黄浦江上游原水深度处理后加氯方式与研究论文.pdf

摘要 摘要 传统的消毒观念只是针对水中的病原性微生物，其目的是充分杀灭水中的 病原性微生物，确保水质卫生安全。目前看来，保障饮用水安全已经不能简单 地只考虑微生物安全性，同时要重视饮用水中微量的消毒副产物对人体健康的 长期危害。即消毒研究从微生物的单一控制扩大到微生物和消毒副产物的双重 控制，同时还应考虑消毒工艺对管网水的生物稳定性和化学稳定性的影响。 闵行自来水公司第三水厂设计工艺为黄浦江上游原水经预臭氧化和常规处 理以及后臭氧生物活性炭工艺深度处理。中试实验结果表明，出水c o d u a 平均 值为2 6 5 m g l ，氨氮平均值为0 2 1 m g l 。本课题主要考察其出水分别通过氯胺 消毒和折点加氯( 自由氯) 消毒出水的水质，比较两种消毒方式的消毒效果， 并探索主要的运行参数、影响因素等。最终选择一种较为合理的消毒方式并为 即将投入运行的新水厂的处理工艺中的消毒方式的选择提供参考和依据。 本文在分析研究国内外氯消毒应用情况的基础上，结合黄浦江上游原水水 质状况和生产实际，通过中试和实验室试验对使用氯胺消毒和自由氯消毒的效 果及其对水质的影响进行了一些有益的探索。其主要研究结论如下： 在采用氯消毒时，当氨氮浓度在l m g l 以上时一般采取氯胺消毒，效果良 好且经济；当氨氮浓度在o 5 l m g l 之间时，既可以采用折点加氯消毒，又可 以选择氯胺消毒，但是折点加氯消毒的加氯量比较高，水厂较近的用户打开水 龙头会有较大的氯味，所以最好选择氯胺消毒，要注意对加氯量的控制，避免 氯胺的气味；而当氨氮浓度低子0 5 m g l 时，如果采取氯胺消毒，化合性余氯 量较低，可能会出现管网末梢余氯量不满足水质标准的情况。 氯胺消毒的余氯衰减速率低于自由氯消毒，其持续消毒效果优于折点加氯 ( 自由氯) 消毒方式。氯胺的杀菌灭活能力要弱于游离氯的杀菌灭活能力，但 由于深度处理工艺中的预臭氧和后臭氧化，对细菌有很强的杀灭和抑制作用， 致使活性炭出水的菌落总数会比较低，所以出水菌落总数相差不大。 在保证饮用水微生物安全性的条件下，氯胺消毒副产物生成种类比折点加 氯消毒少，含量低。氯胺消毒总三卤甲烷生成量1 6 7 i _ t g l ，总卤乙酸生成量 9 8 4 p g l ，但有关资料表明氯胺的异味会使消毒后的水1 ：3 感较差；折点加氯消 摘要 毒总三卤甲烷生成量9 2 3 1 1 9 l ，总卤乙酸生成量2 2 7 9 9 9 l ，其值也在饮用水卫 生标准规定的标准范围内，这是由于深度处理对消毒副产物前驱物去除有较好 的效果。 折点加氯消毒对饮用水的生物稳定性有较大影响，自由氯浓度越高，其生 物稳定性就越差。氯胺消毒对生物膜成长具有较好的控制作用，在减少饮用水 中的a o c 含量、提高饮用水的生物稳定性方面优于自由氯消毒方式。 黄浦江原水经过深度处理工艺之后采取氯胺消毒或者自由氯消毒的出水水 质虽然有这样或者那样的差异，但都可以满足生活饮用水卫生标准的要求。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：氯胺消毒；自由氯消毒；消毒效果；消毒副产物，生物稳定性 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a ld i s i n f e c t i o nj u s ta i ma tp a t h o g e n ym i c r o o r g a n i s mi nr a ww a t e r i t so b j e c t i v ei sk i l lt h ep a t h o g e n ym i c r o o r g a n i s ma ss u f f i c i e n c ya sp o s s i b l et om a k e s u t h es a f e t yo fo r a t i n gw a t e r f o rt h er e a s o n si nt h ef r o n t , t oe n s u r et h ed r i n k i n g w a t e rs a f e t ym u s tr e c o g n i t i o nt h em i n i md b p sh a r m f u lt oo u rb o d yi nal o n gp e r i o d o f t i m ei nd r i n k i n gw a t e r , n o ts i m p l yt l l i l l l ( o v e rt h ep r o b l e mo f m i c r o o r g a n i s ms a f e t y i tm e a n st h a tt h er e s e a r c ho fd i s i n f e c t i o ns h o u l db o t hc o n t r o lm i c r o o r g a n i s ma n d d b p sr a t h e rt h a nm i c r o o r g a n i s ms i m p l y a n dc o n t e m p o r a r y , w es h o u l dt h i n ko v e rt h e m i c r o o r g a n i s ms t a b i l i t ya n dc h e m i s t r ys t a b i l i t yi nt h ep i p en e tc a u s e db yd i s i n f e c t i o n 1 1 ”r a ww a t e ro f t h e1 1 l i r dw a t e rw o r k so f m i n h a n gw a t e rs u p p l yc o m p a n yi s p u m p e df r o mt h ew a t e ro fh u a n g p ur i v e ri nt h eh e a dp a r t i ti st r e a t e db y0 3 - b a c a d v a n c e dp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ed a t eo fp i l o t - s c a l et e s tb e f o r e ，t h ec o d v a l u e o fe f f l u e n ti s2 6 5 m g l t h ea v e r a g ev a l u eo fa m m o n i an i t r o g e ni so 2 1 m g l t h i s r e s e a r c hm a i n l ys t u d yo nt h ee f f l u e n tw a t e rq u a l i t yo fc h l o r a m i n ed i s i n f e c t i o na n d b r e a k - p o i n tc h l o r i n e ( f r e ec h l o r i n e ) d i s i n f e c t i o n , c o m p a r et h e e f f e c to ft h i st w o d i s i n f e c t i o np r o c e s s ，t h eq u e s tf o rt h ep a r a m e t e r so fr u n n i n ga n di n f e c t i o nf a c t o r s t h ef i n a l l yo b j e c t i v ei st of i n do u tar a t i o n a ld i s i n f e c t i o np r o c e s sf o rt h en m n i n g a d v a n c e dp r o c e s st oc o n s u l t o nt h eb a s i co f a n a l y s i st h ea p p l i c a t i o no f c h o r i n ed i s i n f e c t i o no f b o t hd o m e s t i c a n da b r o a d ，i n t e g r a t e dt h ew a t e rq u a l i t yo fw a t e ri nt h eh e a d o fh u a n g p ur i v e ra n d f a c to fp r o d u c t i o n , w ec a r r yo u ts o m eu s e f u ls e a r c hb yp i l o t - s c a l et e s ta n dl a b e x p e r i m e n tw i t ht h el y t d c e 鲳o fc h l o r a m i n ea n df r e ec h l o r i n ed i s i n f e c t i o n 1 1 1 e c o n c l u s i o n sa r ea sf l o w ： c h l o r a m i n ed i s i n f e c t i o ni sa l lr i g h ta n de c o n o m yw h i l et h ea m m o n i an i t r o g e n c o n c e n t r a t i o nu p w a r d sl m g l c h i o r a m i n ea n db r e a k - p o i n td i s i n f e c t i o na r eb o t ha l l r i g h tw h i l et h ea m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o na m o n go 5 l m g l b u tb r e a k - p o i n t c h l o r i n ed i s i n f e c t i o nm a y b em a k e st h ew a t e rs m e l l y c h l o r a m i n ed i s i n f e c t i o ni sa b e t t e rc h o i c e t h e r ew i l ln o tb ee n o u g hc h e m i c a lc o m b i n a t i o nc h l o r i n ef o r d i s i n f e c t i o nw h i l ea d a p tc h i o r a m i n ed i s i n f e c t i o nu n d e rt h ea m m o n i an i t r o g e n i a b s t r a c t c o n c e n t r a t i o nl o w e rt h a nl m g l t h cr a t oo fr e s i d u a lc h l o r i n ea t t e n u a t i o nb yc h l o r a m i n ei sl o w e rt h a nt h ef r e e c h l o r i n e ，a n dt h ec o n t i n u a n c ed i s i n f e c t i o no fc h l o r a m i n ei sb e t t e rt h a nt h eb r e a k - p o i m c h l o r i n e ( f r e ec h l o r i n e ) d i s i n f e c t i o n t h ea b i l i t yo f s t e r i l i z a t i o no f c h l o r a m i n ei sf e e b l e n e s st h a nf r e ec h l o r i n e f o rt h e o z o n ed o s e di nt h ea d v a n c e dw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sc a l lk i l ll o to fm i c r o o r g a n i s m , t h et o t a ln u m b e ro fb a c t e r i a lc o l o n yo fe f f l u e n tf r o mb a ci sl o w n e s s s ot h ee f f l u e n t f r o md i s i n f e c t i o nb yt h et w op r o c e s si sm o r eo rl e s st h es 栅e i nt h ec o n d i t i o no fp l e d g et h es a f e t yo fm i c r o o r g a n i s m ，t h ek i n d so fd b p s p r o d u c e db yc h l o r a m i n ei sl e s st h a nb r e a k - p o i n tc h l o r i n e n et o t a lt r i h a l o m e t h a n e p r o d u c e db yc h l o r a m i n ei s1 6 7 1 x g l 。t h et o t a lh a l o a c e t i ci s9 8 4 1 x g l t h et a s t eo f w a t e rd i s i n f e c t e db yc h l o r a m i n ei sw o r s et h a nc h l o r i n ed i s i n f e c t i o ns a i db ys o m e e x p e r t 1 1 1 et o t a lt 血a l o m e t h a n ep r o d u c e db yb r e a k - p o i n tc h l o r i n ed i s i n f e c t i o ni s 9 2 3 p g l t h et o t a lh a l o a c e t i ci s2 2 7 9 1 u g l 1 1 l ev a l u eo fb o t ht r i h a l o m e t h a n ea n d h a l o a c e t i ca r ei nt h es c o p eo fh e a l t hs t a n d a r df o rd o m e s t i cd r i n k i n gw a t e r , f o rt h e r e a s o nt h a tt h ep r e m o n i t o r ym a t e r i a lo fd b p sw a sp r e f e r a b l yt r e a t e db ya d v a n c e d t r e a t m e n t c h l o r i n ed i s i n f e c t i o ni n f l u e n c e st h em i c r o o r g a n i s ms t a b i l i t yo fd r i n k i n gw a t e r d e a r l y 1 1 抢h i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o no ff r e ec h l o r i n ei s t h ew o i s et h em i c r o o r g a n i s m s t a b i l i t y c l l l m 铷n i n ed i s i n f e c t i o nd o e sb e t t e rt h a nf r e ec h l o r i n ed i s i n f e c t i o ni n r e d u c i n gt h ea o c v a l u ea n dh e i g h t e n st h em i c r o o r g a n i s m s t a b i l i t y i nt h ef m a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c h l o r a m i n ed i s i n f e c t i o ； f r c e e f f e c t ：d i s i n f e c t i o nb y p r o d u c t ； i v c h o r i n ed i s i n f c c t i o n ；d i s i n f e c t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：气和 沈啼年) ) 弓l 6 h 结论 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没 有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原 创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：甏移叼杉 沙g 年) 月f g e t 第l 章引言 第1 章引言 1 1 概述 饮用水的处理方法中，灭活水中绝大部分病原体，使水的微生物质量满足 人类健康要求的技术，称为消毒。上述消毒的定义中有四点含义【许保玖， 2 0 0 0 ： ( 1 ) 消毒不同于灭菌，灭菌是指消灭全部微生物； ( 2 ) 消毒对水中病原体不是1 0 0 的消灭，只是以符合饮用水的微生物质 量标准为合格，但目前的标准尚不足以绝对控制饮用水的微生物质量； ( 3 ) 当消毒与其他前处理方法结合使用时，其他方法是将病原体从水中 分离出来，消毒则为将残余的病原体灭活在水中，整个过程是去除与灭活的过 程： ( 4 ) 消毒的作用必须一致保持到用水点处，以维持饮用水在输送过程中 的微生物质量。 消毒是水处理工艺中的重要组成部分，也是保证饮用水卫生安全的最后屏 障。采用地表水作为水源水的自来水厂中，消毒是传统的混凝沉淀过滤消毒 工艺的最后一环；而采用地下水作为水源水的自来水厂中，虽然没有前处理工 艺，消毒还是不可或缺的保障饮用水安全的手段。 最早在水处理行业中得到应用的消毒剂是氯，它的消毒作用是著名的科学 家科赫于1 8 8 1 年在实验室中发现的。1 9 0 5 年。为了控制伤寒的暴发，伦敦首 次在公共供水系统中采用了连续的氯化消毒处理。1 9 0 8 年，美国芝加哥的 b u b b l e yc r e e k 水厂首次将氯消毒作为常规处理工艺。也正是在这时，h a f i e t t e c h i c k 首次发表了他的著名消毒理论。此后二三十年间，加氯处理在水处理中 被广泛应用，成为直到目前仍然被绝大多数水厂采用的保障饮用水卫生的最后 屏障。 我国日前水厂中使用的消毒工艺以氯消毒为主。据不完全统计，我国约有 9 9 5 的水厂采用氯消毒工艺王占生，2 0 0 4 。大多数水厂采用折点加氯以保证 消毒效果；在我国南方的不少水厂中由于原水氨氮太高，采用氯胺消毒工艺。 第1 章引言 在部分大城市为了维持长距离管网中的余氯，也采用了氯胺消毒的做法。 美国饮用水处理行业目前也大多采用氯消毒，其他替代氯消毒工艺的应用 则呈现扩大的趋势 a w w aw a t e rq u a l i t yd i v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ，2 0 0 0 1 。美 国水工业协会水质分会消毒系统委员会在1 9 9 8 年对美国全国的水厂进行调 查。发现2 0 0 个服务人口在1 0 0 0 0 以上的大中型水厂中仍然使用氯气消毒的占 8 3 8 ，比1 9 7 8 ，1 9 8 9 年分别下降了7 2 和3 2 ；使用氯胺的占2 9 4 ，比 1 9 7 8 ，1 9 8 9 年分别上升了2 9 4 和9 4 ；使用次氯酸钠的水厂占2 0 3 ，比 1 9 7 8 ，1 9 8 9 年分别上升了5 6 和5 2 3 。使用含氯消毒剂的水厂仍占绝大多 数，但使用二氧化氯、臭氧消毒的水厂呈上升趋势，此外消毒尚没有在自来水 厂中大量使用。 欧洲国家，特别是西欧、中欧、北欧等经济发达地区，开始较多采用二氧 化氯、臭氧等替代氯消毒技术。对保障饮用水健康和技术革新的追求促使欧洲 发达国家在消毒工艺改进上走在前列，此外历史上氯气作为战争武器带给欧洲 人的痛苦记忆也促使欧洲人较早地将氯消毒排除在水处理之外。 总的看来，在国际水处理领域，氯消毒仍然占据消毒工艺的主体位置，但 是在发达国家已经出现了采用替代氯消毒技术的趋势。 1 2 饮用水消毒的现状及问题 给水处理中消毒的目的就是为了降低微生物风险。消毒一般是指将灭活水 中绝大部分病原体，使水的微生物水平满足人类健康要求的技术，其含义为： 清除或杀灭病原微生物及其它有害微生物，使其达到无害的程度。 1 0 0 多年来，饮用水消毒为人类控制水致疾病、提高供水微生物安全性起 到了至关重要的作用，大大降低了水致疾病的发病率。除原虫包囊外，良好的 饮用水消毒完全能防止绝大多数水致传染病的传播。由于氯消毒在控制传染病 的流行方面获得了无可非议的成效，世界各国普遍用氯来消毒饮用水和处理后 的污水。 饮用水微生物安全性直接关系到人民的身体健康。由于饮用水水源容易受 到粪便和生活污水等的污染，管网水在输送过程中也可能由于各种原因受到污 染，会使水中微生物增加，其中的致病菌可能引起多种水致疾病。如贾第虫 病、隐孢子虫病、肝炎、脊髓灰质炎、细菌性痢疾等等，一旦失控，便会引起 2 第1 章引言 疾病在某个地区的爆发性流行，涉及人数多，影响大。 在病原体控制的研究方面，对于致病菌、病毒和病原性原生动物的灭活已 经成为研究的热点。目前环境中常见的致病菌包括空肠弯曲杆菌、致病性大肠 杆菌、志贺氏菌属、霍乱弧菌、小肠结肠炎耶尔森菌、气单胞菌属、非典型分 枝杆菌【鄂学礼、凌波，2 0 0 4 】。常见的人肠道病毒包括脊髓灰质炎病毒、柯萨 奇病毒、埃可病毒、肝炎病毒、腺病毒、轮状病毒、诺沃克病毒等，共计1 0 0 多种。此外常见的病原性原生动物主要是隐孢子虫( c r y p t o s p o f i d i u m ) 、贾第鞭 毛虫( g i a r d i al a m b l i as t i l e s ) 、和溶组织阿米巴虫( a m e b a ) ，尤其以前两种为 主，在水处理中被称为“两虫”问题。 病原性原生动物，特别是其孢囊，对消毒剂的耐受力很强，传统的消毒工 艺难以灭活这些原生动物及其孢囊。研究表明，1 3 m g l 的二氧化氯接触 6 0 m i n ，或者8 0 m g l 的氯胺接触9 0 m i n 的条件下，对隐孢子虫的灭活率仅有 9 0 。在这种情况下，去除或灭活这些病原性原生动物已经不是消毒能够单独 承担的任务。而隐孢子虫孢囊和贾第鞭毛虫孢囊的粒径仅为l q 岬，这对混凝- 沉淀过滤工艺提出了更高的要求。一些研究发现自外消毒对灭活隐孢子虫及其 孢囊的效果较好，但对于紫外灭活隐孢子虫及其孢囊的机理上没有明确结论 j e n n i f e rlc l a n c y ，2 0 0 4 。 随着研究的不断深入，消毒可能造成的问题也逐渐引起了人们的注意。i l j 现代工农业的迅猛发展使人工合成的化学物质越来越多，自然水体污染状况令 人忧虑。水中的微量有机污染物主要来源有：( 1 ) 降水径流。汽车尾气排放的 碳氢类污染物参与光化学反应产生光化学烟雾，生成一些对人体有害的有机污 染物，随降雨等途经进入地表水体；( 2 ) 城市地表径流会将城市的一些有机污 染物带入；( 3 ) t 业废水；( 4 ) 固体废弃物；( 5 ) 农田径流会将农药和化肥等 成分引入水体；( 6 ) 水土流失严重则使地表的腐殖物质随地面径流进入水体， 致使地表水中天然有机物浓度普遍偏高。微量有机物虽然浓度很低( 一般在 嵋l - m g l 范围内) ，仅占水中有机物总量的很小一部分( 以总有机碳或高锰酸盐 指数等综合指标计，一般小于l o 呦，但是种类繁多，具有较高的致突变活性。 而且这些物质在水中仅部分挥发散失，且无分解能力，难降解，常规水处理工 艺不能有效地去除以溶解状态存在的微量有机污染物。此外水中的各种有机污 染物( 包括人工合成的和自然界存在的) 在消毒过程中，有可能和消毒剂发生反 应生成消毒副产物。 3 第1 章引言 从1 9 7 4 年发现氯消毒会产生具有致突变和致癌性的三氯甲烷以来，国际饮 用水界研究消毒副产物己经将近4 0 年。目前，已知消毒副产物在5 0 0 种以 上，集中研究的有2 1 种【2 j 。大量流行病学调查证明，长期饮用氯消毒的水会增 加人们得癌症的危险。2 0 世纪8 0 年代中期，发现了另一类非挥发性的氯化消 毒副产物卤乙酸( h a a s ) ，与低沸点的挥发性三卤甲烷相比，具有沸点高、不可 吹脱、致癌风险大的特点，二氯乙酸( d c a a ) 和三氯乙酸( t c a a ) 的致癌风险分 别是三氯甲烷的5 0 倍和1 0 0 倍p j 。除了三卤甲烷和卤乙酸两类主要的消毒副产 物之外，消毒工艺产生的副产物还包括卤代乙腈、卤代酮等其他八大类有机消 毒副产物以及亚氯酸盐、溴酸盐等无机消毒副产物。 另一方面，消毒剂本身是具强氧化性的化学药剂，对生物体肯定会造成某 些不利影响，不同消毒剂可能形成的影响是不同的。例如，二氧化氯会抑制甲 状腺素的分泌，氯胺可能引起肝脏细胞有丝分裂形式异常，氯会影响血清胆固 醇的含量1 4 】等等 由此看来，消毒技术在降低了饮用水微生物风险的同时，由于消毒副产物 的形成提高了饮用水的化学物风险，消毒剂本身对饮用水的安全性也有一定的 影响。要保证饮用水的微生物安全性和化学物安全性的统一，安全的消毒技术 已成为研究的重点技术之一，氯化消毒工艺的地位开始受到挑战。 目前，我国水环境污染严重。在1 0 ，0 0 0 0 k i n 的评价河段中，水质为类 及以上的占4 7 。北方辽、黄、海、淮流域，污水与地表径流比l ：1 4 1 ：6 。 全国7 5 以上湖泊水域，5 3 以上近犀海域受到显著污染，9 0 城市地面水受 到污染【5 1 。对l l g 座大城市调查，城市的浅层地下水9 7 1 5 受到污染，其中 4 0 0 , 6 受到严重污染四。造成的损失不低于洪涝灾害，被称为水质灾害。各城市 的水源水质数据表明，我国9 0 n , 6 以上城市水源受到严重污染，水中有机物含量 提高，不少水库富营养化加剧，季节性藻类繁殖。水厂原有的处理工艺无法净 化己恶化的水源，尤其在消毒工艺上，不少旧水厂面临着改造的问题，各地水 厂不得不在消毒过程中增加氯的投加量，虽杀死了各种病菌，却导致饮用水中 的消毒副产物含量升高。可见，传统的水处理工艺对浑浊度、细菌是有效的， 但对大量有机污染物和消毒副产物却无能为力。另外，随着水源不断受到各种 化学物质的污染，水中出现病原菌的种类和数量也在不断增多，一些在水中新 出现的病原菌用传统的消毒方法已无法杀灭，这也要求寻找新的消毒方法。 在水质标准方面，欧盟、加拿大、日本制定的水质标准都达到8 0 余项1 6 j 。 4 第1 章引言 世界卫生组织w h o 于1 9 9 3 年公布的水质标准共有1 5 1 项，美国环保局 u s e p a 每半年修订一次水质标准，1 9 9 6 年共2 5 2 项，其中w h o 和u s e p a 均 提出了水中污染物致癌危险等级嘲。2 0 0 6 年我国对生活饮用水卫生标准 ( g b5 7 4 9 8 5 1 进行了第一次修订，新标准( g b5 7 4 9 - 2 0 0 6 1 于2 0 0 7 年7 月1 日颁布并实施，代替g b5 7 4 9 8 5 。该标准为现行饮用水卫生标准。新标准与 g b5 7 4 9 8 5 相比水质指标由3 5 项增加至1 0 6 项。具体修改主要有：( 1 1 增加 了7 l 项。增加指标主要包括：反映水中有机物含量的指标化学耗氧量 ( c o d o ，消毒剂及其副产物、农药等有机化合物，无机化合物，贾第鞭毛 虫、隐孢子虫、大肠埃希氏菌等微生物指标等。( 2 ) 修订了8 项。( 3 1 增加了 资料性附录( 含2 9 项指标) 。目前的氯化消毒工艺无法满足新标准以及人们对 饮用水卫生安全的要求，必须寻求新的安全的消毒工艺。 1 3 安全消毒技术的研究进展 消毒是给水处理工艺的的重要组成部分。氯消毒是国内外最主要的消毒技 术，但氯消毒在近二十年受到很大挑战，主要由于下面三个方面的原因：消毒 副产物问题；贾第虫和隐孢子虫的问题：饮用水生物稳定性问题。传统的消毒 观念只是针对水中的病原性微生物，其目的是充分灭活水中的病原性微生物， 确保水质卫生安全。由于上述几个方面的原因，保障饮用水安全已经不能简单 地只考虑微生物安全性，同时要重视饮用水中微量的消毒副产物对人体的长期 危害。即消毒研究从微生物的单一控制扩大到微生物和消毒副产物的双重控 制，同时还应考虑消毒工艺对管网水的生物稳定性和化学稳定性的影响。 所以在选择饮水消毒剂时应考虑以下六个因素f 7 】： ( 1 ) 杀灭病原体的效果及其对生物膜的控制能力； ( 2 ) 是否有剩余消毒剂及剩余消毒剂的稳定性； ( 3 1 对水质感官性状会造成什么影响； ( 4 ) 消毒剂及消毒副产物的毒理学影响，如对人体健康可能造成的影响 及预防或消除不利影响的可能性； ( 5 ) 工程实践中控制和监测的难易程度； ( 6 1 经济和技术上的可行性。 化学性质稳定、有一定的持续作用、毒副作用小、能有效控制生物膜、生 5 第l 章引言 成消毒副产物少的消毒剂是水处理工作者的理想选择。 2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代开始，普遍采用氯胺代替氯作为第二消毒剂 维持配水管网中的消毒作用，因为氯胺形成的三卤甲烷量大大少于氯。之后， 对二氧化氯、臭氧、紫外线等各种替代消毒剂的研究也逐渐展开。至今为止， 对于不同消毒剂在实验室和现场条件下的消毒效果、消毒副产物的形成状况等 问题都有了一定的了解。国内外的实验室研究和给水实践经验证明，采用氯 胺、二氧化氯、臭氧、紫外线等消毒时，形成的消毒副产物与氯消毒时相比较 少，组合消毒工艺常常能达到较好的效果。 1 3 1 传统消毒技术 游离氯消毒 该工艺一般在滤池出水或者清水池前管道投加游离氯。其优点是灭活微生 物迅速，经济高效；不足是消毒副产物生成量大：余氯衰减快，难以保持管网 末梢余氯。 先氯后氨消毒 该工艺一般是在滤池出水或者清水池前管道投加游离氯，清水池出水中加 氨。其优点是清水池内为游离氯消毒，可保证充分灭活微生物；主要不足是清 水池停留时间内( 一般1 2 0 r a i n 以上) 消毒副产物已经大量生成。 氯胺消毒 该工艺一般是在滤池出水或者清水池前管道中同时投加氯和氨。其特点是 消毒副产物生成量少、衰减慢，有利于维持末梢余氯；不足是灭活微生物( 尤 其是病毒) 效果较差，并且不适合消毒接触时间较短的清水池。 氯胺消毒比氯消毒有以下三个优点： ( 1 ) 减少了消毒过程中，n 皿讧s 、h a a s 等消毒副产物的产量； ( 2 ) 可以维持较长的时间，能有效地控制水中残余细菌繁殖； ( 3 ) 避免游离性余氯过高时产生的臭味。 理论上为了减少副产物生成，在氯胺消毒时应先加氨，充分混合后再加 氯；而生产中为了防止加氨管道结垢，采用先投加游离氯，一般在接触时间 3 0 s 左右投加氨水以生成氯胺。 氯胺消毒的缺点是；需要较长的接触时间；需加氨，操作复杂氯胺需长 时间与水接触才能获得与氯消毒相同的效果，与c h 、0 3 、c 1 0 2 相比，氯胺对 6 第1 章引言 细菌、原生动物和病毒的消毒能力弱，增加病原体传播的危险，在我国使用中 要求接触时间大于1 2 0 m i n 。 1 3 2 优化氯消毒 因为氯消毒是现阶段的主体消毒技术，而且可以预计在短期内不会有根本 变化，因此对氯消毒进行技术优化十分必要。手段主要有： ( 1 ) 对清水池设计进行改进，以c t l o 为设计和运行依据； ( 2 ) 以氯和氯胺消毒有机组合的方式； ( 3 ) 多点加氯； ( 4 ) 采用统合式i d d f 模型作为氯消毒设计框架( i n t e g r a t e dd i s i n f e c t i o n d e s i g nf r a m e w o r k s ) 。 1 3 3 二氧化氯消毒 为了灭活两虫、减少氯代消毒副产物采用二氧化氯和臭氧消毒成为新的选 择之一。c 1 0 2 是较强的一种氧化剂，能氧化有机结合铁、锰，能有效地控制生 物膜的蓄积，并能将附着在其上的细菌暴露在消毒剂前，有利于杀灭细菌。在 饮用水条件下，不会形成氯酚。c 1 0 2 可以单独使用，也可以与其他消毒剂联合 使用。例如，前处理中用c 1 0 2 作为主消毒剂和氧化剂，在过滤后水中加氯或氯 胺，既能防止t h v i s 的形成，又能避免管网水中c 1 0 2 ；c 1 0 2 - 弄f lc 1 0 3 _ 的总量过 高，威胁用户健康。也可以采用氯作为主消毒剂，在滤后水中加c 1 0 2 ，这种方 法较单独使用c 1 0 2 的成本低，体现出c 1 0 2 的稳定性，而且可以防止氯臭。 值得注意的是，二氧化氯的消毒副产物c 1 0 2 一和c 1 0 3 - 毒理学影响较大【l l 】， 可能会抑制人体甲状腺素的分泌，引起胎儿小脑重量下降、神经行为作用迟缓 或细胞数下降，还可能造成婴儿大脑重量下降、神经系统作用迟缓或皮肤增 生。所以，采用二氧化氯消毒应该严格控制管网水中c 1 0 2 ，c l 0 2 - * 0c 1 0 3 _ 的含 量。 二氧化氯有以下几个优点：( 1 ) 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；( 2 ) 氧化性强，能分解细胞结构，并能 杀死孢子；( 3 ) 能同时控制水中铁、锰、色、味、嗅等；( 4 ) 受温度和p h 影 响小；( 5 ) 不产生三卤甲烷和卤乙酸等副产物。 二氧化氯消毒的缺点是：( 1 ) 二氧化氯消毒产生无机消毒副产物亚氯酸根 7 第1 章目l 士 离子( c i o 门和氯酸根离子( c 1 0 3 _ ) ，二氧化氯本身也有害，特别是在高浓度时， 因此美国e p a 消毒剂和消毒副产物法和我国建设部的城市供水水质标准的 水质标准对此都有规定。( 2 ) 另外二氧化氯的制备、使用也还存在一些技术问 题，二氧化氯发生过程操作复杂，试剂价格高、纯度底，二氧化氯的运输、储 藏的安全性较差，因此国内尽管目前二氧化氯在小规模的给水厂有应用，但大 型水厂还未见使用的报道。 1 3 4 臭氧消毒 由于臭氧的强氧化作用、良好的消毒效果，欧美及加拿大的很多水厂都采 用它作为消毒剂或替代氯消毒应用于前处理中。相应的，对臭氧消毒的副产物 研究也日渐深入。实验表n t l 2 1 ，预臭氧化后氯消毒产生的t h m s 和h a a s 都减 少了。与没有预臭氧化的单纯氯消毒过程相比，d b p s 减少了2 8 3 ，水中的致 突变物质减少了5 4 7 。醛类是臭氧消毒的普遍副产物，如氯醛水合物：臭氧 化会将一部分t o c 转换为a o c ，增加水的生物不稳定性。研究还发现，预臭 氧化后氯化系统中氯醛水合物的生成量较氯化消毒系统少。 然而臭氧不够稳定，容易自行分解，半衰期短，应就地生产使用；消毒设 各复杂，对操作人员的技术水平要求高；投资大，电耗高；当水质水量变化 时，调节投加量比较困难：在水中的溶解度低，尾气处理不当会形成空气污 染；若作为最终消毒对水源及管网要求高。所以，以我国现有情况看，大量使 用臭氧消毒的可行性不高 臭氧消毒有以下优点：( 1 ) 杀菌效果好、用量少，作用快；( 2 ) 能同时控 制水中铁、锰、色、味、嗅；( 3 ) 不产生卤代消毒副产物。 臭氧消毒的缺点是：臭氧分子不稳定，易自行分解，在水中保留时间很 短，小于3 0 分钟，因此不能维持管网持续的消毒效率，而且臭氧消毒产生溴 酸盐、醛、酮和羧酸类副产物，其中溴酸盐在水质标准中有规定。醛、酮和羧 酸类副产物部分是有害健康的化合物，部分使管网水生物稳定性下降，因此臭 氧消毒在使用中受到一定的限制。对于大、中型管网系统，采用臭氧消毒时必 须依靠后续加氯来维持管网中持续的消毒效果。 1 3 5 蘩外线消毒 紫外线是指电磁波波长处于2 0 0 - - - 3 8 0 n m 的光波，一般分为三个区，即 i 8 第1 章引言 u v a ( 3 1 5 - - 3 8 0 n m ) ，u v b ( 3 1 5 - - 2 8 0 n m ) ，o v c ( 2 0 0 _ _ 2 8 0 h m ) 。低于2 0 0 n m 的远 紫外线区域称为真空紫外线，极易被水吸收，因此不能用于消毒。用于消毒的 紫外线是u v c 区，即波长为2 0 0 2 8 0 h m 的区域，特别是2 5 4 n m 附近。紫外线 消毒机理与前面的氧化剂不同，是利用波长2 5 4 n m 及其附近波长区域对微生物 d n a 的破坏，阻止蛋白质合成而使细菌不能繁殖。由于紫外线对隐孢子虫的高 效杀灭作用和不产生副产物，紫外线消毒在给水处理中显示了很好的市场潜 力。 紫外线的灭菌作用最早在2 0 世纪初由英国学者贝纳德和莫加报道，真正 开始应用为二十世纪六十年代。早期主要是低压汞灯( l p ) ，九十年代中压汞灯 o v a ) 和脉冲汞灯( p u v ) 得到研究、应用。紫外线消毒技术在饮用水处理中的应 用自从1 9 9 3 年在美国m i l w a u k e e 市爆发隐孢子虫病后倍受青睐，因为氯消毒 不能有效杀灭隐孢子虫卵囊，而研究发现紫外线对隐孢子虫卵有很好杀灭效 果。而且在常规消毒剂量范围i 勾( 4 0 m j e r a 2 ) 紫外线消毒不产生有害副产物，因 此在西方发达国家应用实例在近几年增加十分迅速，特别是在小型水厂。 紫外线消毒的优点有：( 1 ) 对致病徽生物有广谱消毒效果、消毒效率高； ( 2 ) 对隐孢子虫卵囊有特效消毒作用；( 3 ) 不产生有毒、有害副产物；( 4 ) 不增加a o c 、b d o c 等损害管网水质生物稳定性的副产物；( 5 ) 能降低嗅、味 和降解微量有机污染物；( 6 ) 占地面积小、消毒效果受水温、p h 影响小。 紫外线消毒的缺点主要有：( 1 ) 没有持续消毒效果、需与氯消毒配合使 用，( 2 ) 石英管鐾易结垢，降低消毒效果；( 3 ) 消毒效果受水中s s 和浑浊度 影响较大；( 4 ) 被杀灭的细菌有可能复活；( 5 ) 国内使用经验较少。目前我国 的紫外线消毒一般用于少量水处理，比如高级宾馆或饮料业。 1 。3 6 顾序消毒技术 所谓顺序消毒技术通常是指采用主消毒剂灭活大部分微生物，而后投加副 主消毒剂保持管网剩余消毒剂的技术。最为常见的顺序消毒技术就是传统消毒 技术中提到的先加氯后氯胺消毒技术。顺序消毒技术中常用的主消毒剂包括游 离氯、臭氧和紫外，辘助消毒剂则通常选择氯胺、二氧化氯等。 先臭氧后氯或氯胺的消毒技术 由于臭氧预氧化有时反而会增加消毒副产物前体物的含量，在投加辅助消 9 第1 章引言 毒剂时仍然会生成较多的消毒副产物，达不到控制的效果。因此，在实际生产 中采用臭氧作为氧化剂来降解有机物或提高后续活性炭对有机物的去除率，而 不是作为最终消毒剂使用，如作为最终消毒剂使用，臭氧的投加量还需大为提 高，臭氧和氯胺的顺序使用贝4 往往受到成本的限制。 先臭氧后二氧化氯的消毒技术 该工艺充分利用臭氧灭活微生物迅速和二氧化氯消毒副产物生成量少的特 点，但是两种替代消毒工艺均成本较高、操作复杂，这限制了在水厂中的应 用。 先蘩外后氯胺的消毒技术 该工艺充分利用紫外灭活微生物迅速，特别是灭活隐孢子虫效果较好，氯 胺副产物生成量少和性质稳定的特点，理论上可以保证微生物和副产物的双重 控制。但是与单纯氯胺消毒相比，增加紫外消毒并不能改变原水水质，因此不 节省后续氯胺消毒的费用，会导致成本升高，限制了在水厂的应用。 3 7 联合消毒技术 二氧化氯和氯联合消毒在小型水厂中有所应用，该工艺实际上是由于采用 复合式二氧化氯发生器的缘故。在使用氯酸盐和盐酸作为反应物生成二氧化氯 的同时，还生成游离氯，其中二氧化氯占2 3 ，其余为游离氯。在消毒过程 中，由于二氧化氯和氯联合使用可以降低游离氯单独消毒时的剂量，在一定程 度上减少了消毒副产物的生成量。但是复合式二氧化氯的成本比游离氯消毒 高，有机物浓度较高时由于仍然含有1 3 的游离氯，仍然会生成较多消毒鬲4 产 物。此外军事医科院的战威等 1 9 9 9 研究了二氧化氯和氯胺联合消毒工艺，发 现该工艺的三卤甲烷生成量甚至小于氯胺消毒，但实际生产中应用该工艺需要 采用高纯式二氧化氯发生器和氯胺消毒，成本显然过高。 重金