赵风云，孙根行

(陕西科技大学 资源与环境学院，陕西 西安 710021)

城市污水消毒技术的研究进展

赵风云，孙根行

(陕西科技大学 资源与环境学院，陕西 西安 710021)

城市污水消毒是保障水质安全必不可少的环节。目前，城市污水消毒方法主要为氯消毒、二氧化氯消毒、紫外消毒和臭氧消毒等，传统氯消毒由于产生有毒副产物而逐步为其他消毒方法所取代，阐述了各种消毒方式的消毒原理及应用，联合消毒技术将成为近几年发展较快的城市污水消毒技术。

城市污水;消毒技术;联合消毒

污水再生利用是解决我国目前水资源紧缺的重要途径，污水消毒是保障水质安全必不可少的环节。氯消毒因其成本低廉、运行管理简单且对致病微生物有广泛的灭活特性，在目前的污水消毒处理中仍处于主导地位［1-2］。但由于氯消毒会产生大量的三氯甲烷、卤乙酸等消毒副产物，近年来出现了很多替代消毒方法，例如:二氧化氯消毒、紫外消毒、臭氧消毒等，联合消毒技术也得到了更加广泛的应用。

1 氯消毒

1.1 氯消毒的原理

氯消毒是最为普遍的消毒技术，杀菌机理非常简单，主要是氯溶于水中产生了 HOCl。HOCl是很小的中性分子，它能扩散到带负电的细菌表面，并穿透至细菌内部，氧化和破坏微生物外膜或酶的蛋白质结构功能，从而使微生物死亡［3］。而氯对病毒的作用，主要是对核酸破坏的致死性作用。

向水中加入液氯或次氯酸盐溶液消毒时，在水中发生的反应如下:

HOCl、OCl－之 和 称 作 有 效 自 由 氯，其 中 以HOCl消毒效果最好。排入水体时，氯会和水中的氨氮、有机氮反应生成消毒效果较差的无机氯胺和氯胺，称作化合氯。总余氯是指有效自由氯和有效化合氯之和。

1.2 氯消毒的应用

加氯消毒是目前城市污水最为经济有效和应用最广泛的消毒工艺。氯消毒常用的是液氯法和次氯酸法，其中以液氯法应用最为普遍。据1998年对北美洲20 000座城市污水处理厂进行的调查表明，接近60%的污水厂使用氯消毒，其中24%的污水厂采用氯消毒并后续脱除余氯的操作方式［4］，说明氯消毒在目前还是应用比较广泛的一种消毒方式。广州猎德污水处理厂尾水采用液氯消毒法进行杀菌，液氯消毒接触时间较短时，仅增加液氯投加量，尾水中的总大肠菌群数和粪大肠菌群数也不稳定;只要有足够长的接触时间，尾水中的总大肠菌群数和粪大肠菌群数都比较稳定，能够达到污水厂排放标准中的一级A类标准，且能达到我国城市杂用水水质标准［5］。

液氯消毒是一种使用固定传送系统的常规技术，处理费用低。由于消毒后污水中尚有一定的余氯存在，液氯消毒具有剩余消毒能力。液氯技术方法成熟，设备故障率低，运行费用低，是目前国内最普遍采用的城市污水消毒方法［6-7］。但氯化消毒最大的问题是对某些病毒、芽孢无效，残毒产生臭味，有强烈刺激性，消毒过程中产生有毒的消毒副产物DBPs。

2 二氧化氯消毒

2.1 二氧化氯消毒的原理

二氧化氯是国际上公认的含氯消毒剂中唯一的高效消毒剂(灭菌剂)，它可以杀灭一切微生物，包括细菌繁殖体、细菌芽孢、真菌、分枝杆菌和病毒等，其对微生物的杀灭机理为:二氧化氯对细胞壁有较强的吸附穿透能力，可有效地氧化细胞内含巯基的酶，还可以通过快速地抑制微生物蛋白质的合成来破坏微生物［8］。

二氧化氯具有易挥发、易爆炸的特点，故不宜贮存，以现场制取和使用为主。用于水处理领域的小型化学法二氧化氯发生器主要有两种:以氯酸钠、盐酸为原料的复合型二氧化氯发生器和以亚氯酸钠、盐酸为原料的纯二氧化氯发生器，其中前者应用最为广泛［9］，主要的反应是:

2.2 二氧化氯消毒的应用

二氧化氯是国际上公认的广谱高效的氧化性杀菌剂，在污水处理中日益得到广泛应用。二氧化氯作为强氧化剂，可将废水中的少量 S2－、SO23－、SnO22>－、AsO23－、NO2－、CN－等还原性酸根氧化除去，也可将 Fe2+、Mn2+、Ni2+等金属离子及它们与酚类、CN－形成的络合物除去。因此，二氧化氯可广泛应用于含氯、酚、硫、有机物、金属离子等工业废水处理以及医院、生活污水杀菌消毒和生活污水的净化处理等［10］。

黄君礼等［11］对大庆东风水厂 ClO2消毒后，进行水中有机富集物的 Ames试验，结果表明，ClO2消毒的大庆东风水厂取水未显示出致突变性。另外，有研究者也发现，即使在原水Ames试验为阳性的条件下，ClO2组份消毒后可以转为阴性。二氧化氯消毒具有不受pH影响、易溶于水、投加量少、残留量少、投资少、产率高且在水中滞留时间长，能杀除和抑制细菌，在一定的范围内，杀菌能力随着温度升高而升高的特点，但易爆，只能现场发生、使用，设备复杂，操作管理要求高，成本较高，仅有20%的二氧化氯在消毒过程中被利用。二氧化氯消毒仅适用于较小规模的污水处理厂。

3 紫外线消毒

3.1 紫外线消毒的原理

根据生物效应的不同，将紫外线按照波长划分为4个部分:A波段(UV—A)，又称为黑斑效应紫外线(400～320 nm);B波段(UV—B)，又称为红斑效应紫外线(320～275 nm);C波段(UV—C)，又称为灭菌紫外线(275～200 nm);D波段(UV—D)，又称为真空紫外线(200～100 nm)。水消毒主要采用的是C波段紫外线［3］。微生物在紫外光的照射下发生光化反应，破坏微生物的核酸，使其失去活性。细胞的DNA和RNA吸收短波UV发射的高能量，吸收波长大部分在200～275 nm范围内的 UV能量，这将导致在临近的核苷之间形成新的结合物，在核酸内创造了双结构或二聚物。DNA中的胸腺嘧啶经过光化学的破坏，相邻的嘧啶产生二聚作用。细菌和病毒菌素的DNA中多数胸腺嘧啶二聚物的形成阻止了复制和最终导致细胞死亡。

3.2 紫外线消毒的应用

由于传统的氯消毒会产生副产物，20世纪70年代，随着对氯消毒产生的副产物的分析与研究，发现氯与水中某些有机物会产生大量的卤代烷和氯化有机物，使得处理后的污水中各类氯化有机物有不同程度的提高。氯气和氯的衍生物消毒的副作用越来越引起人们的重视，为积极寻找替代氯的更安全、更优越的新型消毒剂，紫外消毒已成为今后污水处理领域的一个发展方向。

现代紫外消毒除了可以消毒小水量，也可以消毒大水量。目前，紫外技术在实际应用中最大已达到每小时6万吨。古交给排水公司污水处理厂采用紫外消毒，日处理污水2万吨，1990年建厂以来，共处理污水6 000多万吨。应用紫外线消毒设备后，污水消毒提高了古交电厂的用水安全性。污泥消毒后，污泥农用有了保证，打开了销路，创造了一定的经济效益［12］。

紫外线消毒技术具有其他技术无可比拟的杀菌效率。当紫外强度为3×104μW/cm2时，紫外线对细菌、病毒的杀菌作用一般在一秒以内。由于紫外线消毒技术不加入任何化学药剂，因此它不会对水体和周围环境产生二次污染，不会改变水中任何成分，使用简便、安全、快速，易实现自动化，不会产生任何对人类及水中生物有毒害成分的副产物，对保护环境和保护工作人员的身体健康有积极的意义。不过，紫外消毒电耗大，紫外灯管和石英套管需定期更换清除［13］。

4 臭氧消毒

4.1 臭氧消毒的原理

臭氧(O3)是氧(O2)的同素异形体，O3具有很强的氧化能力(仅次于氟)，能氧化大部分有机物。研究表明，O3是通过物理、化学及生物等几个方面的综合作用来杀灭细菌和病毒的，其作用机制［14］可归结为以下两点:

1) O3能氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必需的葡萄糖氧化酶，并直接与细菌和病毒发生作用，破坏其细胞和核糖核酸，分解 DNA、RNA、蛋白质、脂肪类和多糖等大分子聚和物，使细菌的物质代谢生长和繁殖过程遭到破坏。

2) O3能渗透细胞膜组织，侵入细胞膜内作用于外膜脂蛋白和内部的脂多糖，使细胞发生畸变，导致细胞的溶解死亡，并且将死亡菌体内的遗传基因、寄生菌种、寄生病毒粒子、噬菌体、支原体及热原(内毒素)等溶解变性，使其死亡。因此，O3所具有的强氧化性和易于通过微生物细胞膜的性能，使O3具有强大的杀藻和灭菌能力，能杀死水中细菌、大肠菌群、隐孢子虫、贾第虫孢囊、病毒等。

4.2 臭氧消毒的应用

消毒剂效果可以采用CT值来衡量，其值越低，消毒效果越好［15］。表1给出了4种常用消毒剂杀灭不同微生物时的 CT值，浓度单位为 mg/L，时间单位为 min，杀灭率为99%。根据表1可知，臭氧的CT值远远小于氯。因此，臭氧杀灭病原体所需时间更短，效率更高而且不产生有毒有害的副产物。

北京田村山水厂、昆明五水厂等均采用臭氧消毒技术［16］。臭氧消毒具有现场发生、反应速度快、消毒后臭氧立即分解、基本消除了对生物群的毒效、使水的溶解氧增加、无毒等优点。但生产臭氧效率低，运行和维护费用高，臭氧必须边生产边使用［17］。

5 复合消毒技术

5.1 二氧化氯和氯联合消毒技术

二氧化氯消毒时一部分被还原为可能会对人体健康产生不良影响的ClO2－［18］，而且制造成本较高，

氯消毒会产生三氯甲烷等消毒副产物。为了克服单种消毒技术的缺点，水春雨等［19-20］以氯酸钠和盐酸为原料，制备以二氧化氯为主、氯气为辅的消毒剂，应用于经不完全二级生物处理后的城市污水。对产生ClO2－的影响和污水中中粪大肠菌的灭活效果的研究表明，ClO2较Cl2活泼，优先于Cl2和污水中有机物发生氧化反应，因此减少了Cl2和有机物反应生成THMS和其他有机氯;污水中余氯通过氧化ClO2－生成ClO2减少了二氧化氯消毒副产物ClO2－量，增加了残余的ClO2量。复合二氧化氯用于污水消毒，保持了ClO2和Cl2各自的优点，而减少了各自的缺点，增强了回用污水的环境安全性;残余的二氧化氯量增加，使该复合消毒剂对污水中的细菌具有持续杀菌能力。研究结果表明，复合ClO2发生器用于污水回用，不仅能达到良好的消毒效果，其产生的复合气体还能氧化去除水中有机物和还原性无机污染物。试验表明，该复合气体对城市污水色度的去除效果优于纯二氧化氯或氯气。

表1 杀灭不同微生物消毒剂的CT值

5.2 紫外线与氯联合消毒技术

虽然紫外线消毒比氯消毒产生更少的消毒副产物，但紫外线消毒技术存在没有持续消毒能力的问题。近年来，紫外线和氯对污水的复合消毒技术得到了一些研究，郭美婷等［21］研究表明，单独紫外线消毒的灭活率为3.22－lg，单独氯消毒的灭活率仅为0.83－lg。先氯消毒再紫外线消毒的方式得到的灭活率高达4.42－lg，先紫外线消毒再氯消毒的灭活率次之，为4.13－lg。所以，紫外线与氯联合消毒的方式可在一定程度上提高灭活率，其中，先添加氯的组合消毒方式得到的灭活率最高。结果表明，在一定程度上，紫外线和氯在消毒方面有协同作用，因此两者的组合效果大于两者的简单加和。张永吉［22］研究了紫外线和氯联合灭活枯草芽孢杆菌的效果，也证明了两者存在较明显的协同灭活作用。

通过分析并研究紫外线与氯不同的组合方式对消毒效果的影响，将氯消毒与紫外线消毒相结合，既减小了氯消毒的生态风险性，又弥补了紫外线消毒无持续消毒能力的不足，保证了水质的安全性。

6 结语

氯、二氧化氯、臭氧、紫外线等常规消毒剂用于污水消毒经济有效，但具有在消毒过程中产生有害副产物等缺点。联合消毒剂能有效灭活水体中的致病微生物，有效控制消毒副产物的生成，可延长或保证管网水中的消毒作用，比氯单独消毒的持续消毒能力强。联合消毒工艺具有投资少、成本低、见效快的优点，联合消毒技术必将迎来其蓬勃发展的未来。

［1］ 胡洪营，王丽莎，魏东斌.污水消毒面临的技术挑战及其对策［J］.世界科技研究与发展，2005，27(6):36－41.

［2 ］ Donnermair M M，Blatchley E R.Disinfection efficacy of organic chloramines［J］.Water Res，2003，37(4):1557 －1570.

［3］ 罗刚，刘军，胡和平，等.城市污水消毒技术研究进展［J］.广东化工，2008，35(11):78－81.

［4］ USEPA.Westewater technology fact sheet ohlofine disinfection［M］.US:EPA，1999.

［5］ 黄俊熙.液氯消毒和紫外线消毒在实践中的应用比较［J］.广东化工，2009，36(6):152－153，265.

［6 ］ Lazarova V，Savoye P，Janex M L，et al.Advanced wastewater disinfection technologies state of the art and perspectives［J］.WaterSci Tech，1999，40(4 －5):203 －213.

［7］ 王荣生，黄翔蜂，谢浩，等.城市污水厂尾水氯消毒及其余控制技术进展［J］.贵州环保科技，2003，9(4):16.

［8］ 陈聪龙，张星，林玉霞.二氧化氯消毒机理的研究与应用［J］.医药工程设计杂志，2002，23(4):17－20.

［9］ 凋考文.水处理中的二氧化氯的应用［J］.北京联合大学学报，1996(2):56－59.

［10］ 郑志军，王奎涛，张炳烛.二氧化氯在消毒方面的应用［J］.中国氯碱，2009(5):25－27.

［11］ 黄君礼.新型消毒剂二氧化氯处理饮用水的研究［J］.环境科学丛刊，1992，13(1):1－3.

［12］ 万义辉，姜海华.浅谈污水处理厂的紫外消毒技术的应用［J］.江西化工，2005(4):42－44.

［13］ 王文忠.用紫外线对污水消毒［J］.节能与环保，2003(5):44－45.

［14］ 张捍东.臭氧消毒的原理及应用［J］.安徽建筑，2000，15(6):116－117.

［15］ 王永毅.二氧化氯消毒现状与发展［J］.中国给水排水，1996，12(5):24－25.

［16］ 靳俊伟，林衍，李东.臭氧消毒现状与发展［J］.四川环境，2004，23(1):18－20.

［17］ 杨基成，曾抗美，罗旌生，等.污水生化处理出水的臭氧消毒试验［J］.中国给水排水，2004，20(1):44－47.

［18］ Werdehoff K S，Singer P C.Chlorine dioxide effect on THMFP，TOXFP and the formation of inorganic by-products［J］.Am-WatWksAss，1987(79):107 －113.

［19］ 水春雨，完颜华.二氧化氯和氯复合消毒剂对城市污水的消毒效果［J］.环境污染治理技术与设备，2004，5(1):40－43.

［20］ 完颜华.复合消毒剂对城市污水的消毒、脱色效能［J］.兰州铁道学院学报:自然科学版，2003，22(3):28－32.

［21］ 郭美婷，胡洪营.紫外线和氯组合方式对大肠杆菌灭活效果的影响研究［J］.中国给水排水，2007，23(17):80－83.

［22］ 张永吉，刘文君，张琳.氯对紫外线灭活枯草芽孢杆菌的协同作用［J］.环境科学，2006，27(2):329－332.

Research Progress in the Disinfection Technologies of Sewage

ZHAO Feng-yun，SUN Gen-xing
(College of Resources and Environment，Shaanxi University of Science＆Technology，xi’an 710021，China)

The disinfection technologies of sewage are essential operation to protect water quality and safety.The disinfection technologies of sewage include mostly chlorination disinfection，chlorine dioxide disinfection，ultraviolet disinfection，ozone disinfection et.al.The traditional chlorination disinfection is being gradually substituted by other disinfection crafts because of its toxic disinfection byproducts.It had described the principles and applications of various disinfection technologies.And united disinfection wins the expansive future in recent years.

sewage;disinfection technologies;joint disinfection

X 703.1

A

1005-0310(2010)01-0008-04

2009－12－31

赵风云(1985—)，女，内蒙古乌海人，陕西科技大学硕士研究生，主要研究方向为污水再生利用安全性评

(责任编辑 李亚青)