水的消毒

用化学和物理方法杀灭生活用水、城市污水和工业废水中的病原体(病原菌、病毒和寄生虫卵),以防止疾病传染,维护人群健康。

水处理过程中的氯化消毒是最通用的最重要的消毒步骤,但是在此以前的其他处理步骤也能有效地去除病原体。例如,废水的二级处理出水用混凝沉淀法能去除病菌和病毒 99.845%,而混凝沉淀-过滤法的去除率达99.985%。石灰混凝沉淀已被证明在高pH值条件下能有效地去除病毒并使其失去活性。氯化消毒能保证更彻底地杀灭病原体,水中的余氯还具有持续消毒作用。

有实用价值的消毒方法如下:物理消毒法,如加热法,γ辐射、紫外线照射法等;化学消毒法,如投加重金属离子(如银和铜),投加碱或酸,投加表面活性化学剂,投加氧化剂(氯及其化合物、溴、碘、臭氧)等。在这些方法中,以氧化剂消毒应用最广,其中以氯及其化合物消毒尤为通用,其次是臭氧消毒。紫外线照射法和投加溴、碘及其化合物的方法用于小规模水厂和特殊设施(如游泳池)用水的消毒

消毒剂是通过与病原体细胞在新陈代谢过程中所必需的酶作用,使酶失去活性而导致细胞死亡的。因为酶是在细胞原生质内产生的,所以对病菌的化学消毒在理论上是分两步进行的:穿透细胞壁;与细胞中的酶反应。

给水和废水的化学消毒效果主要取决于如下三个因素:病原体的性质及其在水中的浓度、分布和状态;消毒剂及其在水中的反应产物的性质、分布和浓度;水的性质和状况。

氯化消毒

可用氯和次氯酸盐。氯加入水中,会发生如下的水解和电离反应而形成次氯酸(HOCl)和次氯酸根(OCl-):

Cl2+H2O匑HOCl+H++Cl-

HOCl匑H++OCl-

HOCl是中性分子,可以扩散到带负电的细菌表面,并穿透细胞壁进入细菌内部起氧化作用,破坏细菌的酶系统使细菌死亡。OCl-也具有杀菌能力,但带负电,难以接近带负电的细菌。HOCl和OCl-的杀菌效果在试验的条件下大致为80:1。HOCl和OCl-在不同pH值下的分配率如图1。控制水的pH值,以保持水中HOCl较高的百分率,能获得较好的消毒效果。

图 图

上面所说的是在没有氨氮的水中的氯消毒状况。实际上待消毒的水大多含有氨氮,向这种水中投氯后,水中氯和氮化合物的最重要的反应,是次氯酸与氨的反应。这是一个分段反应过程

Cl2+H2O匑HOCl+HCl

NH3+HOCl*Cl+H2O

NH2Cl+HOCl*+H2O

NHCl2+HOCl*+H2O在pH值大于9时,几乎只生成一氯胺;在pH值约为7.5时,一氯胺和二氯胺数量几乎相同:在pH值小于6.5时,二氯胺占优势;三氯胺只有在pH值低于 4.5时才存在。在水中有氯胺存在时,HOCl仍起着消毒作用,到水中的HOCl消耗完了后,反应才向左进行,继续生成HOCl。因此,水中有氮化合物时,会使消毒过程变慢。

氯同氨的克分子比大于1时,发生氨的氧化和氯的还原;两者的克分子比为2:1左右时,能发生基本上完全的氧化还原反应,并且经过一定的时间,导致氨和起氧化作用的氯完全从溶液中消失,此点称为折点。然后随着投氯量增加,水中的剩余有效氯才逐渐增加(图2)。

图

在折点前氯化的剩余氯是化合态的有效余氯,而在折点后氯化的剩余氯则是游离态的有效余氯,这时消毒效果最好。

在折点以后继续投氯,称为折点氯化。由图可知,这种方法的氯耗量明显增大,但对污染较严重的水的去污消毒效果十分显著,除杀灭细菌外,还可以降低水的色度,去除恶臭,去除锰、铁,去除酚及其他有机污染物,并可控制藻类繁殖。采用折点加氯消毒后往往要有脱氯措施。脱氯可采用化学药剂法(投加二氧化硫,亚硫酸钠)和活性炭吸附法等。

二氧化氯虽然不属于有效氯化合物(凡是水解形成次氯酸者)家族,但是氧化能力约为有效氯的2.5倍,能在较宽的pH值范围内,包括在高pH值环境中比有效氯更迅速地杀灭细菌和孢子。此外,它还能有效地去除色、臭、味、锰、铁、酚及氯酚化合物和藻类。二氧化氯与有效氯不同,在水溶液中不会与氨反应,也不会与有机物反应生成三卤代甲烷(THM)类化合物(其中有些被怀疑为致癌物质)。因此,用二氧化氯代替有效氯进行消毒,近年来受到普遍的重视。

臭氧消毒

臭氧不稳定,不能贮存,故只能现场制造和应用。臭氧消毒的独特优点在于它能高速和高效地杀灭病菌和病毒,消除囊孢。此外,它能氧化许多种有机化合物,而且臭氧分解后的唯一产物是氧。消毒作用在很宽的温度和pH值范围内有效。缺点是电耗大、费用大、没有持续的剩余消毒作用。

在大多数情况下,对低浊度(≤1度)和低有机物的水消毒,臭氧化5分钟后的臭氧剩余量为0.1毫克/升即可满足要求。达到这一剩余量的臭氧投量,取决于预处理的程度。在给水处理中,其投量范围一般为1.5~3毫克/升;而在废水的高级处理中,为使每100毫升水中的大肠杆菌含量降至2.2个以下,每升水需要的臭氧投量约为15毫克。

紫外线消毒

紫外线是由低压汞蒸汽灯产生的,其波长为2000~3000埃,而波长为2537埃左右的紫外线杀菌作用最大。由紫外线消毒的水必须以尽可能薄的水层,围绕紫外线灯流动,水必须完全清彻。波长2537埃的紫外线的衰减系数,对过滤水为0.03每厘米,而未过滤水为0.2每厘米。

一支25瓦的紫外灯每小时大约可消毒2000升水,消毒过程中水层厚度为15~20厘米。紫外线照射分别达到3000、1500和750毫瓦·秒/厘米2时,大肠杆菌死亡率分别为99.99%、99.00%和90.00%。

参考书目
  1. Degremont,Memento Technique d'L'eau,Chapitre15,“;Oxydation Desinfection”;,Techniques & Documentation,Paris,1978.
  2. G.L.Culp, G. M. Wesner & R. L. Culp, AdvancedWastewater Treatment,Chapter 6,“Disinfection”,VNR,New York,1979.

参考文章