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在城市供水系統(tǒng)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(jì)70年代發(fā)現(xiàn)氯消毒產(chǎn)生/三致物質(zhì)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(chǎn)生/三致物質(zhì),并且不能有效殺滅隱孢子蟲及其孢囊,因此消毒技術(shù)不斷被研究開發(fā)出來,如二氧化氯、臭氧、光催化消毒、紫外線及相關(guān)復(fù)合技術(shù)等[1]。尤其隨著生物化學(xué)和基因工程等前沿科技的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的生物消毒方法也正在取得突破,在水處理消毒領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。
消毒技術(shù)是給水處理工藝中的重要組成部分 ,而氯消毒是國內(nèi)外最主要的消毒技術(shù) ,但由于氯消毒產(chǎn)生有“三致”作用的消毒副產(chǎn)物等原因 ,消毒技術(shù)的優(yōu)化和發(fā)展成為十分緊迫的問題。目前優(yōu)化消毒主要包括優(yōu)化常規(guī)的氯消毒和采用其他方式的消毒技術(shù)。詳細(xì)介紹了國內(nèi)外消毒技術(shù)的發(fā)展歷程 ,比較了氯、二氧化氯、臭氧和紫外線消毒各自的優(yōu)缺點 ,并指出了給水處理消毒技術(shù)的發(fā)展方向 更多還原。
一、下面介紹一下給水處理消毒常用技術(shù)
1、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(xì)菌、病毒,且不對動植物產(chǎn)生損傷,殺菌作用持續(xù)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(xì)菌的細(xì)胞壁有較好的吸附和穿透性能,可以有效地氧化細(xì)胞酶系統(tǒng),快速地控制細(xì)胞酶蛋白的合成,因此在同樣條件下,對大多數(shù)細(xì)菌表現(xiàn)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(yōu)點。其缺點是產(chǎn)生亞氯酸根離子,二氧化氯本身也有害,且不能貯存,需現(xiàn)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(xì)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(fā)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(zhì)。二氧化氯可以將水中溶解的還原態(tài)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(yōu)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(chǎn)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(yōu)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(chǎn)生副產(chǎn)物。它的副產(chǎn)物包括兩部分:一部分是被其氧化而生成的有機副產(chǎn)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(chǎn)物。與氯相比,二氧化氯凈化的有機副產(chǎn)物較少且毒性較輕;二氧化氯主要的消毒副產(chǎn)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(wèi)生組織對亞氯酸鹽在水溶液中的質(zhì)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。
2、氯消毒技術(shù)
氯消毒主要是通過次氯酸的氧化作用來殺滅細(xì)菌,次氯酸是很小的中性分子,能擴散到帶負(fù)電的細(xì)茵表面,通過細(xì)茵的細(xì)胞壁穿透到細(xì)菌內(nèi)部,并起氧化作用,破壞細(xì)菌的酶系統(tǒng)而使細(xì)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(dá)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(xù)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(yè)推廣應(yīng)用。目前為止,在公共給水系統(tǒng)中,氯消毒成為最為經(jīng)濟有效和應(yīng)用最廣泛的消毒工藝。然而,氯在水中的作用是相當(dāng)復(fù)雜的,它不僅可以起氧化反應(yīng),還可與水中天然存在的有機物起取代或加成反應(yīng)而得到各種鹵代物。研究發(fā)現(xiàn)氯在進行飲用水預(yù)氧化和消毒時與水中某些有機物如腐殖酸、富里酸等發(fā)生氧化反應(yīng),同時發(fā)生親電取代反應(yīng),產(chǎn)生易揮發(fā)的和不易揮發(fā)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(guī)處理工藝對預(yù)氯化產(chǎn)生的副產(chǎn)物不能有效去除,有預(yù)氯化的常規(guī)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(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展不僅使人工合成的化學(xué)物質(zhì)越來越多,也使通過各種途徑進入水源水體的有機物質(zhì)(包括人工合成的和自然界存在的)越來越多,相當(dāng)多的水源水體呈微污染狀況,對人體的健康產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。
隨著人們對飲用水水質(zhì)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(chǎn)物已經(jīng)成為供水業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一。積極尋找替代氯的更安全更優(yōu)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(wù)之一。經(jīng)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。具體參見http://www.ronghuide.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3、臭氧
臭氧的消毒機理包括直接氧化和產(chǎn)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(jié)構(gòu),達(dá)到消毒的目的。其優(yōu)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�？蓪⑶杌�、酚等有毒有害物質(zhì)氧化為無害物質(zhì);可氧化嗅味和致色物質(zhì),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(yīng)生成不飽和醛類、環(huán)氧化合物等有毒物質(zhì),在含有少量溴化物的時候,臭氧處理就會產(chǎn)生致癌性的副產(chǎn)物。主要的副產(chǎn)物有有機性副產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)物,其毒性現(xiàn)尚不清楚。對某些農(nóng)藥,臭氧氧化后的產(chǎn)物可能更有害。這些副產(chǎn)物中最需要注意的是溴酸鹽,其最大容許濃度極低,美國標(biāo)準(zhǔn)為0.01mg/L。
總的來說,雖然應(yīng)用臭氧消毒也會有副產(chǎn)物生成,但一般情況下濃度不高,毒性也不如氯大。根據(jù)目前的研究,無論在副產(chǎn)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(jīng)有5.6%的水司使用了臭氧。由于經(jīng)濟的原因,我國在臭氧應(yīng)用上還比較少。臭氧消毒所要解決的主要問題是生產(chǎn)設(shè)備(火花放電法)龐大,流程復(fù)雜,需要較高的運行管理水平,制取臭氧的產(chǎn)率低(1%一2%),電能消耗大,基建設(shè)備投資也較大,成本很高。此外,臭氧是一種不太穩(wěn)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(xù)的殺菌效果,因此在使用中受到一定限制。
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(zhì)的某些化學(xué)反應(yīng),從而使消毒后水中氯化副產(chǎn)物的生成量顯著降低,氯胺消毒被廣泛認(rèn)為是控制消毒副產(chǎn)物形成的有效手段。根據(jù)資料,出廠水采用氯胺消毒,鹵乙酸的產(chǎn)生量減少90%,三鹵甲烷的產(chǎn)生量減少70%。投加氯胺已為越來越多的水司所認(rèn)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(wǎng)中細(xì)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(rèn)為,對于嚴(yán)重污染且有機鹵化物含量較高的源水,或水廠的供水管網(wǎng)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。
5、紫外線消毒
紫外技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一種快速、經(jīng)濟的高效消毒技術(shù)。它是利用特殊設(shè)計的高效率、高強度和長壽命的波段(110~280)紫外光發(fā)生裝置產(chǎn)生紫外輻射,用以殺滅水中的各種細(xì)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(xì)胞的結(jié)構(gòu),通過破壞生物的遺傳物質(zhì)而殺滅水生生物,從而達(dá)到凈化水質(zhì)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(zhì),沒有副作用,不會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物。但缺乏持續(xù)滅菌能力,所以它一般要與其它消毒方法聯(lián)合使用。
然而,對細(xì)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(fù)制或者突變后代不能進行自我復(fù)制。一般細(xì)菌的體積越大或者和數(shù)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(jīng)過良好的預(yù)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(xù)的殺菌效果。
二、水處理消毒新技術(shù)簡介
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各學(xué)科之間的交叉滲透越來越普遍,在水處理領(lǐng)域也產(chǎn)生了一些新的消毒技術(shù),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(shù)也是優(yōu)缺點并存,需要科研人員繼續(xù)進行深入的研究。
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