生活饮用水消毒技术探析

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  摘 要:随着人类工业、社会经济及人民生活水平不断提高的需要,生活饮用水的消毒技术一直受到社会的广泛关注。国家也根据现实情况制定了相关的健康用水标准。生活饮用水消毒技术归纳起来主要有物理法和化学法两大类。但两种消毒方法各有利弊,如何提供健康的饮用水是当前水处理技术人员的一个研究重点。
  关键词:饮用水;消毒技术;化学方法;物理方法
  清洁饮用水是人类生活的一个根本要求,随着水源变得越来越匮乏,人们倾向于使用当地的未经预处理的可利用水,这导致了健康和卫生的问题。同时,随着人类工业的发展,目前水体污染亦日益严重。目前,世界上有超过10亿人无法获得安全的饮用水。在我国,约有3.2亿农村人口的饮用水不安全,其中1.9亿人口的饮用水中有害物质含量超标。饮用水中的污染物主要来源于工、农业生产的污染,城市和农村的生活性废弃物,天然环境中的有害物,配送材料及处理过程所致污染等。为保证饮用水质量,世界各国不仅及时修订了本国的水质标准,而且制定了控制水中有毒有害物质的对策。随着这些调查和研究工作的不断深人,人们逐步认识到,在很多情况下,常规的净化工艺已不能完全有效地去除水中的病原菌、病毒等。因此,以去除饮用水中有机污染及有毒有害物质为目标的饮用水深度净化技术得到日益广泛的应用。饮用水消毒技术的日益成熟,减少了重大疾病(如霍乱、伤寒等)对人类的威胁,为全球减少发病率和死亡率做出了重要的贡献。
  一、生活饮用水消毒要求
  我国政府十分重视饮水水质对人民身体健康的影响,2006年实施的《生活饮用水卫生标准))(GB5749一2006),水质指标由GB5749一85的35项增加至106项,增加了71项,修订了8项。其中微生物指标、饮用水消毒剂、毒理指标、感观性状等指标,都作了较大的调整。2005年,我国出版了《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》,该书结合我国国情和各地的具体条件,参照国际经验和技术发展情况,针对我国城市供水行业现状、存在间题及发展趋势,以保障安全供水、提高供水质量、优化供水成本、改善供水服务为总体目标,提出技术发展的主攻方向、2010年要达到的主要目标和2020年远景目标。我国建设部为了规范饮用水市场,于2005年发布并实施了《饮用净水水质标准》(CJ94一2005)。
  由于水源水的污染及现有自来水处理工艺的局限性,导致我国城市自来水存在不同程度的有机污染物、总硬度、铁锰、氨氮含量高等问题。对比我国近几年的生活饮用水标准和饮用净水水质标准中的某些指标(见表1),可以看出目前的城市自来水水质并不能满足人们直接饮用的需要,因此饮用净水对水处理提出了更高的要求。
  表1 GB5749-2006和CJ94-2005中某些水质指标的比较
  根据目前我国的现实情况居民饮用水占城市自来水总量的2%左右,大量的自来水被用做工业、绿化等。同时,大部分城市供水管道年久失修,自来水二次污染问题十分普遍和严重。我国目前在饮用水深度净化领域作了大量的应用及研究工作,现在国内已建设了一部分饮用水深度净化工程。虽然这一领域的水处理技术呈良好的发展态势,但目前的管道优质饮用水及市售瓶装饮用水几乎都是经反渗透设施处理后的去离子水。净化后的水虽将有害物质去除,但同时将人体所必需的矿物质和许多微量元素也去除殆尽,水质甚至达到了电子、食品等特殊工业的用水水质。这种去离子水作为饮用水是不科学的。国内外医学专家通过科学论证明确了优质饮用水"的概念。"优质饮用水"应是最大程度地去除原水中的有毒有害物质,同时又保留原水中对人体有益的微量元素和矿物质的饮用水。因此,采用合理的饮用水深度处理工艺,是决定饮用水水质的关键因素。
  二、生活饮用水消毒技术
  生活饮用水消毒技术归纳起来主要有物理法和化学法两大类。物理法是采用热、紫外线照射、超声波高频辐射等方法使细菌内蛋白质在物理能的作用下发生凝聚或使遗传因子发生突变而改变细菌的遗传特征,从而达到消毒的目的;化学法则是利用无机或有机化学药剂灭活微生物特殊的酶,或通过剧烈的氧化反应使细菌的细胞质发生破坏性的降解而达到杀菌的作用。
  (一)生活饮用水化学消毒方法
  1.氯气消毒法。在化学剂消毒法中,氯气消毒在饮用水的生产中是最常用的方法,但已经证实其存在细菌钝化作用,而且具有在消毒过程中产生消毒副产物的风险。氯气消毒主要是氯气溶于水后生成次氯酸的作用,次氯酸不稳定,易分解生成新生态氧,这些新生态氧能使细胞中的磷酸丙糖去氢酶中的巯基被氧化而破坏,引起细菌死亡 使用氯气消毒时存在消毒后含有难闻味道和嗅味,单独使用且水中存在隐孢子等微生物时杀菌效果不佳,以及产生有毒消毒副产物等缺点。
  2.氯胺消毒法。该法是通过氯与胺反应生成氯胺,实践证明它具有较好的杀毒效果,与水中有机物几乎不发生反应,可使三卤甲烷生成量与氯气消毒相比减50%左右,氯胺在管网中持续时间长,能有效控制管网中残余的细菌繁殖。同时氯胺消毒不产生氯气消毒所引起的氯臭味等。但国外有实验室通过动物实验研究,怀疑氯胺可能对遗传基因有毒性反应,这在很大程度上限制了这种方法的推广应用。
  3.二氧化氯消毒法。ClO2的氧化性极强,是氯气的27倍,其杀菌作用是通过在水中分解出的氯气穿透细胞壁,使蛋白质变性而实现的。研究表明ClO2是一种高效广谱的杀菌剂,对多种细菌、病毒均有极强灭活效果,尤其是低浓度ClO2在水中的扩散速度与渗透能力都比氯气快,因此具有用量少、作用快、杀菌率高等特点。
  尽管ClO2消毒有诸多的优点,但在实际应用中也存在一些缺点而限制了这种方法的应用。
  第一,二氧化氯很不稳定,与空气混合的体积比大于10%时,受到强光或强烈振动就可能发生爆炸。因此,ClO2通常是现用现制,一切高压储存等实验均失败,这给它的使用带来许多不便。
  第二,研究证明,高浓度的ClO2及其消毒后在水中形成的产物ClO2-、ClO3-等对动物具有一定的潜在毒性。但出现毒害作用的最小剂量也远较消毒投放量高出许多倍,所以正常饮用水消毒处理不会对人类的健康构成威胁,但我国水厂大多是手工操作,自动化程度不高,一旦操作失误等易造成事故。   第三,二氧化氯的生产方法虽然很多,但至今为止还没有一种方法能连续、稳定、高效、 低廉地生产ClO2来满足大水厂消毒的需要。
  第四,使用成本相对较高。许多成本分析表明,氯气消毒成本是最低的,二氧化氯消毒成本约为氯气消毒的2-4倍。
  (二)生活饮用水物理消毒方法
  物理消毒法与化学方法相比,具有诸多优点:不产生有毒有害的副产物、不影响水体的口感、消毒效果高、速度快 设备操作简单、便于运行管理、消毒成本低等。
  1.活性炭吸附法。在各种改善水质处理效果的深度处理技术中,活性炭吸附技术是完善常规处理工艺以去除水中有机物最成熟有效的方法之一。早在20世纪50年代初期,西欧一些国家和地区,以及美国在以地表水为水源的水厂中就开始使用活性炭来消除水中的臭味和色度。活性炭是一种多孔性物质,内部具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积,其中微孔构成的内表面积占总面积的95%以上。现有研究表明,活性炭对有机物的去除主要是微孔吸附作用。因而活性炭的孔径特点决定了它对不同分子大小有机物的去除效果。按照立体效应,活性炭所能吸附的分子直径大约是孔道直径的1/2到1/10,也有人认为起吸附作用的孔道直径是吸附质分子直径1.7一21倍,最佳范围是D/d=1.7一6。除了孔隙特征以外,活性炭对有机物的去除也受有机物特性的影响,主要是有机物的极性和分子大小的影响。同样大小的有机物,溶解度越大,亲水性越强,活性炭对其的吸附性能就越差;反之对溶解度小、亲水性差、极性弱的有机物却具有较强的吸附能力。
  2.紫外消毒法。紫外消毒法已成为消毒技术中普遍的一种方法,它能有效的杀死病毒和细菌。在饮用水消毒中,紫外消毒具有无需化学药剂的添加、无消毒副产物的形成以及成本经济等优点。紫外线消毒是一种物理消毒方法,它并不是杀死微生物,而是去掉其繁殖能力进行灭活。紫外线消毒的原理主要是用紫外光摧毁微生物的遗传物质核酸(DNA 或RNA),使其不能分裂复制。除此之外,紫外线还可引起微生物其他结构的破坏。微生物在人体内不能复制繁殖,就会自然死亡或被人体免疫系统消灭,从而不会对人体造成危害。
  长时间紫外线辐射可以降解有机物质、抑制细菌在水中的生长。然而,在低紫外线剂量(<130mWs/cm2)时,研究表明无可吸收有机碳(AOC)或可生物降解溶解有机碳(BDOC)的增加。在无残留消毒剂饮用水中,养分含量能导致微生物的生长,是磷元素而不是AOC或BDOC限制了饮用水中异养微生物的生长。关键问题是紫外线辐射会增加水中微生物可利用磷(MAP),而缺磷的水中,低浓度的磷仍然能增强微生物的生长。有研究显示在有氧存在下的紫外辐射是能从有机磷中释放出磷的。紫外消毒剂量随着杀灭的微生物的不同而变化,饮用水消毒指南中紫外线最小的消毒剂量为16~40mWs/cm2。影响紫外线杀菌效果的主要因素有灯管的功率、照射时间及水层厚度等。紫外线灯管的功率是随着使用时间的增加而降低的,其杀菌效果也随之下降。因此,目前在紫外线消毒中普遍存在的问题有:紫外光源的强度与寿命,灯管表面结垢影响消毒效果,无持续杀菌能力,缺少对这一领域的深入研究 设备投资较大等。
  3.臭氧、活性炭联合消毒法。臭氧(O3)具有强氧化性,最早它是作为饮用水的消毒剂出现的,并且又能去除水中的色度和臭味,因而得到了应用。随着水处理技术的发展,通过利用臭氧的强氧化能力,可以破坏有机物的分子结构以达到改变其物质成分的目的。因此目前对臭氧如何更有效去除饮用水中有机物的研究已成为给水处理中关注的重点。
  臭氧、活性炭联合消毒法,首先是1961年在德国的Amstard水厂开始的。考虑到水处理中使用的活性炭能较有效去除小分子有机物,但对大分子有机物的去除有限。当水中大分子有机物含量较多时,势必会使活性炭的吸附表面加速饱和,得不到充分利用,缩短使用周期。若进水先经臭氧氧化,使水中大分子有机物分解为小分子状态,这就提高了有机物进人活性炭微孔内部的可能性,充分发挥了活性炭的吸附表面,延长了使用周期。同时后续的活性炭又能吸附臭氧氧化过程中产生的大量中间产物,包括解决了臭氧无法去除的三卤甲烷及其前驱物质,并保证了最后出水的生物稳定性。臭氧、活性炭联合消毒技术,从一定意义上可以认为,臭氧氧化提高了活性炭的处理效率。而该工艺之所以有稳定、高效的有机物去除效率,有很大一部分原因在于臭氧氧化导致活性炭进水有机物分子量的减小、可吸附性的提高并使有机物尺寸等特性与活性炭孔径分布协调一致的结果。
  4.膜分离消毒法。在水处理方面,膜分离技术脱离了传统的化学处理范畴,转人到物理固液处理领域。与常规饮用水处理工艺相比,膜技术具有少投甚至不投加化学药剂、占地面积小、便于实现自动化等优点,并已大量应用于城镇自来水的深度处理中。常用的以压力为推动力的膜分离技术有微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)以及反渗透(RO〕)等。膜分离技术的特点是能够提供稳定可靠的水质。这是由于膜分离水中杂质的主要机理是机械筛滤作用,因而出水水质在很大程度上取决于膜孔径的大小。
  随着技术的进步和人们对饮用水水质要求的提高,优质饮用水供应正逐步普及,饮用水深度处理技术得到日益广泛的应用,相信在不远的将来,人们可以喝到更加卫生、更加健康的水。
  参考文献:
  [1] 李圭白,杨艳玲.第三代城市饮用水净化工艺--超滤为核心技术的组合工艺[J].给水排水,2007(33).
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