消毒 (1) 概述通过消毒剂或其它消毒手段,杀灭水中致病微生物的处理过程,称为消毒。水中的致病微生物包括病毒、细菌、
真菌、原生动物、肠道寄生虫及其卵等。应该注意到,消毒 和 灭菌 是两种不同的处理工艺,前者仅要求 杀灭致病微生物,而后者则要求 杀灭全部微生物 。
消毒对饮用水是必不可少的处理工艺。对废水处理而言,虽非必须,但对某些废水的安全排放或回用,也是十分重要的。例如,生活污水、医院废水、屠宰场废水、食品加工场废水、饲料场废水、皮革场废水以及某些生化实验室废水,都或多或少的含有某些致病微生物,未经消毒而任意排放这类废水,将引起严重的卫生问题。
消毒 (1) 概述水中致病微生物大多粘附于悬浮颗粒上,因此,在进行混凝、沉淀、过滤等处理时,同时也去除了相当部分
(可达 90%)的致病微生物。另外,其他处理过程中所加入的化学药剂,如苛性碱、酸、氯、臭氧等,也同时对致病微生物有杀灭作用。因此,对废水施加消毒,必须结合整个处理过程,确定其必要性、适应性和处理程度。以杀灭致病微生物为目的的消毒处理常常是保证处理水质的最后一关。
消毒方法包括物理法和化学法两大类。物理法有加热、
光照及超声波等手段,但在废水处理中很少应用。属于化学消毒法的消毒剂有多种氧化剂(氯、臭氧、溴、碘、高锰酸钾等)、某些重金属离子(银、铜等)及阳离子型表面活性剂等,其中以氯消毒和臭氧消毒法应用最多消毒 (2)化学消毒原理投加化学药剂(消毒剂)对水进行消毒的过程包括以下几步:
①消毒剂达到微生物体表,②渗入细胞壁,③与特定的酶发生反应,破坏其活性,中断细胞的代谢过程。
影响消毒效率的因素比较复杂,主要有以下几个方面:
( 1)致病微生物的种类及存在状态 一般而言,病毒比细菌较难杀灭;有芽孢的细菌比无芽孢的细菌 较难杀灭(废水中的致病菌多无芽孢)。单个细菌易受消毒剂的致毒作用,而成团细菌的内部菌体因受保护而难于杀死。
(2)消毒剂的种类与浓度 氯的杀菌作用很好,且能维持较为长久的杀菌作用,但对病毒的作用较差;臭氧对细菌、病毒等都有强烈的杀伤能力,但无耐久的效能;铜离子杀藻作用十分突出,但灭菌作用却不强。一般来说,消毒剂的浓度愈高,则杀菌效果愈好。
消毒 (2)化学消毒原理
(3)水质特征 温度愈高,杀菌愈好; pH值对氯的杀菌作用影响大,而对臭氧的影响不大;悬浮物能掩蔽菌体,使之不致受消毒药剂的作用;有机物的存在,消耗氧化性的消毒剂;氨能降低氯的杀菌强度,但却能维持其持久性。
(4)接触时间 接触时间愈长,致病微生物的杀灭率愈高。消毒过程十分复杂,可能是一系列连续发生的物理、化学、生物化学反应,其反应机理尚不十分清楚。因此,很难根据某种反应机理建立消毒的动力学公式。
消毒 (3)氯消毒法一,氯的消毒作用常用氯系消毒剂有氯、次氯酸钠、漂白粉、漂白精等。它们的杀菌机制基本相同,主要靠水解产物次氯酸起作用。氯在水中迅速水解为次氯酸(水中 Cl2量可忽略),
而次氯酸为弱酸,在水中部分电离。
根据次氯酸的电离常数式
Ka=[H+][OCl-]/[HOCl],可得 pH值与 OCl-,HOCl两者相对含量的关系式,
上图给出了在 20℃ 和 0℃ 时,
pH值与 HOCl,OCl-二者相对含量的关系。
消毒 (3)氯消毒法实践表明,pH 值越低,氯的杀菌作用愈强。由此可推断,氯的消毒作用主要依靠 HOCl,而 OCl-的作用较弱。据测定,HOCl
的杀菌作用比 OCl-要强 80倍。究其原因,可能是因为 HOCl 呈电中性,易接近带负电的菌体,并透过细胞壁而进入菌体,通过氧化作用破坏细菌的酶系统而使细菌死亡;而 OCl-带有负电荷,不易接近带负电荷的菌体,难于发挥其杀菌作用。
当水中含有氨态氮时(这是很常见的),投氯后生成各种氯胺:
Cl2+H2O=HOCl+HCl; NH3+HOCl=NH2Cl+H2O;
NH2Cl+HOCl=NHCl2+H2O;
NHCl2+HOCl=NCl3+H2O
消毒 (3)氯消毒法氯胺亦有消毒作用,称为化氯;而把 HOCl,OCl-称为游离氯。
在平衡状态时水中各种氯胺的比例决定于 pH值、(氯 /氨)值和温度。一般说来,当 pH>9时,一氯胺占优势;当 pH=7.0时,一氯胺与二氯胺近似等量;当 pH<6.5时,主要为二氯胺;只有当 pH<4.4
时才产生三氯胺。实验表明,氯胺在酸性条件下有较强的杀菌作用。由此可知,二氯胺的消毒作用比一氯胺强。至于三氯胺,其消毒作用极差,又具有恶臭味,在通常的水处理条件下不大可能生成,因而对消毒处理意义不大。
氯胺在水中的消毒作用,实质上是依靠其水解产物 HOCl。只有当水中的 HOCl因消毒而消耗后,氯胺才不断水解释放出 HOCl继续起消毒作用。因此,氯胺的消毒作用比较缓慢,需要较长的接触时间和较大的投药量。但是氯胺消毒有其独特的优点,( 1)氯胺较稳定,在水中的存留期长,逐渐释放出 HOCl,消毒作用持久;
( 2)能减少三卤甲烷和氯酚的产生,可使氯酚臭味减轻;( 3)
防止管网中铁细菌的繁殖。
消毒 (3)氯消毒法二、投氯量及投氯点氯化消毒时,为获得可靠而持久的消毒效果,投氯量应满足部分的要求,( 1)杀灭细菌以达到指定的消毒指标及氧化有机物等所消耗的 "需氯量 ";( 2)抑制水中残存致病菌的再度繁殖所需的
"余氯量 "。余氯量的规定还提供了确定投氯量和判定消毒效果的简易方法。 下面分别讨论不同情况下投氯量与余氯量之间的关系。
消毒 (3)氯消毒法二、投氯量及投氯点
( 1) 水中不含氨氮和含氨有机物,只有其他需氯物质(如细菌、
有机物、还原性无机物等)时,
投氯量等于需氯量 b与余氯量 c之和 。 投氯量与余氯量之关系如右图 OMP曲线所示。 45o倾斜线
(虚线)表示需氯量为零的假想情况。
消毒 (3)氯消毒法二、投氯量及投氯点
( 2)若水中需氯杂质主要为氨氮及含氨有机物时,投氯量与余氯量的关系如右图中 OMABP曲线所示 。曲线与虚线间的垂直距离表示需氯量;曲线与横坐标间的垂直距离表示余氯量。 OM段表示水中其它杂质消耗氯,余氯量为零,此时消毒效果不可靠; MA段,表示氯与氨生成氯胺
(主要是一氯胺),有化合余氯存在,所以有一定消毒效果; AB段表示,部分氯胺被投入的氯氧化分解为不起消毒作用的 N2、
NO,N2O等。化合余氯减少,最后到折点
B,化合余氯量降至最小值; BP线表示,
此时已经没有消耗氯的杂质了,所投之氯全部用于增加游离余氯量,消毒效果最好。
消毒 (3)氯消毒法二、投氯量及投氯点消毒处理时投氯量的控制视原水水质和消毒要求不同而异。对给水处理来说,若氨氮含量较低(小于 0.3mg/L),通常投氯量超过折点 B,维持一定游离余氯量,此即“折点氯化法”。若氨氮含量较高(大于 0.5mg/L),投氯量控制在峰点 A以前即可,这时的化合余氯量以足够消毒。不同废水的水质和消毒要求差别很大,应通过实验确定投氯量。一般城市污水沉淀后出水的投氯量约为 6~
24mg/L,二级生化处理出水约为 3~ 9mg/L,二级生化加过滤处理之出水,约为 1~ 5mg/L。氯与废水应充分混合,接触时间约为 1h
(氯胺消毒为 2h)。废水经加氯消毒后,1h后的余氯量应不小于
0.5mg/L;但余氯的多少,还应考虑接纳水体的安全;例如水体含氯量达 0.1mg/L时,有使河流中鱼类死亡的危险。
消毒 (3)氯消毒法二、投氯量及投氯点氯化消毒还应考虑的几个问题,( 1)折点加氯时氯的大量投加,
使 pH值下降,不仅影响排放或回用,而且腐蚀管道与设备。因此,
在加氯的同时要加碱,要调整 pH。( 2)氯化消毒时,水中有机物与氯生成有毒且难降解的有机氯化物,影响排放和进一步进行生化处理;同时,氯与有机物反应缓慢,给维持一定的余氯带来困难。因此,有时消毒前要进行预处理,去除水中有机物。预处理的方法有药剂氧化法和活性炭吸附法。氧化剂可用臭氧或高锰酸钾。( 3)折点氯化后,有时要进行后处理,去除有机氯化物及过量的氯(其中往往含有恶臭味的二氯胺及三氯胺)。后处理的方法有二氧化硫法和活性炭吸附及还原法。( 4)煤气站废水中含有 SCN-,CN-等离子和酚等化学物质,如在生物处理后进行氯化消毒,会生成剧毒的 CNCl和氯酚,排放到水体中危害性更 大。
消毒 (3)氯消毒法二、投氯量及投氯点给水处理中,投氯方式有单纯投氯(仅进行消毒处理)、
预氯化(在其它处理以前投氯)、后氯化(在其它处理后投氯)、再氯化(在配水系统进行二次氯化)等。废水处理中,一般采用单纯氯化和后氯化。如发现某些处理过程受到微生物的干扰破坏时,也可采用预氯化消毒 (3)氯消毒法三、加氯装置氯是有毒物质。当空气中氯气浓度为 3.5ppm时,即可感知;度达 30ppm时,能引起咳嗽;在 40~ 60ppm浓度下停留 30min,对生命有危险;浓度达 100ppm,使人立即死亡。氯通常以液氯形式装钢瓶供应,使用时是在有压条件下操作,加之氯的比重比空气重 1.5倍,一有漏气现象,不易散发,容易造成操作人员中毒。因此,投加氯气时,必须十分注意安全。
消毒 (3)氯消毒法三、加氯装置为保证投加液氯时的安全和计量准确,研制了各种加氯装置。下 图 为安全加氯设备中的一种 --真空加氯机的示意图。玻璃钟罩外浅盘中存有水,
形成水封,防止罩内氯气外溢。盘里还设有补充进水管和溢流管,保证盘中维持必要的水层深度。正常工作时,氯气从液氯瓶的出口减压阀流出,
经旋流分离器分离去除锈垢、油污等悬浮杂质,由浮球控制的出氯孔进入加氯机玻璃罩,经吸氯管由水射器抽吸到投氯点。浮球 5用以调节出氯量。
当处理水量大时,
水射器从真空罩内抽出的氯气量增加,罩内真空度增加而使罩内水面上升,浮球 5
随之上浮而开大出氯孔;反之水面下降而减小出氯孔开启度。当罩内真空度过高,
浮球 6脱空,让少量空气进入罩内,适当降低真空度,
以防水封破坏,氯气外泄。
消毒 (3)氯消毒法三、加氯装置采用漂白粉 Ca(OCl)Cl消毒时比较安全。漂白粉需配成溶液加入,溶解时先调成糊状,然后稀释成浓度为 2%的溶液。其投加设备和混合反应设备与石灰乳的化学沉淀法相似。采用漂白粉消毒时,还应设置沉淀池,除去产生的机械杂质。沉淀时间采用 1~ 1.5h。
电解含盐溶液或海水,现场制备次氯酸钠溶液进行消毒,对小水量消毒处理是方便和经济的,已在实际中得到应用。
消毒 (3)氯消毒法四、应用氯化用于消毒杀菌外,还用以抑制和控制藻类及其它生的繁殖,稳定和延缓污泥的厌氧发酵。医院废水的主要处理内容是消毒。消毒前应进行澄清处理,一般采用沉淀池,有时,在澄清处理后还要进行生物处理。因医院废水量通常不大,可采用生物转盘或生物滤塔,经过二次沉淀后,施以消毒处理。一般一级处理污水的投氯量约为 30~ 50mg/L,二级处理污水为 15~ 25mg/L。
余氯量控制在 2~ 5mg/L范围内。下图为某结核病院的废水处理流程。加氯量为 50mg/L,余氯 2mg/L,消毒作用稳定,同时可去除氨氮 50%,悬浮物 87%,溶解氧由 2mg/L增加至 7mg/L。
消毒 (4)其它化学消毒法一、臭氧消毒法臭氧是仅仅次于氟的强氧化剂,它有很强的消毒能力,除能杀死细菌外,对耐药性较强的病毒、芽孢也有很强的杀灭能力。
即使在 0.1mg/L的低浓度下,仍可在 5s内杀死一般水样中的大肠杆菌,而在相同条件下氯气 4h才能达到同样效果。臭氧消毒基本上不受 pH值和温度的影响。臭氧易于分解,不产生永久性残留;能同时除色、除臭、除味、降解各种有机毒物,不致产生而次污染 。
臭氧消毒时,投加量一般为 1~ 4mg/L。如同时氧化分解废水中其它污染物,应增大投加量。医院污水消毒处理时,投量可高达 20~ 50mg/L。剩余臭氧量和接触时间为决定臭氧消毒效果的主要因素。如维持臭氧浓度 0.4mg/L,接触时间 15min,可达到良好的消毒效果(包括病毒的杀灭)。臭氧消毒存在的主要问题是基建投资大,制备臭氧的电消耗高;臭氧在水中不稳定易分解,
没有持久的杀菌作用。
消毒 (4)其它化学消毒法二、重金属消毒法银离子能凝固微生物的蛋白质,破坏细胞结构,在很低的浓度( 15μg/L)下,就具有显著的消毒作用,但所需接触时间很长。由于成本很高,仅在废水中含有银离子的情况下,与其它废水混合而起消毒作用;亦用于小水量的消毒。铜离子特别适于杀灭藻类,作用迅速,效果良好,但其杀菌作用很弱。硫酸铜常用于湖泊、水库或循环水的灭藻。
消毒 (4)其它化学消毒法三、二氧化氯消毒法二氧化氯的杀菌效率,在 pH6.5时不如氯,但随着 pH值的提高,其杀菌效率很快超过氯。她作为消毒剂,不与废水中的氨氮、含氮有机物反应,也不会产生有机氯化物。因此,特别适合于对含有酚和有臭味的废水进行消毒处理。
二氧化氯不稳定,易分解爆炸,常在使用地点现场制取。
为防爆炸,使用时采用浓度为 6~ 8mg/L的 ClO2水溶液,并避免与空气接触。在给水处理中,当单纯用于消毒时,其投加量约
0.1~ 1.5mg/L;同时兼做除臭时,投加量约 0.6~ 1.5mg/L。投药量必须保证管网末端有 0.05mg/L的余量。