几种水体消毒经典方法及优缺点

水的消毒就是用化学和物理方法杀灭水中的病原体，以防止疾病传染，维护人群健康。物理消毒法有加热法、γ辐射法和紫外线照射法等；
化学消毒法有投加重金属离子(如银和铜)、投加碱或酸、投加表面活性化学剂、投加氧化剂（氯及其化合物、溴、碘、臭氧）等的消毒法。
在这些方法中以氧化剂消毒应用最广，其中以氯及其化合物消毒尤为通用，其次是臭氧消毒。
紫外线照射法和投加溴、碘及其化合物的方法用于小规模水厂或特殊设施(如游泳池)用水的消毒。
常用化学消毒剂
目前大规模投入使用的主要是以下三种：
a.臭氧 b.二氧化氯 c.液氯
这四种消毒剂比较如下：
从生物杀菌能力看，其高低位序为：臭氧>二氧化氯>液氯>氯胺；
从稳定性和消毒的持续性来看，其高低位序为：氯胺>二氧化氯>液氯>臭氧>；
从三卤甲烷形成潜力和总有机卤形成潜力来看，其高低位序为：液氯>氯胺>二氧化氯≈臭氧。
综合起来考虑，则认为二氧化氯是一优良消毒剂和强氧化剂，是世界卫生组织（WHO）和世界粮农组织（FAO）向全世界推荐的A1级广谱、安全和高效消毒剂。
水处理过程中的氯化消毒是最通用的最重要的消毒步骤，但是在此以前的其他处理步骤也能有效地去除病原体。
“例如，废水的二级处理出水用混凝沉淀法能去除病菌和病毒 99.845％，而混凝沉淀-过滤法的去除率达99.985％。石灰混凝沉淀已被证明在高pH值条件下能有效地去除病毒并使其失去活性。氯化消毒能保证更彻底地杀灭病原体，水中的余氯还具有持续消毒作用。
氯消毒
氯与水反应时，一般产生“歧化反应”，生成次氯酸（HOCL）和盐酸（HCL）。
HOCl是中性分子,可以扩散到带负电的细菌表面,并穿透细胞壁进入细菌内部起氧化作用，破坏细菌的酶系统使细菌死亡。OCl也具有杀菌能力，但带负电，难以接近带负电的细菌。HOCl和OCl的杀菌效果在试验的条件下大致为80:1。
控制水的pH值，以保持水中HOCl较高的百分率，能获得较好的消毒效果。
上面所说的是在没有氨氮的水中的氯消毒状况。实际上待消毒的水大多含有氨氮，向这种水中投氯后，水中氯和氮化合物的最重要的反应，是次氯酸与氨的反应。这是一个分段反应过程：
在pH值大于9时，几乎只生成一氯胺；在pH值约为7.5时，一氯胺和二氯胺数量几乎相同：在pH值小于6.5时,二氯胺占优势；三氯胺只有在pH值低于 4.5时才存在。在水中有氯胺存在时，HOCl仍起着消毒作用，到水中的HOCl消耗完了后，反应才向左进行,继续生成HOCl。因此,水中有氮化合物时，会使消毒过程变慢。
氯同氨的克分子比大于1时,发生氨的氧化和氯的还原；两者的克分子比为2:1左右时,能发生基本上完全的氧化还原反应，并且经过一定的时间，导致氨和起氧化作用的氯完全从溶液中消失，此点称为折点。然后随着投氯量增加,水中的剩余有效氯才逐渐增加。 在折点前氯化的剩余氯是化合态的有效余氯，而在折点后氯化的剩余氯则是游离态的有效余氯，这时消毒效果最好。
在折点以后继续投氯，称为折点氯化。这种方法的氯耗量明显增大，但对污染较严重的水的去污消毒效果十分显著，除杀灭细菌外，还可以降低水的色度，去除恶臭，去除锰、铁，去除酚及其他有机污染物，并可控制藻类繁殖。采用折点加氯消毒后往往要有脱氯措施。脱氯可采用化学药剂法（投加二氧化硫，亚硫酸钠）和活性炭吸附法等。
氯的灭菌作用主要是次氯酸，因为它是体积很小的中性分子，能扩散到带有负电荷的细菌表面，具有较强的渗透力，能穿透细胞壁进入细菌内部。氯对细菌的作用是破坏其酶系统，导致细菌死亡。而氯对病毒的作用，主要是对核酸破坏的致死性作用。
主要特点
(1)处理水量较大时，单位水体的处理费用较低；
(2)水体氯消毒后能长时间地保持一定数量的余氯，从而具有持续消毒能力；
(3)氯消毒历史较长，经验较多，是一种比较成熟的消毒方法。
缺点
但是自从1974年陆克和伯勒分别在荷兰与美国的城市自来水中检出了氯仿等三卤甲烷(THMs)有机物，1976年美国国家癌肿研究所通过对大鼠和小鼠进行口服氯仿实验确定其为致癌物质，人们发现饮用水氯消毒后，水中含有具有致畸、致癌、致突变的THMs等有害消毒副产物。随着对THMs危害性研究的深入，引起了对其它消毒副产物的研究。
至今已知的消毒副产物已经有500种以上，但是绝大多数的浓度只有微克/升(μg/L)级，且许多消毒副产物未作进一步的研究。在大量的消毒副产物中，目前集中研究的只有三卤甲烷、卤乙酸、卤乙腈、卤代酮、卤代醛、卤代酚等20余种，其中对于THMs的致癌性已有共识，其它大部分具有一般毒性，部分具有致突性。THMs等卤化有机物的产生主要是水体中的有机物与氯作用的结果，而城市生活污水中含有大量的有机物，经氯消毒后，会生成卤化有机物等消毒副产物，随污水进入地面水体，污染水源，并对鱼类等水生生物产生毒害作用。
避免途径
氯胺消毒取滤后水分装至两个250mL磨口瓶中，通过加入氯化铵控制水中氨氮的含量，使其中一个磨口瓶内氨氮含量为0.54mg/L、另一个为0.06mg/L。在有效投氯量均为4mg/L的情况下，经24h氯化反应后测定两瓶水样的三氯甲烷含量。由于后者氨氮浓度很低，所以可以认为是活性氯消毒，而前者则可看作是氯胺消毒。显然，在相同的投氯量下水中氨氮的浓度高，游离余氯的含量就低，产生三氯甲烷的量也就相对较低。从这个角度讲，保持水中有一定数量的氨氮，有利于减少消毒副产物的产量。
对氯胺消毒而言，由于HOCl是逐渐释放出来的，所以更能保证管网末梢和管网水流速小的地区的余氯要求，也会使自来水中的氯嗅味减轻一些，这是氯胺消毒的优点。但是，由于氯胺消毒作用缓慢，因此不能作为基本杀菌消毒剂，而应作为出厂水在管网系统中长时间维持水质卫生的辅助消毒剂。氯胺对人体健康也存在着潜在的影响，应根据水质和管网的具体情况控制适量。水厂距供水管网较近、水流在管中停留时间＜12h，且有机卤化物含量较小时不宜采用氯胺消毒。
所以：加氯消毒过程中消毒副产物的生成量与投氯量、水中有机物的浓度、反应时间、水的pH值及氯的存在形式有关。其中，降低以腐殖酸为代表的有机物浓度和减少投氯量是降低消毒副产物浓度的最有效、最可行的方法。在可能的情况下，对其他氯化反应条件也应进行调整和优化，从而使加氯消毒产生的消毒副产物最少。氯胺和二氧化氯比加氯消毒产生的消毒副产物明显减少，是控制消毒副产物产生的有效措施。
为了避免有害消毒副产物的产生，采取的主要途径有：
(1)预处理去除三卤甲烷前驱物(主要是富里酸和腐殖酸)；
(2)采用代用消毒剂或消毒方法，近年来对用臭氧、二氧化氯和氯胺代替氯为消毒剂进行了大量的研究。
二氧化氯消毒
二氧化氯虽然不属于有效氯化合物（凡是水解形成次氯酸者）家族，但是氧化能力约为有效氯的2.5倍,能在较宽的pH值范围内，包括在高pH值环境中比有效氯更迅速地杀灭细菌和孢子。此外,它还能有效地去除色、臭、味、锰、铁、酚及氯酚化合物和藻类。二氧化氯与有效氯不同，在水溶液中不会与氨反应，也不会与有机物反应生成三卤代甲烷(THM)类化合物(其中有些被怀疑为致癌物质)。因此,用二氧化氯代替有效氯进行消毒，近年来受到普遍的重视。
性能
二氧化氯具有广谱消毒效果，同时又不会与水中的有机物反应生成氯化消毒副产物，所以它在自来水消毒中的有逐渐上升的趋势。1983年，美国国家环保局提出饮用水中三氯甲烷含量必须小于0.1mg/L，并推荐二氧化氯消毒作为控制自来水中三氯甲烷含量的有效措施之一。
由于二氧化氯性质非常活泼，无论气态或液态常会由于未知原因而发生爆炸，其储存运输也较困难，一般要采用现场制备的使用方式，这在一定程度上阻碍了其推广应用。
二氧化氯的杀菌消毒作用：
二氧化氯在自然界中几乎以游离单体的形式存在，基本不与水发生化学反应（水解歧化），也不以二聚或多聚状态存在，这令它在水中的扩散速度比较快，渗透力也强，特别是在低浓度时更突出，二氧化氯的氧化能力强，是氯的2.6倍。二氧化氯的杀菌作用不受PH值影响，可在广泛的PH值（3.0~9.0）范围内，杀死水中的细菌和病毒。二氧化氯的持续消毒能力强，它的水溶液很稳定，尤其在低浓度时更突出。给水管网是一个密封的系统，管道内阴凉且避光，因此，二氧化氯在管网中能够保持稳定的残量，控制细菌、病毒、藻类等微生物的再度繁殖，二氧化氯还能分解残留的细胞结构，控制粘泥和生物的积聚，使微生物缺乏繁殖生长的条件和环境。
二氧化氯投加工艺：
（一）对于有清水池的水厂，一般将二氧化氯的投加点选择在滤后清水池进水口处，靠清水池中有效的接触时间，达到杀菌、消毒效果。如若投加在滤后管道中，因有利于混合均匀，效果更好。
（二）对于没有清水池的直供水，可将二氧化氯直接投加到供水管道中。
（三）对于配备在线检测自动控制装置的水厂，可在投加点之前设置流量控测装置，自动测定水流量值并转成控制信号给二氧化氯发生器以控制二氧化氯投加量，或在出厂水管上设置余氯或二氧化氯控测装置，自动测定出厂水余氯值或二氧化氯浓度值，并转成控制信号后流量信号复合控制投加量，使加药量更精确。但在低温低浊条件下，水温5°C～6°C，同样投加0.25mg/L时，作用5min，不能将大肠杆菌降至0cfu/100ml，必须将二氧化氯投加量提高至0.5mg/L,方可将大肠杆菌降至0cfu/100ml。
在实际运行中，要达到消毒杀菌效果，又要尽可能节约成本，我们摸索总结出只要投加量控制在0.15~0.30mg/L，停留时间30min，完全可以确保管网水中的微生物学指标和感官性指标。
二氧化氯用水自来水消毒优点
（一）ClO2在失活病毒，隐孢子虫和贾第虫方面比CL2更有效；
（二）ClO2不形成氯仿等有机卤代物；
（三）ClO2杀菌特性几乎不受PH影响，且杀菌效果明显好于CL2；
（四）ClO2可用于控制藻类、腐败植物和酚类化合物产生的嗅和味问题；
（五）ClO2氧化铁、锰、硫化物、氰化物和亚硝酸盐以及许多有机物；
（六）ClO2在水中的剩余量，将延长或保证管网水中的消毒作用；
（七）ClO2不与氨反应，也不与溴化物反应形成溴或溴酸盐；
（八）ClO2在减少杀灭斑贻贝方面是有效的；
（九）ClO2在实际运行中安全性比投加CL2更可靠，并可省去漏氯回收装置。
综上所述，二氧化氯作饮用水消毒剂，投加量在0.15∽0.30mg/L浓度范围内，从消毒的效果、消毒安全性、口感及嗅和味方面来看，优于液氯消毒，使水质量得到很大提高，满足了人们对高品质生活饮用水的需求，二氧化氯正逐渐被使用者接受和认可，是一种很有前途的消毒剂。
臭氧消毒
臭氧不稳定，不能贮存，故只能现场制造和应用。臭氧消毒的独特优点在于它能高速和高效地杀灭病菌和病毒，消除囊孢。此外，它能氧化许多种有机化合物，而且臭氧分解后的唯一产物是氧。消毒作用在很宽的温度和pH值范围内有效。缺点是电耗大、费用大、没有持续的剩余消毒作用。
在大多数情况下,对低浊度（≤1度）和低有机物的水消毒，臭氧化5分钟后的臭氧剩余量为0.1毫克／升即可满足要求。达到这一剩余量的臭氧投量，取决于预处理的程度。在给水处理中，其投量范围一般为1.5～3毫克／升；而在废水的高级处理中,为使每100毫升水中的大肠杆菌含量降至2.2个以下,每升水需要的臭氧投量约为15毫克。
紫外线消毒
饮用水紫外线消毒技术应用分析
氯消毒会产生具有致癌作用的氯化消毒副产物，而近些年来贾第虫和隐孢子虫的发现，使现有的氯消毒工艺面临严峻的挑战，人们开始寻找新的替代消毒技术有效地提高消毒效果，并且可以降低消毒过程中产生的副产物对人体健康的潜在危害，同时保证饮用水的微生物学安全性和化学安全性。在众多的替代消毒技术中，由于紫外线消毒不添加任何化学物质、消毒效果好及不产生消毒副产物等优点而引起人们的重视。紫外线消毒的历史非常悠久，在欧洲，饮用水紫外线消毒已有近百年的历史。
1910年，法国的马赛一家自来水厂最先安装了一套紫外线消毒系统对饮用水进行消毒，到目前为止，西方发达国家已在污水处理厂安装了近4000套大型紫外线消毒系统，应用该技术的厂家约占污水处理厂总数的10%。同时，至2001年底已有2000多家自来水厂采用了紫外消毒技术，占自来水厂总数的10%以上，并且大量的紫外消毒技术改造工程正在进行之中。由于紫外线消毒在环保及人身安全方面的突出优点，欧洲及北美的许多国家将紫外线消毒列为用水终端和用户进水端及小型给水系统中的首选方法。尤其是发现自来水中存在隐孢子虫后，美国已经将紫外消毒工艺作为自来水消毒的最佳手段写入供水法规中。
紫外线位于X射线和可见光之间，在物理学上一般将紫外线分为真空紫外线区(<190nm)、远紫外区(190-300nm)和近紫外区(300-400nm)；按其生物学作用的差异，紫外线可分为UV-A(320-400nm)、UV-B(275-320nm)、UV-C(200-275nm)和真空紫外线部分。水处理中实际上是使用紫外线的UV-C部分，在该波段中260nm 附近已被证实是杀菌效率最高的紫外线。紫外线灭菌的原理是基于核酸对紫外线的吸收。紫外杀菌本质上是一个光化学过程，每一粒波长253.7nm的紫外线光子具有4.9eV的能量，紫外光子必须被吸收才具有活性。
核酸是一切生命体的基本物质和生命基础，核酸分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类，其共同点是由磷酸二脂键按嘌呤与嘧啶碱基配对的原则而连接起来的多核苷酸链。当微生物体受到紫外线照射时，会吸收紫外线的能量，从而引起DNA的损伤，最常见的两种损伤形式为环丁烷嘧啶二聚体(cyclobutane pyrimidine dimmer,CPD)和嘧啶-嘧啶酮光产物(pyrimidine pyrimidone photoproducts, PP)。当DNA受到紫外线照射后，相邻的嘧啶碱基共价交联形成环丁烷四圆环，使两个碱基的5、6位双键饱和，形成CPD。嘧啶-嘧啶酮光产物是通过5嘧啶的5和6位碳原子或3嘧啶的4位碳原子和位于4位碳的氧原子或亚氨基异构体间形成的二氧乙烷或氮杂丁烷4圆环而形成的，这些都是比较稳定的化学键，从而阻止了DNA的复制；另一方面，在紫外线的照射下可以产生自由基引起光电离，造成微生物不能复制繁殖，就会自然死亡或被人体免疫系统消灭，不会对人体造成危害，从而达到消毒的目的。

紫外线消毒对水中微生物的灭活效果
紫外线消毒具有较高的微生物灭活效果，对水中多种微生物都具有良好的灭活效果，并且杀菌速度快，大多数都是在1秒之内。另外，紫外线消毒技术对近些年发现的致病性病原微生物贾第虫和隐孢子虫也具有良好的灭活效果。隐孢子虫孢囊通过人畜的粪便排入环境，它们可在环境中存活很长时间，隐孢子虫卵囊和贾孢子虫孢囊比其它水传染病源微生物的存活时间长，因而可引起多次疾病的爆发。隐孢子虫引起的疾病非常严重，其普遍的的症状是腹泻、呕吐、低烧，类似流感的症状，而对免疫机能不健全的患者，如艾滋病患者，其疾病更为严重，导致死亡。
如1994年美国拉斯维加斯市爆发隐孢子虫病，20名艾滋病患者死亡。近年来的研究表明，使用低压汞灯和中压汞灯的辐射剂量在30J/m2时，能灭活隐孢子虫99.9 %以上，并且通过大量的实验证明低压汞灯和中压汞灯均能有效地灭活隐孢子虫。紫外线消毒对军团菌也有良好的效果，Muraca比较了臭氧、紫外线和氯和加热对军团菌的灭活情况，紫外线和加热(60度)1个小时产生了5log的灭活，氯和臭氧需5个小时才能达到同样的灭活效果
紫外线消毒的优势
(1) 紫外线消毒技术具有较高的杀菌效率，运行安全可靠。紫外线消毒对细菌和病毒等具有较高的灭活效率并且由于不投加任何化学药剂，因此它不会对水体和周围环境产生二次污染。
(2) 对隐孢子虫和贾第虫有特效消毒效果，常规的氯消毒工艺对隐孢子虫和贾第虫的灭活效果很低，并且在较高的氯投量下会产生大量的消毒副产物，而紫外线消毒在较低的紫外线剂量下对隐孢子虫和贾第虫就可以达到较高的灭活效果。
(3) 不产生有毒有害副产物，不增加饮用水的AOC含量。紫外线消毒不改变有机物的特性，并且由于不投加化学药剂，不会产生对人体有害的副产物，并且不会增加AOC和bdoc等损害管网水生物稳定性的副产物。
(4) 能降低臭味和降解微量有机物，紫外线对水中多种微量有机物具有一定的降解能力，并且能够降低水的臭和味。
(5) 占地面积小，运行维护简单、费用低。对每天5万吨污水用氯消毒来说，需建有一个130米长、3米宽的接触渠。采用紫外线消毒只需20米长3米宽的面积；紫外线消毒运行维护简单，运行成本低，可达每吨水仅4厘人民币甚至更低，其性能价格比具有很大优势。
(6) 消毒效果受水温、pH影响小。

紫外线消毒技术在工程应用中缺点
主要有以下几个方面：
(1) 无持续杀菌能力，消毒后的水如果遇到新的污染源，会再次被污染，需与氯配合使用；
(2) 浊度及水中悬浮物对紫外杀菌有较大影响，降低消毒效果；
(3) 紫外灯套管容易结垢，影响紫外光的透出和杀菌效果，因此需要对套管进行定期的清洗以及采取表面降温措施来防止管垢的形成；
(4) 细菌的复活现象，一些细菌被紫外照射失活的病毒细菌可通过光的协助修复自身被破坏的组织，达到复活目的，另外一些细菌可能存在着暗复活现象(无需光照)；
(5) 国内使用经验少，在国内，虽然工程上已经逐渐开始使用紫外线系统，但是对于紫外线消毒技术的研究并没有完全开展起来，对于紫外线消毒的应用也还存在较多问题。
紫外线消毒技术应用前景
紫外线消毒具有广谱性，对多种病源微生物都有较好的作用效果。欧洲许多国家以及北美的加拿大和美国已在九十年代分别修改了环境立法，在废水处理后的消毒以及饮用水的消毒上，都推荐采用紫外线消毒技术。目前紫外线在饮用水消毒、再生回用水消毒、生活污水、工业废水等的消毒处理中得到了一定的应用，尽管紫外线消毒技术存在无持久杀菌能力、细菌光修复问题及灯管的使用寿命等问题，但是相信随着人们对紫外线消毒技术研究的不断深入，杀菌效率更高的中压灯、脉冲灯的出现，灯管使用寿命的延长，以及对紫外线消毒系统设计研究的深入，紫外线消毒装置产品的商业化、国产化，绿色环保高效的紫外线消毒技术在我国饮用水消毒中将具有良好的应用前景。总之，各种消毒剂均有其自身的优、缺点，应根据原水、水厂特点有针对性地加以应用。