消毒及消毒副產(chǎn)物

1、消毒,1848年霍亂導(dǎo)致了一萬四千多名倫敦的市民死亡，1853年霍亂再次爆發(fā)，當(dāng)時倫敦地下排水系統(tǒng)的總工程師John Snow認(rèn)識到了霍亂是通過飲用水傳播的。于是就有了對飲用水的消毒處理。,概述,1,定義：消毒是將水體中的病原微生物(pathogenic organisms)滅活，使之?dāng)?shù)量或者濃度減少到不能再引起人發(fā)病的程度。對象：病菌(bacteria)、原生動物胞囊（protozoan oocysts and cysts）、病毒（

2、viruses）（如傳染性肝炎病毒、腦膜炎病毒）等。幾種常見病毒：,一、消毒的概述,HIV,H7N9,2,消毒與滅菌不同：滅菌不僅要求清除致病微生物，還要求將所有微生物全部殺滅或清除掉，消毒只要求場所與物品達(dá)到無害化水平。評價指標(biāo)：,3,1854年倫敦出現(xiàn)霍亂（cholera），John Snow發(fā)現(xiàn)霍亂通過受污染的飲用水來傳播的。1881年 Koch 發(fā)現(xiàn)氯可以殺死細(xì)菌。1902年 比利時的Middleheike市首次在公共水

3、處理中采用氯消毒。1908年美國芝加哥水廠用氯酸鈣進(jìn)行消毒。1914年提出了折點(diǎn)加氯的方法。1978年TONELLI和HO對紫外線進(jìn)行了評估，研究表明低劑量的紫外線對二級處理排放的污水消毒是有效的殺毒劑，不會產(chǎn)生有害副產(chǎn)物。,二、消毒簡史,4,1、化學(xué)藥劑（氧化劑等）——明礬，次氯酸，二氧化氯，漂白粉等。2、物理法（a加熱法、b機(jī)械法、c輻射法）3. 生物法,三、消毒方法,5,(1)通過攻擊病原體細(xì)胞，主要外部構(gòu)成部分如細(xì)胞壁

4、、細(xì)胞膜等而破壞或消弱其結(jié)構(gòu)組織； (2)通過破壞病原體的酶系統(tǒng)而破壞其正常的新陳代謝活動；,四、消毒機(jī)理,6,(3)通過破壞病原體的蛋白質(zhì)、核酸、輔酶等物質(zhì)的合成而干擾其正常的生物合成，阻止其正常生長發(fā)育。 對于不同的消毒劑和不同的微生物類型，可能是其中一種或者幾種機(jī)理共同作用。,7,在1850年由英國John Snow 首先將氯消毒劑用于供水消毒上，當(dāng)時有效低防止了霍亂的蔓延。

5、氯消毒措施在英國倫敦成功后，1908年美國新澤西州的澤西島市率先對自來水進(jìn)行了氯化消毒，隨后在國際上許多城市紛紛采用了該項技術(shù)。 到了20世紀(jì)初，氯化法就廣泛應(yīng)用于消毒工藝。 氯消毒是國內(nèi)外最主要的消毒技術(shù)，美國自來水廠中約有94.5%采用氯消毒。中國據(jù)估計99.5%以上自來水廠采用氯消毒。,氯消毒,一、氯消毒的概述,8,液氯消毒成本低；氯消毒具有持續(xù)消毒能力，消毒效果良好；氯消毒歷史較長，經(jīng)驗較多，是一種比較成熟的消毒方法。

6、但同時氯消毒存在消毒副產(chǎn)物的問題，使用液氯消毒后往往會產(chǎn)生鹵化有機(jī)物等消毒副產(chǎn)物，可能會對人體產(chǎn)生危害。,9,氯易溶于水中，在清水中，發(fā)生下列反應(yīng)： Cl2 + H2O ? HOCl + H+ + Cl- HOCl ? H+ + OCl-HOCl和OCl-都有氧化能力，但細(xì)菌O是帶負(fù)電的，所以一般認(rèn)為主要是通過HOCl的作用來消毒的。,二、氯消毒原理,10,濾后加氯 ；濾前加氯 ；管網(wǎng)中途

7、加氯1. 加氯設(shè)備加氯機(jī)：轉(zhuǎn)子加氯機(jī),三、氯消毒的應(yīng)用,11,2.加氯工藝,12,1. 漂白粉,13,四、與氯相關(guān)的消毒方法,,2、NaClO消毒 次氯酸鈉是一種廣譜高效消毒藥，可廣泛應(yīng)用于人畜醫(yī)療衛(wèi)生防疫。如飲用水消毒、療源地消毒、污水處理、畜禽養(yǎng)殖場消毒。 NaClO消毒設(shè)備,14,原理：NaClO

8、+ H2O ＝ HClO+NaOH次氯酸鈉發(fā)生器食鹽電解：NaCl+H2O?NaClO+H2?主要是以產(chǎn)生出次氯酸，然后釋放出新生態(tài)氧[O]的方式。優(yōu)缺點(diǎn)：次氯酸消毒具有余氯的持續(xù)消毒作用；操作簡單；比投量液氯安全和方便；使用成本雖然比漂白粉高，但是比液氯低。 不能貯存，須現(xiàn)場制備；目前設(shè)備小，產(chǎn)氣量小，使用受限；消耗電能及食鹽，適用于小型工廠或網(wǎng)管中途加氯。,15,3、氯胺消毒（NH2Cl，NHCl2，

9、NCl3） 指的是氯和氨反應(yīng)生成一氯胺和二氯胺以完成氧化和消毒的方法。氯胺作為飲用水的消毒劑，1916年首次在加拿大渥太華應(yīng)用。最初加入氨和氯形成氯胺用于對水中嗅和味的控制，在二十世紀(jì)二十到三十年代得到廣泛使用。原理：當(dāng)水中存在氨氮時，加入水中的氯會與水中的氨氮發(fā)生下列反應(yīng) NH4++HClO→NH2Cl+H2O+H+ NH2Cl+HClO→NHCl2+H2O

10、 NHCl2+HClO→NCl3+H2O,16,氯胺消毒優(yōu)缺點(diǎn):因氯胺與水中腐殖物質(zhì)作用較小，因此減少了腐殖物質(zhì)與游離氯所形成的致癌物質(zhì)(如三鹵甲烷)；在管網(wǎng)中的氯胺形成的余氯持續(xù)時間長，因而能有效地抑制殘余細(xì)菌的再繁殖； 避免了氯引起的臭味。,17,4、二氧化氯消毒（ ClO2 ）指的是將二氧化氯投加水中以完成氧化和消毒的方法。ClO2在常溫下是一種黃綠色氣體，具有刺激性。溶解度是氯的5倍。極不穩(wěn)定，氣態(tài)和液態(tài)

11、ClO2均易爆炸。故必須以水溶液的形式現(xiàn)場制取。 原理：中性條件中6ClO2 + 3H2O = 5HClO3 + HCl 堿性環(huán)境中 2ClO2 + OH- = ClO3- + ClO2- + H2O 二氧化氯消毒發(fā)生器,18,制取方法： 亞氯酸鈉

12、和氯制取： Cl2 + H2O → HClO + HCl HClO + HCl +2NaClO2 → 2ClO2 + 2NaCl +H2O用酸與亞氯酸鈉制取: 5NaClO2 + 4HCl → 4ClO2 + 5NaCl + 2H2O優(yōu)缺點(diǎn)：ClO2對細(xì)菌的細(xì)胞具有較強(qiáng)的吸附和穿透能力，滅活能力強(qiáng)。甚至本身的氧化能力能去除THMs前驅(qū)體。ClO2消毒能力比氯強(qiáng)。ClO2余量能在管網(wǎng)中保持很長的時間

13、。 ClO2本身和副產(chǎn)物ClO2－對人體血紅細(xì)胞有損害。ClO2制備成本高且需要現(xiàn)場制備，制備過程也比較復(fù)雜。,19,1893年，在荷蘭的奧茨胡恩建立了世界上第一家使用臭氧進(jìn)行飲用水處理的工廠，但其后近100年的時間內(nèi)因為各種原因，應(yīng)用不是很普遍。 自從世界衛(wèi)生組織確認(rèn)經(jīng)氯化消毒的飲用水存在致癌性的THMs后，臭氧便作為最安全可靠的飲用水消毒方法在世界各地迅速發(fā)展起來。 近年來臭氧消毒技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，但同時臭

14、氧化的副作用也開始引起人們的關(guān)注。,臭氧消毒,一、臭氧消毒的概述,20,臭氧極其不穩(wěn)定，分解時會釋放出新生態(tài)氧 O3 ?O2+[O]新生態(tài)的氧具有極強(qiáng)的氧化能力，對具有頑強(qiáng)抵抗力的微生物，會破壞細(xì)菌有機(jī)鏈狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致細(xì)菌的死亡。,二、臭氧消毒的機(jī)理,21,O3滅菌有以下3種形式：1.臭氧能氧化分解細(xì)菌內(nèi)部葡萄糖所需的酶，使細(xì)菌滅活死亡。2.直接與細(xì)菌、病毒作用，破壞它們的細(xì)胞器和DNA、RNA，使

15、細(xì)菌的新陳代謝受到破壞，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。3.透過細(xì)胞膜組織，侵入細(xì)胞內(nèi)，作用于外膜的脂蛋白和內(nèi)部的脂多糖，使細(xì)菌發(fā)生通透性畸變而溶解死亡。,22,三、技術(shù)及應(yīng)用方法,臭氧消毒示意圖,23,臭氧滅菌為溶菌級方法，殺菌徹底，無殘留，殺菌廣譜；O3對霉菌也有極強(qiáng)的殺滅作用。且O3是一種無污染的消毒劑；O3為氣體，能迅速彌漫到整個滅菌空間，滅菌無死角。投資大，費(fèi)用較氯化消毒高；消毒后對管道有腐蝕作用；同時水中大分子物質(zhì)變成分子較小

16、的中間產(chǎn)物，可能有毒性。,四、優(yōu)缺點(diǎn),24,臭氧消毒在飲用水中的應(yīng)用越來越廣泛，比如臭氧-陶粒聯(lián)用去除水中微污染有機(jī)物、臭氧化-生物活性炭技術(shù)聯(lián)用等。臭氧化-生物活性炭深度處理,五、技術(shù)發(fā)展與展望,25,O3+UV法是催化氧化法,26,O3+UV聯(lián)合工藝,臭氧消毒技術(shù)產(chǎn)業(yè)屬于新興的朝陽產(chǎn)業(yè)，應(yīng)用范圍極廣，產(chǎn)品開發(fā)潛力大，國際上臭氧技術(shù)生產(chǎn)企業(yè)仍處于百家爭鳴，沒有品牌，沒有大企業(yè)壟斷，國內(nèi)臭氧技術(shù)與國外存在差距，但趕超國際水平的技術(shù)難度

17、并不高，國內(nèi)現(xiàn)在是臭氧技術(shù)發(fā)展的大好時機(jī)。,27,大約在1個多世紀(jì)以前，人們就開始了對紫外線消毒機(jī)理和應(yīng)用的研究。早在1877年，Down和 Blunt 第一次報道了關(guān)于太陽光輻射可以殺滅培養(yǎng)基中細(xì)菌的特性，這也揭開了人們對紫外線消毒研究和應(yīng)用的序幕。,紫外線消毒,一、紫外線消毒的概述,28,紫外線是一種波長范圍為 136-390 nm的不可見光線，在波長為 240-280 nm時具有殺菌作用，尤以波長 253.7

18、nm處殺菌能力最強(qiáng)。 根據(jù)生物效應(yīng)的不同，將紫外線按照波長劃分為四個部分：A波段(UV—A)；B波段(UV—B)；C波段(UV—C)；D波段(UV—D)。水消毒主要采用的是C波段紫外線。,二、紫外線消毒的原理,29,UV 消毒器按水流邊界的不同分為敞開式和封閉式。 1）敞開式系統(tǒng)在敞開式UV消毒器中被消毒的水在重力作用下流經(jīng)UV消毒器并殺滅水中的微生物。敞開式系統(tǒng)又可分為浸沒式和水面式兩種。浸沒式又稱為水中照射法

19、，其典型構(gòu)造如圖1所示,三、消毒器的結(jié)構(gòu)形式,30,2）封閉式系統(tǒng)封閉式 UV 消毒器屬承壓型，用金屬筒體和帶石英套管的紫外線燈把被消毒的水封閉起來，結(jié)構(gòu)形式如圖 2所示。,31,低壓低強(qiáng)度紫外線燈通常汞—?dú)鍩舭l(fā)出的為UVC區(qū)域的紫外線，低壓低強(qiáng)度紫外線燈長度為0.75—1.5 m，橫斷面直徑為15—20 mm。低壓高強(qiáng)燈低壓高強(qiáng)燈90%以上紫外能輸出在253.7 nm波段，單根紫外燈最大輸出功率一般在100 W左右中壓高強(qiáng)

20、燈中壓燈紫外能輸出在消毒的200 nm～300 nm波段多頻譜輸出，單根紫外燈輸出功率在420 W以上。,四、不同類型的紫外線燈,32,優(yōu)缺點(diǎn)：殺菌效率高，操作簡單；不產(chǎn)生有毒有害副產(chǎn)物占地面積小，停留時間短。無持續(xù)殺菌能力，紫外燈管容易結(jié)垢，影響紫 外光的透出和殺菌效果；一些細(xì)菌被紫外照射失活的病毒細(xì)菌可通過光的協(xié)作可修復(fù)復(fù)活。,五、優(yōu)缺點(diǎn),33,紫外線消毒技術(shù)在過去的幾十年已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，而今正由主流水處理公司進(jìn)

21、行著標(biāo)準(zhǔn)化的使用和推廣。經(jīng)過多年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)成為成熟可靠高效環(huán)保的消毒技術(shù)，在國外各個領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。在我國由于對其技術(shù)的了解有一定的局限性，在污水處理中的應(yīng)用不多。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，隨著對污水尾水消毒的日益重視和運(yùn)行經(jīng)驗的積累，紫外線消毒技術(shù)將得到推廣，預(yù)計今后有條件的污水處理廠中 50％將會采用紫外線消毒，并成為取代傳統(tǒng)化學(xué)消毒方法的主流技術(shù),六、技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用前景,34,6.5 消毒副產(chǎn)物,1974年Rook在飲

22、用水中發(fā)現(xiàn)了三氯甲烷后，其他的研究人員也相繼在飲用水中檢測出三氯甲烷以及其他的大量有機(jī)鹵代物。水體中的有機(jī)物成分非常復(fù)雜，特別是存在各種化學(xué)污染物。在對水消毒的過程中，會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物。,35,36,一、氯的消毒副產(chǎn)物（THMs、HANs、HAAS、MX等）,氯消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生簡要示意圖,二氧化氯消毒也會產(chǎn)生少量的消毒副產(chǎn)物，如亞氯酸鹽、氯酸鹽等。有研究表明，過量的ClO2、ClO2－和ClO3－對人體健康有著潛在影響，可能會引發(fā)貧血癥

23、，影響嬰兒的神經(jīng)系統(tǒng),二、二氧化氯的消毒副產(chǎn)物ClO2－,ClO3－,37,二氧化氯消毒副產(chǎn)物的形成,研究者采用氯胺消毒，對生成的消毒副產(chǎn)物進(jìn)行分析檢測，檢測出了消毒副產(chǎn)物—三鹵甲烷(THMs)、鹵乙腈（HANs）、鹵代酮（HKs）、三氯乙醛（CH）和三氯硝基甲烷（TCNM）。,三、氯胺的消毒副產(chǎn)物（THMs、HANs、HKs、CH、TCNM）,38,水中有溴離子存在時，溴離子與臭氧的反應(yīng)如下： Br＋O

24、3→O2+BrO- H++BrO-? HBrO BrO +2O3 → 2O2+BrO3,四、臭氧的消毒副產(chǎn)物（BrO3-， THMs等）,39,新型含氮副產(chǎn)物鹵代硝基甲烷（HNMs），三氯硝基甲烷（TCNM），鹵乙酸（HAAS）由于其高毒性和在水中被頻繁檢出，已經(jīng)引起了全世界的關(guān)注。當(dāng)前在國內(nèi)外的自來水廠中均已經(jīng)檢出HNMs。,五、氮類的消毒副產(chǎn)物（THM，HNMs，TC

25、NM，HAAS）,40,人們很早就認(rèn)識到自然界中一些生物能夠?qū)δ承┯泻ι锲鸬揭种苹蛘邭缱饔?，而又不對環(huán)境產(chǎn)生任何持續(xù)性的破壞作用，并受到這些生物特殊功能的啟發(fā)，發(fā)展利用了這些生物及其代謝產(chǎn)物進(jìn)行消毒滅菌的生物消毒法。,6.6消毒新技術(shù)進(jìn)展,41,一、生物消毒,研究發(fā)現(xiàn)在紫外線照射下ZnS、CdS等金屬硫化物或這TiO2、ZrO2、ZnO等金屬氧化物可以發(fā)生光催化反應(yīng)，產(chǎn)生可以滅活微生物和降解有機(jī)污染物的強(qiáng)氧化性物質(zhì)。,42,二、光催

26、化消毒,靜電水處理技術(shù)屬于物理法的處理過程，與化學(xué)法處理成不同，不是靠改變水中的離子成分達(dá)到水處理的目的，而是通過高壓或者低壓靜電場的作用，而是通過改變水分子結(jié)構(gòu)或改變水分子的電子結(jié)構(gòu)從而達(dá)到水處理的目的。,43,三、電場消毒,超聲波對污水進(jìn)行消毒的研究剛剛起步，各種因素對消毒效果的影響還不太清楚，其消毒機(jī)理還尚待深入研究。已有的資料看，高頻率超聲的主要作用在于菌膠團(tuán)解聚，而對于細(xì)菌的滅活效用不大，低頻超聲波才具有真正的消毒效果，但單純

27、的超聲波消毒存在能耗較高的問題，一般和UV技術(shù)聯(lián)用。,44,四、超聲波消毒,生活中的消毒,？,45,漂白粉,是什么？,46,漂白粉,漂白粉是氫氧化鈣、氯化鈣，次氯酸鈣的混合物，其主要成分是次氯酸鈣[Ca(ClO)? ]，有效氯含量為30%-38%。漂白粉為白色或灰白色粉末或顆粒，有顯著的氯臭味，很不穩(wěn)定，吸濕性強(qiáng)，易受光、熱、水和乙醇等作用而分解。漂白粉溶解于水，其水溶液可以使石蕊試紙變藍(lán)，隨后逐漸褪色而變白。遇空氣中的二氧化碳可游

28、離出次氯酸，遇稀鹽酸則產(chǎn)生大量的氯氣。,47,漂白粉的質(zhì)量是按它的“有效氯”以及它能在長時期保持有效氯的能力來決定的。有效氯是根據(jù)它同鹽酸作用時產(chǎn)生的氯氣的量來計算的。反應(yīng)的化學(xué)方程式是：Ca(ClO)?+4HCl=2Cl?↑+CaCl?+2H?OCl2+2HI=2HCl+I?2Na?S?O?+I?=Na?S?O6+2NaI反應(yīng)生成的碘用硫代硫酸鈉（Na?S?O?）溶液來滴定，就可以算出有多少氯氣產(chǎn)生。有效氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是表示漂白

29、粉的氧化能力（漂白作用主要是由氧化反應(yīng)引起的）的，工業(yè)品漂白粉一般含有效氯35%，高的可以達(dá)到40%。,48,作用原理,漂白粉的有效成分：Ca(ClO)?主體成分：CaCl?，Ca(ClO)?漂白原理：Ca(ClO)?+H?O+CO?=CaCO?+2HClO,49,未來有待繼續(xù)深入和開拓的方向,1. 消毒副產(chǎn)物中具有臭味的物質(zhì)辨識和去除；2. 消毒副產(chǎn)物中沒有味道的有毒物質(zhì)的辨識和去除！3. 消毒副產(chǎn)物中具有三致效應(yīng)的慢性毒性