1、 城市给排水 给 水 处 理 消 毒 技 术 发 展 展 望刘文君(清华大学环境科学与工程系,北京 100084)摘要 消毒技术是给水处理工艺中的重要组成部分,而氯消毒是国内外最主要的消毒技术,但由于氯消毒产生有/三致0作用的消毒副产物等原因,消毒技术的优化和发展成为十分紧迫的问题。目前优化消毒主要包括优化常规的氯消毒和采用其他方式的消毒技术。详细介绍了国内外消毒技术的发展历程,比较了氯、二氧化氯、臭氧和紫外线消毒各自的优缺点,并指出了给水处理消毒技术的发展方向。关键词 消毒 氯 二氧化氯 臭氧 紫外线Forecast on advanced water disinfectionLiu Wen
2、-jun(Department of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:As an important measure in water purification,chlorination,which had hitherto beenroutine of water disinfection is being to be doubted due to the disinfection by-products which havepotential ca
3、rcinogenic effects.T here are two ways to solve this urgent problem,to improve thechlorination and to create new measures for water disinfection.In this paper the advances in this fieldhome and abroad are presented,especially the chlorine,chlorine dioxide,ozone and ultraviolet processesare compared
4、and the prospects are indicated.Keywords:Disinfection;Chlorine;Chlorine Dioxide;Ozone;Ultraviolet 消毒是给水处理工艺中的重要组成部分。19世纪中叶,人类历史第一次将水质与人体健康直接联系起来,正是认识到严重危害生命的霍乱、伤寒、痢疾等传染病是微生物通过饮用水传播的 1。20世纪初发现氯可以灭活水传致病微生物后,氯消毒在给水处理中得到广泛应用,成为本世纪保护人体健康的重要技术进步之一。但自 20 世纪 70 年代发现氯消毒产生有/三致0作用的消毒副产物以后,对氯消毒技术的优化和再评价成为一个热点。另
5、外一个方面,从 20世纪 70 年代起,饮用水中不断发现新的病原微生物,如微小似病毒、贾第虫、军团菌和隐孢子虫等。饮用水中越来越多的致病微生物种类对饮用者健康构成直接威胁,而且部分新型致病微生物如隐孢子虫等不能被氯杀死。第三个方面是给水管网的生物稳定性问题对常规氯消毒技术的挑战,越来越多的研究证实如果出厂水含有足够多的生物可降解的有机物时,即使维持足够多的余氯,细菌仍然会在给水管网内再繁殖2。这些问题对饮用水的安全性构成了严重威胁,因此消毒技术的优化和发展成为十分紧迫的问题。目前优化消毒主要包括优化常规的氯消毒和采用其他方式的消毒技术。1 氯消毒技术的优化氯消毒是国内外最主要的消毒技术。美国自
6、来水厂中约有 9415%采用氯消毒3,据估计我国9915%以上自来水厂采用氯消毒。因此氯消毒优化将是给水处理行业近期面临的主要任务。按规定,集中式供水处理都必须采用消毒处理。中国和美国对集中式供水的定义分别是:中国为由水源集中取水,经过统一净化处理和消毒后,由输水管网送到用户的供水方式 4;美国为水处理系统每年运行 602 给水排水 Vol130 No 11 2004天,服务 25 人以上或有 15 个水龙头以上的供水系统5。传统的给水处理观念中,认为饮用水采用氯消毒就可以控制致病菌传播,即使较大城市的长距离给水管网,只要维持管网末梢一定的余氯就可以保证饮用水的安全(我国规定为 0105 mg
7、/L)。但近十几年随着科学发展和分析技术的进步,发现即使保持一定余氯,在给水管道中仍可检出几十种细菌,除少数铁细菌和硫细菌外,主要是以有机物为营养基质的异养菌6。管网水中细菌和大肠杆菌检出数比出厂水增加的事例也时有报道7。国外的学者认为出厂水中存在的有机物是细菌在管网中生长的必要条件,氯消毒后未杀死细菌的自我修复生长和外源细菌进入管道是管网中细菌生长的内在原因,而管壁本身的特点如表面粗糙、边界层效应、悬浮和胶体物的沉积又给细菌提供了生长的基地。因此提出生物稳定性的概念,并以饮用水中 AOC 和 BDOC(主要是 AOC)的浓度来作为饮用水生物稳定性评价指标2。如果饮用水中有机营养物(以 AOC
8、 表征)含量高,水质生物稳定性差,细菌就容易在给水管网中生长,致病菌出现的可能性就增大。只有减少管网水的 AOC 含量,使饮用水AOC 浓度达到某一要求,才能抑制细菌的生长。70年代发现氯消毒产生的消毒副产物对人体健康有较大不利影响。对氯化消毒副产物的研究已经成为给水研究中的一个重要领域。越来越多的消毒副产物如三卤甲烷、卤乙酸、卤代腈、卤代醛等在饮用水中被发现8。三卤甲烷和卤乙酸由于其强致癌性已成为控制的主要目标,而且也分别代表了挥发性和非挥发性的两类消毒副产物。美国专门有消毒剂和消毒副产物法(D/DBPs Rule)对氯消毒剂和消毒副产物进行了规定,中国建设部新的行业标准也准备将消毒副产物增
9、加到水质标准中(见表 1)。氯消毒、消毒副产物和生物稳定性的相互影响关系可由图 1 表示。表 1 水质标准对消毒剂和消毒副产物的规定国家三卤甲烷/mg/L卤乙酸/mg/L余氯/mg/L氯胺/mg/L二氧化氯/mg/L亚氯酸盐/mg/L溴酸盐/mg/L美国0108001060440181100101中国011000106001801025图 1 饮用水氯消毒、消毒副产物和生物稳定性的关系 因此氯消毒的优化应同时考虑提高消毒效果,提高出厂水生物稳定性,减少消毒副产物的产生等几方面,采用集成的优化消毒技术,全面提高饮用水水质。目前西方发达国家采用的集成化消毒设计框架(IntegratedDisinf
10、ectionDesignFramework,IDDF)模式设计消毒单元即是这方面的代表。我国863 项目/南方地区安全饮用水保障技术0也开始这方面的研究工作。IDDF 模型耦合了氯消毒反应器的流体力学特征、氯消毒动力学、氯消耗动力学、消毒副产物生成动力学,根据消毒 CT 值的要求,通过集成化反应器设计,达到同时提高消毒效果,减少消毒副产物产生的目的。可以预料,IDDF 将是市政给水处理中消毒优化的有力工具。由于氯消毒产生有/三致0作用的消毒副产物,并且不能有效杀灭隐孢子虫及其孢囊,因此其他高效消毒技术受到青睐,如二氧化氯、臭氧和紫外线消毒等技术。2 二氧化氯消毒技术的应用二氧化氯是微红-黄色、
11、强烈刺激性有毒气体,分子式为 ClO2,分子量为 67146,具强氧化性,属易燃易爆品。1811 年二氧化氯由汉弗莱#戴维首先合成,1944 年首先在水处理中得到应用。目前二氧化氯消毒在欧洲和北美都有一定的应用,被认为是氯消毒剂的理想替代品。二氧化氯的消毒机理主要是通过吸附、渗透作用进入细胞体,氧化细胞内酶系统和生物大分子,较好杀灭细菌、病毒,且不对动、植物产生损伤。二氧化氯消毒具有下列优点:杀菌效果好、用量少,作用快,消毒作用持续时间长,可以保持剩余消毒剂量;氧化性强,能分解细胞结构,并能杀死隐孢子虫;能同时控制水中铁、锰、色、味、嗅;受温度和 pH 影响小;不产生三卤甲烷和卤给水排水 Vo
12、l130 No11 20043 乙酸等副产物,不产生致突变物质,其 Ames 试验和小鼠骨髓嗜多染红细胞微核试验均呈阴性结果 9。与氯消毒相比,二氧化氯能降低致突活性。二氧化氯与水中有机物的反应为氧化作用,而氯则以取代反应为主。但二氧化氯的使用还存在一些缺点,影响了二氧化氯的推广应用,特别是在大型给水处理系统中的应用。二氧化氯消毒的主要缺点:二氧化氯消毒产生无机消毒副产物亚氯酸根离子(ClO-2)和氯酸根离子(ClO-3),二氧化氯本身也有害,特别是在高浓度时,因此美国 EPA 消毒剂和消毒副产物法及中国的水质标准(建议稿)对此都有规定(见表 1)。二氧化氯的制备、使用还存在一些技术问题,二氧
13、化氯发生过程操作复杂,试剂价格高或纯度低,二氧化氯的运输、储藏的安全性较差。因此国内尽管目前二氧化氯在小规模的给水厂有应用,但大型水厂还未见使用的报道。3 臭氧消毒技术的应用臭氧是淡蓝色、强烈刺激性的有毒气体,分子式为O3,分子量为 47197,具强氧化性,属易燃易爆品。采用臭氧消毒已有很长历史,1886 年即有试验性应用,但由于臭氧制取设备复杂,投资大,运行费用高,一直没有得到普遍推广。臭氧消毒目前主要在欧洲应用较多,但最大规模的水厂却在加拿大的蒙特利尔,为 300 MGD(约 110 万 m3/d)。臭氧消毒一般剂量为 3 5 mg/L。近年来由于对氯化消毒副产物和新型致病微生物如隐孢子虫
14、的关注,而且也由于臭氧制备技术的进步,臭氧消毒的应用有增加的趋势。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,通过氧化来破坏微生物的结构,达到消毒的目的。因此消毒效果与其氧化还原电位直接相关。几种消毒剂的消毒能力比较见表 2。臭氧消毒的优点是杀菌效果好、用量少,作用快,能同时控制水中铁、锰、色、味、嗅,同时产生的副表 2 不同消毒剂比灭活率常数 A比较消毒剂O3HOClClO2OCl-NHCl2NH2ClA2 3001201651001840112 注:条件为 pH 7,20 e,埃希氏大肠杆菌(E1 coli1),99%灭活率。产物少。但由于臭氧分子不稳定,易自行分
15、解,在水中保留时间很短,小于30 min,因此不能维持管网持续的消毒能力,而且臭氧消毒产生溴酸盐、醛、酮和羧酸类副产物,其中溴酸盐在水质标准中有规定(见表 1),醛、酮和羧酸类副产物部分是有害健康的化合物,部分使管网水生物稳定性下降,因此臭氧消毒在使用中受到一定的限制。对于大、中型管网系统,采用臭氧消毒时必须依靠氯来维持管网中持续的消毒效果。4 紫外线消毒技术的应用紫外线是指电磁波波长处于 200 380 nm 的光波,一般分为三个区,即 UVA(315 380 nm),UVB(280 315 nm),UVC(200 280 nm)。低于 200nm 的远紫外线区域称为真空紫外线,极易被水吸收
16、,因此不能用于消毒。用于消毒的紫外线是 UVC区,即波长为 200 280 nm 的区域,特别是 254 nm附近。紫外线消毒机理与前面的氧化剂不同,它是利用波长 254 nm 及其附近波长区域对微生物 DNA的破坏,阻止蛋白质合成而使细菌不能繁殖。由于紫外线对隐孢子虫的高效杀灭作用和不产生副产物,紫外线消毒在给水处理中显示了很好的市场潜力。紫外线的灭菌作用最早在 20 世纪初由英国学者贝纳德和莫加报道,真正开始应用为 20 世纪 60年代。早期主要是低压汞灯(LP),90 年代中压汞灯(MP)和脉冲汞灯(P-UV)得到研究、应用,三种汞灯的技术参数比较见表 3。表 3 几种紫外灯技术参数比较项 目低压汞灯中压汞灯脉冲汞灯发射波长/nm253 17200 300200 300汞蒸气压力/Pa011 1 1 31 1 33 104 1133 106工作温度/e40 60500 8007 000 12 000灯弧长/cm40 755 4015灯寿命/h8 000 10 0002 000 5 0001 108次电效率/%(在 200 300 nm 区间)30 3515 2520 紫外线消毒技
