2.2　常用饮用水消毒技术

饮用水消毒技术，归纳起来主要有物理方法和化学方法两大类。物理方法则是采用加热、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。化学方法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作用。通过对饮用消毒技术发展状况、存在问题及其适用性分析，本书主要介绍国内外常用的氯、二氧化氯、紫外线和臭氧消毒技术。

2.2.1　氯消毒技术

氯消毒是最常用的一种消毒方法，用于饮用水消毒已有近百年历史，液氯、次氯酸钠、次氯酸钙片（饼）剂、漂白粉、漂粉精消毒等都属于氯消毒的范畴。因为氯气是剧毒危险品，存储氯气的钢瓶为高压容器，液氯消毒的最大问题是氯气运输和使用安全性要求高、风险大，需要安全部门审批备案；漂白粉有效氯含量低，且滤渣多，容易堵塞管道，仅用于小型供水工程或工程试运行阶段的管网消毒；漂粉精成本较高，多数用于应急消毒；近年来，次氯酸钠（钙）消毒应用范围不断扩大，主要是现场发生制取次氯酸钠溶液消毒。

氯消毒的有效消毒成分均为次氯酸。次氯酸是很小的中性分子，它能扩散到带负电的细菌表面，并通过细菌的细胞壁穿透到细菌内部。当次氯酸分子到达细菌内部时，通过氧化作用破坏细菌的酶系统使细菌死亡。次氯酸根具有杀菌能力，但由于带负电，难于接近带负电的细菌表面，杀菌能力比次氯酸差得多。生产实践证明，pH值越低，消毒作用越强，次氯酸消毒起主要作用。

次氯酸钠（钙）消毒具有下列优点：

（1）广谱性，对水体中常见的致病菌都有灭活作用。

（2）易检性，消毒剂余量容易检测和控制。

（3）经济性，价格低廉、工艺成熟、效果稳定可靠。

次氯酸钠（钙）消毒具有下列缺点：

（1）易产生消毒副产物，氯进入水体后，与水中的很多天然有机物和无机物发生反应，生成三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产物，其健康风险问题受到广泛关注。

（2）为保证消毒效果，一般要求与水接触时间不少于30min，需要有清水池或反应容器，且容积较大。

（3）次氯酸钠投加浓度控制要求高，投加量过大会引起用水户口感和味觉上的不适。

2.2.2　二氧化氯消毒技术

随着各种有机卤代消毒副产物的检出及其生物毒理学研究的不断深入，发达国家在水质标准中开始规定其限值，GB 5749—2006也规定了三氯甲烷、四氯化碳、二氯乙酸、三氯乙酸等消毒副产物的限值。由于二氧化氯（ClO2）几乎不产生有机卤代消毒副产物，而逐渐推广应用，尤其在法国、瑞士、德国等欧洲国家，二氧化氯消毒使用更为普遍。ClO2是氧化还原电位仅次于羟基自由基、臭氧的强氧化剂，是一种广谱的消毒剂，对细菌、病毒、藻类等微生物均具有良好的灭活作用。

二氧化氯消毒具有下列优点：

（1）杀菌能力强、消毒效果快而持久。投加0.5～1.0mg/L二氧化氯，能在1min内将水中99%的细菌杀灭；在配水系统中存留时间长，应用不大的二氧化氯剩余浓度（0.1～0.2mg/L）就能维持较长时间的杀菌作用。

（2）消毒副产物少，不生成四氯化碳、卤乙酸、氯酚等致癌物。二氧化氯与有机物的反应是有选择性的，所产生的CNBr、THMs和HANs等消毒副产物比氯消毒少得多。

（3）能有效杀灭原生动物、芽孢、霉菌、藻类，有效去除色度和臭味，改善水质。

（4）pH值适用范围广。由于二氧化氯消毒形态和消毒过程中氢离子作用不大，在pH＝3～10范围内的杀菌性能基本保持不变。

（5）水质适用性强。二氧化氯不与氨发生反应，对于氨氮含量高的水不影响杀菌能力，消毒效率不受水的硬度和盐分影响。

二氧化氯消毒具有下列缺点：

（1）二氧化氯气体有毒，其制取设备相对复杂，原料为危险品，操作使用和管理安全性要求高。

（2）需要控制投加量，防止二氧化氯的分解产物亚氯酸和氯酸盐浓度超标。

（3）消毒成本较氯消毒高，制取设备的产物检测方法相对复杂。

2.2.3　紫外线消毒技术

紫外线消毒为物理消毒方法，几乎不产生消毒副产物，不产生引起感官不快的臭味等物质。如果与氯、氯胺、臭氧消毒组合应用，能够减少氯、氯胺、臭氧等消毒剂投量，降低副产物生成，能够催化臭氧、过氧化氢等消毒剂产生·OH，显著提高消毒效果，对灭活控制抗氯性较强的微生物（如贾第鞭毛虫、隐孢子虫等）具有重要意义。但紫外线消毒没有持续消毒效果，主要适用于农村小型供水工程以及城镇宾馆、医院等用水单位二次消毒。

紫外线消毒具有下列优点：

（1）杀菌范围广，消毒时间短。在一定辐射强度下，一般病原微生物仅需十几秒即可杀灭，也能杀灭一些氯消毒无法灭活的病菌，还能在一定程度上控制一些较高等的水生生物（藻类和红虫等）。

（2）一般不产生消毒副产物，不加何物质，水的物化性质基本不变。

（3）消毒效果一般不受水的化学组成（如氨含量）、pH值和温度影响。

（4）设备构造简单，安装与使用方便，维护少，运行安全，易实现自动化。

紫外线消毒具有下列缺点：

（1）没有持续消毒能力，适用于管路较短或没有二次污染以及原水生物稳定性较好的情况（一般要求有机物含量低于10g/L）。

（2）紫外线会被水中许多物质吸收（如酚类、芳香化合物等有机物、某些生物、无机物和浊度），影响消毒效果，要求处理水达标。

（3）难以做到整个消毒空间辐射均匀，存在照射阴影区。

（4）水中存在铁、硫化物等物质会导致紫外灯套管表面沉淀，形成覆盖层，降低紫外光强度。

（5）不易监测处理强度，消毒效果不易迅速测定。

2.2.4　臭氧消毒技术

臭氧在饮用水处理中应用的历史可以追溯到19世纪末。作为一种强氧化剂，臭氧对水中细菌、病毒、藻类、原生动物等均具有良好的灭活效能。臭氧消毒灭活细菌主要通过其强氧化性破坏某些基团得以实现。如臭氧氧化破坏细胞膜中醣蛋白、醣脂、氨基酸等基团，进攻细胞酶蛋白的巯基等官能团而导致酶失去活性，氧化细胞内核酸中的嘌呤、嘧啶等基团，实现细菌灭活。

臭氧消毒具有下列优点：

（1）氧化能力强，广谱、高效，能迅速杀灭变形虫、真菌、原生动物和一些耐氯、耐紫外线、耐抗生素的致病生物；臭氧杀菌比氯快300～3000倍，消毒效率高于液氯和次氯酸钠约15倍，消毒接触时间通常只需0.5～1min。

（2）受水质和温度影响较小，对pH适应范围比氯和二氧化氯宽，当浊度低于5NTU时对消毒效果的影响也不大。

（3）对健康影响较小，在消毒的同时能氧化一部分有机杂质，去除氯消毒副产物的前体物质；有研究认为臭氧处理和消毒不会增加致突变活性。

（4）臭氧的氧化能力比氯大50%，在消毒的同时可有效去除或降低臭、色和金属离子。

臭氧消毒具有下列缺点：

（1）臭氧不稳定，易分解（室温下半衰期15min左右），持续消毒效果差，主要适用于管路较短的小型供水工程。

（2）对应水量水质变化调节臭氧投加量较难，适用于水量水质稳定的小规模供水系统。

（3）设备系统比较复杂，运行控制和维护管理要求高，运行电耗和消毒成本较高。

（4）在原水中存在溴化物条件下易导致溴酸盐超标，应通过投加试验、检测和评价确定是否适用。

2.2.5　其他消毒方法

2.2.5.1　加热消毒

加热是最古老、最常用的消毒方法，属于物理消毒法。加热杀菌的机理通常认为是细胞内的蛋白质和有机物（包括酶）的凝聚变性。中国人普遍有用开水泡茶、喝开水的习惯，将水煮沸可杀灭绝大部分细菌繁殖体，是饮水消毒的一种方法。但人们往往不能保证随时随地能到喝开水，而且使用未经消毒的水漱口和洗涤后生吃的蔬菜、水果等也会导致微生物传染。因此不能因居民日常饮用水加热消毒而忽视供水消毒。由于加热消毒能耗大，没有持续消毒作用，通常仅限于临时或应急供水消毒。

2.2.5.2　过滤消毒

在水处理历史上，曾有采用慢滤处理的水厂控制了霍乱和伤寒蔓延流行的事例。通常认为出水浊度低于0.1NTU时，病原菌的去除率可达99.99%。过滤除菌的方式有常规深层过滤、生物慢滤和膜分离等。过滤除菌的优点是不需化学药剂，能耗和费用低，无二次污染等；缺点是无持续消毒效果，膜过滤易受化学物质侵害和微生物污染，设备购置及运行维护费用高。膜过滤消毒的作用和机理：①直接去除水中的微生物；②通过去除水中有机物、悬浮物和无机物等切断微生物生存、繁衍的途径，达到辅助消毒作用。膜分离技术有超滤、微滤、纳滤和反渗透四种，它们对微生物的去除效果均有报道。

2.2.5.3　氯胺消毒

在水中同时通入氯气与氨气可反应生成氯胺。氯胺包括一氯胺、二氯胺、三氯胺三种形式，在饮用水消毒中一般通过控制氯氨比（Cl2ϒNH3）使反应主要生成一氯胺。相对于氯消毒，氯胺灭活水中微生物的能力要低得多，在供水工程中将其作为主消毒剂（用于对清水池水消毒）的不多，一般作为管网二次消毒剂，较多用于城市供水管网二次消毒。氯胺消毒的优势主要有两个方面：①相同条件下，氯胺消毒的卤代消毒副产物生成量大大减少；②氯胺稳定性较好，衰减速率低。因此对长距离供水系统来讲，氯胺消毒更加有效保障管网末梢的消毒剂余量，从而保障水质微生物安全。但近年来也有研究发现，由于采用氯胺消毒引入了促进微生物生长的氮营养源，在一定条件下可能促进管网系统的微生物生长繁殖；另外，氯胺消毒可能产生某些有机胺类消毒副产物，其危害可能比氯消毒副产物更大。目前，氯胺消毒一般在规模较大、管网较长的城市供水中应用，在农村供水消毒中鲜有应用。

2.2.5.4　缓释消毒

缓释消毒一般用于农村小型或分散供水工程，是一种简单、方便的消毒措施。通过将消毒剂有效成分与载体（通常为高分子材料）结合在一起，然后置于水体中；载体中的有效成分通过扩散等方式缓慢释放，使水体中有效成分的浓度保持在预期范围内。国内除军事医学单位外，目前对饮用水缓释消毒技术研究尚不多见。由于缓释消毒操作简单、运输储存安全方便，效果较好，可用于边防海岛、野营、国防工程等饮用水及战备水源的消毒，也可用于水窑（窖）浅井、水池等农村分散供水消毒，以及突发供水事件供水消毒，具有良好的应用前景。

2.2.5.5　组合消毒

除以上消毒方法外，目前研究和应用较多的还有组合消毒方法，即通过两种或两种以上消毒剂的联用，以补充单一消毒的不足，最大限度的去除水中病原微生物。组合消毒方式有物理与化学方法、不同物理方法和不同化学消毒方法的组合等。

组合消毒方法能有效避免单一消毒工艺的缺点，充分发挥不同消毒剂的优势。两种或多种消毒剂组合使用时常常表现出协同消毒作用，可大大增强灭活微生物效能，对于杀灭具有较强生存能力的贾第鞭毛虫等原生动物具有重要意义。此外，由于消毒能力的增强往往能够降低消毒剂的投量，进而降低消毒副产物生成量，并在一定程度上节约成本。

总之，饮用水消毒事关水质安全及人类健康。随着社会发展和技术进步，人们对饮用水安全的要求不断提高，并做了大量的工作，对新的消毒方法进行不断地探索。近年来，医学、微生物学及其他学科的进步，新的病原生物不断被发现，新的消毒技术也不断涌现，如微电解（电化学）消毒、单过硫酸氢钾消毒、辐射消毒、磁场消毒、超声波消毒、超高压消毒、高铁酸盐消毒、氯化亚铁消毒等，但尚处于技术研究、熟化阶段，尚未在工程中推广应用。

截至目前，国内外尚未找到一种非常理想、通用的消毒技术，只能根据不同消毒对象和消毒目的选择适宜消毒技术，需要研究和工程实践者不断努力。氯和二氧化氯消毒已在国内外饮用水消毒中广泛应用，技术已经成熟；紫外线和臭氧消毒技术开始推广应用，但技术工艺的成熟性、经济性有待进一步研究和完善。