消毒技术在饮用水处理上的研究进展

【摘要】本文对国内外饮用水消毒的研究现状进行了阐述，并且对我国常用的几种饮用水消毒技术进行了详细介绍，最后对消毒工艺的发展方向进行了合理展望，以期为饮用水消毒技术的研究提供依据。

【关键词】消毒；饮用水；水处理；微生物

1、前言

水是生命之源，是维持生命最重要的物质之一，人的生活离不开水。随着城镇化工作的不断推进，自来水将走进越来越多的用户家中。自来水经庞大的地下管网输送到用水点的过程中会发生复杂的物理、化学和生物反应，有害细菌及微生物也会借此得到繁殖，危害人类健康。因此，饮用水的消毒是一个至关重要的过程，对预防和控制介水传染病有着非常重要的作用。

常用的消毒技术可分为物理消毒技术和化学消毒技术。物理消毒技术是利用冷冻、加热、照射等方式破坏生物质的核酸，从而达到消毒的目的，例如紫外线消毒、超声波消毒、微电解毒等方式。化学消毒是指利用一定的药剂改变水质成分，氧化微生物机能从而达到消毒的目的，例如臭氧消毒、氯化消毒等。

2、国内外饮用水消毒研究现状

我国用于饮用水消毒的方法主要有二氧化氯消毒、氯化消毒、紫外消毒、臭氧消毒等消毒工艺。当前，国内绝大多数的水厂采用的消毒工艺是传统的混合、絮凝、沉淀、过滤、氯消毒的水处理工艺。尽管氯消毒具有成本低、消毒效果好等优势，但是在清除水中的有机物效果方面并不理想，还会产生二十多种副产物，例如卤乙酸、三卤甲烷等等，这些副产物有很强的致癌作用，严重危害着人类的身体健康，因此氯化消毒副产物引起了人们的重视。经过科学家二十多年的研究，基本已经证实了氯消毒能够使原水中产生卤乙酸、三卤甲烷、卤乙腈、卤代酚、卤代酮、卤代醛、卤代硝基甲烷等等具有严重致癌作用的副产物。经过大量的动物实验证明，氯仿能够致癌，一溴二氯甲烷和二溴一氯甲烷能够使肝、肾中毒。美国等国家发现，在有机卤代烃含量高的地区，胃癌、肝癌等的发病率明显高于其他地区。尽管我国对出厂水消毒副产物的控制制定了详细的标准，但是长时间的饮用带有这些具有毒副产物的水，还是有一定的健康风险存在。

饮用水的消毒工艺应该跟上国际先进潮流，与时俱进，从而保障人民群众的生命健康。一成不变的工艺只能在历史进程中逐渐被淘汰。因为氯消毒工艺的副产物具有很高的致癌性，因此如何改善氯化消毒工艺，提高其安全性，或者寻找替代氯化消毒新技术已经成为日后消毒技术的发展方向。当前，二氧化氯替代液氯用于饮用水消毒和水处理工作已经是大势所趋，但是受到设备、资金和技术安全等因素的限制，目前还处于初级阶段。相信在经济和科技飞速发展的时代，不久的将来，原有的液氯消毒会被优化的消毒工艺所代替。

3、常见饮用水消毒技术

3.1臭氧消毒技术

臭氧是一种常用的过氧化物类强氧化剂，具有很强的杀菌作用，应用十分广泛。和氯相比，臭氧的杀菌速度要高六百到三千倍，属于急速杀菌，同时还对水中色、臭、味等有机物以及铁、锰等金属离子有很好的去除作用。另外，臭氧还有助凝的功能。

有关臭氧的消毒机理方面的研究非常多。臭氧是通过自身分解，从而产生具有强氧化能力的新生氧。臭氧首先和细胞壁中存在的脂类双键结构起反应，从而穿过细胞壁进入细胞壁的内部，再与结构中的脂蛋白和内部脂多糖反应，从而改变细胞的通透性，导致细胞溶解并死亡。张征等通过实验发现，在低温强酸性的环境下，臭氧具有最佳的杀菌效果，而在大通气流量下杀菌效果很差。

臭氧消毒具有用量少、作用迅速、杀菌彻底、副产物少、易得等优势，但同时也具有耗资高、稳定性差等缺点，因此一般要用第二消毒剂进行辅助消毒。另外，臭氧消毒法应用范围也很有限，对于青霉素、绿霉菌等具有抗药性的细菌需要很长时间才能消灭。在单独使用臭氧作为消毒剂时，由于其在短时间内分解的特性，很可能出现细菌回升的现象，因此通常采用辅助加氯的方法弥补这一缺憾。

3.2氯化消毒技术

氯化消毒是一种传统的消毒工艺，在我国的应用十分广泛。常用的氯消毒剂的种类有很多，有氯气、漂白粉、漂白粉精、有机含氯消毒剂、次氯酸钠等。有关氯的杀菌机理，许多学者进行了相关研究。氯具有很好的消毒作用主要是因为次氯酸具有体积小，电荷中性等优势，很容易穿过细胞壁，同时其强氧化性能够损害细胞膜，释放蛋白质、氨基酸等物质并且影响多酶系统，从而导致细菌死亡。在对病毒的作用方面，主要是对病毒核酸具有致死性的危害。实验证明，pH值、温度、接触时间、加氯量以及水中微生物的含量等因素对于氯化消毒的效果都有很直接的影响。根据工艺条件的不同，氯消毒工艺还可以细分为普通氯化消毒法、折点氯消毒法、过量氯消毒法几种工艺。

氯化消毒过程中，氯与水反应会有许多副产物产生，这些副产物对人体健康有很大的危害。通常，将水中能与氯形成氯化副产物的有机物称之为有机前体物，天然水中的有机前体物主要是腐殖酸类，其次是藻类及其代谢产物。在氯化消毒过程中，腐殖质是形成氯化副产物三卤甲烷（氯仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷、溴仿）的主要有机前体物。其中氯仿具有最高的含量。同时，还有一些非挥发性卤代有机物产生，如卤乙酸、卤乙腈、卤代酚、卤代酮、卤代醛等等。

在对氯化副产物的防治方面，我国也做了许多工作。例如尽可能的选择有机前体含量低的水源，加强混凝沉淀和过滤等净化措施，防止藻类在制水构筑物内生长等等。另外，在对氯化消毒工艺的改进上也做了许多工作，例如取消预氯化和避免折点氯消毒，利用管网中途加氯，从而减少氯化副产物的产生；利用颗粒活性炭对水进行过滤，去除氯化副产物等等。

3.3二氧化氯消毒技术

二氧化氯消毒技术是十九世纪欧洲一些国家首先发现的。但是因为制造复杂，价格昂贵而被忽视，没有发展起来。近些年，为了降低氯化消毒的危害而寻找新的消毒剂，从而对二氧化氯的研究和应用也就日益增多。

二氧化氯是一种橙黄色气体，在热水中易分解成氯气、氯酸和氧气。二氧化氯易溶于水，形成黄绿色的溶液，但是并不与水进行化学反应，敞开放置时很容易被光分解，因此不宜贮存。另外，二氧化氯很容易引起爆炸，当空气中浓度高于百分之十或在水中浓度高于百分之三十时，都具有很强的爆炸性，因此在生产中要利用空气对二氧化氯气体进行冲淡，以降低其浓度。实验表明，二氧化氯在酸性条件下具有很强的氧化性，容易透过细胞膜通过其强氧化性，将微生物细胞内的氨基酸进行氧化破坏，进而控制其蛋白质的合成，从而达到杀灭微生物的目的。二氧化氯水溶液不会产生对人体有很大危害的三卤甲烷，其残留生成物主要为水、氯化钠和微量的二氧化碳、有机糖等无毒物质。

除此之外，二氧化氯在除嗅和脱色性能上有很明显的优势，明显优于活性炭、紫外线和超声波等传统除嗅脱色方式。黄君礼等通过研究证明，二氧化氯对水中的硫化氢、硫醇、二甲基硫酸盐、甲酸、草酸、乙二酸盐和酚类都有很好的氧化效果。

3.4氯胺消毒技术

氯胺消毒技术是一种运行方便，运行费用比臭氧和二氧化氯低的一种饮用水消毒技术。利用氯胺作为消毒剂，产生的副产物要比氯产生的副产物少的多，能够将三卤甲烷产量降低至百分之七十多，对于卤乙酸的产生也有很强的抑制作用。另外，在对管网的腐蚀程度方面，氯胺也比氯要小的多，但是氯胺在对微生物进行灭活方面的能力比较弱，仅为氯的百分之一，尤其是对水中病毒的灭杀上面。同时，氯胺还会增加水中AOC的量，使水呈现生物不稳定性，因此一般不选用氯胺作为饮用水消毒的主要消毒剂。

3.5紫外线消毒

紫外线是波长范围在200-300nm的光。一般，饮用水消毒常用254nm波长的紫外光对病原微生物进行灭活。当紫外线照射在微生物身体上时，紫外线则会透过微生物细胞壁和细胞膜，直接作用于细胞内的核酸和蛋白质，从而发生各种化学变化而造成微生物死亡。紫外线消毒法能够在较短的时间内达到很高的杀菌效率，在一定的辐射强度下一般病原微生物仅需要十几秒便可杀灭，同时能够在一定程度上控制一些较高等的水生生物，如藻类和红虫的生长繁殖，并且不改变水的物理化学性质。紫外线消毒还不产生副产物，也没有异味。另外，紫外线的杀菌一体化的设备构造简单，易安装，小巧轻便，占地小，便于操作和管理，并且易实现自动化，运行管理比较安全。但是，紫外线消毒同时也存在一定的缺点，它没有持续杀菌的作用，容易造成微生物复生的现象。每只紫外灯管处理水量也是非常有限的，并且还需要定期进行清洗更换。另外处理水量较小，在运行成本上也比较高，因此除了个别单位供水之外，紫外线消毒技术还没有获得广泛的应用。

3.6膜消毒

膜技术是近些年才发展起来的一项新型技术，在水处理方面得到了很广泛的应用。膜技术应用在饮用水消毒方面主要是依靠膜的分离功能，其主要的影响因素是膜的孔径。根据膜孔径的大小，膜消毒技术还可以分为纳滤、反渗透、超滤以及微滤。因此膜消毒技术的机理主要就是筛分和吸着。实验表明，膜技术对细菌病毒和微生物均有很好的清除作用。

利用膜技术进行消毒的水质好并且稳定，运行费用也相对较低，在操作方面也很简单，并且占地少。但是膜消毒技术存在微生物后生长，对微笑颗粒节流能力差，膜孔容易被堵塞等缺点，因此，只有将这些问题解决了，才能够将膜消毒技术进行进一步的推广应用。

3.7水力空化消毒

水力空化消毒技术是一种新型的消毒方法。该方法是物理工艺化学机理的消毒工艺。当水流流过一个限流区域时，会产生压降，当压力降低到蒸汽压时，溶解在水中的气体就会被释放出来，从而造成流体汽化，产生大量的空化气泡。这些气泡随着水流进一步流动，当周围压力增大时，体积会急剧缩小直至溃灭。气泡的溃灭会到来高温、瞬间高压、冲击波和水射流，并且能够产生具有强氧化性的氧自由基和双氧水，从而使水中存在的有机污染物被氧化降解。陈利军等经过试验证明，水力空化技术在去除三氯甲烷上有卓著的效果，因此可以用作水处理的预处理阶段，同时还能够去除水中部分天然有机物，从而大大降低消毒副产物的产量，因此水力空化技术在饮用水消毒方面还有很广阔的应用前景。

3.8组合消毒工艺

饮用水的消毒任务主要有两个，首先就是要将水体中的微生物进行灭活，从而使水质符合饮用水的微生物质量标准，保障人体健康；其次就是要保障管网中有剩余消毒剂存在，从而抑制微生物的再次生长。氯和二氧化氯都可以满足这两个要求，但是同时还具有一定的不足。臭氧对细菌、病毒和原生动物包囊具有很好的灭活效果，紫外线也对杀死细菌和病毒十分有效，但是二者的持续消毒能力都不强，因此不能满足要求二。氯胺尽管有很好的维持效果，能够抑制管网内细菌再次生长，但是它的消毒能力比较弱，不能很好的满足彻底消灭微生物的要求。鉴于各种消毒工艺的优缺点存在互补的方面，因此，有关两种或两种以上的组合消毒工艺的研究越来越多，消毒技术的改进也就朝着组合消毒工艺的方向进行发展，多种消毒剂顺序使用或者同时使用的消毒工艺在水处理工艺中的使用逐渐增多。

许多研究结果表明，组合消毒工艺在灭活微生物时具有协同灭活的效果。但是对于组合消毒剂协同作用的研究还处于初级阶段，对于组合消毒工艺的CT值理论等还没有正式确立，仍需要大量的研究支持。目前利用比较多的有紫外线与氯联合消毒技术、生物氧化与臭氧消毒联合技术等等。

3.9新型消毒技术

随着科学技术的大力发展，出现了许多高科技新型饮用水消毒技术，例如超声波法、银法、光催化氧化法、磁化法、静电法、微电解法等等。相信随着我国在科技方面的投入力度越来越大，这些新型的消毒技术在一定时间内一定会广泛使用起来。

4、饮用水消毒技术发展趋势

我国在供水方面和发达国家还存在很大的差距。以上介绍的各种消毒技术各自存在优点和不足，在实际生产中还要结合我国饮用水水源水质的综合情况以及国情，从而将各种消毒工艺进行组合，获得更好的消毒效果。因此，组合消毒技术必将在我国得到大力推广。另外，对于新型饮用水消毒技术和消毒剂的开发还会继续加强，例如磁化消毒技术，等离子消毒技术等的。总之，饮用水消毒技术必将向着成本低，对环境危害小的方向发展。

5、结束语

饮用水的水质与人民的生活息息相关，而消毒则是保证饮用水质量安全的重要环节。因此，推行合理、安全、环保、经济、有效的饮用水消毒技术，保证人民的身体健康是十分艰巨的任务。鉴于目前各种消毒技术还存在许多缺点和不足，因此要投入更多的人力和物力参与到消毒技术的进一步研究上来。

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