陳真真

介紹

水（分子式為H2O）是各類生物的生命中不可缺少的最基本物質(zhì)，是人類生存的必需品，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市發(fā)展的極重要資源。人類習(xí)慣于把水當(dāng)作取之不盡、用之不竭的廉價(jià)的自然資源，然而近幾十年來(lái)，伴隨著人口的持續(xù)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)很多地區(qū)相繼出現(xiàn)水資源短缺這一現(xiàn)象[1]。全國(guó)已經(jīng)有80%的城市處于缺水狀態(tài)，缺水總量達(dá)1200億m3/a，尤其在北方地區(qū)格外嚴(yán)重[2]。而水污染更是加劇了水資源的緊張狀況，并對(duì)人類的生命健康形成嚴(yán)重威脅。開(kāi)源節(jié)流是解決這一問(wèn)題的主要途徑，但地球上的水資源是十分有限的，在這種情況下，回用水作為新型非傳統(tǒng)水源逐漸走進(jìn)人們的視野。

回用水是指城市污水或工業(yè)廢水經(jīng)過(guò)二級(jí)處理或深度處理后供給回用的水。回用水量大，易收集，成本低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果使用回用水作為城市日常供水，可以節(jié)省總供水量的一半以上[3]。

目前，新型冠狀病毒肺炎(簡(jiǎn)稱新冠肺炎，COVID原19)仍在全球很多國(guó)家肆虐，新冠肺炎疫情是近百年來(lái)全世界暴發(fā)的最為嚴(yán)重的流行傳染病，是我國(guó)遭遇過(guò)得傳播速度最快、感染范圍最廣、防控難度最大的重大型突發(fā)性的公共衛(wèi)生事件。新冠病毒主要通過(guò)呼吸道飛沫或密切接觸傳播，也有可能通過(guò)分布在環(huán)境中的新冠病毒傳播，而這一途徑很有可能來(lái)自回用水在各大場(chǎng)景中的使用。

城市污水回用水大多用于噴灌農(nóng)田、公園草坪、體育場(chǎng)以及娛樂(lè)景觀用水（比如游泳、沖浪）等與人體暴露量大、接觸頻繁的場(chǎng)所，其中的病毒等病原微生物對(duì)人體健康存在一定的潛在危害，水果蔬菜以及衣服表面都會(huì)成為疾病傳播途徑[4]，因此，對(duì)回用水進(jìn)行有效的消毒處理十分必要。

消毒方法

1.液氯消毒法

氯氣是一種強(qiáng)氧化性物質(zhì)，在常溫常壓下為黃綠色氣體，分子式為Cl2，比空氣重2.5倍，具有強(qiáng)烈的刺激性和臭味，有劇毒。當(dāng)加壓至6耀7個(gè)大氣壓時(shí)可以被液化，體積能夠縮小457倍，可灌入鋼瓶中儲(chǔ)存，故又稱之為液氯。液氯密度是水的1.5倍，易溶解于水（在常溫常壓下，溶解度為7160mg/L）。氯氣消毒中起消毒作用的是氯氣與水反應(yīng)生成的次氯酸，氯氣產(chǎn)生次氯酸的反應(yīng)式如下：

氯氣通過(guò)其水解的次氯酸起消毒作用。次氯酸是很小的中性分子，所以它才能不受任何排斥地?cái)U(kuò)散到帶負(fù)電的病毒分子表面，并輕易進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)部。當(dāng)次氯酸分子到達(dá)病毒內(nèi)部時(shí)，能夠起氧化作用，破壞病毒內(nèi)的蛋白質(zhì)或核酸物質(zhì)，破壞病毒的結(jié)構(gòu)或基因，導(dǎo)致其無(wú)法入侵生命體進(jìn)行繁殖，從而達(dá)到殺滅病毒的效果。此外，次氯酸化學(xué)性質(zhì)極其不穩(wěn)定，易分解，分解容易釋放出新生態(tài)氧（[O]，O3、H2O2分解均可得到），新生態(tài)氧具有強(qiáng)氧化性，可以使病毒上的蛋白質(zhì)等物質(zhì)變性，從而使病毒失活。

液氯消毒應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)成熟、價(jià)格低廉且便于操作，我國(guó)大多數(shù)回用水仍然采用液氯進(jìn)行消毒處理。氯氣消毒有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：處理水量大時(shí)，單位水體積費(fèi)用低；消毒后能保持一定量的余氯，具有持續(xù)消毒能力。但氯氣消毒的缺點(diǎn)也不可忽略：氯氣與水中有機(jī)物反應(yīng)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物可能致癌致畸致突變，嚴(yán)重危害人體健康；氯氣消毒使用較多后會(huì)培養(yǎng)出某些微生物對(duì)氯氣的抗性，這些微生物可能會(huì)引起大規(guī)模傳染??；氯氣毒性強(qiáng)、易腐蝕，一旦泄露，將會(huì)導(dǎo)致重大的安全事故和財(cái)產(chǎn)損失[5]。

液氯消毒的有效性被多次證實(shí)。Dryden等對(duì)污水處理廠中氯消毒去除病毒效果的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)污水中余氯濃度為5~10mg/L時(shí)，病毒的去除率可達(dá)4對(duì)數(shù)(4-log，99.99%）。Olivieri等對(duì)氯消毒試驗(yàn)研究表明，當(dāng)液氯濃度（c）和接觸時(shí)間（t）的乘積為55mg/L·min時(shí)，病毒去除率可達(dá)6對(duì)數(shù)（6-log，99.9999%）[6]。

2.二氧化氯消毒法

二氧化氯比氯氣的氧化性更強(qiáng)，常溫常壓下為黃綠色氣體，具有強(qiáng)烈刺激性氣味，分子式為ClO2，ClO2氣體在外觀和味道上和氯氣極為相似，極易溶于水，且不和水發(fā)生反應(yīng)，溶解度是氯氣的5耀8倍。常溫幾乎不發(fā)生水解，遇熱水解時(shí)，會(huì)分解為次氯酸、氯氣和氧氣，同樣具有強(qiáng)氧化性，具有消毒作用。

二氧化氯的主要作用機(jī)理是氧化作用，因其特殊的分子結(jié)構(gòu)（外層19個(gè)電子），具有非常強(qiáng)的掠奪電子的能力，能對(duì)富有電子的原子基團(tuán)進(jìn)行攻擊，使之失活或改性。另外，二氧化氯分子是中性分子，很容易在水溶液中擴(kuò)散，能夠輕易進(jìn)入病毒內(nèi)發(fā)揮作用。二氧化氯對(duì)于一般細(xì)胞的滅活機(jī)制可能有4種，分別是氧化DNA或RNA、中斷蛋白質(zhì)合成、氧化蛋白質(zhì)和氨基酸以及氧化細(xì)胞膜導(dǎo)致細(xì)胞物質(zhì)泄露。對(duì)于病毒可能只有氧化DNA、RNA或蛋白質(zhì)這幾種機(jī)制。

二氧化氯跟氯氣相比更有優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：二氧化氯（1.51V）的氧化還原電位高于氯（1.36V），氧化還原電位越高，反應(yīng)速度更快；二氧化氯有效氯濃度是氯氣的2.6倍，用量比氯氣少就能達(dá)到比氯氣更好的滅活效果；二氧化氯溶解度高，且不與水中有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，不產(chǎn)生有毒三致副產(chǎn)物；二氧化氯適用的酸堿度范圍更廣。但是二氧化氯易揮發(fā)、易爆炸，空氣中濃度大于10%或水中濃度大于30%都會(huì)發(fā)生爆炸，所以不方便貯存，只能現(xiàn)場(chǎng)制備。二氧化氯消毒成本也比氯氣消毒高出一倍之多[7]。

任哲[8]等用40mg/L二氧化氯滅活鼠肝炎冠狀病毒(MHV)，1min即可達(dá)到4.83-造og的去除率，MHV被完全滅活。李學(xué)敏[9]等用濃度為100mg/L的二氧化氯對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌滅活，分別作用7.5 min，殺滅對(duì)數(shù)值均躍5.00；對(duì)白色念珠菌作用7.5 min，殺滅對(duì)數(shù)值躍4.00。

猿援臭氧消毒法

臭氧（O3）是分子氧（O2）離解成為原子氧（O）時(shí)產(chǎn)生的一種不穩(wěn)定氣體，常溫常壓下，可自行分解為氧氣。臭氧密度是空氣的1.6倍，常溫常壓下呈現(xiàn)出淡藍(lán)色，具有特殊的臭味，少量吸入對(duì)人體有益，過(guò)量吸入對(duì)人體有害。臭氧作為一種常見(jiàn)的強(qiáng)氧化劑，其氧化能力是氯氣的2倍，殺菌能力更是達(dá)到氯氣的數(shù)百倍。臭氧消毒目前在歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用較多，國(guó)內(nèi)水廠應(yīng)用較少。臭氧的生成反應(yīng)式如下所示：

臭氧對(duì)微生物的滅活作用，是因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)氧化性和生物膜擴(kuò)散能力。其作用機(jī)制可能有2點(diǎn)，分別是：①直接與微生物細(xì)胞、病毒體作用，破壞真核細(xì)胞細(xì)胞壁、DNA或RNA，使細(xì)胞的遺傳物質(zhì)、新陳代謝受到破壞，導(dǎo)致死亡；②滲透進(jìn)入細(xì)胞膜內(nèi)，作用于外膜的脂蛋白或內(nèi)部的脂多糖，使細(xì)胞發(fā)生透性畸變，直至溶解死亡。

臭氧消毒具有以下優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)制備，減少了運(yùn)輸貯存環(huán)節(jié)；氧化作用強(qiáng)，滲透速度快，消毒效果強(qiáng)于氯和氯胺等消毒劑；消毒產(chǎn)物只有氧氣和水等無(wú)害化物質(zhì)；對(duì)抗性很強(qiáng)的微生物也有很強(qiáng)的滅活效果。臭氧消毒具有以下缺點(diǎn)：當(dāng)水中存在一定濃度溴離子時(shí)，臭氧氧化過(guò)程中可能會(huì)生成對(duì)人體有害的溴酸鹽；臭氧衰減速度很快，室溫下30min就可能衰減完全，因此不具有持續(xù)消毒能力[10]。

彭紅[11]等測(cè)試了臭氧對(duì)大腸桿菌的滅活效果，在1m3的臭氧發(fā)生器密閉箱中氣體臭氧濃度達(dá)到80.86mg/m3，作用90min后，載體上大腸桿菌滅火率達(dá)到96.90%。水中臭氧濃度為3.0mg/100ml，作用5 min后，對(duì)水中大腸桿菌平均滅活率達(dá)到99.92%。水中臭氧濃度為20.64 mg/L，作用30 min后，對(duì)載體上大腸桿菌平均滅活率達(dá)到99.91%。

源援紫外消毒法

紫外線（UV）是電磁波譜中波長(zhǎng)為10耀400nm輻射的總稱，其中200耀300nm之間的紫外線有滅菌作用。飲用水消毒使用250耀265nm最佳波長(zhǎng)的紫外線，波長(zhǎng)253.7nm的紫外線殺菌作用最強(qiáng)。紫外線消毒是當(dāng)今世界上最有效、最經(jīng)濟(jì)、最先進(jìn)的水體消毒方法，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家己廣泛應(yīng)用，當(dāng)前在我國(guó)也越來(lái)越受重視。

紫外線消毒的原理是利用波長(zhǎng)范圍在250耀265nm的紫外線，直接破壞微生物細(xì)胞或病毒體中的DNA或RNA的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致核酸鍵和鏈的斷裂，形成光化產(chǎn)物，阻斷DNA和RNA的復(fù)制過(guò)程，進(jìn)而造成細(xì)胞死亡，從而達(dá)到殺菌消毒的效果。另一種可能的機(jī)理是水以及水中的溶解氧在紫外線的照射下，能夠生成O2-（超氧負(fù)離子）、O2*（激發(fā)基態(tài)氧分子）、H2O2（過(guò)氧化氫）和·OH（羥基自由基）等氧化性極強(qiáng)的激發(fā)態(tài)物質(zhì)，這些物質(zhì)對(duì)水中病毒等病原體有毀滅性的破壞作用。

紫外消毒具有以下優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有消毒副產(chǎn)物生成，對(duì)處理水的后續(xù)應(yīng)用沒(méi)有影響；消毒效果不受水溫（T）、酸堿度（pH）等水體內(nèi)部以及附近環(huán)境條件影響；紫外消毒工藝依靠的是紫外光的照射，消毒系統(tǒng)一般采用成套的集成裝置，不直接介入水體，出水水質(zhì)不受影響；消毒系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，操作容易且管理簡(jiǎn)單。紫外線消毒也存在以下明顯的缺點(diǎn)：受濁度的影響大，原水濁度比較高時(shí)，紫外線穿不透水面，嚴(yán)重影響紫外光的殺菌效果；不能提供剩余消毒能力，消毒后的水經(jīng)輸水管道水容易再次被污染；存在光復(fù)活的現(xiàn)象，某些被紫外線殺傷的微生物在脫離紫外線的照射范圍后會(huì)修復(fù)損傷的DNA分子，使細(xì)胞復(fù)活[12]。

紫外線消毒效果極好，夏冠英炫等研究了LED紫外線燈殺菌效果，結(jié)果顯示，用LED紫外線燈在垂直2耀5 cm處照射5 min，對(duì)金黃色葡萄球菌滅菌率達(dá)到100%。在垂直2耀4cm處照射15min以上，對(duì)大腸桿菌的滅菌率達(dá)到100%[13]。

結(jié)束語(yǔ)

在不同類型的物體表面，病毒均可有效存活，且保持感染性的時(shí)間為2h耀9d。高溫如30益或40益可減少高致病性病毒的存活時(shí)間，低溫如在4益的環(huán)境中，病毒存活時(shí)間可延長(zhǎng)至28 d以上?；赜盟悄壳拔覈?guó)解決水資源短缺的一個(gè)有效的途徑，未來(lái)回用水應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，人類暴露在使用回用水的公共場(chǎng)所的機(jī)會(huì)越來(lái)越多。因此，確保回用水中各種病原體含量低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，不對(duì)人體產(chǎn)生傷害是水處理中必須要做到的。通過(guò)對(duì)以上幾種消毒方法的簡(jiǎn)要介紹，我們可以清晰地看到，消毒效果相對(duì)較好的臭氧和紫外線消毒，成本較高且不具備持續(xù)消毒能力，而具備持續(xù)消毒能力的液氯產(chǎn)生較多“三致”物質(zhì)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，二氧化氯消毒可能更具優(yōu)勢(shì)，消毒效果好且具有持續(xù)消毒能力，但二氧化氯不易貯存，只能現(xiàn)場(chǎng)制備，增加了操作的復(fù)雜性。近些年來(lái)，對(duì)于紫外垣液氯、臭氧垣二氧化氯等聯(lián)合消毒處理工藝的研究越來(lái)越多，應(yīng)用在回用水消毒中的工藝也會(huì)越來(lái)越多。未來(lái)，我們將不會(huì)再為回用水中有無(wú)病原體而擔(dān)心。