郭景静
四川神华天明发电有限责任公司 四川江油 621700
【摘要】为了研究水处理厂使用危险化学品的可替代性，调研了国内外水处理厂消毒方式的发展应用情况，综述了氯化消毒、二氧化氯消毒、有机剂氯片、臭氧消毒、紫外消毒的消毒方法，着重分析了不同消毒方法的消毒能力和危险性，基于本质安全理论，提出了单一消毒方法存在的问题，并对危险化学品安全替代的研究方向进行了展望。
【关键词】水处理；危险化学品；消毒；本质安全；替代
0引言
近年来，由于经济的飞速发展，我国各行各业对化工产品的需求量越来越大。危险化学品是指有爆炸、易燃、毒害、感染、腐蚀、放射性等危险特性，在运输、储存、生产、经营、使用和处置中，容易造成人身伤亡、财产损毁或环境污染而需要特别防护的化学品。导致危险化学品事故的因素很多，而且事故发生突然，由此产生的后果影响很大。为保证危险化学品的安全，一是安全管理措施，二是安全技术措施。为消除物的不安全状态，其中安全技术措施是以工程技术手段达到设备、工艺等的本质安全。
随着原水水质下降、环保要求越来越严、健康意识提高，水处理行业中危险化学品的使用安全性、运输安全性等问题日渐突出，危险化学品的安全问题已成为水处理行业的热点，高风险性物质被低危险性物质替代的可行性具有重大意义。
1饮用水消毒技术早期研究
1902年，比利时人开始使用液氯作为消毒剂。液氯由于杀菌能力强并且在水中能持续进行消毒，再加上其价格便宜，在世界范围内越来越多国家和地区使用液氯。1811年，二氧化氯被科研人员发现，其性质不稳定、具有爆炸风险，并且制备、存储二氧化氯困难等一系列原因，导致二氧化氯没有作为消毒剂广泛使用。经过长期的研究，多种二氧化氯的制备工艺被开发出来。随着稳定性的问题被解决，二氧化氯成为了近几年发展比较迅速的消毒剂。目前，二氧化氯越来越广泛地使用于食品、生活用水处理、医疗卫生消毒等多种领域。以上两种都是化学消毒法，是使用气体或液体的化学品接触渗入细菌内，通过发生强烈的氧化反应等破坏细菌细胞。除了化学消毒法，物理消毒的应用也越来越广泛。物理消毒是使用物理能让细菌蛋白发生变性或解体、破坏细菌凝聚，从而使饮用水完成消毒。早期消毒技术只需要保证处理后的污水达标，最主要关注于流行病学和传染病的传播。以某市为例，目前大型水厂以氯气和二氧化氯消毒居多，但是当消毒方式越来越成熟，其本质安全就成了越来越重要的指标。
2饮用水消毒技术应用情况
2.1氯化消毒
氯化消毒是使用次氯酸钙、液氯、次氯酸钠等药剂进行消毒，目前已经成为世界上大多数国家长久以来在水处理领域消毒的主要措施。氯化消毒法的机理是让加入到水中的氯化消毒药剂生成次氯酸，次氯酸分解成H+和ClO-，微生物、细菌等的细胞通透性被破坏，酶和细胞核酸被损坏，导致微生物、细菌等死亡。
2.2二氧化氯消毒
二氧化氯由于其广谱和高效而被国际公认为一种氧化性消毒剂，广泛用于污水、工业循环水、城镇饮用水的消毒处理。为了解决二氧化氯性质不稳定的难题，往往采用现场制备，水处理消毒的二氧化氯发生器工艺主要有两种：以氯酸钠、盐酸为原料反应生成二氧化氯，以亚氯酸钠、盐酸为原料反应生成二氧化氯，其中以氯酸钠和盐酸为原料使用较多。二氧化氯通过氧化水中的有机物降低其BOD（生物需氧量），并且能快速、高效地杀灭普通病毒、真菌、致病微生物，在副产物方面，不会发生取代反应生成有机卤副产物。
2.3有机剂氯片
在消毒剂的探索过程中，曾经使用无机氯化合物进行消毒，生成的水不溶性沉淀物容易造成二次污染。自此，日本、本欧美等国家开始引入有机氯化合物作为消毒药剂，其主要成分为有机氯三氯异氰尿酸，是种片剂型消毒药剂，其杀菌快速、对多种微生物和细菌有效，有效氯含量≥89%。
2.4臭氧消毒
臭氧分解出自由基态氧，其活性是氯的600倍，除了拥有生物膜扩散能力，还因为其强氧化性，对微生物内部结构有很强的破坏性，对原生动物病原体卵囊效果尤其显著。其作用机理分为三种，其一，自由基态氧入侵细胞膜组织，作用于外膜脂蛋白和内部的脂多糖；其二，自由基态氧可以直接破坏病毒和细菌的RNA（核糖核酸）、DNA（脱氧核糖核酸）、细胞器，破坏蛋白质等大分子聚合物；其三，自由基态氧会穿透细胞壁氧化分解细菌的葡萄糖氧化酶，达到消灭细菌的结果。
2.5紫外线消毒
紫外线消毒原理是微生物核酸吸收240-280nm的紫外线，通过照射破坏核酸功能，从而抑制繁殖。不过，特殊离子、无机颗粒物、有机物以及光源会影响紫外线的消毒效果。铁离子会吸收紫外线从而降低其穿透性，而银离子可以促进紫外线的消毒。能影响浊度、有机物浓度的无机物和有机物颗粒，会导致紫外线光强降低。脉冲紫外线比低压紫外线灭菌效果好。在实际应用中，紫外消毒加上灯管的老化系数和石英套管的结垢系数后，有效紫外剂量=紫外光强*曝光时间*灯管老化系数*结垢系数。
3分析与讨论
3.1消毒能力分析
液氯投加之后含氯量高，有效氯≥99%，比次氯酸钠高5至10倍，再加上其价格便宜，是一种传统消毒法。ClO2消毒近年来发展迅速，作为一种强氧化剂，氧化能力约是Cl2的2.5倍，能与水体中还原性酸根发生氧化反应，方便除去，而溶解度是Cl2的5倍，并且由于溶于水的安全性，为得到了国际上的广泛认可。T.S.Huang等的研究表明单独使用ClO对沙门氏菌的对数灭活率为3.115，对大肠杆菌的对数灭活率为2.235。厦门某净水厂次氯酸钠消毒成本达到12.43元/千吨，约为液氯消毒的3.6倍。二氧化氯含量执行国标排放标准1.0mg/L时，千吨水成本约为30～40元，二氧化氯含量排放标准为1.5mg/L时，千吨水成本约为40～80元。
吴东海等研究表明当初始臭氧质量浓度为5.02mg/L，灭菌时间为1.5～9.0s时，对细菌总数的对数灭菌率为1.6～3.0；液面紫外辐射强度为6.5mW/cm2，灭菌时间为1.5～9.0s时，对细菌总数的对数灭菌率为1.8～4.7。臭氧的消毒能力较强，但是易分解、半衰期短，有机物对它的影响较大，臭氧发生装置成本较高，缺少消毒效果的持续性，容易二次滋生细菌。紫外线消毒不需要投加化学药剂，不会生成毒副产物，有绿色、健康的特点，但是没有持续消毒的能力，存在光复活现象。
从污水达标情况来看，液氯、次氯酸钠、次氯酸钙、有机氯片、二氧化氯、紫外灯和臭氧消毒都是可以接受的，但是其消毒效果的持续性来看，水中余氯可以防止水质再度被污染。实际上液氯、次氯酸钠、次氯酸钙、有机氯片、二氧化氯可单独用于消毒；而紫外线和臭氧能达到即时的杀菌效果，但由于缺少持续性，容易二次污染，最好与其他消毒剂迸行组合使用，根据水厂的不同规模可能会增加其水处理成本。
3.2危险性分析
上述消毒剂中，液氯、次氯酸钠（5%）、次氯酸钙、氯酸钠、二氧化氯是危险化学品。次氯酸钠具有不燃性，受热会发生分解，生成有毒腐蚀性烟尘。次氯酸钙和氯酸钠都是强氧化剂，次氯酸钙遇碱性物质、潮湿空气或水会引起燃烧爆炸，和有机物混合可能会燃烧，受阳光照射、加热、加酸易分解出氯气。氯酸钠易爆，加强酸和受强热会发生爆炸，易燃物、有机物、还原剂与氯酸钠混合容易形成爆炸性混合物。从理化性质和事故数据分析，次氯酸钠的危险性较液氯、次氯酸钙、二氧化氯（氯酸钠制备）低。
4结论
以低风险物质代替高风险物质，是本质安全的手段。采用NaClO、有机剂氯片替代液氯、二氧化氯（氯酸钠制备）可以从根本上消除危险源，虽然并不能提高供水质量，但是NaClO、有机剂氯片更符合安全需求。另外，考虑到二氧化氯作为消毒剂的优越性，现场用次氯酸钠制备二氧化氯是今后的研究方向。而紫外线和臭氧能达到即时的杀菌效果，但由于缺少持续性，与其他消毒方式迸行组合使用，需根据水厂规模合理控制其水处理成本。
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