紫外線消毒與四種化學消毒方法的比較

沈　艷

摘要 本文介紹了四種常用的化學消毒法和紫外線消毒法在應用中的原理及特點,指出紫外線消毒法可能取代傳統的化學消毒法并且具有廣闊的應用前景。

關鍵詞 紫外線消毒 化學消毒 水處理

消毒方法大體上可以分為物理方法和化學方法兩類。物理方法主要有機械過濾、加熱、冷凍、輻射、微電解、紫外線和微波消毒等方法;化學方法主要有氯、二氧化氯、臭氧、氯胺、鹵素、金屬離子、陰離子表面活性劑及其它殺生劑等?；瘜W消毒方法中有關氯、臭氧、二氧化氯以及氯胺的研究及應用最多,近年來由于有關化學消毒副產物的報道的增多和人們對水質標準要求的不斷提高,物理消毒方法特別是紫外線消毒引起了專業人士的高度重視。

1. 氯消毒

氯與水反應時,一般產生“歧化反應”,生成次氯酸(HOCL)和鹽酸(HCL),氯的滅菌作用主要是次氯酸,因為它是體積很小的中性分子,能擴散到帶有負電荷的細菌表面,具有較強的滲透力,能穿透細胞壁進入細菌內部。氯對細菌的作用是破壞其酶系統,導致細菌死亡。而氯對病毒的作用,主要是對核酸破壞的致死性作用。

自從二十世紀初,氯化法就廣泛地應用于水消毒工藝。目前,氯化法消毒仍是應用最廣的化學消毒方法,其主要特點是:(1) 處理水量較大時,單位水體的處理費用較低;(2) 水體氯消毒后能長時間地保持一定數量的余氯,從而具有持續消毒能力;(3) 氯消毒歷史較長,經驗較多,是一種比較成熟的消毒方法。

但是自從1974年陸克和伯勒分別在荷蘭與美國的城市自來水中檢出了氯仿等三鹵甲烷(THMs)有機物,1976年美國國家癌腫研究所通過對大鼠和小鼠進行口服氯仿實驗確定其為致癌物質,人們發現飲用水氯消毒后,水中含有具有致畸、致癌、致突變的THMs等有害消毒副產物[1]。隨著對THMs危害性研究的深入,引起了對其它消毒副產物的研究。至今已知的消毒副產物已經有500種以上,但是絕大多數的濃度只有微克/升(μg/L)級,且許多消毒副產物未作進一步的研究。在大量的消毒副產物中,目前集中研究的只有三鹵甲烷、鹵乙酸、鹵乙腈、鹵代酮、鹵代醛、鹵代酚等20余種,其中對于THMs的致癌性已有共識,其它大部分具有一般毒性,部分具有致突性。THMs等鹵化有機物的產生主要是水體中的有機物與氯作用的結果,而城市生活污水中含有大量的有機物,經氯消毒后,會生成鹵化有機物等消毒副產物,隨污水進入地面水體,污染水源,并對魚類等水生生物產生毒害作用。

為了避免有害消毒副產物的產生,采取的主要途徑有:(1) 預處理去除三鹵甲烷前驅物(主要是富里酸和腐殖酸);(2) 采用代用消毒劑或消毒方法,近年來對用臭氧、二氧化氯和氯胺代替氯為消毒劑進行了大量的研究。

2臭氧消毒

臭氧是強氧化劑,臭氧化和氯化一樣,既起消毒的作用,也起氧化作用,但是臭氧的消毒能力和氧化性都比氯強,能氧化水中的有機物,并能殺死病毒、芽孢及細菌。臭氧都是在現場用空氣或純氧通過臭氧發生器制取,產率分別為1%-3%和2%-6%。

臭氧作為消毒劑的歷史幾乎和氯一樣長,1906年法國尼斯的水廠首次使用臭氧對飲用水進行消毒,美國的工程師于20世紀70年代初開始用臭氧代替氯消毒污水。根據目前的研究可以發現:(1) 臭氧消毒反應迅速,殺菌效率高,同時能有效地去除水中殘留有機物、色、嗅、味等,受PH值、溫度的影響很小。(2) 臭氧能夠減少水中THMs等鹵代烷類消毒副產物的生成量。(3) 臭氧消毒可以降低水中總有機鹵化物的濃度雖然臭氧消毒本身不產生鹵代烷和總有機鹵,但是生成的其他消毒副產物如醛、酮、醇等若經氯化,會產生三鹵甲烷。據報道,在世界各種水體中已檢測出的有機化合物共有2221種。臭氧能和多種有機物反應,生成一系列中間產物,大體可分為有機副產物和無機副產物兩類[2]。有機副產物以甲醛為代表,有報道說甲醛是致癌物質。最受關注的無機副產物是溴酸根,國際癌研究部門(IARC)將溴酸根分類為致癌性2B,即可能致癌物。因為臭氧在水中的溶解度極小,且易分解、穩定性差,幾乎沒有殘余消毒能力,所以普遍將臭氧與其它消毒劑聯合使用作為控制THMs等有害消毒副產物的優選方法。據1982年的報道,全世界采用臭氧化處理的水廠在1100座以上,其中用臭氧做唯一消毒劑的,除歐洲有少數外,美國和加拿大僅各有一座,其它都輔以氯或氯胺消毒,以保證水中的剩余消毒劑。另外由于臭氧穩定性差容易分解為氧氣,故不能瓶裝貯存和運輸,必須現場制備及時使用,設備投資大,電耗大,成本較高;運行管理比較復雜。

3. 二氧化氯消毒

二氧化氯也是一種強氧化劑,其氧化能力是氯的25倍,消毒能力僅次于臭氧,高于氯。1944年,美國的尼亞加拉大瀑布水廠為消除藻類繁殖所產生的氣味,率先采用二氧化氯消毒飲用水獲得成功。二十世紀七十年代逐漸作為常用消毒劑,歐美許多國家將二氧化氯用于各種水處理。試驗表明,二氧化氯在控制THMs的形成和減少總有機鹵方面,與氯相比具有優越性,二氧化氯與水中的腐殖酸和富里酸等腐殖質都不會生成THMs,即使在飲水消毒過程中,投加少量的二氧化氯,也能有效地抑制THMs的生成。二氧化氯是廣譜型消毒劑,對水中的病原微生物包括病毒、芽孢、真菌、致病菌及肉毒桿菌均有很高的滅活效果,有剩余消毒能力,二氧化氯對孢子和病毒的滅活作用均比氯有效,并且在高PH值與含氨的水中滅菌效果不受影響。另外,二氧化氯去除水中的色度、嗅、味的能力也較強。制備二氧化氯的起始原料有氯酸鈉和亞氯酸鈉,具體選用取決于二氧化氯的使用量。在水處理領域,二氧化氯的使用量一般不大,一般都由亞氯酸鈉與氯反應制備,因亞氯酸鈉不能貯存,必須現場制取及時使用,且亞氯酸鈉價格昂貴,成本較高。當反應不完全時,自由性氯同樣會與有機物反應,有可能生成THMs。加入到水中的二氧化氯有50～70%轉變為ClO2-和ClO3-,很多實驗表明ClO2-和ClO3-對紅細胞有損害[3],可引起高鐵血紅蛋白血癥,對碘的吸收代謝有干擾,還會使血液膽固醇升高。

4. 氯胺消毒

氯胺消毒比氯消毒有以下三個優點[4]:(1) 減少了消毒過程中THMs的產量;(2) 可以維持較長時間,能有效地控制水中殘余細菌繁殖;(3) 避免游離性余氯過高時產生的臭味。氯胺消毒一般是先加氨,充分混合后再加氯。若先加氯后加氨,則難以控制產生THMs的濃度。另外,如果加氯很久后才加氨,就會變成以自由性余氯為主要消毒劑,氯胺為輔助消毒劑的情況。氯胺消毒的缺點是:需要較長的接觸時間;由于需加氨從而使操作復雜。氯胺的殺菌效果差,不宜單獨作為飲用水的消毒劑使用。但若將其與氯結合使用,既可以保證消毒效果,又可以減少三鹵甲烷的產生,且可以在延長配水管網中的作用時間。

上述水處理中常用的四種消毒劑中,臭氧的殺菌能力最高,但是臭氧本身極易分解,消毒無持久性;二氧化氯既有相當強的殺菌能力,又具有相當好的持久性;氯對細菌有很強的滅活能力,但對病毒的滅活能力差,對芽孢無滅活能力;氯胺雖然持久性最強,但殺菌作用不如氯,一般不作單一的消毒劑。研究表明:在PH6～9時,四種消毒劑滅活效率的優先次序為:臭氧>二氧化氯>氯>氯胺;而穩定性的優先次序則為:氯胺>二氧化氯>氯>臭氧。

5. 紫外線消毒

雖然傳統的化學消毒方法在給水和污水處理中被普遍采用,但是由于向水中投加化學消毒劑或多或少會產生有害的消毒副產物,廣大水處理界的人士把目光集中到紫外線消毒法上。

根據生物效應的不同,將紫外線按照波長劃分為四個部分[5]:A波段(UV—A),又稱為黑斑效應紫外線,波長范圍為400nm~320nm;B波段(UV—B),又稱為紅斑效應紫外線,波長范圍為320nm~275nm;C波段(UV—C),又稱為滅菌紫外線,波長范圍為275nm~200nm;D波段(UV—D),又稱為真空紫外線,波長范圍為200nm~10nm。水消毒主要采用的是C波段紫外線,即C波段紫外線會使細菌、病毒、芽孢以及其它病原菌的DNA喪失活性,從而破壞它們的復制和傳播疾病的能力。

大量的研究和實驗證明,紫外線對水的消毒滅菌主要是通過紫外線對微生物的輻射,生物體內的核酸吸收了紫外線的光能,損傷和破壞了核酸的功能使微生物致死,從而達到消毒的目的。生命科學揭示了核酸是一切生命體的最基本物質和生命基礎。核酸是一種生物高分子化合物,是由許多個不同的核苷酸通過磷酸二脂鍵連接而成。核酸根據組成的不同,分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)兩大類,其共同點是由磷酸二酯鍵按嘌呤與嘧啶堿基配對的原則而連接起來的多核苷酸鏈。核酸存在于一切生物的細胞內,對生物的新陳代謝、遺傳、變異等生命過程起著決定性作用。微生物受到了紫外線輻射,吸收了紫外線的能量,實際是核酸吸收了紫外線的能量。DNA和RNA對紫外線的吸收光譜范圍為240nm~280nm,對波長260nm的吸收達到最大值。紫外線能夠改變DNA和RNA中的含氮雜環,以導致形成新的鍵結分子。紫外線對核酸的作用可導致鍵和鏈的斷裂、股間交聯和形成光化產物等[6]。二聚體的形成破壞了嘧啶與嘌呤的正常配對,改變了DNA的生物學活性,使微生物自身不能復制,這就是微生物最重要的紫外線損傷,也是致死性損傷。大量研究證實,嘧啶二聚體的增加與細菌死亡率有直接的正比關系。

紫外線一般由傳統的低壓汞燈制取,但是現在也有一些地方使用高強度低壓汞燈和中壓汞燈,對于脈沖紫外燈也有大量的研究文獻。不論哪一種紫外燈都是基于相同的物理現象,由熒光燈內汞等離子區放電時釋放出電磁射線。

紫外線消毒法由自身的工藝原理決定其與化學消毒法相比具有如下缺點:紫外線的滅菌作用只在其輻照期間有效,所以被處理的水一旦離開消毒器就不具有殘余的消毒能力,容易遭受二次污染,并且既使一個細菌未被滅活而進入后續系統,就無法阻止其粘附在下游管道表面并繁衍后代;只有吸收紫外線的微生物才會被滅活,因此對于懸浮固體很多水質較差的水例如污水,由于懸浮固體可以庇護微生物使其免遭傷害,消毒效果很難保證;細菌細胞在紫外線消毒器中并沒有被去除,而是被轉變為發熱原,被殺死的微生物和其它污染物一道成為生存下來的細菌的食物。但是紫外線消毒法同時具有很多化學法無法替代的優點:在一些產業中例如水產養殖和食品工業等,不需要化學消毒劑的持續性,否則會由于化學藥劑的影響造成水生物死亡﹑食品中產生嗅味等副作用,況且氯化消毒會形成三鹵甲烷等有害的消毒副產物;在一些生物技術例如發酵中,需要對水進行消毒后接種工藝需要的菌種,這樣持續性的消毒效果顯然是不需要的;在循環水系統中,經常使用氯消毒會造成腐蝕問題,例如游泳池,還有在石油開采的地下水回灌中,如果采用化學藥劑消毒,細菌容易產生抗藥性而在土壤中繼續繁殖從而堵塞地層,形成二次污染;消毒速度快﹑效率高﹑占地面積小;設備操作簡單,便于運行管理和實現自動化等,近年來用于水處理的紫外線消毒設備逐漸得到廣泛的應用。

目前國外對紫外線消毒的研究和應用較多,并且有很多污水廠將原有的氯化消毒改造成紫外線消毒。國內研究﹑生產和應用紫外線消毒器者為數尚少。沈陽建筑工程學院的傅金祥教授帶領的課題組[5]﹑天津大學的顧平等人[7]對紫外線消毒給水污水進行了實驗研究。多元水環保技術產業(中國)有限公司和福建新大陸等廠商研制生產紫外線消毒器,并有一定的應用。煙臺市套子灣污水處理廠和上海閔行水質凈化廠采用了紫外線消毒工藝,分別對工業回用水和排入黃浦江的污水進行消毒。

6. 結論

化學消毒方法固然在目前的水處理領域占有重要的地位,但是隨著人們對水質標準要求的提高和消毒副產物研究的不斷深入,以及紫外線消毒機理的深入揭示﹑紫外線技術的不斷發展以及消毒裝置在設計上的日益完善,紫外線消毒法有望成為代替傳統的化學消毒法的主要物理消毒方法之一。