饮水消毒

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第1119页（3968字）

饮水消毒是为消灭水中病原体，使饮用水细菌学指标达到卫生标准规定，确保饮用安全所采取的卫生措施。

饮用或接触病原体污染未经消毒的水可致介水传染病，如由病菌引起的霍乱、副霍乱、伤寒、细菌性痢疾、腹泻及其他肠道传染病；由病毒引起的病毒性肝炎、脊髓灰白质炎、病毒性痢疾、传染性眼结膜病；由寄生虫卵引起的血吸虫病、钩端螺旋体病、阿米巴痢疾等。此类疾病来势凶猛，波及面广，发病率和死亡率均较高。

饮水消毒可分为物理法和化学法两大类。煮沸、紫外线照射等属于物理法，这类方法仅适用于分散供给饮用水的特殊场合。

投加消毒剂的方法属于化学法，因其适用于各种规模的水厂，是饮水消毒研究的重点。

投加氯或含有效氯化合物杀灭水体中病原体的方法称为氯化消毒法。早在1846年，Semmelweis首次用氯水在病房中消毒，使产妇的产褥热死亡率由12%降到1．27%。1881年，德国细菌学家在实验室证明，次氯酸可将培养的细菌杀死。1897年，在英国Maidstone伤寒病流行时，Sims Woodhead曾用漂白粉对供水消毒。1902年，在比利时小镇Middelkerke首次用次氯酸钙处理水。1903年，比利时Maurice Duyk将氯酸钾和草酸混合制成氯气对饮水消毒。1915～1925年间，主要用次氯酸消毒，并对饮水氯化抱有怀疑和偏见。

1925年以后出现液氯消毒，但对加氯消毒真正产生兴趣是在1935年以后。从1945年起，水厂加氯逐步达到半自动化，并对消毒效果和影响因素进行了系统的研究。

20世纪50～60年代，氯的制剂增多，消毒效果提高，并逐步实现自动化。

目前，大中型水厂大多数用液氯作消毒剂。

氯有特异臭味，在常温下加压至0．608～0．907MPa成为液氯，可用钢瓶贮藏和运输。氯加入水中迅速水解：Cl₂+H₂O→H⁺+Cl^－+HOCl，形成的中性次氯酸分子体积微小，当其扩散到带负电荷的细菌表面时，能穿透细菌的细胞壁，进入细胞内部，并氧化细胞中磷酸丙糖脱氢酶的巯基，使酶系统破坏而导致细菌死亡。

次氯酸在水中可以离解：，其速度随水温和H⁺浓度而变化。在常温和H⁺浓度大于10^－5mol／L时，100%的次氯酸呈分子状态。

随着H⁺浓度降低，HOC1逐渐减少，OCl^－逐渐增多。当H⁺浓度小于10^－10mol／L时，HOCl几乎全部离解成OCl^－。次氯酸根离子也有杀菌能力，但因与细菌带同名电荷，杀菌能力较弱。

影响加氯消毒效果的因素有：(1)H⁺浓度：控制水的H⁺浓度，可提高HOCl百分率。

H⁺浓度为10^－7～10^－6消毒效果最好。H⁺浓度小于31．62nmol／L，效果明显减弱。(2)水温：常温范围内温度变化对氯消毒效果的影响不明显。

但如水中存在氨氮，可与氯作用生成杀菌能力较差的氯胺。水温越高，氯胺消毒效果越好。(3)浑浊度：水中的杂质要消耗一部分氯，且微生物可隐藏其间。

因此，水越浑浊，消毒效果越差。(4)接触时间：投氯量适宜，接触时间长，消毒效果好。

但过长余氯会散失。一般要求水与氯的接触时间不少于30min，氯胺消毒应不少于2h。

(5)氨氮：游离氨与氯结合成化合性氯，可降低氯的消毒效果。(6)投氯量：为杀灭水中细菌等微生物，氧化水中有机物及还原性无机物所需的氯量称为需氯量。

投氯量包括需氯量和余氯量。水质、接触时间相同，投氯量越大，消毒效果越好。但水中余氯不宜过多，过大不仅浪费，还会因氯气味使用户反感。实际的投氯量应通过实地试验确定。

根据水源水质条件，加氯点可选择在净水过程的混凝沉淀之前、过滤之前或过滤以后，也可在滤前和滤后各加氯一次，有时还可在配水管网中加氯，以保证管网末梢要求的余氯量。为保证安全和准确计量，应采用加氯机投加液氯。

小型水厂和分散式给水可用漂白粉或漂粉精作消毒剂。为适应农村饮水消毒的需要，根据电解原理研制的能在现场制备次氯酸钠的设备，即次氯酸钠发生器正在推广应用。次氯酸钙与次氯酸钠在水中生成氯酸根离子，然后水解成次氯酸，其消毒效果比液氯差。

因杀菌效果好、价格低廉、设备简单、操作管理方便、能保持一定的余氯、且适用于各种规模的水厂，故氯化消毒的应用和研究一直持续至今。

但到1974年，荷兰Rook和美国Bellar等分别报道在自来水中检出以氯仿为主的三卤甲烷类化合物，并指出三卤甲烷在水源中含量很少，主要是在氯化消毒过程中形成。据此，1975年美国环境保护局对80个典型城市的自来水和水源进行普查，结果是：在水源中三卤甲烷类化合物含量很少，但氯仿在80个城市的自来水中皆可检出，并确认是氯化消毒后形成的。

1976年美国国立癌症研究所报告，口服大剂量氯仿可使实验动物大鼠和小鼠发生癌肿。这些报道使人们对饮水氯化消毒的安全性产生了怀疑。为此，各国学者相继开展了大量的调查研究工作。1985年Lucas报道，用气相色谱－质谱仪联机分析已从饮水中鉴定出1100种以上的有机物，其含量多为μg／L水平或更低。美国对饮水中350种有机物污染物的毒性已进行鉴定，其中属致癌物18种，可疑致癌物69种，致突变物47种。当然，众所关心的是：长期饮用氯化消毒水是否能导致癌发病率增高。

由于该问题涉及因素很多，近几年虽做了大量工作，但仍无一致结论。多数认为，人群长期饮用氯化消毒水，其膀胱癌、胃癌、结肠癌、直肠癌的发病率比不饮用氯化消毒水者高。

如何减少氯化消毒过程生成的不利副产物是当前和今后应重点研究的课题。主要途径有：(1)减少可形成有机卤化物的前体物质；(2)改变加氯点和加氯方式，减少产生卤化反应的机会；(3)采取净化措施，除去已形成的有机卤化物；(4)选用无不利副产物的消毒剂。

目前看来，臭氧(O₃)较有实用价值，且部分水厂已经采用。臭氧加入水中立即放出氧化能力很强的新生态氧，它可杀灭一切细菌，对病毒、芽胞等也有很好的杀伤效果，但其机理尚不清楚。

臭氧消毒接触时间短，不受水中氨氮和H⁺浓度的影响，还能氧化水中有机物，对除铁、除锰、除臭、去色、去味均有良好效果。臭氧不能贮存，宜就地生产，就地使用。

生产臭氧耗电量大，成本较高、且在水中维持时间短，无持续杀菌能力。消毒过程产生的副产物及其毒性尚有待深入研究。

二氧化氯(ClO₂)也是一种较有前途的消毒剂。早在20世纪40年代就有过用ClO₂消毒饮用水的报道，因其使用和制造比氯麻烦，一直未推广应用。1981年，美国规定饮水中总三卤甲烷不得超过100μg／L，ClO₂取代液氯的研究又被重视。ClO₂是深黄绿色气体，可用氯与亚氯酸钠或盐酸与亚氯酸钠作用制备。

为保证操作，要求在空气中的浓度不超过10%。浓缩加压会使它变得不稳定，加稳定剂后虽可贮藏一定时间，但成本增加，故宜就地生产，就地使用。ClO₂是强氧化剂，在水中与有机物形成三卤甲烷的可能性小。但可将硫化物氧化成硫酸盐离子，将氰化物氧化成氰酸盐、二氧化碳和氮，将溶解性二价锰氧化成不溶性高价锰，还可氧化水中的酚。

与水中的氨不起作用，不会形成氯胺。其消毒能力次于臭氧而比氯强，且有比臭氧优越的持续消毒效果，无令人厌恶的氯味。ClO₂可还原为亚氯酸盐。

从20世纪70年代末期起，不少学者研究了二氧化氯、亚氯酸钠对实验动物与人体健康的影响。如1979年Heffernan用含500mg／L亚氯酸钠的饮水喂养大鼠70d，大鼠的红细胞数及血红蛋白含量皆有降低。饮水中亚氯酸钠降到10mg／L则无不正常现象。

1982年，Lubbers等以自愿者作实验，被试者分别饮用含二氧化氯、亚氯酸钠、氯酸钠各5mg／L的饮水连续84d，经检查，被试者的血液、尿液分析皆无不正常，但个别被试者由于患有葡萄糖－6－磷酸脱氢酶(G－6－PD)缺乏症，其血液学与血液化学数值在正常范围内有所变化。目前认为，如用一般饮水消毒用浓度，二氧化氯、亚氯酸盐、氯酸盐对正常人体不致引起不良反应，但应特别注意其溶血作用和对甲状腺素的影响，用量亦应限制。美国环境保护局建议，二氧化氯、亚氯酸盐、氯酸盐的总量应不超过1mg／L。

可供消毒饮水的制剂很多，如氯胺、碘和溴制剂、卤间化合物、过锰酸钾和高铁酸钾、过氧乙酸等。

但至今尚未找到一种十分理想的消毒剂，对饮水消毒的研究仍需继续下去。

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【参考文献】：

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(同济医科大学罗启芳教授撰)