饮用水消毒工艺的发展

唐励文　周柏明

摘 要：饮用水中常见的消毒工艺包括液氯、次氯酸钠、氯胺、二氧化氯、臭氧和紫外线等，使用上，液氯消毒操作简单，技术成熟，使用广泛，但存在一定的风险。从消毒能力来说，臭氧和次氯酸钠都比较强，而液体的次氯酸钠比臭氧更好管理一些。紫外线消毒没有消毒副产物产生，且操作简单、安全，是今后可能取代化学消毒法的绿色环保的消毒方法。二氧化氯是目前国际公认的一种高效，低毒，快速，广谱的第四代新型灭菌剂，更适于给水消毒工艺。该文通过阐述其消毒原理、消毒副产物以及应用局限性，指出各种方法的优缺点。

关键词：饮用水 消毒 原理 消毒副产物

中图分类号：R12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0076-03

Abstract：The common disinfecting process of drink water includes liquid chlorine，chloramines，chlorine dioxide， ozone and ultraviolet rays etc.The use of chlorine disinfection is simple，mature and widely used，but still at risk. From the disinfection ability，ozone and NaClO are relatively strong，while the liquid sodium hypochlorite is managed better than ozone.Ultraviolet disinfection is not produced disinfection byproduct，and the operation is simple and safe.It is a green environmental protection method in the future.Chlorine dioxide is a highly effective， low toxic，fast and broad spectrum of the fourth generation of new sterilization disinfectant，which is more suitable for water supply and disinfection process.In this paper，the advantages and disadvantages of various methods are pointed out by expounding the principles of disinfection，disinfection by-products and application limitations.

Key Words：Drinking water；Disinfection；Principle；Disinfection by-products

随着社会的发展，人们生活水平的提高，对饮用水水质的要求也越来越高。但现代工农业的发展迅猛，通过各种途径进入水源水体的有机物质越来越多，导致河流、地下水等饮用水水源的水质不断恶化。另外，伴随着检测技术的发展，某些病原微生物诸如贾第鞭毛虫和隐孢子虫等被检出。为保障饮用水的微生物安全性，通常会对其进行消毒。漂白粉被应用于饮用水的消毒始于1820年。之后，化学消毒剂在种类和使用方法上不断发展，消毒方式也不局限于化学药剂，一些物理方法也被应用于消毒工艺中，如紫外线和膜处理等。饮用水中常用的消毒方式包括液氯、次氯酸钠、氯胺、二氧化氯、臭氧和紫外线等。现就近几年饮用水消毒工艺应用作简单阐述。

1 液氯

1.1 消毒原理和方法

氯的分子式为Cl2，在常温常压态下为黄绿色气体，经压缩成液体后存储于钢瓶中，故又称为液氯。液氯是迄今为止最常用的消毒方法，液氯主要通过氯气溶于水后生成的次氯酸来消毒。次氯酸能够扩散到带负电的微生物表面并穿透其细胞壁到内部，通过氧化作用使细菌死亡。HOCl或OCl-形态的氯称为游离性余氯，pH值越低，HOCl对细菌的杀灭能力越强。

1.2 消毒副产物

液氯及其水解物次氯酸会与水中天然的有机物（如腐植酸、富里酸、藻类）和无机物（如溴化物）发生取代、加成和氧化反应，生成超过300种副产物。其中，三卤甲烷和卤乙酸是对人和动物有危害的DBPs物种。有研究发现，在消毒副产物的总致癌风险中，卤乙酸的致癌风险占91.9%以上；而三卤甲烷的则小于8.1%[1]。

1.3 应用和局限

液氯消毒操作方便，成本较低，消毒能力强且作用持久，已成为目前给水系统中最为经济有效的消毒技术，但其消毒后生成的消毒副产物对人体存在健康隐患。随着人们健康意识的加强，越来越关注液氯消毒副产物的危害性，因此，液氯消毒有被其他消毒方式逐步代替的趋势。

2 次氯酸钠

2.1 消毒原理和方法

次氯酸钠，化学式NaClO，有较强的漂白作用，性质不稳定，受潮湿和光、热的影响易丧失有效成分，一般采用次氯酸钠发生器现场制取和使用。次氯酸钠的灭菌大致有3种方式。

第一种也是最主要的方式是通过水解形成次氯酸，次氯酸再进一步分解形成新生态氧，新生态氧的强氧化性使菌体和病毒上的蛋白质变性，从而杀灭病源微生物。第二种方式，次氯酸不仅可作用于细胞壁、病毒外壳，而且因次氯酸不带电荷且分子小，可渗透入菌（病毒）体内，与菌（病毒）体蛋白、核酸以及酶等有机高分子发生氧化反应，来杀灭病原微生物。第三种，次氯酸生成的氯离子能显著改变菌（病毒）体的渗透压，使其细胞失活而死亡。

2.2 消毒副产物

次氯酸钠为含氯消毒剂，主要也是由氯代消毒副产物对人畜产生影响，同时，次氯酸钠消毒可能增加氯酸盐、次氯酸盐和溴酸盐等无机物副产物。

2.3 应用和局限

使用次氯酸钠发生器制取次氯酸钠消毒液的最大优点是随产随用，无需外购和储存，不存在氯气泄漏等危害。其缺点是电极表面易腐蚀，维修难度较大。次氯酸钠消毒工程建设投资费用低、经济实用、运行安全，适合于小型水厂的应用。

3 氯胺

3.1 消毒原理和方法

氯胺是通过氯和氨反应生成。当水中氨氮含量低于0.05 mg/L时，便在加氯前先投加氨或铵盐，再加氯使之生成化合性氯叫氯胺。当Cl2∶N<5∶1时，氯与氨氮只形成一氯胺，氯胺消毒一般采用该比例范围；5∶1

3.2 消毒副产物

氯胺消毒产生的副产物主要是一些亲水性化合物，如三氯乙醛、卤化腈等。与液氯消毒比，氯胺消毒生成的消毒副产物明显减少，但还没解决三卤甲烷等有机卤代物的问题。此外，近年来研究的热点转为具有强致癌风险性的亚硝胺类消毒副产物[2]，而氯胺消毒产生的亚硝胺类物质比氯消毒风险更大。

3.3 应用和局限

氯胺的灭菌作用较弱，但氯胺比氯稳定，可以在维持较好灭菌效果的同时避免副产物的产生，也可以祛除水在嗅觉和味觉上对人的刺激。氯胺经常与其他消毒方式联用，如氯胺与氯的联用，应用在长距离的配水管线中，保证消毒效果和持久性，同时又能减少三卤甲烷的产生。与高锰酸钾联用，在消毒效果上有协同作用。

4 二氧化氯

4.1 消毒原理和方法

二氧化氯为红黄色有强烈刺激性臭味气体。遇热水则分解成次氯酸、氯气、氧气，光照也易分解，其溶液于冷暗处相对稳定。二氧化氯性质活泼极不稳定，难以用钢瓶压缩贮存，一般多在现场制备。二氧化氯对微生物的细胞壁具有很好的穿透力和吸附能力，能阻止微生物蛋白质的合成而死亡。气体二氧化氯溶于水时以ClO2分子存在，有利于在水中扩散，其灭菌效果为氯气的10倍，次氯酸钠的2倍，抑制病毒的能力也比氯高3倍，比臭氧高1.9倍。因此应用于饮用水消毒时具有用量少、灭菌快等特点。

4.2 消毒副产物

有研究认为，二氧化氯的消毒作用是通过氧化作用破坏微生物的代谢，因此，二氧化氯与水中天然有机物发生的是氧化反应而非氯取代作用，不易产生三卤甲烷，有效地控制了氯代副产物的生成[3]。

二氧化氯与其他化合物反应会生成亚氯酸盐和氯酸盐等无机副产物。未有研究数据表面二氧化氯和亚氯酸盐具有致癌性。

4.3 应用和局限

二氧化氯是目前国际公认的一种高效，低毒，快速，广谱的第四代新型灭菌剂。与液氯、氯胺相比，二氧化氯具有不生成有机卤代物、受pH影响小、氧化能力强等优势；与臭氧、紫外线相比，二氧化氯有持续性强的优势，因此更适用于给水消毒工艺。除消毒外，二氧化氯还可将水中引起臭味的硫化氢、硫醇等物质氧化分解为无毒无味的硫酸或磺酸，能将氰类和酚类等有毒物质氧化降解为氨根离子和简单的有机物。二氧化氯具有脱色、除臭、除味等净水功能，未来会替代液氯等传统方法。

5 臭氧

5.1 消毒原理和方法

臭氧，是氧的同素异形体，有极强的氧化能力，稳定性极差，常温下自行分解为氧，在水中的溶解度为3%。臭氧具有极强的氧化性，因此被世界公认是一种广谱高效灭菌剂，它的氧化能力比氯高1倍，灭菌比氯快600～3 000倍，几秒钟内就可以杀死病源微生物。臭氧能氧化有机物，去除水中的色、味，降低水的浑浊度，还可去除水中溶解性的铁、锰盐类及酚等，有效改善水质。

5.2 消毒副产物

在臭氧消毒产生的消毒副产物中，有机的副产物主要是甲醛，无机的副产物主要是溴酸根离子。《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）甲醛和溴酸根的限值分别是0.9 mg/L和0.01 mg/L。目前人们研究的热点主要集中在如何能够在有效地杀死水中的病源微生物同时又能控制溴酸根在限值以下[4]。

5.3 应用和局限

臭氧灭菌彻底，无残留，是一种无污染的消毒剂。臭氧消毒作为氯消毒的替代方法，应用范围越来越广。但臭氧的制备工艺复杂，设备费用较高，需配备专业人员进行日常维护和保养，且臭氧本身极易分解，消毒持久性差，对管网无剩余保护，在推广使用上受到一定限制。

6 紫外线

6.1 消毒原理和方法

紫外线按波长范围分为A、B、C3个波段和真空紫外线，A波段320～400 nm，B波段275～320 nm，C波段200～275 nm，真空紫外线100～200 nm。饮用水消毒用的是C波段紫外线，而杀菌作用最强的波段集中在250～270 nm。紫外线消毒是利用适当波长的紫外线能够破坏微生物细胞中核酸分子结构，造成细胞死亡而达到杀菌的效果。

6.2 消毒副产物

紫外线消毒无任何二次污染，不残留任何有毒物质，不影响水的物理性质和化学成分。

6.3 应用和局限

紫外线消毒无消毒副产物生成，但是要求水体有一定的透明度，水中的悬浮物，有机物和氨氮都会影响紫外线的传播，进而影响消毒效果；另外紫外线消毒对管网水无保护作用。尽管如此，紫外线消毒仍是目前世界上最先进、最有效、最经济的水体消毒方法，在经济发达国家已被广泛使用，在我国也越来越被重视。

7 结语

消毒一直是饮用水处理的核心问题。理想的消毒剂应对人体无毒、无刺激性，并能迅速释放杀灭病源微生物，且耐储存，操作简单方便，易于普及。因此，寻求满足以上诸多要求的消毒剂和消毒方法是目前饮用水消毒技术发展的方向。

参考文献

[1] 刘松.饮用水的消毒及其消毒副产物的控制[J].能源与环境，2014（4）：70-73.

[2] 覃操，徐斌，夏圣骥，等.饮用水处理工艺中NDMA的生成与去除特性研究[J].中国给水排水，2010（21）：16-20.

[3] 黄君礼，吴明松.饮用水二氧化氯消毒技术的现状[J].净水技术，2010，29（4）：16-18.

[4] 何茹，鲁金凤，马军，等.臭氧催化氧化控制溴酸盐生成效能与机理[J].环境科学，2008，29（1）：99-103.