学习情境1.5　水的消毒处理

天然水本身会滋生多种微生物，为了实现健康安全用水的目的，必须去除水中这些有害的微生物。水中的微生物大都黏附在悬浮颗粒上，混凝沉淀和过滤在去除悬浮物、降低浊度的同时，能除去不少细菌和其他微生物，但不能保证把所有的病原微生物全部根绝，因此在给水处理中应进行消毒处理，这在《室外给水设计规范》（GB 50013—2006）都有体现。

消毒的目的就是要杀灭水中的病原微生物，保护公用水体。但应该指出，不应把消毒与灭菌混淆，消毒是对有害的病原微生物的杀灭过程，而灭菌是杀灭或去除一切活的细菌或其他微生物以及它们的芽孢。在日常水处理中，没有必要达到灭菌的程度。

1.5.1　物理法消毒处理

1.加热消毒

加热消毒在很多行业都有所应用，而且已经有很长的应用历史。人们把自来水煮沸后饮用，早已成为常识，同时也是一种有效而实用的饮用水消毒方法。但是如果把此法应用于大规模的城市供水或污水消毒处理，则费用高，很不经济，因此，这种消毒方法仅适用于特殊场合很少量水的消毒处理。

2.紫外线消毒

紫外线消毒是利用紫外灯管提供紫外线对水进行照射，紫外线的光能可破坏水中细菌的核酸结构，从而将细菌杀死，对病毒也有致死作用。紫外线消毒效果与其波长有关。当紫外线波长为200～295nm，有明显的杀菌作用，波长为260～265nm的紫外线杀菌力最强。

由于水中的悬浮物对光线有吸附或反射作用，因此，利用紫外线消毒时，要求水的色度、悬浮物含量都应比较低，且水层较浅。当浑浊度不小于5度，色度不小于15度时，要先进行预处理。否则，消毒效果会受影响。另外，水中的有机物含量比较高时，也会吸收紫外线，从而影响消毒效果。

紫外线消毒常用的消毒设备有浸入式和水平式两种。浸入式是将灯管浸入于水中，其辐射能量利用率高，消毒效果好，但结构复杂；水平式结构简单，使用方便，但消毒效果不如前者。

紫外线消毒杀菌速度快，管理操作方便，处理后的水无色无味。但要求预处理程度高，处理水的水层薄，耗电量大，成本高，没有持续的消毒作用。主要用于小水量的消毒处理。

3.辐射消毒

辐射是利用高能射线（电子射线、γ射线、X射线、β射线等）照射待处理水，杀死其中的微生物，从而达到灭菌消毒的目的。由于射线有较强的穿透能力，可瞬时完成灭菌作用，一般情况下不受温度、压力和pH值等因素的影响，效果稳定。通过控制照射剂量，还可以有选择地杀死微生物。

辐射消毒法的一次投资大，而且还要用到辐射源，有一定的风险，必须有严格的安全防护设施和完善的操作管理制度。

除上述消毒方法外，人们还在探索研究高压静电消毒、微电解消毒、微波消毒等消毒方法在水处理中的应用。

总的来说，物理消毒法方便快捷，对消毒后的水质没有影响，单从水处理的角度来讲，非常理想。但其费用较高，在应用上有一定的局限性，因此，在大规模水处理中应用较多的消毒方法还是化学消毒。

1.5.2　化学法消毒处理

化学消毒的消毒效果，首先取决于消毒剂的性能，不同消毒剂的灭菌能力相差很大，应选择性能稳定的高效消毒剂。对于同种消毒剂，如果消毒剂和水有较长的接触时间，可适当降低消毒剂的剂量，否则，就需要提高消毒剂的剂量，以保证消毒效果。

1.5.2.1　氯消毒

氯是工业上主要的消毒剂。在常态下，氯是有刺激气味、有毒的黄绿色气体，密度比空气大，商品氯通常以液氯钢瓶供应。液氯为琥珀色，约为水重的1.44倍。

1.氯消毒原理

氯能够微溶于水，溶于水后立即发生如下的水解反应：

次氯酸（HClO）是一种弱酸，又进而在瞬间离解为H＋和ClO-，并达到平衡：

Cl2、HClO和ClO-均具有氧化能力，都有杀菌作用，统称游离有效氯（或自由氯）。其中起主要消毒作用的一般认为是HClO。因为水中Cl2的含量很少而且氧化能力相对较弱，而HClO的杀菌能力又比ClO-强得多，大约要高出70～80倍以上。HClO的杀菌能力比ClO-强的原因是：尽管两者的氧化能力都比较强，但HClO系中性分子，可以扩散到带负电的细菌表面，并穿过细胞膜渗入细菌体内，利用氯原子的氧化作用破坏细菌体内的酶而使细菌死亡；而ClO-则带负电，难于靠近带负电的细菌，所以虽有氧化作用，也较难起到消毒作用。

水中HClO和ClO-所占的比例随水温及溶液中pH值而变化。其关系如图1.52所示。从图1.52中可以看出：当pH＞8.5时，80%以上的游离氯以ClO-存在；而pH＜7时，80%以上呈HClO形式存在。由于HClO消毒能力比ClO-要强多得，因此控制较低的pH值有利于消毒操作。生产实践也印证了这一结论。

天然水中通常都会或多或少地含有氨氮，尤其是被有机物污染的水中氨氮的含量更高。

当水中有氨存在时，氯和次氯酸极易与氨化合成各种氯胺。

NH2Cl、NHCl2和NCl3分别称为一氯胺、二氯胺和三氯胺（三氯化氮）。各种氯胺生成的比例与水中氯与氨的相对浓度、水的pH值以及温度有密切关系。其中，NCl3要在pH＜4.5时才产生，在一般自来水中不大可能形成；当水的pH值在5～9之间时，NH2Cl与NHCl2同时存在，但pH值低时，NHCl2较多；如图1.52所示。

各种氯胺也具有杀菌能力，其消毒作用是由于氯胺缓慢水解生成次氯酸，然后由次氯酸起消毒作用。显然，氯胺的杀菌作用比较缓慢，需要较长的接触时间。在氯胺当中，通常NHCl2的杀菌能力比NH2Cl强，因此，在相同条件下，降低pH值，可以相对提高NHCl2含量，有利于消毒。通常将与氨或其他有机氮反应，以各种氯胺形式存在于水中的氯，称为化合有效氯（或结合氯）。

各种氯都具有氧化性，如果水中有还原性物质或其他有机物，则这些物质都会与其发生反应，从而消耗掉部分消毒剂，影响消毒效果。应注意控制加氯量。

2.加氯量的确定

加氯量应满足两个方面的要求：一是用于消毒过程中，灭活微生物、氧化有机物和还原性物质，在规定的时间内达到指定的消毒指标；二是消毒后的出水中要保持一定的剩余氯，抑制消毒过程未杀死的致病菌复活。通常把满足上述两方面要求而投加的氯量分别称为需氯量和余氯量。因此，用于氯消毒的加氯量应是需氯量与余氯量之和。不同水质所需的加氯量差别很大，应根据水处理的目的、性质和相关的标准、规范要求，通过试验确定实际需要的加氯量。

我国的生活饮用水卫生标准规定，加氯接触30min后，游离性余氯不应低于0.3mg/L，管网末梢水的游离性余氯不应低于0.05mg/L。对于各种污水的消毒，其相应的标准、规范中一般也有对应的控制指标。

确定加氯量的试验方法是：在相同水质的一组水样中，分别投加不同剂量的氯或漂白粉，经一定接触时间（15～30min）后，分别测定水中的余氯量，绘制余氯量与加氯量的关系曲线（称需氯量曲线），如图1.53所示。

如果水中无微生物，也无有机物和还原物，则不消耗氯，需氯量为0，加氯量等于余氯量，如图1.53中的虚线（该线与坐标轴的夹角为45°）所示。

如果水中有少量微生物和有机物，则氧化有机物和杀死微生物要消耗一定量的氯，即需氯量。当加氯量大于需氯量OA后，就会出现余氯，如图1.53中的实线。如果水中没有氨或氮的化合物，则图1.53中的实线形状比较简单，将是一条沿AH方向顺势延伸的近似直线，该线与横坐标夹角小于45°，因为氯与有机物的氧化或自身见光分解速度会随着氯浓度的增加而加快，从而多消耗一些氯，同一加氯量下，虚线与实线的纵坐标差（b）代表水中微生物和杂质的耗氯量。

图1.53中所绘的弯曲多边实线表示的是水中既有微生物、有机物，而且又有氨或氮的化合物的复杂情况。通常可把实线分成四个区：

在1区（OA）内，氯先与水中所含的还原性物质（如、Fe2＋、S2-等）反应，余氯量为0，在此过程中虽然也会杀死一些细菌，但消毒效果不可靠。

在2区（AH）内，投加的氯基本上都与氨化合成氯胺，以化合性余氯存在，有一定的消毒效果。

在3区（HB）内仍然是化合性余氯，但由于加氯量较大，部分氯胺与氯反应变成没有消毒作用的N2O、N2或HCl，化合性余氯量反而逐渐减少，直至降到折点B。折点B以前的余氯全都是化合性余氯，没有游离性余氯。

折点B以后即进入4区（BC），此时已经没有消耗氯的杂质了，再增加余氯量完全以游离性余氯存在，实线与虚线平行。这一区内既有化合性余氯，又有游离性余氯，消毒效果最好。

按超过曲线上折点B的需氯量来加氯时，常称为折点加氯。

根据需氯量曲线确定加氯量，应考虑生产实际情况。当原水中游离氨在0.3mg/L以下时，通常采用折点加氯；当原水中游离氨在0.5mg/L以上时，峰点以前的化合余氯量已足够消毒，通常投氯量控制在峰点以前，以节约加氯量；当原水中游离氨在0.3～0.5mg/L范围内时，投氯量不好掌握，应多做小型实验，找出最佳加氯量。

当无实测资料时，加氯量可参照如下数值，一般的地面水经混凝沉淀过滤后或清洁的地下水，加氯量可采用1.0～1.5mg/L；一般的地面水经混凝沉淀而未经过滤时，可采用1.5～2.5mg/L；一级处理后的生活污水采用20～30mg/L；二级处理后的生活污水采用8～15mg/L。

3.加氯点

一般采用滤后加氯，具体部位可以是滤池出口、清水池进口，或二者之间的连接管（渠）上。对于没有净化设备的地下水，可在泵前或泵后投加。

如果原水水质较差，还可在投加混凝剂的同时加氯，用以氧化有机物，提高混凝效果，同时还可预防构筑物滋生青苔，延长氯胺消毒的接触时间，这种做法称为滤前氯化或预氯化。其加氯量一般控制在图1.53的AH段。

当管网延伸很长，管网末梢的余氯难以保证时，需要在管网中途补充加氯。其加氯点一般设在加压泵或水库泵站内。

4.加氯设备

加氯设备主要是加氯机和氯气钢瓶。国内最常用的加氯机有转子加氯机和真空加氯机两种。图1.54为常用的ZJ型转子加氯机。其工作原理是：来自氯瓶的氯气首先进入旋风分离器，再通过弹簧膜阀、控制阀、转子流量计，进入中转玻璃罩，经水射器抽吸与压力水混合，溶解于水中被送至加氯点。

各部分作用如下：

（1）旋风分离器：用于分离氯气中可能存在的悬浮杂质，如铁锈、油污等，其底部有旋塞可定期打开以清除杂质。

（2）弹簧膜阀：系减压阀门，能保证氯瓶内安全压力大于0.1MPa，如小于此压力，该阀即自动关闭，并起到稳压作用。

（3）控制阀和转子流量计：用来控制和测定加氯量。

（4）中转玻璃罩：用以观察加氯机的工作情况，同时起稳定加氯量，防止压力水倒流和当水源中断时破坏罩内真空的作用。

（5）平衡水箱：可以补充和稳定中转玻璃罩内水量，当水流中断时自动暴露单向阀口，吸入空气使中转玻璃罩真空破坏。

（6）水射器：从中转玻璃罩内抽吸所需的氯，使其与水混合并溶解，同时使玻璃罩内保持负压状态。

加氯机的具体操作方法，应按产品使用说明书的规定进行操作。

因氯气有毒，氯的运输、储存及使用应特别谨慎小心，保持良好通风，并备有检修及抢救设备，以确保安全。关于加氯设备安放使用、加氯间、氯库等的具体要求，在《室外给水设计规范》（GB 50013—2006）中都有详细要求，在此不再赘述。

1.5.2.2　氯胺消毒

前面已经讲过，氯胺消毒作用缓慢，杀菌能力比游离氯弱。但氯胺消毒的优点是：当水中含有有机物和酚时，氯胺消毒不会产生氯臭和氯酚臭，同时大大减少THMs产生的可能；能保持水中余氯较久，适用于供水管网较长的情况。因此，可人为地往水中加一些氨，配合氯消毒，使其生成适量的氯胺作为辅助消毒剂，以抑制管网中细菌再繁殖。

人工投加的氨可以是液氨、硫酸铵或氯化铵。硫酸铵或氯化铵应先配成溶液，然后再投加到水中。液氨的投加方法与液氯相似。

氯和氨的投加量视水质不同而有不同比例，一般采用氯：氨＝3：1～6：1。如果以防止氯臭为主要目的，氯和氨之比可小些；当以杀菌和维持余氯为主要目的时，氯和氨之比应大些。

采用氯胺消毒时，一般先加氨，待其与水充分混合后再加氯，这样可减少氯臭，特别当水中含酚时，这种投加顺序可避免产生氯酚恶臭。但当管网较长，主要目的是为了维持余氯较为持久，可先对进厂水加氯消毒，出厂水加氨减臭并稳定余氯。

1.5.2.3　漂白粉消毒

漂白粉由氯气和石灰加工而成，是一个由次氯酸钙、氯化钙组成的混合物，通常用式子Ca（ClO）2简单地表示其组成，有效氯约30%。漂白精是对漂白粉进行提纯，去除没有消毒作用的杂质，只留有效成分次氯酸钙所制得的产品，其分子式为Ca（ClO）2，有效氯约可达60%左右。两者均为白色粉末，有氯的气味，易受光、热和潮气作用而分解使有效氯降低，故必须放在阴凉干燥和通风良好的地方。二者的消毒机理相同，都是其中的有效成分——次氯酸钙与水反应，生成次氯酸，从而具有消毒作用，其反应如下：

漂白粉需配成溶液投加，溶解时先调成糊状物，然后再加水配成浓度为1.0%～2.0%（以有效氯计）的溶液。如果投加在滤后水中，则水溶液必须经过约4～24h澄清，以免杂质带进清水中；如果是投加到浑水中，则配制后可立即使用。

漂白粉消毒一般用于小水厂或临时性使用。

1.5.2.4　次氯酸钠消毒

次氯酸钠（NaClO）一般是用电解食盐水的方法制得，反应如下：

次氯酸钠也是强氧化剂和消毒剂，但消毒效果不如氯强。次氯酸钠消毒机理与次氯酸钙类似。

由于次氯酸钠容易分解，通常采用次氯酸钠发生器现场制取，就地投加，不宜储运。次氯酸钠消毒通常用于小型水厂。

1.5.2.5　二氧化氯消毒

二氧化氯与氯很相似，都是有刺激性气味的黄绿色气体，但是二氧化氯易溶于水，其溶解度是氯气的5倍，随其浓度增加二氧化氯水溶液的颜色由黄绿色转成橙色。

二氧化氯在水溶液中以气体分子存在，不发生水解反应。因此，二氧化氯一般只起氧化作用，不起氯化作用，它与水中杂质形成的三氯甲烷等比氯消毒要少得多。二氧化氯也不与氨作用，在pH＝6～10时，杀菌效率几乎不受pH影响。

二氧化氯是中性分子，对细菌的吸附和穿透能力都比较强，因此，对细菌有很强的灭活能力。其消毒能力次于臭氧，但高于氯。与臭氧比较，它又有剩余消毒效果。另外，二氧化氯还有很强的除酚能力。

二氧化氯易挥发，稍一曝气即可从水中溢出。气态和液态的二氧化氯还易爆炸，因此，二氧化氯消毒通常采用现场制备。其制备方法有多种，比较普遍的是用亚氯酸钠和氯反应制取：

由于亚氯酸钠较贵，且二氧化氯生产出来即须应用，不能储存，所以只有水源严重污染而一般氯消毒有困难时，才采用二氧化氯消毒。

1.5.2.6　臭氧法消毒

臭氧由三个氧原子组成，在常温常压下，是一种淡蓝色的具有刺激性气味的气体。臭氧极不稳定，分解时放出新生态氧：

新生态氧［O］具有强氧化能力，对具有顽强抵抗力的微生物如病毒、芽子孢等有强大的杀伤力。臭氧具有很强的氧化能力，仅次于氟，约是氯的两倍。因此，臭氧的消毒能力比氯更强。臭氧消毒法的特点是：消毒效率高、速度快，几乎对所有的细菌、病毒、芽孢都是有效的；同时能有效地降解水中残留有机物、色、味等；pH值、温度对消毒效果影响很小。

臭氧是空气中的氧通过高压放电产生的。制造臭氧的空气必须先进行净化和干燥，以提高臭氧发生器效率并减少腐蚀。

臭氧消毒历史已久，欧洲国家用得较多。但是，臭氧不稳定，用它消毒，在水中很容易消失，不能保持持久的杀菌能力。故在臭氧消毒后，往往需要投加少量氯，以维持水中一定的余氯量。另外，臭氧消毒法的设备投资大、电耗大、成本高，设备管理较复杂。因此，一般主要用于对出水水质要求较高的水处理场合。

当臭氧用于消毒过滤水时，其投加量一般不大于1mg/L，如用于去色和除臭味，则可增加至4～5mg/L。一般说，如维持剩余臭氧量为0.4mg/L，接触时间为15min，可得到良好的消毒效果，包括杀灭病毒。