2.6 原水滅菌殺生技術［24］
水處理消毒是指清除或滅殺病原微生物及其他有害微生物。一般只能做到將有害微生物的數量減少到無害程度。用于清除或殺滅病原微生物及其他有害微生物的藥劑稱為消毒劑。
用物理的、化學的方法清除或滅殺一切活的微生物，包括致病性微生物和非致病性微生物的作用稱為滅菌。
2.6.1 D值
D值是指殺滅90％的微生物所需要的時間，如D=10，表示殺滅率達到90％，僅需要10min。D值越小，表示滅菌效率越高。
DT值是指在溫度T（℃）下殺滅90％微生物所需時間（min）。理想的消毒劑應具備下列條件：①殺菌譜廣；②殺菌有效濃度低；③作用速度快（D值小）；④性質穩定，持續時間長；⑤易溶于水；⑥可在低溫下使用；⑦適用pH值范圍廣；⑧無腐蝕性；⑨無色、無味、無臭，消毒后易于除去殘留藥物；⑩毒性低，使用安全，價格便宜，便于生產和使用。
2.6.2 消毒劑分類［9］
（1）按作用水平分
①高效消毒劑 可以殺滅一切微生物，包括細菌繁殖體、細菌芽孢、真菌、結核桿菌和病毒。如甲醛、戊二醛、過氧乙酸、環氧乙烷等。
②中效消毒劑 除不能殺滅細菌芽孢外，可殺滅其他各種微生物。如酚、氯消毒劑、碘消毒劑等。
③低效消毒劑 可殺滅細菌繁殖體、真菌和親脂性病毒。如新潔而滅、洗必泰等。
（2）按作用類型分
①氧化性消毒劑 如氯消毒劑、H2O2、O3、過氧乙酸等。
②非氧化性消毒劑 如季銨鹽類（新潔而滅等）、醛類（甲醛、戊二醛）、環氧乙烷等。
滅菌殺生是海水預處理的第一步，國外海水淡化工程多采用投加液氯、次氯酸鈉、醛、氯酚衍生物、季銨鹽、烷基二元胺的鹽、異噻唑啉和硫酸銅等化學試劑來殺菌滅藻。
Cl2的加入量約為1～5mg/L，加入方式是先使Cl2溶解于小流量水中，然后輸入海水中。加Cl2滅菌率可達90％以上。加Cl2后余氯對淡化膜有危害并對設備造成腐蝕。余氯濃度應在0.1mg/L以下，過量Cl2可加亞硫酸鈉還原至1.3mg/L再用活性炭吸附去除。也可用電解海水次氯酸鈉發生器殺菌滅藻和微生物。
2.6.3 氯消毒劑消毒
2.6.3.1 有效氯和余氯
氯消毒劑包括液氯、次氯酸、次氯酸鈉、次氯酸鈣（漂白粉，漂白精）、一氯胺、二氯胺、三氯胺和二氧化氯。在氯化消毒時常提到“有效氯”、“余氯”等詞。
“有效氯”是指氯化物中以正價存在的氯，只有這些氯才有消毒作用，以百分數表示。
“耗氯量”是指氯消毒劑投入水中消毒時與水中細菌、藻類等微生物及某些雜質反應消耗掉的那部分有效氯，以mg/L表示。
“需氯量”是指消毒需要投加的有效氯量。
“余氯”是指氯消毒劑消毒后殘留在水中的有效氯。
由于余氯量隨存留時間而減小，所以凡是提到余氯量都離不開接觸時間，如15min余氯、30min余氯等。余氯又分游離余氯和化合余氯。
“游離余氯”是指水中以次氯酸（HClO）或次氯酸根離子（ClO-）形式存在的余氯，兩者的比例決定于水的pH值和溫度。
“化合余氯”是指與氨結合的余氯，分為一氯胺、二氯胺和三氯胺3種。
加氯消毒劑消毒加氯量與水體余氯量的關系曲線如圖2-15所示。OC直線為水中沒有耗氯物質時加氯量與余氯量的理論線，它與橫坐標成45°交角。ABD為實際水中加氯量與余氯的曲線。OA表示需氯量。B點稱“折點”，是余氯曲線從下降到上升的轉折點。B點以前的余氯為化合余氯，B點以后余氯為游離性余氯。“折點加氯”就是加氯量超過了折點B的加氯量。有些穩定的氯胺可以在折點以后存在，這部分余氯稱為“討厭余氯”。折點加氯原則上由于游離余氯存在，可把水中所含氨氮以及其他含氨有機物幾乎全部破壞，也可以除去水中大部分臭、味，并可保證消毒效果。影響氯化消毒效果的因素有加氯量、余氯濃度、混合程度、接觸時間、水質情況等。表2-25所列為氯消毒劑實際含氯量與有效氯含量。
圖2-15 加氯量與水體余氯量的關系曲線
表2-25 氯消毒劑實際含氯量與有效氯含量［4］
2.6.3.2 液氯滅菌消毒殺藻系統
液氯是使用最普遍的滅菌殺藻消毒劑。液氯儲存在氯瓶內通過加氯機和自動定比投氯設備將氯加到原水中，通過與水接觸1～1.5h便可達到滅菌殺藻的目的。液氯適用pH范圍為6.0～8.5，推薦海水預處理前液氯投加量為2～5mg/L，供水液氯投加量為1.0～1.5mg/L，使用劑量余氯為0.3～1.0mg/L。
加氯機有2000系列全真空自動加氯機、自動虹吸定比加氯系統、雙虹吸自動定比加氯系統、超聲波流量控制自排式定比加氯系統、采用水射器的加氯系統（圖2-16）、以余氯量控制加氯量的自動加氯系統（圖2-17）及復合環控制加氯系統等。
圖2-16 采用水射器的加氯系統
圖2-17 以余氯量控制加氯量的自動加氯系統
2.6.3.3 次氯酸鈉消毒系統
次氯酸鈉可以購買商品溶液或是現場制備。但化工廠購買的次氯酸溶液容易分解，不易保存，大部分是用次氯酸鈉電解發生器制備［圖2-18（a）］。無隔膜電解池電解食鹽水或海水制備次氯酸鈉反應如下。
次氯酸鈉電解發生器由電解槽、整流器、鹽水系統等組成。電解槽有板式和管式兩種，前者采用平板電極，后者采用管式電極。管式電解槽結構如圖2-18（b）所示。電解槽由兩個同心管電極組成，陽極內管與陰極外管之間充滿電解液。外管為不銹鋼制作，內管為鈦管作基質，表面涂鍍鉑、釕、鉑銥合金、微鉑PbO2等涂層，一臺次氯酸鈉發生器由數根電極管并聯或串聯組成。
圖2-18 電解法制備次氯酸鈉原理及管式電解槽結構
1—鈦基陽極；2—密封環；3—PVC（聚氯乙烯）；4—陰極；5—陽極管堵頭；6—塞；
7—冷卻水管；8—鹽水進口；9—次氯酸鈉出口
板式次氯酸鈉發生器是在一個電解槽內安置多個平行板構成的陰陽電極，極板間保持一定的距離，鹽水或海水通過槽內時即可發生電解反應生成次氯酸鈉。
全國生產次氯酸鈉發生器的已有十幾家工廠，但缺乏統一的規格型號及技術參數。
次氯酸鈉發生器可以連續式或間歇式兩種方式操作。兩者性能比較見表2-26。
表2-26 連續式或間歇式次氯酸鈉發生器性能比較［3］
次氯酸鈉可由電解NaCl或海水制備。該電解裝置由電解槽、整流電源、儲液箱及鹽水供應系統組成，可連續生產。表2-27列出了幾種系列的次氯酸鈉發生器技術性能。
表2-27 幾種系列的次氯酸鈉發生器技術性能［3，8］
電解產生的次氯酸鈉溶液為黃色透明狀液體，pH為9.3～10。電解時鹽水濃度以3％～3.5％為宜。
次氯酸鈉發生器所生產的次氯酸鈉溶液儲存在儲槽內，通過投加管、電磁閥、流量計將溶液投加到沉淀池中。
商品次氯酸鈉溶液有效氯含量在10％～12％，通常由生產廠家用罐車或桶裝供給用戶，其優點是價格便宜、使用安全、儲存方便、投配設備簡單，但由于次氯酸鈉不穩定，容易分解，影響使用效果。
次氯酸鈉或次氯酸鈣適用pH范圍在6.0～8.5，推薦使用劑量皆為100mg/L。
2.6.3.4 二氧化氯消毒
二氧化氯（ClO2）是一種很強的氧化型理想消毒劑，其氧化還原能力與溶液pH有關，在酸性條件下氧化能力最強；
在堿性條件下發生歧化反應：
二氧化氯氧化消毒時由于不發生氯化反應，因此不生成致癌氯化烴，安全性好，美國早在20世紀40年代已將其應用于飲用水消毒、去異味和臭味。目前發達國家已有幾千家水廠使用二氧化氯消毒處理飲用水和廢水，我國已小量用于醫院污水消毒，在淡化水處理中是一種值得大力推廣的消毒殺藻劑。
二氧化氯殺菌能力是液氯的2.5倍左右，比O3也更有效，對水中病原微生物，包括病毒、芽孢、異氧菌、硫酸還原菌、真菌等均有很好的消毒效果。試驗表明二氧化氯殺菌性極高、受pH影響小、持續時間長，用1.0mg/L左右的二氧化氯作用30min就能殺死近乎100％的微生物，而且能將微生物殘留的細胞結構分解掉。0.20～0.25mg/L的ClO2可在幾分鐘內殺滅飲用水中的病毒桿菌，殺死水生二節虱類蠕蟲只需0.5mg/L。二氧化氯適用的pH范圍為6.0～10，推薦使用劑量余氯量為0.2～1.0mg/L。
二氧化氯制備方法很多，由于二氧化氯不穩定，易分解，通常現場制備就地使用。二氧化氯發生器工作原理有化學法和電解法。
氯酸鈉價格較便宜，化學法二氧化氯發生器多采用氯酸鈉制二氧化氯，其反應式為：
20世紀80年代中期美國Tetravalent公司和加拿大Tenneco公司開發了電解法制備ClO2，電解法是以飽和NaCl為電解液，陽極和中性極板用鈦板、鈦網、不銹鋼板或石墨。陽極氯離子氯化生成氯氣，在中性電極作用下生成ClO2和H2O2。陽極室與陰極室用離子交換膜為隔膜隔開（圖2-19）。直流電解電壓為6～12V，最佳電流密度為12A/dm2，溫度50～60℃。陽極室制得產物為混合物，包括Cl2、ClO2、H2O2、O2等，其中ClO2約占5％～8％［5］。
圖2-19 電解NaCl制備ClO2裝置示意圖
1—陰極；2—陽極；3—中性電極；
4—離子交換膜；5—ClO2出口；6—H2出口
也可以氯酸鈉為電解液，用石墨電極電解制備ClO2。
該法制得的ClO2純度高，但因氯酸鈉價格較貴，成本較高［6］。
2.6.4 臭氧消毒［4］
臭氧滅菌還能起到降COD、脫色除臭、降低濁度、增加水體溶解氧濃度的作用。臭氧滅菌所需的濃度低、作用快，比氯快600～3000倍；臭氧有極強的氧化性，可降解水中的有機物，不產生有毒副產品，因此是飲用水消毒的好方法。但臭氧不穩定，存留時間短，制備成本高。
臭氧氧化消毒處理水的裝置是一些氣液接觸裝置，有氣泡塔、篩板塔、填料塔、湍流塔等，臭氧與水接觸時間一般大于30min。
2.6.5 紫外線消毒
紫外線殺菌消毒是利用紫外線穿透細菌和微生物的細胞壁殺死菌體。產生紫外線的燈源有汞燈、氙燈、日光燈等，波長在200～300nm左右消毒殺菌效果最好。紫外線對細菌殺傷力強，照射時間短（10～100s），設備簡單，管理方便。紫外線不僅起消毒作用，而且能分解水體中有機物，對低分子有機物的去除比離子交換、反滲透更有效，可脫除水體中最后總有機碳10μg/L中的碳。消毒后的水體無色無味，無毒副產品，但持續時間短，處理水量小，紫外線不能透入較深的水層消毒。
近代又開發了過氧化氫+紫外線線消毒、臭氧+紫外線消毒，此時在水體中能產生氧化效率極強的羥基自由基，不僅有效殺滅細菌，而且能降解水中許多難降解的有機物，使其完全分解為CO2和水。
2.6.6 過氧乙酸消毒
過氧乙酸（CH3COOOH）［10］為無色透明液體，具弱酸性，易分解，易溶于水和有機溶劑，對細菌繁殖體、芽孢、真菌、病毒等都有高效殺滅作用。過氧乙酸對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌滅殺有效濃度為0.0005％～0.005％，殺滅時間分別為1～15min、1～60min和2～30min；對嗜熱脂肪芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌有效殺滅濃度為0.05％時，殺滅時間分別為15min和5～10min；對白假絲酵母真菌、熱帶假絲酵母真菌和假熱帶假絲酵母真菌的有效殺滅濃度為0.002％時，殺滅時間分別為13min、20min和3min。過氧乙酸還是一個高效廣譜殺病毒的藥物，0.5％過氧乙酸作用15～30min可完全破壞乙肝病毒的抗原性。
2.6.7 超濾和微濾除菌
超濾和微濾可濾除水體中懸浮物、膠體、微生物、細菌、病毒和大分子有機物，它們與產水分開，不存在滅菌殺生后菌、藻尸體及代謝產物污染水體或產生毒副產品的問題，可連續自動化操作，但運行費用高，維護困難。