消毒

将微生物污染物排出饮用水的三种基本方法

1.使微生物远离水源

2.处理水以去除污染物

3.保证配水系统安全

消毒由两个部分组成

1.主要消毒——水中微生物的灭活

2.二级消毒——保持配水系统消毒液残留

历史

水源保护和过滤在19世纪下半叶使用

1880 Koch表示氯可以使细菌灭活

1902第一次用氯消毒水是在比利时

1908首次在美国使用：泽西市，新泽西州，使用次氯酸钙。

1913首次使用氯气——费城

1941 8590成为普遍使用的氯化用品

Mid-1970s 证实了三卤甲烷的形成

1980s 贾第鞭毛虫确定为隐孢子虫病的重要病原体

消毒方法

1.游离氯——最常见

2.组合氯（氯胺）

3.臭氧——最强的氧化剂 化学消毒

4.二氧化氯

5.UV灯

化学消毒动力学

Chinkrsquo;s Law - Harriet Chick ,1908

通过苯酚、氯化汞、硝酸银记录的微生物灭活

N =每个生物体积[L^-3]

K=钦定律常数 [T^-1]

合并得：

N₀=生物的起始数

N/N₀= “存活率”

Chink Watson model - Herbert Watson ,1908

Cⁿt = K 达到特定的消毒水平(1.c. N/N₀)

C =消毒剂浓度

N =经验常数，称为“系数”

K =常数（微生物的功能）

如果Ngt;1，消毒效率随稀释降低 - 浓度比时间更重要

如果Nlt;1，时间比浓度更重要

如果N=1，时间和浓度同样重要

N是LogC对Logt图的斜率（参见pg4），按照惯例，绘制99％灭活。

如果N1 , 则 Chink - Watson 模型是:

Chink·Watson 特异致死系数[L/mg·min]

其他模型也存在 - 见MWH，2005

Ct由美国环保署对贾第鞭毛虫和隐孢子虫的规定了不同的消毒剂和PH——与细菌不同，贾第鞭毛虫和隐孢子虫不容易测试，因此调节侧重于技术（表示为ct）而不是监测。

Page 5（来自MWH，2005，P1063）的显示表明，Ct通过各种各样的技术、工艺实现99.9％的移除。

注意：氯相对来说，对隐孢子虫（C.Parvum）无效，而紫外线对贾第鞭毛虫和隐孢子虫特别有效。

图由麻省理工学院网上免费公开课程

Chlorine Concentration , mg/l : 氯的浓度，mg/l

Minutes , t_c : 分钟

Concentration versus contact time for 99％ kill of E.coil by various forms of chlorine at to :通过各种形式的氯将99％的大肠杆菌杀死的浓度与接触时间进行比较（在2摄氏度到6摄氏度之间）

图由麻省理工学院网上免费公开课程

Chlorine as HOCL ,mg/l：次氯酸 ，mg/l

Minutes , t_c : 分钟

Concentration versus contact time for 99％ kill of E.coil by various forms of chlorine at to :通过各种形式的氯将99％的大肠杆菌杀死的浓度与接触时间进行比较（在2摄氏度到6摄氏度之间）

改编自：雷诺兹，T.D.和P.A. 理查兹。环境工程的运行与流程。 第二版 Boston，MA：出版公司，1996，pp.742-743

图由麻省理工学院网上免费公开课程

Required C.t or l.t：C.t 或者 l.t需求量

Combined chlorine：化合氯

Free chlorine：游离氯

Chlorine dioxide：二氧化氯

Ozone：臭氧

UV light：紫外线灯

C.parvum：微小隐孢子虫

Giardia：贾第鞭毛虫

Legionella：军团菌

Poliovirus：脊髓灰质炎病毒

Mycobacterium fortuitum：偶发分枝杆菌

E.coil：无机焦磷酸酶

Adenovirus：腺病毒

Calicivirus ：杯状病毒

M.fortuitum：偶然分枝杆菌

Microsporidium：微孢子虫

Legionella pneumophila：嗜肺军团菌

Reovirus：呼肠孤病毒

Hepatitis：肝炎病毒

Overview of disinfection requirements for 99 percent inactivation：消毒要求概述:99％消毒灭活

改编自:MWH,J.C.Crittenden,R.R.Trussell ,D.W.Hand,K.J.Howe , and

G.Tchobanoglous .水处理：原理与设计。第二版Hoboken , NJ:John Wiley＆Sons , 2005 ,P .1063

氯消毒

最广泛使用的——在法律概念上有效、廉价的、有残余量

缺点：形成三氯甲烷

用氯气或次氯酸盐作用于细胞的氧化酶，表现出必需的代谢过程

氯气：

uarr;

次氯酸

uarr; uarr;

适宜PH值 次氯酸离子

PH 7.5以下 适宜PH值 PH 7.5以上

次氯酸盐:

固体

液体 uarr;

次氯酸盐是5.25% NaOCl 与HOCl平衡

HOCl是比OCL^-更有效的消毒剂，但它们都是优秀的消毒剂

氨与次氯酸反应：

次氯酸

单氯胺 适宜于PHge;6

二氯胺 适宜于 PHasymp;5

三氯化氮（三氯胺）

氯胺对细菌是有效的（例如专业成长）对病毒就要有效得多，

氯胺相对于余氯、残留游离氯（）来说，氯胺是持久的。

氯也与有机物反应

与苯酚形成氯酚——有强烈的味道

与NOM（天然有机物、香草酸）形成三卤甲烷（THMs）

CHCl₃ 氯仿

CHCL₂Br 一溴二氯甲烷

CHCLBr₂ 二溴一氯甲烷

CHBr₃ 溴仿

公认：酞酸二丁脂——消毒副产物

因为三卤甲烷被怀疑为人类致癌物

氯的剂量确定，以确保足够的剩余氯-被称为折点氯化

通过实验室实验确定氯的加入量和残余量

Concentration (mg/L):浓度(mg/L)

Chlorine added:氯的添加量

Cl demand:氯的需求量

Chlorine residual:氯的剩余量

Breakpoint:折点

Free Cl residual:自由氯的剩余量

Chlorine dose (mg/L):氯的剂量(mg/L)

Combined residual(shaded):化合氯的剩余量（阴影处）

氯的需求：

1. 首先，化学还原无机物 Cl₂→2Cl^-
2. 初始的氯需求满足后，氯胺形成，产生组合残留
3. 随着Cl剂量的增加，比起一氯胺，更有利于形成二氯胺，然后三氯胺比二氯胺更好。但是三氯胺不稳定，会分解为N₂，减少氯的残留
4. 氯的浓度的低点就是“折点”
5. 随着Cl的进一步增加，残留量进一步增加

所需的水处理剂量超出了折点

实际的折点浓度随原水的水质而异——通常为4-10mg / L

分配系统最远点的氯残留量= 0.2mg / L

（注意0.5mg / L一般消费者是不满意的）

脱氯

氯化也用作污水处理的最后一步，但这里残留的氯气对水生生物有不利影响，不是我们所期望的

用于二氧化硫去除管网中的残余氯

亚硫酸 亚硫酸氢盐离子 亚硫酸根离子

亚硫酸根离子

氯化

氯气中加入了专有的氯化剂(在 VH 课本见图11.17 )

期望Ct最好在塞流（或几乎堵塞流）的反应堆中实现

典型氯接触室为带挡板的蛇形室——见图10——从Droste 1997 , p.522

图由麻省理工学院网上免费公开课程

改编自：Binnie ,C.,M.Kimber , and G.Smethurst. Basic Water Treatment .3rd ed.Cambridge , UK:Royal Society of Chemistry ,2002.

Cl₂ Injection:氯气注射

Sensor:传感器

Sulfite diffuser:亚硫酸盐扩散器

Chlorination - Dechlorinaion Controller:氯化 - 脱氯控制器

Alternate Locations for Sensor：传感器的替代位置

Typical contact chamber for chlorination . Baffles are provided plug flow . When chlorine has been applied at elevated concentrations , sulfite is added to reduce chlorine to levels that will not cause consumer reaction to chlorine taste and odor.:

典型氯化接触室。挡板提供了塞流。当氯在高浓度被应用时，添加亚硫酸盐以将氯降低到水平以下，这样就不会引起消费者对氯的味道和气味的反应。

臭氧化

臭氧（O₃）是比HOCl更强大的氧化剂

臭氧使微生物灭活

1. 直接氧化
2. 分解成羟基自由基HO，也是强反应物。在欧洲广泛使用，在美国越来越多地使用

优点：优良的消毒剂（包括贾第鞭毛虫和隐孢子虫）不形成三卤甲烷，有效防止味觉和气味的氯酚需要较短的接触时间。

缺点：短接触时间反应堆容易发生短路，比Cl2成本更高，不会产生消毒残留物，可能会产生有害物质，臭氧气体是有潜在爆炸性的

考虑臭氧衰减随时间变化的Ct臭氧处理设计

臭氧难溶-通常作为气细泡沫多孔扩散器在深海盆地

实验室测定的特定水的臭氧消耗量（类似于测定氯的需求）

在实验室反应器测量臭氧→C T脉冲随时间衰减

整合C与T获得Ct

臭氧接触器通常引入臭氧，在同一容器内进行水接触 （pg13 ,MWH Pg1121）

臭氧通入室创造充分混合条

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