饮用水的消毒方法分析探讨

盖文红，孙惠霞

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

饮用水的消毒方法分析探讨

盖文红，孙惠霞

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

水是生命之源,水质安全在社会发展中发挥着重要作用,水处理是一个非常重要的工作, 消毒是水处理一个非常重要的环节。文章着重介绍了饮用水常用的几种消毒方法：氯气消毒法、臭氧消毒法、二氧化氯消毒法、氯胺消毒法和紫外线消毒法；阐述了各种消毒方法的消毒机理，工作环境的要求；分析了各种消毒方法的消毒效果和消毒成本；探讨了消毒后水中存留的副产物以及这些副产物对人体的影响。同时提出一些饮用水未来的消毒方法：高锰酸钾消毒、TiO2光催化消毒、膜消毒、电化学氧化消毒、生物活性炭消毒以及一些联合消毒方法，如高锰酸钾与氯联合消毒、紫外线与氯联合消毒等。

饮用水；消毒方法；水处理

0 前言

水是生命之源，水质安全与人类的生产、生活息息相关。随着社会经济的迅猛发展，人类的生产、生活用水量迅速增加的同时，工、农业生产中化肥、农药和化工产品等的使用，产生了大量未经处理的生活污水和工业废水并直接排入天然水体，超过了水体的自净能力，导致水源水质普遍受到污染，水质安全面临严重挑战。研究表明，饮用水中含有病毒和细菌，如霍乱弧菌、大肠杆菌和肝类病毒等，这些病毒和细菌严重影响人类的身体健康（张永吉，2006）。饮用水消毒消除了威胁生命的疾病，为全球减少发病率和死亡率做出了重要的贡献。而饮用水消毒以沉淀、絮凝、过滤以及诸如加氯或臭氧的化学处理过程等形式存在于水处理过程中，其处理方法具有可靠、低成本、廉价构造和随时可修等特点。因此，简单易用的饮用水消毒方法已经成为现在饮用水处理中的研究重点。

1 饮用水常用消毒方法

常用的饮用水消毒方法：氯气消毒法、臭氧消毒法、二氧化氯消毒法、氯胺消毒法和紫外线消毒法，每种消毒方法的成本不同，消毒后的副产物不同，每个国家和地方的经济和科技发展水平的不同，人们采用的饮用水消毒方法也各不相同，有其各自的优缺点。详见表1。

表1 常用消毒方法优缺点对比表Tab.1 common disinfection methods advantages and disadvantages of contrast table

1.1 氯气消毒

早在19世纪初期，在欧美一些发达国家，由于排出的污水、粪便和垃圾等使地表水和地下水受到污染，造成霍乱、痢疾以及伤寒等传染病多次大规模爆发和蔓延，夺去了成千上万人的生命，从而产生了传统的水处理工艺，产生了最早的饮用水消毒方法——投氯消毒。

（1）氯气消毒的机理

氯气消毒的机理是将氯气（Cl2）通入水中，氯气与水反应，生成具有强氧化性HClO，HClO侵入细菌体内，将细菌酶蛋白氧化，破坏了细菌的生存能力，从而达到杀死细菌的目的。

（2）氯气消毒的特点

该法具有消毒效果好、消毒剂成本低、消毒工艺成熟以及消毒操作简单方便等优点，国内大部分水厂都使用氯气消毒。其缺点是，消毒后会生成三卤甲烷和卤乙酸等卤代物，对人体健康构成潜在危险。

1.2 臭氧消毒

1856年巴黎首次应用臭氧对医院病房进行消毒，1905年起臭氧开始用于水处理消毒。臭氧消毒可除去水中的卤化物。

（1）臭氧消毒的机理

臭氧极不稳定，分解时产生[O]，其具有极强的氧化能力。臭氧溶于水，生成氧化能力极强的[HO2]和[OH]自由基。单原子氧[O]可以迅速分解水中的有机物、无机物、细菌和微生物；[OH]可使有机物发生连锁反应，对各种致病微生物具有极强的杀伤力。臭氧消毒的作用有两个方面：①灭菌作用：臭氧能氧化分解细菌内部降解葡萄糖所需的酶，破坏细菌的代谢途径，从而使细菌死亡；臭氧可以直接与细菌和病毒作用，破坏细胞器的DNA和RNA，破坏细菌的新陈代谢，从而使细菌死亡；臭氧还可以通过细胞膜组织侵入细胞内，破坏外膜上的脂蛋白和脂多糖，使细菌发生通透性畸变而溶解死亡。②臭氧具有强氧化性，能降解水中的有机物，矿化水中的无机物，从而达到水质消毒的目的。

（2）臭氧消毒的特点

臭氧几乎对所有细菌、病毒和真菌等都具有明显的灭活效果，可杀死细菌繁殖体、芽孢、病毒和真菌等，还可以破坏肉毒杆菌毒素。臭氧由于稳定性差，会分解成氧气或单个氧原子，因此不存在二次污染。但是臭氧可将大分子有机物分解成较小的中间产物，部分中间有机物会存在毒性，在加上氯消毒后可能生成致突变性更强的副产物（王宝贞等，2002）。

臭氧消毒成本过高，O3用量较难控制，消毒后对管道有腐蚀作用；臭氧与铁、锰和有机物等反应，可产生微絮凝；若水中有Br-时，臭氧将Br-氧化成溴酸根（致癌物），对人体健康有潜在的危险。

1.3 二氧化氯消毒

1956年比利时的布鲁塞尔把二氧化氯作为自来水的消毒剂后，二氧化氯的消毒开始被广泛应用。二氧化氯杀菌能力强，对环境不会造成二次污染，备受人们的青睐。

（1）二氧化氯消毒的机理

ClO2具有很强的氧化性，对微生物细胞壁有较强的吸附穿透能力，ClO2分子进入细胞内部，能破坏微生物的葡萄糖氧化酶，使其不能参加氧化还原活动并导致细胞的代谢机能发生障碍。此外，ClO2还可以与细菌中的部分氨基酸发生氧化还原反应，使氨基酸分解破坏，进而控制蛋白质的合成，最终导致细菌的死亡，达到消毒的目的。

（2）二氧化氯消毒的特点

二氧化氯具有极强的氧化能力，能够抑制微生物中蛋白质的合成，从而对细菌、病毒达到灭活的作用。二氧化氯不会与有机物反应生成三卤甲烷等，可以减少水中三卤甲烷等副产物的生成。由于其强氧化性，对水中的无机污染物铁、锰和硫化物等有很好的去除作用，同时能去除水中的色和味。二氧化氯在管网中能存留时间较长，能保持长时间消毒。但由于二氧化氯具有强氧化性，易发生爆炸反应，不易储存和运输，用二氧化氯消毒都是在消毒现场制备，制备成本较其它方法高。此外，实验证明，二氧化氯溶于水后转变成ClO2-和ClO3

-，其对人体血红蛋白、神经系统和生殖系统有损害（王擎等，2006），因此需严格控制二氧化氯的用量。

1.4 氯胺消毒

该消毒方法于1916年首次在加拿大渥太华使用，1917年在美国克罗拉多丹佛市使用，20世纪20—30年代得到广泛应用。

（1）氯胺消毒的机理

氯胺的消毒作用是通过缓慢释放次氯酸而进行的，其消毒作用机理与氯气相近，通过穿透细胞膜，使核酸变性，阻止蛋白质的合成，从而达到杀灭微生物的目的。氯气加入到水中，生成次氯酸，次氯酸可以与氨气反应生成氯胺，反应式如下：

这些反应均存在一个动态平衡，氯胺消毒起消毒作用的是其缓慢释放的HClO。当HClO因消耗而减少时，反应（2）按逆反应方向进行生成HClO，从而实现消毒的目的。在消毒时，NHCl2和NCl3会使水产生异味和不良口感，应该通过控制NH3：Cl2比以及其它因素，尽量避免NHCl2和NCl3的生成。

（2）氯胺消毒的特点

氯胺与水中的腐殖物质作用小，可减少“三致”物质的生成。此外，由于氯胺的氧化能力低，因此杀菌能力较弱，需长时间接触方可对病原体起到灭活作用。

1.5 紫外线消毒

1910年法国Marseille自来水厂首次将紫外线消毒技术应用到实际生产中（颜育平，1992）。1916年美国kentucky建立紫外线消毒系统（刘文君，2009）。由于紫外线消毒技术不存在二次污染，近些年紫外线消毒技术得到了迅速发展。

（1）紫外线消毒的机理

紫外线是指波长为10～400nm的光波，而真正具有消毒杀菌作用的是200～280nm的紫外光波，且250～270nm的紫外光波杀菌能力最强。紫外线可以杀死各种微生物，包括细菌繁殖体、芽孢、分枝杆菌、病毒和真菌等。通过紫外线对微生物的辐射，导致DNA(脱氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸)的键和链的断裂、交叉交联及形成光化产物，改变DNA和RNA的生物活性，破坏细胞的生殖能力，杀死水中的细菌、病毒、寄生虫和水藻等，从而达到水处理过程中的消毒目的。

（2）紫外线消毒的特点

紫外线消毒几乎可以杀死所有的细菌和病毒，且紫外线消毒时间短，在一秒钟内就可以杀死细菌和病毒。由于紫外线消毒不需要加入任何化学添加剂，因此对水及周围环境不会产生二次污染。但紫外线是通过辐射杀菌，因此要求水质清澈，当水中的浊度、悬浮物浓度过高时，将影响水的消毒效果。

2 饮用水消毒技术发展趋势

由于饮用水水源受污染的程度及广度日趋扩大，以及人们对饮用水水质的要求不断提高，水处理过程中的消毒灭菌面临挑战。世界各国加快了对饮用水消毒方法的研究。以往的消毒技术正不断的引入到饮用水消毒当中来，同时，越来越多的人倾向联合消毒的水消毒技术。

2.1 消毒技术

（1）高锰酸钾消毒

高锰酸钾消毒原理是使菌体酶蛋白中-SH基氧化为-S-S-基而失去酶活性，代谢机能发生障碍而死亡。

（2）TiO2光催化消毒

TiO2光催化杀菌机理主要辅以酶A氧化机理、细胞壁（膜）破坏机理和遗传物质破坏机理为主。

（3）膜消毒法

膜过滤技术是一种高效、低能耗和易操作的液体分离技术,同传统的水处理方法相比具有处理效果好,可实现废水的循环利用和对有用物质回收等优点。

（4）电化学氧化消毒

电化学消毒法具有环境友好、安全、效率高、处理费用低等优点，电化学消毒体系中，微生物的灭活机理包括电场的直接作用、电化学过程产生自由氯组分的作用和活性基团的作用

（5）生物活性炭消毒

活性炭具有高比表面积及发达的孔隙结构，对水中溶解氧及有机物有强吸附特征。活性炭技术就是将活性炭作为载体，通过富集或人工固定微生物，在适当的温度及营养条件下，微生物在活性炭表面生长繁殖，形成BAC。它可同时发挥活性炭的物理吸附作用和微生物的降解作用。

2.2 联合消毒法

针对化学剂消毒法会产生消毒副产物的缺点，寻找消毒效果好且产生消毒副产物少的优质消毒剂，或是采用两种或两种以上的消毒剂联合消毒即联合消毒法。

研究物理消毒法与化学剂消毒法联合的消毒效果，考察物理消毒法对于消毒副产物的降解效果，从细菌杀灭效率、消毒副产物的生成、成本等方面综合考虑两者联合的可行性。联合消毒法可以弥补单一消毒法的不足，提高消毒效果。将物理法消毒与化学药剂联合使用，不但可以减少化学药剂的使用量，降低副产物，还可以降低物理法的使用条件限制，降低经济成本，这将是饮用水消毒的发展方向。

3 结论

随着社会的不断进步，人们对水质的要求在不断提高，这就要求饮用水的处理工艺不断提高，饮用水的消毒技术不断升华。以往技术方法存在其各自的优缺点，但已不能满足人们的需要，随着科学技术的不断发展，许多新的消毒技术不断被应用到饮用水的消毒方法中来，同时联合消毒的消毒技术被越来越多的人所认可。

人们对水质高要求的追求，催生了许多消毒技术在饮用水消毒领域的应用，如高锰酸钾消毒、TiO2光催化消毒、膜消毒、电化学氧化消毒以及生物活性炭消毒等。

联合消毒方法，如高锰酸钾与氯联合消毒、紫外线与氯联合消毒等，不断的被引入到饮用水处理当中来，提高人类生活用水的质量，也使人类生活水平大大提高。

我们期待更新的消毒技术的不断问世，取代一些传统的消毒技术，使我们能使用上优质的水源。尽管如此，我们也还是要保护好我们的水环境，保护好人类的水资源。

张永吉，2006. 紫外线消毒对水中微生物灭活效果研究[D].清华大学.

王宝贞，王欣泽，李冰，等，2002. 优质饮用水的消毒方法[J].哈尔滨工业大学学报，34(4)：478-482.

王擎，郑爽英，张弛，2006. 饮用水消毒技术研究与应用[J].中国消毒学杂志，23(4)：349-351.

颜育平，1992. 紫外线消毒在城市污水深度处理及回用中的技术研究[D]. 天津大学.

刘文君，2009. 紫外线消毒原理、设计和应用[J]. 中国建设信息(水工业市场)，(4)：18.

Analysis on the Disinfection Method of Drinking Water

GAI Wenhong, SUN Huixia
(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195)

Water is the source of lives, which quality security plays an important role in social development. The water treatment is a very important process, of which the disinfection is a key procedure. This paper emphatically introduces some frequently-used disinfection methods of drinking water: chlorine disinfection method, ozone disinfection method, chlorine dioxide disinfection method, chloramine disinfection method and ultraviolet disinfection method; explains the mechanism of various disinfection methods and their work environment requirements; analyzes the effect of sterilization and disinfection cost; discusses the left by-products and their impacts to the human body. Meanwhile, some impossible disinfection methods of drinking water are put forward:potassium permanganate disinfection, TiO2photocatalytic disinfection, membrane disinfection, electrochemical oxidation disinfection, biological activated carbon disinfection, and some combination disinfection methods, such as potassium permanganate and chlorine disinfection, ultraviolet ray and chlorine disinfection etc.

Drinking water; Disinfection method; Water treatment

A

1007-1903（2017）04-0040-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.007

盖文红 （1970- ），女，本科，工程师，主要从事地下水测试研究。E-mail：mengjie702@sohu.com