主题:【分享】【清华大学】水环境处理 讲义 NO 7

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第七章 消毒(disinfection)

1 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/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 John Snow 在伦敦发现霍乱(cholera)与饮用水密切相关

1881 Koch 发现氯可以杀死细菌

1902 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(g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DNARNA(4)抑制酶的活性



2 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 Û HOCl + H+ + Cl-

HOCl Û H+ + OCl-

HOClOCl-的比例与水中温度和pH有关。pH高时,OCl-较多。

pH>9OCl-接近100%

pH<6HOCl接近100%

pH=7.54, [HOCl]=[OCl-]

HOClOCl-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 Û NH2Cl + H2

    NH2Cl + HOCl Û NHCl2 + H2O

    NHCl2 + HOCl Û NCl3 + H2O

其比例与pH有关。

    pH>9,一氯胺占优势

    pH7时,一氯胺和二氯胺同时存在。

    pH<6.5时,二氯胺

    pH<4.5    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):HOClOCl

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

Nt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Ct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。
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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:

l        水中无任何微生物、有机物等,加氯量=余氯,图182中的

l        水中有机物较少时,需氯量满足以后就是余氯。图182中的

l        当水中的污染物主要是氨和氮化合物时,情况复杂。

见图183

H:峰点

B:折点

OA:水中杂质把氯消耗光。

AH: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: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。

BCB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→→加氯量控制在折点后

    当原水游离氨>0.5mg/L→→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68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 mg/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 mg/L2000年低于30mg/L



2  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=3161

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。

 

  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

3 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510mg/L

接触时间:30分,

余氯量:>0.5mg/L



污水消毒的特点

一般氨氮含量高,因此一般为化合性余氯

有机氯化物的产生问题。

马踏飞燕
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马踏飞燕
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消毒的机理:
(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。
目的还是消灭细菌和病毒
马踏飞燕
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马踏飞燕
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不过现在更多的采用二氧化氯消毒了,效果好,并且对水中的部分无机离子有氧化还原作用,譬如生活饮用水除去铁和锰的很好的方法
马踏飞燕
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臭氧消毒的现在也很少了吧?饮用水已经不采取了。
tangtang
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原文由 马踏飞燕(langhuashang) 发表:
臭氧消毒的现在也很少了吧?饮用水已经不采取了。


臭氧消毒,可能产生溴酸盐,这是一个为了菌检合格而用臭氧消毒后产生的问题。
小虾米
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原文由 tangtang(tangtang) 发表:
原文由 马踏飞燕(langhuashang) 发表:
臭氧消毒的现在也很少了吧?饮用水已经不采取了。


臭氧消毒,可能产生溴酸盐,这是一个为了菌检合格而用臭氧消毒后产生的问题。


不管怎么说,还是带了杂质进去!!
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