饮用水消毒技术的发展概述

2018-01-25

“受气候变化、污染等因素影响,世界上一些主要的河流正在面临干涸的危险;地球大约41%的人口居住在这些流域,1万种淡水动物和植物中至少20%已经灭绝,全球共有43个国家缺水,缺水的人口工有7亿,到2025年,缺水人口可能超过30亿.”但是那可能是一个可怕的结论,“人类看到的最后一滴水,将是我们人类自己的眼泪。”

生命离不开水。在日长生活中,人类生活和生产对水的需求量极大,为了满足世界人口对水源的需求,各地都建立起了不同类型的供水系统。我们是怎样获得干净、清洁、健康的水资源呢?正是水处理消毒技术保证了千家万户的水源供给,为人们提供了安全可靠地饮用水。

伴随着现代科技技术的进步,水处理技术日趋成熟,饮用水消毒技术也在不断发展。

1、饮用水常规含氯化合物消毒技术

1.1氯消毒技术

氯消毒主要是通过次氯酸的氧化作用来杀灭细菌,次氯酸是很小的中性分子,能扩散到带负电的细茵表面,通过细茵的细胞壁穿透到细菌内部,并起氯氧化作用,破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。但对于水中的病毒、寄生虫卵的杀灭效果较差,需要在较高值(消毒剂浓度乘以接触时间)才能达到理想的除菌效果。氯消毒的特点很多,其经济消耗不高,消毒操作简单,易于控制,消毒持续性好,余氯的测定也很容易。传统的给水处理观念中,认为饮用水使用氯消毒技术就可以控制致病菌传播问题,即使较大城市的长距离给水管网,只要维持管网末梢一定的余氯就可以保证饮用水的安全(我国(GB 5749-2006)生活饮用水卫生标准中规定管网末梢为 ≥0.05 mg/L)。但是,随后的几十年里,我们发现即使采用氯消毒技术对给水进行了处理,给水管道中仍检出几十种细菌,除少数铁细菌和硫细菌外,主要是以有机物为营养基质的异养菌。有时,输水管道中的细菌和大肠杆菌含量甚至超过出厂值。这是因为氯消毒后未杀死的细菌的自我修复生长和外源细菌进入管道造成的。

20世纪 70年代,随着人们对饮用水水质要求的不断提高,我们发现氯消毒产生的消毒副产物对人体健康有较大不利影响。越来越多的消毒副产物如三卤甲烷、卤乙酸、、卤代醛等在饮用水中被发现。人们开始重新审视消毒问题,并进行了大量的研究工作。研究发现氯在进行饮用水预氧化和消毒时与水中某些有机物如腐殖酸、富里酸等发生氧化反应,同时发生亲电取代反应,产生易挥发的和不易挥发的氯化有机物如三卤甲烷等。三卤甲烷和卤乙酸由于其强致癌性已成为研究人员的主要观察目标,而且也分别代表了挥发性和非挥发性的两类消毒副产物。常规处理工艺对预氯化产生的副产物不能有效去除,氯消毒技术渐渐不能达到当今人类的健康要求。而现代工农业的迅猛发展使得环境中产生了更多的有机化合物,这些物质进入给水系统会导致水质的进一步恶化,因此研发新的给水消毒技术已势在必行。

1.2二氧化氯消毒技术

二氧化氯是微红,略带黄色,有强烈刺激性的有毒气体,分子式为:ClO2,分子量为67.46g/mol。二氧化氯的消毒机理主要是氯氧化作用,能较好杀灭细菌、病毒,且不对动植物产生损伤,作用持续时间长,可保证较长时间的杀菌功效。另一方面,作用期间受 PH影响不敏感,可除臭、去色。二氧化氯是一种强氧化剂,对细菌的细胞壁有较好的吸附和穿透性能,可以有效地氧化细胞酶系统,快速地控制细胞酶蛋白的合成,因此在同样条件下,对大多数细菌表现出比氯更高的去除效率,对很多病毒的杀灭作用强于氯,是一种较理想的消毒剂。二氧化氯消毒在欧洲和北美都有一定的应用,被认为是氯消毒剂的理想替代品。二氧化氯消毒具有以下一些优点:杀菌效果好、用量少,作用快,消毒作用持续时间长,可以保持剩余消毒剂量;氧化性强,能分解细胞结构,并能杀死孢子;不产生三卤甲烷和卤乙酸等副产物,不产生致突变物质。

1.3氯胺消毒技术

氯胺消毒是氯衍生物的消毒方法之一,氯胺不能作为基本杀菌消毒剂的原因是氯胺消毒作用缓慢,也因此,其一度被停止使用。但由于氯胺能避免或减缓氯与水中有机污染物质的某些化学反应,从而使消毒后水中氯化副产物的生成量显著降低,氯胺消毒被广泛认为是控制消毒副产物形成的有效手段。根据研究,经过氯胺处理后,卤乙酸和三氯甲烷的含量大幅度减少。越来越多的供水公司开始重新在积水消毒处理过程中投放氯胺。一般认为,对于严重污染且有机卤化物含量较高的源水或水厂的供水管网较长(水流在管中停留时间大于十二小时)比较适合采用氯胺消毒。然而氯胺消毒对水中的贾第虫和隐孢子囊的去除效果却不能够令人满意。这也导致我们必须更进一步研究,造出更加安全、有效的消毒技术。

2、饮用水处理消毒新技术

2.1臭氧消毒技术

臭氧是淡蓝色、强烈刺激性的有毒气体,分子式:O3,具强氧化性,属易燃易爆品。臭氧消毒目前主要在欧洲国家应用较多,其消毒机理包括直接氧化和产生自由基的间接氧化,主要通过氧化来破坏微生物的结构,达到消毒的目的。因此消毒效果与其氧化还原电位直接相关。臭氧可将氰化物等有毒有害物质氧化为无害物质,作用速度快,效果明显。它还可以氧化溶解性铁、锰,形成不溶性沉淀,通过过滤去除。臭氧还可以将生物难分解的大分子有机物氧化分解为易于生物降解的小分子有机物。

同样,臭氧消毒技术也有它的不足之处:臭氧与有机物反应生成不饱和醛类、环氧化合物等有毒物质,比如三溴甲烷、乙腈氰甲烷、1-1二溴酮、溴酸盐、次溴酸、次溴离子等。这些副产物中最需要注意的是溴酸盐,其最大容许浓度极低,美国标准为 0.01mg/L。另外,三氯硝基甲烷和氯化氰也会产生,这几种物质的具体毒性还没有明确的定论。

虽然应用臭氧消毒也会有副产物生成,但一般情况下浓度不高,毒性也不如氯大。总的来说,臭氧消毒是一种比较好的给水消毒技术。

目前,国内臭氧行业普遍不能掌握臭氧制造的核心技术,导致臭氧制备技术能耗高,利用效率差等。就整个臭氧行业来讲,国内大型臭氧技术发展还面临着诸多的问题有待解决。

2.2紫外消毒技术

在 21世纪来临之时,一种新型的饮用水消毒技术产生——紫外线消毒技术。这种消毒技术快速而且经济。紫外线消毒的作用机理是利用特殊设计的高效率、高强度和长寿命的波段(110~280nm)紫外光发生装置产生紫外辐射,用以杀灭水中的各种细菌、病毒、寄生虫、藻类等。一定剂量的紫外辐射可以破坏生物细胞的结构,通过破坏生物的遗传物质而杀灭水生生物,从而达到净化水质的目的。这个作用过程并不是化学反应过程,因此不会向给水中加入新的副产物,更不会产生毒副物质。紫外消毒技术自 2002年进入中国水处理市场,几年来获得了飞速发展,已有上百家市政污水处理厂采用了紫外消毒系统。

紫外线消毒与臭氧消毒一样,无法持续作用。而且,因为不同细菌对紫外线的抵抗能力不一样,紫外线消毒时的紫外线使用强度无法把握。在消毒过程中,可能因为紫外线强度不够导致消毒不彻底,也可能以为紫外线强度过高导致不必要的经济消耗。也正因为此,一些水处理机构在进行紫外线消毒之前会对给水进行一些预处理工作,从而保证给水消毒的可靠性。

2.3活性氧消毒技术

截止目前,更多的饮用水处理技术被研发出来。例如,活性氧消毒技术、光催化消毒技术、生物消毒技术、电场消毒技术、超声波消毒技术等。

当然,和前面的饮用水消毒技术一样,这些消毒方式也有自己的优点和缺点,下面针对活性氧消毒技术进行简单的介绍。

活性氧消毒剂产品(九行系列单过硫酸氢钾复合消毒片):单过硫酸氢钾单剂吸潮或溶于水中,会迅速分解释放出氧气和硫酸钾,所以复合盐单剂不能直接用于消毒,只能以其为主要活性成分建立一个平衡稳定的系统,提高稳定性,延长有效期。

经由系统平衡处理过的九行系列单过硫酸氢钾复合消毒片,按不同的使用比例定量添加到待消毒水体中。溶于水后经链式反应连续释放活性氧进而形成羟基自由基、过氧化氢自由基等多种活性成分,不产生有害物质,高效消毒。其氧化能力较强,氧化势能高,超过氯化物、高锰酸钾、过氧化氢等,能够把水中的氯离子氧化为氯气,把醇类、醛类等有机物氧化为有机酸。单过硫酸氢钾标准电极电势为1.82V,高于氯气(1.36V)和二氧化氯(1.50V),低于臭氧(2.07V),既克服了氯气氧化能力相对较弱、用量大而且产生副产物的缺点,也避免了臭氧持续性差的弊端。

从分子结构看,过硫酸氢钾分子与过氧乙酸极其相似,过氧键分别与硫原子、碳原子连接,但是过硫酸氢钾是无机物,其消毒有效成份是单过硫酸氢根离子(SO5H-),其稳定性要好于过氧乙酸。

从分子结构看,过硫酸氢钾应该是中性盐,其水溶液的酸性是由于复合盐中硫酸氢钾溶解产生氢离子造成的。但是过硫酸氢钾在酸性条件下稳定性要远好于中性条件,在碱性条件下则会快速分解。其对微生物的杀灭机理可以解释为:

一是氧化作用,过一硫酸氢钾在水溶液条件下,释放出新生态氧,直接对微生物细胞壁蛋白进行氧化反应。

二是释放出高能小分子,干扰微生物的酶系统,迅速导致微生物蛋白分子失去活性。研究表明,过硫酸氢钾在作用于小分子有机物时,例如较长链的醛、胺类有机物,促进反应发生的是自由羟基。

三是复配的制剂中含有少量的氯化钠,在水溶液中过硫酸氢钾能够把氯离子氧化成氯气从而产生低浓度的次氯酸,氧化和氯化同时发生,能起到良好的消毒作用。

3、结语

饮用水消毒技术是我们共同关注的重要问题之一,饮用水处理的好坏将直接影响到人们的日常生活以及身体健康。一方面,我们要继续研究一些高效、环保、安全、可靠的给水消毒技术,另一方面,鉴于现在的科技技术水平,我们要善于搭配不同的消毒技术。我们应该根据不同的水质、环境、地理位置使用不同的给水消毒技术。只有综合利用已有的技术,才能提供安全、干净的水源。



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