第四讲 消毒(disinfection) 概述 一、消毒定义： 将水体中的病原微生物(pathogenic organisms)灭活，使之减少到可以接受的程度。 人体内致病微生物主要包括： 病菌(bacteria)、原生动物胞囊（protozoan oocysts and cysts）、病毒（viruses）（如传染性肝炎病毒、脑膜炎病毒）等。 消毒与灭菌(sterilization)不同：灭菌是消灭所有活的生物。 评价指标：（生活饮用水卫生规范，卫生部, 2001.6） 细菌总数：<100个/mL 总大肠菌群：每100mL水样中不得检出 粪大肠菌群：每100mL水样中不得检出 二、消毒简史 1854年 John Snow 在伦敦发现霍乱（cholera）与饮用水密切相关 1881年 Koch 发现氯可以杀死细菌 1902年 比利时的Middleheike市首次在公共水处理中采用氯消毒 三、消毒方法： 化学药剂（氧化剂等） 物理法（热和光） 机械法（格网、膜） 辐射（(射线、电子束） 四、消毒机理 可能有以下几个方面的作用： (1) 破坏细胞壁；(2)改变细胞通透性：（3）改变微生物的DNA或RNA；(4)抑制酶的活性 氯消毒 氯化作用（chlorination）常用作消毒的同义词。 一、氯消毒原理 氯易溶于水中，在清水中，发生下列反应： Cl2 + H2O ( HOCl + H+ + Cl- HOCl ( H+ + OCl- HOCl和OCl-的比例与水中温度和pH有关。pH高时，OCl-较多。 pH>9，OCl-接近100%。 pH<6，HOCl接近100%。 pH=7.54, [HOCl]=[OCl-] HOCl和OCl-都有氧化能力，但细菌是带负电的，所以一般认为主要是通过HOCl的作用来消毒的。只有它才能扩散到细菌表面，并穿透细胞壁到细菌内部，破坏细菌酶系统。实践也表明pH越低，消毒作用越强。 有关氯消毒理论仍有待研究。 如果有氨存在： NH3 + HOCl ( NH2Cl + H2O NH2Cl + HOCl ( NHCl2 + H2O NHCl2 + HOCl ( NCl3 + H2O 其比例与pH有关。 pH>9，一氯胺占优势 pH为7时，一氯胺和二氯胺同时存在。 pH<6.5时，二氯胺 pH<4.5时，三氯胺 氯氨的消毒也是依靠HOCl。只有HOCl消耗得差不多时，反应才会向左移动。 因此，有氯胺存在时，消毒作用比较缓慢。 如氯消毒5分钟，杀灭细菌99％以上，而用氯胺消毒，相同条件下仅杀灭50％。 三种氯胺中，二氯胺消毒效果最好，但有嗅味。三氯胺消毒作用极差，且有恶嗅味。 自由性或游离性氯（free available chlorine）：HOCl、OCl－ 化合性氯或结合性氯（combined available chlorine）： 二、消毒动力学 1. 接触时间的影响： 在一定消毒剂的浓度下，消毒速度可用Chick定律（1908年）表示： - dN/dt ＝ k N ，N：t时刻活的微生物数目；k：反应速率常数；t：反应时间 ，  2. 浓度的影响（modified Chick/Watson Equation）  k’：比反应速率常数  在给定的灭活率条件下，在log-log坐标上，作C和t之间的关系，可求得n：n=1 浓度和时间都同等影响；n>1 浓度影响大；n<1 时间影响大，在一般情况下，可以视n=1。 CT 值作为消毒剂消毒能力的判断指标。 三、加氯量 加氯量＝需氯量＋余氯 需氯量：灭活水中微生物、氧化有机物和还原性物质所消耗的部分。 余氯：出厂水接触30分后余氯不低于0.3mg/L；在管网末梢不应低于0.05mg/L。 加氯曲线： 水中无任何微生物、有机物等，加氯量＝余氯，下图中的① 水中有机物较少时，需氯量满足以后就是余氯。下图中的② 当水中的污染物主要是氨和氮化合物时，情况复杂。 见图18－3。 H：峰点，B：折点 OA段：水中杂质把氯消耗光。 AH段：氯与氨反应，有余氯存在，有一定消毒效果，但余氯为化合性氯，其主要成分是一氯氨。 HB段：仍然是化合性余氯，加氯量继续增加，氯氨被氧化成不起消毒作用的化合物，余氯反而减少。 BC段：B点以后，出现自由性余氯。 加氯量超过折点需要量：折点氯化 当原水游离氨<0.3mg/L时→→加氯量控制在折点后 当原水游离氨>0.5mg/L时→→加氯量控制在峰点前 四、加氯点： 滤后加氯 滤前加氯――混凝剂投加时加氯，提高混凝效果。 管网中途加氯 五、加氯设备与工艺 1. 加氯设备 一般用氯气：有毒气体，在6－8气压下变成液氯 使用时采用氯瓶。干燥氯气和液氯对钢瓶无腐蚀作用，但遇水或受潮则会严重腐蚀金属。因此，必须严格防止水和潮气进入氯瓶。 加氯机：转子加氯机 2.加氯工艺 六、氯化消毒副产物 有机物与氯生成有机氯化物，三卤甲烷。 我国新标准规定了三卤甲烷(THMs)浓度，包括：氯仿、溴仿、二溴一氯甲烷和一溴二氯甲烷四种物质。 1993年美国制订的消毒剂－消毒副产物方案中建议： THMs 80 (g/L， 卤乙酸（HAAS）：一共五种（一氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、一溴乙酸、二溴乙酸），五种之和在1997年低于60 (g/L，2000年低于30(g/L。 其它消毒法 一、氯氨消毒 优点：水中含有有机物和酚时，氯氨消毒不会产生氯臭和氯酚臭，大大减少了THMs的产生，能保持水中余氯较久。 但作用缓慢，杀菌能力比自由氯弱。单独使用的情况较少。 人工投加氨可以是液氨、硫酸氨或氯化氨。 氯和氨的投加量视水质不同而有所不同。一般采用氯：氨＝3：1～6：1 采用氯氨消毒时，一般先加氨，再加氯。 二、二氧化氯消毒 ClO2在常温下是一种黄绿色气体，具有刺激性。溶解度是氯的5倍。极不稳定，气态和液态ClO2均易爆炸。故必须以水溶液的形式现场制取。 制取方法： 亚氯酸钠和氯制取： Cl2 + H2O → HOCl + HCl HOCl + HCl +2NaClO2 → 2 ClO2 + 2NaCl +H2O 用酸与亚氯酸钠制取: 5NaClO2 + 4HCl → 4 ClO2 + 5NaCl + 2H2O ClO2既是消毒剂又是氧化能力很强的氧化剂。 对细菌的细胞具有较强的吸附和穿透能力，灭活能力强。 不会与水中有机物作用生成有机氯化物。甚至本身的氧化能力能去除THMs前驱体。 ClO2消毒能力比氯强。 ClO2不水解，消毒受pH影响较小。 ClO2余量能在管网中保持很长的时间。 作为氧化剂，能去除或降低水的色度等。 但ClO2本身和副产物ClO2－对人体血红细胞有损害。有报道认为还对人的神经系统及生殖系统有损害。 三、臭氧消毒 作用：既是氧化剂，又是消毒剂，渗入细胞壁。 作为消毒剂，不会产生三卤甲烷副产物，杀菌和氧化能力比氯强。但由于臭氧在水中不稳定，易散失，因此在O3之后，往往需要投加少量的氯等。 欧洲普遍用臭氧处理饮用水，在美国也逐渐流行。 但近年来臭氧化的副作用也开始引起人们的关注。 水中大分子物质变成分子较小的中间产物，可能有毒性。或者中间产物和氯作用后致突变反而增强。 四、其它 次氯酸钠消毒：次氯酸钠发生器食盐电解：NaCl+H2O(NaOCl+H2( 紫外线消毒：消毒速度快，几十秒钟即能杀菌；不影响水的物理和化学性质；操作简单 电化学消毒：消毒效率高 污水消毒 污水经一级或二级处理以后，水质大大改善，细菌含量也幅度降低，但细菌的绝对值仍很高，并存在有病原菌的可能。因此在排放之前或回用之前，应进行消毒。 一般采用氯消毒： Cl2 污水 → 混合池 → 接触池 → 排放 加氯量： 一般城市污水二级处理出水：加5－10mg/L 接触时间：30分， 余氯量：>0.5mg/L