再生水常用消毒方法及其主要问题*

苏乃特 张雅君 许 萍

(北京建筑大学 城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室， 北京 100044)

再生水常用消毒方法及其主要问题*

苏乃特 张雅君 许 萍

(北京建筑大学 城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室， 北京 100044)

消毒剂选取对再生水管网中的微生物控制以及用户的安全至关重要。本文阐述了再生水常用消毒剂次氯酸钠、二氧化氯、氯胺、臭氧和紫外线的消毒机理及其优缺点，指出了目前消毒工艺存在的主要问题，并以此为基础提出了未来的发展方向。

再生水；消毒；次氯酸钠；二氧化氯；氯胺；臭氧；紫外线

再生水利用可以缓解水资源短缺、减轻污水排放对生态环境的压力，主要回用对象包括地下水补水、工业用水、农业用水、城市杂用水以及景观用水等。与自来水相比，再生水中微生物、有机物以及氮磷等营养物质的种类较多、数量较高，在输配过程中微生物的控制更为关键，因此消毒作为再生水回用的最终处理单元，对保障再生水水质安全至关重要[1]。消毒的主要目的是杀死水体中对人体有害的病原体、细菌等微生物，防止水传播疾病，保证出水中微生物指标达到相关要求。消毒方法选取的恰当与否，直接关系到再生水处理效果、处理成本、工程投资、甚至操作人员的健康与安全[2]。因此，选择何种消毒方法是再生水处理中必须认真考虑的一个问题。

1 常用消毒方法对比分析

消毒方法通常包括物理法和化学法。物理法是采用热、紫外线、超声波等途径破坏细菌细胞的蛋白质或者核酸，通过蛋白质的变性、凝聚或者遗传物质的损伤使得再生水中的微生物不能正常生长和繁殖，最终达到消毒的目的[3]，该方法中比较有代表性的是紫外线消毒。化学法是通过氧化作用使细菌的核酸、细胞膜受损，从而达到消毒的目的，目前常用的氧化剂包括次氯酸钠、二氧化氯、氯胺和臭氧[4]。

1.1 次氯酸钠

次氯酸钠的分子式是NaClO，属于强碱弱酸盐，主要通过水解形成次氯酸进行消毒。目前水处理中常用的液氯消毒，其本质上也是通过次氯酸消毒。次氯酸分子小，不带电荷，可渗透入菌体内，不仅可作用于细胞壁、病毒外壳，还能氧化菌体蛋白、核酸和酶等有机高分子，杀死病原微生物[5]。次氯酸钠是一种广谱、高效的强力杀菌药剂，与水的亲和性很好，能与水任意比互溶，完全溶于水[6]。采用次氯酸钠消毒运行成本较低，但也存在会产生较多消毒副产物的缺点，如三氯乙酸、二氨乙酸、氯仿等[7]。考虑到余氯和消毒副产物的影响，次氯酸钠消毒宜用于对水质要求不高且与人体接触较少的工业和城市杂用等用水。

1.2 二氧化氯

二氧化氯的分子式是ClO2，在高于11℃时，二氧化氯会沸腾成为一种黄绿色气体，它是一种极活泼的化合物，稍经受热就会迅速爆炸性分解为氯气和氧气[8]。二氧化氯对细胞壁有较强的穿透能力，在与微生物接触时，它能够进入细菌及其他微生物体内，氧化分解微生物蛋白质中的氨基酸和核酸，导致氨基酸链断裂，抑制细胞内蛋白质的合成，达到将微生物灭活目的。此外二氧化氯还能氧化细胞内部含巯基(-SH)的酶，使之迅速失去活性[9]。二氧化氯具有高效的杀菌性而且几乎不与水中的有机物作用生成有害的卤代有机物，大大减少了消毒副产物的生成。二氧化氯的持续杀毒作用较强，在管网中维持较低浓度的二氧化氯可以达到较好的杀菌效果。但是二氧化氯气体稳定性差，遇光易分解，贮藏运输较困难[10]。所以利用二氧化氯进行消毒时，需要采取现场制备、现场使用的方式。从经济方面考虑，二氧化氯的运行成本也较高，是次氯酸钠运行成本的5倍以上[11]。

1.3 氯胺

氯胺消毒从上世纪70年代中期至80年代开始应用至今，在水处理中应用较为广泛。氯胺是一氯胺(NH2Cl)、二氯胺(NHCl2)和三氯胺(NC13)的统称。氯气加入水中生成次氯酸，次氯酸在进行消毒的同时，也可以与氨气反应生成氯胺。当次氯酸因消毒而减少时，氯胺按逆反应方向生成次氯酸，从而具有持续消毒作用。氯胺的这种消毒机理可以避免或减缓水中一些有机污染物发生氯化反应，因此产生的消毒副产物较少。相比较次氯酸钠而言，氯胺在水中衰减慢，持续灭菌时间更长，能更好地控制生物膜的生长。同时氯胺缓慢释放次氯酸，氧化能力相对比较弱，引起的管网腐蚀也较小。此外，氯胺自身分解和衰减释放自由氨氮，硝化细菌可以利用氨氮作为能量来源并且生成亚硝酸氮，加速氯胺的衰减。氯气和氨气的投加比例直接影响氯胺的消毒效果。氯气和氨气的物质的量控制在(3～5)∶1时，生成物主要是一氯胺，此时消毒效果最好。氯胺消毒需要较长的接触时间和较大的投药量，且需要增设加氨的设备，操作管理复杂，在再生水消毒工艺中很少单独使用，通常作为辅助消毒剂以抑制管网中细菌再繁殖[12]。

1.4 臭氧

臭氧的分子式为O3，是一种强氧化剂。臭氧穿透力很强，可以直接进入细胞内部，破坏细菌和病毒的细胞器和DNA、RNA以及代谢所需的酶，使它们的新陈代谢受到破坏，最终导致死亡。臭氧还可以作用于细胞膜的脂蛋白和脂多糖，使细菌发生通透性畸变而溶解死亡[13]。臭氧杀菌的优点是效率高，并且能够附带氧化致色物质和嗅味物质，以去除水中的色、嗅、味，达到脱色除嗅去味的目的。但是由于臭氧可将大分子、难生物降解的有机物转化为小分子、易生物降解的有机物，会使再生水再次受到细菌污染的可能性增加[14]。而且，臭氧会将致突变物质或消毒副产物的前体物如腐殖酸等分解为小分子的中间产物，如不饱和醛类、环氧化合物等致突变物[15]，导致再生水的健康风险增大。与二氧化氯类似，臭氧的性质也不稳定，贮藏运输较困难，也需要专门的发生器现场制备，基建投资大，设备复杂，管理麻烦，制水成本高。但由于其消毒效果好且接触时间短，近年来再生水消毒工艺中应用较多。臭氧不具有持续杀菌的效果，常与其他氯消毒工艺组合使用。城市杂用水有与人体接触的可能性，所以要确保水质安全，对水质要求较高，所以臭氧与氯联合消毒常用作再生水回用于城市杂用水消毒工艺。

1.5 紫外线

近年来，紫外线灭菌技术得到了迅速的发展，工艺、设备也更加成熟[16]。紫外线的消毒机理是改变DNA和RNA内含氮的杂环物质，如胸腺嘧啶，在相邻的核苷之间产生新键，形成二聚物，从而导致微生物不能进行自我复制，达到消毒的目的。波长200～295 nm的紫外线杀菌能力较强。紫外线杀菌具有效率高，不产生残留物质和消毒副产物，且具有运营成本较低的优点，甚至比次氯酸钠消毒的成本更低[17]。但是紫外线的消毒效果受浊度影响较大，水中的颗粒物质会影响紫外线的穿透能力。此外，紫外线缺乏长效的灭菌能力，消毒之后见光还会导致微生物产生光复活现象。在再生水消毒工艺中，经常使用紫外线和其他消毒工艺联合，例如紫外线与臭氧联合消毒；紫外线与液氯相结合等。景观环境水体与人有轻微接触，因此要求水体中不能含有对人体有害的化学物质和病毒微生物，由于紫外消毒高效的杀菌性，无消毒副产物产生，所以紫外与氯消毒适用于再生水回用于景观环境用水，同时也适用于回用城市杂用水消毒。

2 存在的主要问题

2.1 微生物复活

再生水管网系统中，消毒后细菌会有复活再生长的现象，一方面是由于管网中的消毒剂衰减，水中残余的微生物继续生长。另一方面，研究表明，消毒剂会使微生物进入亚致死状态[18]，这种状态下的微生物并没有完全失去活性[19]。Kraft等人发现细菌具有通过SOS反应修复DNA或者其他受损细胞结构的功能，因此在一定的条件下，这种处于亚致死状态的细菌细胞会恢复活性[20]。此外，某些经过紫外线消毒的细菌，也具备通过修复受损DNA而恢复活性的功能，这种现象被称为光复活。目前关于细菌的亚致死状态和光复活现象的研究已成为了近年来研究的热点问题之一。

2.2 管壁腐蚀

再生水管网系统中，金属管壁表面会形成一层钝化膜，阻隔一部分离子，减缓管壁的腐蚀。但是消毒剂的加入会在一定程度内加速管壁腐蚀。使用次氯酸钠消毒时，次氯酸根离子可以穿透钝化膜，在金属管壁表面置换出氧原子，加速阳极反应，从而加速腐蚀，而且腐蚀速率会随次氯酸根离子浓度的增加而上升，当次氯酸根离子达到一定浓度时还会使钝化膜溶解。使用氯胺消毒时分解产生的氨氮也会在管道中发生硝化反应产生酸，造成系统pH下降，对管壁造成酸性腐蚀的同时，促进钝化膜的溶解，减缓钝化膜的生长速率，从而对管道的抗腐蚀能力带来负面影响[21]。

2.3 生成消毒副产物

消毒剂会与水中含有的一些有机物反应生成消毒副产物。到目前为止，将近有600多种消毒副产物已经被发现[22]。大部分已经鉴定的消毒副产物都具有细胞毒性和基因毒性，甚至致癌[23]。再生水厂处理中产生的消毒副产物主要是三卤甲烷、卤乙酸、卤乙腈、水合三氯乙醛、卤代酮、卤代酚、三氯硝基甲烷、氯化氰、酸性氯化呋喃酮、溴酸盐等[24]。常用消毒方法中，次氯酸钠消毒时会产生较多的消毒副产物，而二氧化氯、氯胺、臭氧和紫外线消毒过程产生的消毒副产物则较少[25]。再生水处理工艺中控制消毒副产物生成的主要手段是通过控制水中的有机物含量，从而减缓次氯酸根离子同有机物的结合，从而达到降低消毒副产物的作用。

3 未来的发展方向

综上所述，每一种消毒剂都有各自的优缺点。次氯酸钠是使用最久的消毒剂，消毒机理研究较深入、设备及工艺较成熟、投资较省、运行费用较低，但是衰减较快并且易产生较多的消毒副产物。二氧化氯消毒效果较好，消毒副产物生成也较低，但是其制备较复杂，而且不易存储。氯胺在国内外应用时间也较长，消毒效果虽不如次氯酸钠好，但是其衰减较慢，生成消毒副产物较少，其缺点是需要较长的接触时间并且易导致硝化细菌的滋生。在实际工程应用中，考虑到余氯和消毒副产物的影响，氯系消毒剂宜用于对水质要求不高且与人体接触较少的工业用水。臭氧消毒效率高，但是设备管理复杂，成本也较高。紫外线消毒速度快，设备简单，但投资较高，而且没有持续灭菌作用，并存在光复活的问题，而且有产生新菌种的生物风险。臭氧和紫外线灭菌效率较高，但都不具有持续消毒能力，经常与氯系消毒及联合使用，一般用于对水质要求较高的城市杂用水和景观用水。

由于各种消毒方法各有优劣，近年来联合消毒工艺开始进入人们的视线，如将UV同次氯酸钠结合、次氯酸钠和氯胺结合或者氯和二氧化氯联合的方式进行消毒。用联合消毒不仅可以提高消毒效率，还可以降低消毒副产物的生成，并且节约成本。在再生水处理中，如何组合消毒工艺起到扬长避短的作用是未来消毒工艺中需进一步研究的重点。

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Disinfection methods and their main issues in reused water system

Su Naite, Zhang Yajun, Xu Ping

(Beijing University of Civil Engineering and Architecture Urban rainwater drainage system and water environment key laboratory authorized by China's ministry of education，Beijing 100044, China)

Selection of disinfectant was significant for microbial control and safety of reclaimed water pipe network. This paper showed the common disinfectants disinfection mechanism and advantages and disadvantages in the reclaimed water disinfection process, pointed out the main problems of disinfection technology, and on this basis, put forward the development direction of the future.

reclaimed water; disinfection; sodium hypochlorite; chlorine dioxide; chloramines; O-zone; Ultraviolet (UV)

* 国家自然科学基金项目(51278026)。

2014-10-17；2014-11-11修回

苏乃特，女，1990年生，硕士研究生，研究方向：再生水管网管壁微生物膜生长与管壁腐蚀研究。E-mail：13488819619@163.com

许萍，女，副教授，研究方向：再生水利用。E-mail：xuping@bucea.edu.cn

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