对紫外线的抵抗能力很弱,但是通过宿主的保护作用增强了病毒耐紫外线性。因此,紫外线消毒处理水必须经过良好的预处理,而且消毒需要紫外线辐照剂量难以明确。另外,跟臭氧一样,紫外线消毒也不能保持持续的杀菌效果。
2 水处理消毒新技术简介
随着科学技术的发展,各学科之间的交叉渗透越来越普遍,在水处理领域也产生了一些新的消毒技术,主要有:光催化消毒、生物消毒、电场消毒、超声波消毒等。这些技术也是优缺点并存,需要科研人员继续进行深入的研究。
3 结语
给水处理的消毒技术与人民生活息息相关,深入研究水消毒的新技术和应用特点,推行安全、合理、环保、经济、有效的水消毒技术[3],达到保障人民身体健康的目的显得十分必要。给水处理的消毒技术应该从传统、单一的消毒工艺向组合式消毒工艺发展,各种工艺取长补短,多屏障保证人们健康和生存环境。
参考文献
1 完颜华,水春雨.复合消毒剂对城市污水的消毒、脱色效能[],兰州铁道学院学报.2003,22(3):28-30,41.
2 阎志刚,曹仲宏.饮用水处理中的臭氧氧化及其相关氧化工艺.科技情报开发与经济.2004,14(1):157-159.
3 许葆玖.给水处理理论.北京:中国建筑工业出版社,2000.
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