水處理消毒技術

  概述：

    在城市供水系統中,消毒是最基本的水處理工藝,它是保證用戶安全用水必不可少的措施之一。但自20世紀70年代發現氯消毒產生/三致物質以后,人們開始重新審視消毒問題,并進行了大量的研究工作。由于氯消毒產生/三致物質,并且不能有效殺滅隱孢子蟲及其孢囊,因此消毒技術不斷被研究開發出來,如二氧化氯、臭氧、光催化消毒、紫外線及相關復合技術等[1]。尤其隨著生物化學和基因工程等前沿科技的迅速發展,傳統的生物消毒方法也正在取得突破,在水處理消毒領域的應用前景十分廣闊。

1 水處理消毒常用技術

1.1 氯消毒技術

    氯消毒主要是通過次氯酸的氧化作用來殺滅細菌,次氯酸是很小的中性分子,能擴散到帶負電的細茵表面,通過細茵的細胞壁穿透到細菌內部,并起氧化作用,破壞細菌的酶系統而使細菌死亡,但是對于水中的病毒、寄生蟲卵的殺滅效果較差,需要在較高值(消毒劑濃度乘以接觸時間)才能達到理想的除菌效果。

    由于氯消毒的操作使用簡單,便于控制,消毒持續性好,余氯的測定也很容易,并且氯消毒的價格不高,所以很快在飲用水行業推廣應用。目前為止,在公共給水系統中,氯消毒成為最為經濟有效和應用最廣泛的消毒工藝。然而,氯在水中的作用是相當復雜的,它不僅可以起氧化反應,還可與水中天然存在的有機物起取代或加成反應而得到各種鹵代物。研究發現氯在進行飲用水預氧化和消毒時與水中某些有機物如腐殖酸、富里酸等發生氧化反應,同時發生親電取代反應,產生易揮發的和不易揮發的氯化有機物如三鹵甲烷()等,這些鹵代有機化合物有許多是致癌物或誘變劑;而常規處理工藝對預氯化產生的副產物不能有效去除,有預氯化的常規處理工藝出水中鹵代物增多,出水的致突變活性較處理前約增加50%-60%。而現代工農業的迅猛發展不僅使人工合成的化學物質越來越多,也使通過各種途徑進入水源水體的有機物質(包括人工合成的和自然界存在的)越來越多,相當多的水源水體呈微污染狀況,對人體的健康產生嚴重的危害。

    隨著人們對飲用水水質要求的不斷提高,對氯氣和氯的衍生物消毒的副作用及其危害程度也越來越重視,如何控制飲用水中消毒副產物已經成為供水業面臨的挑戰之一。積極尋找替代氯的更安全更優越的消毒方法和消毒劑,已成為給水處理工作者的首要任務之一。經過深入的研究,臭氧、二氧化氯和氯胺已被美國列為可替代氯的消毒劑。

1.2 臭氧

    臭氧的消毒機理包括直接氧化和產生自由基的間接氧化,與氯和二氧化氯一樣,通過氧化破壞微生物的結構,達到消毒的目的。其優點是殺菌效果好,用量少,作用快,能同時控制水中鐵、錳、色、味、嗅。可將氰化物、酚等有毒有害物質氧化為無害物質;可氧化嗅味和致色物質,從而減少嗅味,降低色度;可氧化溶解性鐵、錳,形成不溶性沉淀,通過過濾去除;可將生物難分解的大分子有機物氧化分解為易于生物降解的小分子有機物[2]。但研究表明,臭氧與有機物反應生成不飽和醛類、環氧化合物等有毒物質,在含有少量溴化物的時候,臭氧處理就會產生致癌性的副產物。主要的副產物有有機性副產物的三溴甲烷、乙腈氰甲烷、1-1二溴酮、溴乙酸等,無機性副產物的溴酸鹽、次溴酸、次溴離子等。在臭氧處理后再加氯或氯胺處理會分別生成三氯硝基甲烷和氯化氰, 成為新的消毒副產物,其毒性現尚不清楚。對某些農藥,臭氧氧化后的產物可能更有害。這些副產物中最需要注意的是溴酸鹽,其最大容許濃度極低,美國標準為0.01mg/L。

    總的來說,雖然應用臭氧消毒也會有副產物生成,但一般情況下濃度不高,毒性也不如氯大。根據目前的研究,無論在副產物的生成量和毒性方面,還是在出水的致突變活性方面,臭氧都比液氯理想。1987年,在美國大型水廠中只有三個供水廠用臭氧,到1998年,已經有5.6%的水司使用了臭氧。由于經濟的原因,我國在臭氧應用上還比較少。臭氧消毒所要解決的主要問題是生產設備(火花放電法)龐大,流程復雜,需要較高的運行管理水平,制取臭氧的產率低(1%一2%),電能消耗大,基建設備投資也較大,成本很高。此外,臭氧是一種不太穩定的氣體,在水中容易分解。同時臭氧容易分解,在室溫下,水中臭氧的半衰期約為30,單獨采用臭氧消毒難以保證持續的殺菌效果,因此在使用中受到一定限制。

1.3 二氧化氯

二氧化氯的消毒機理主要是氧化作用,能較好殺滅細菌、病毒,且不對動植物產生損傷,殺菌作用持續時間長,受影響小,可除臭、去色。二氧化氯是一種強氧化劑,對細菌的細胞壁有較好的吸附和穿透性能,可以有效地氧化細胞酶系統,快速地控制細胞酶蛋白的合成,因此在同樣條件下,對大多數細菌表現出比氯更高的去除效率,是一種較理想的消毒劑,它兼有氯和臭氧消毒的許多優點。其缺點是產生亞氯酸根離子,二氧化氯本身也有害,且不能貯存,需現場制備。二氧化氯的氧化能力要比氯和過氧化氫強,而比臭氧弱。二氧化氯具有廣譜殺菌性,它對一般的細菌殺滅作用強于或不差于氯,對很多病毒的殺滅作用強于氯,且其消毒效果基本不受的影響。二氧化氯可以與多種無機離子和有機物發生作用。因此,二氧化氯在消毒的同時,還可以去除水中的多種有害物質。

二氧化氯可以將水中溶解的還原態鐵、錳氧化,對去除鐵和錳很有效,同時對于硫化物、氰化物和亞硝酸鹽也有一定的氧化去除效果。

    除高效殺滅微生物和氧化無機物之外,人們更看中二氧化氯消毒的另一顯著優點,即它的高選擇性。二氧化氯幾乎不與水中的有機物作用而生成有害的鹵代有機物,有機副產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雖高于氯但卻低于臭氧。這些優點使得二氧化氯成為最值得考慮的消毒劑之一。在歐洲和北美的許多城市,二氧化氯已廣泛用于飲用水和廢水的消毒處理。

    與所有消毒劑一樣,二氧化氯在凈水過程中也會產生副產物。它的副產物包括兩部分:一部分是被其氧化而生成的有機副產物;另一部分是本身被還原以及其它原因而生成的無機副產物。與氯相比,二氧化氯凈化的有機副產物較少且毒性較輕;二氧化氯主要的消毒副產物為亞氯酸鹽和氯酸鹽,它們對人體健康有潛在的危害,世界衛生組織對亞氯酸鹽在水溶液中的質量濃度建議控制在200L/以下,而對氯酸鹽的毒性還在進一步的研究之中。

1.4 氯胺

    氯胺消毒是氯衍生物的消毒方法之一,由于氯胺消毒作用緩慢,它不能作為基本殺菌消毒劑,曾一度停用。但由于氯胺能避免或減緩氯與水中有機污染物質的某些化學反應,從而使消毒后水中氯化副產物的生成量顯著降低,氯胺消毒被廣泛認為是控制消毒副產物形成的有效手段。根據資料,出廠水采用氯胺消毒,鹵乙酸的產生量減少90%,三鹵甲烷的產生量減少70%。投加氯胺已為越來越多的水司所認同,有更多的水廠又重新采用了氯胺消毒法。

    氯胺在控制管網中細菌的再次繁殖和生物膜也比氯更為有效。然而氯胺消毒對水中的賈第蟲和隱孢子囊的去除效果卻不能夠令人滿意。一般認為,對于嚴重污染且有機鹵化物含量較高的源水,或水廠的供水管網較長,水流在管中停留時間大于12時,比較適合采用氯胺消毒。

1.5 紫外線消毒

    紫外技術是20世紀90年代興起的一種快速、經濟的高效消毒技術。它是利用特殊設計的高效率、高強度和長壽命的波段(110~280)紫外光發生裝置產生紫外輻射,用以殺滅水中的各種細菌、病毒、寄生蟲、藻類等。其機理是一定劑量的紫外輻射可以破壞生物細胞的結構,通過破壞生物的遺傳物質而殺滅水生生物,從而達到凈化水質的目的。

    紫外線消毒是一種物理方法,它不向水中增加任何物質,沒有副作用,不會產生消毒副產物。但缺乏持續滅菌能力,所以它一般要與其它消毒方法聯合使用。

    然而,對細菌滅活需要的紫外線劑量以紫外線的強度乘以輻照時間計算,它必須保證不能進行自我復制或者突變后代不能進行自我復制。一般細菌的體積越大或者和數目越多,對其滅活所需的紫外線劑量就越大。而病毒本身對紫外線的抵抗能力很弱,但是通過宿主的保護作用增強了病毒耐紫外線性。因此,紫外線消毒處理水必須經過良好的預處理,而且消毒需要紫外線輻照劑量難以明確。另外,跟臭氧一樣,紫外線消毒也不能保持持續的殺菌效果。

2 水處理消毒新技術簡介

    隨著科學技術的發展,各學科之間的交叉滲透越來越普遍,在水處理領域也產生了一些新的消毒技術,主要有:光催化消毒、生物消毒、電場消毒、超聲波消毒等。這些技術也是優缺點并存,需要科研人員繼續進行深入的研究。

3 結語

    給水處理的消毒技術與人民生活息息相關,深入研究水消毒的新技術和應用特點,推行安全、合理、環保、經濟、有效的水消毒技術[3],達到保障人民身體健康的目的顯得十分必要。給水處理的消毒技術應該從傳統、單一的消毒工藝向組合式消毒工藝發展,各種工藝取長補短,多屏障保證人們健康和生存環境。