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第4章 消毒
为了防止通过饮用水传播疾病，在生活饮用水处理中，消毒是必不可少的。消毒并非要把水中微生物全部消灭，只是要消除水中致病微生物的致病作用。致病微生物包括病菌、病毒及原生物胞囊等。
水的消毒方法很多，包括氯及氯化物消毒，臭氧消毒、紫外线消毒以及某些重金属离子消毒等。氯消毒经济有效，使用方便，应用历史最久也最广泛。但是自20世纪70年代发现受污染水源经氯消毒后往往产生一些有害健康的副产物，例如三卤甲烷等后，人们便重视了其它消毒剂或者消毒方法的研究，比如对二氧化氯消毒的日益重视。然而，氯消毒仍是应用最广泛的一种消毒方式。
4.1 氯消毒
4.1.1 氯消毒原理
氯容易溶解于水。当氯溶解在清水中时，下列两个反应几乎瞬时发生：
Cl2?H2O?HOCl?HCl （4-1）
次氯酸HOCl部分离解为氢离子和次氯酸根：
HOCl?H?OCl （4-2）
其平衡常数为：
??[H?][OCl?] Ki? （4-3）
[HOCl]在不同温度下次氯酸根离解平衡常数见表4-1。HOCl和OCl的相对比例取决于温度和pH值。
次氯酸根离解平衡常数 表4-1
温度（0） ??0 2.0 5 2.3 10 2.6 15 3.0 20 3.3 25 3.7 Ki?10?8(mol/L) 氯消毒作用的机理，一般认为主要通过次氯酸起作用，HOCl为很小的中性分子，只有它才能扩散到带负电的细菌表面，并通过细菌的细胞壁穿透到细菌内部。当HOCl分子到达细菌内部时，能起氧化作用破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。OCl虽亦具有杀菌能力，但是带有负电，难于接近带负电的细菌表面，杀菌能力比HOCl差得多。生产实践表明，pH值越低则消毒作用越强，证明HOCl是消毒的主要因素。
以上讨论是基于水中没有氨氮成分。实际上，很多地表水中，由于有机污染而含有一定的氨氮。氯加入这种水中，产生如下反应：
?Cl2?H2O?HOCl?HCl （4-4）
NH3?HOCl?NH2Cl?H2O （4-5）
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NH2Cl?HOCl?NHCl2?H2O （4-6） NHCl2?HOCl?NCl3?H2O （4-7）
从上述反应可见：次氯酸、一氯胺、二氯胺、三氯胺都存在，它们在平衡状态下的含量比例决定于氯、氨的相对浓度、pH值和温度。一般讲，当pH值大于9时，一氯胺占优势；当pH值为7.0时，一氯胺和二氯胺同时存在，近视等量；当pH值小于6.5时，主要是二氯胺；三氯胺只能在pH值低于4.5时才存在。
从消毒效果而言，水中有氯胺时，仍然可以理解为依靠次氯酸起消毒作用。从式（4-5）到式（4-7）可见：只有当水中的HOCl因消毒而消耗后，反应才向左进行，继续产生消毒所需要的HOCl。因此当水中存在氯胺时，消毒作用比较缓慢，需要长时间的接触时间。
比较三种氯胺的消毒效果，NHCl2要胜过NHCl1，但是前者具有臭味。当pH值低时， NHCl2所占比例大，消毒效果较好。三氯胺NCl3消毒作用极差，且具有恶臭味（到0.05mg/L含量时，已经不能忍受）。一般自来水中不太可能产生三氯胺，而且它在水中溶解度很低，不稳定而易气化。
水中所含的氯以氯胺存在时，称为化合性氯或结合氯。自由性氯的消毒效能比化合性氯要高得多。为此，可以将氯消毒分为两大类：自由性氯消毒和化合性氯消毒。
4.1.2 加氯量
水中加氯量，可以分为两部分：需氯量和余氯。需氯量指用于灭活水中微生物、氧化有机物和还原性物质等所消耗的部分。为了抑制水中残余病原微生物的再度繁殖，管网中尚需要维持小量剩余氯。我国饮用水标准规定出厂水游离性余氯在接触30min后不应低于0.3mg/L，在管网末梢不应低于0.05mg/L。
以下分析不同情况下加氯量和剩余氯量之间的关系：
（1）如水中无微生物、有机物和还原性物质等，则需氯量为零，加氯量等于剩余氯量，如图4-1中所示的虚线①，该线与坐标轴成45度角。
（2）事实上天然水或多或少受到有机物和细菌等污染，氧化这些有机物和杀灭细菌要消耗一定的氯量，即需氯量。加氯量必须超过需氯量才能保证一定的剩余氯。当水中有机物较少，而且主要不是游离氨和含氮化合物时，需氯量0M满足后就会出现余氯，如图4-1中的实线②。这条曲线和横坐标交角小于45度，原因为：
I、水中有机物与氯作用的速度有快慢。有测定余氯时，有一部分有机物尚在继续与氯作用中；
II、水中余氯有一部分会自行分解，如次氯酸由于受水中某些杂质或者光线的作用，产生如下催化分解：
2HOCl?2HCl?O2 （4-8）
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（3）当水中的有机物主要是氨和氮的化合物时，情况比较复杂。当起始的需氯量0A满足以后（图4-2），加氯量增加，剩余氯也增加（曲线AH段），但是后者增长的慢一些。超过H点加氯量后，虽然加氯量增加，余氯量反而下降，如HB段，H点称为峰点。此后随着加氯量的增加，剩余氯又上升，如BC段，B点称为折点。
图4-2中，曲线AHBC与斜虚线间的纵坐标值b表示需氯量；曲线AHBC的纵坐标值a表示余氯量。曲线可以分为4区，分述如下：
在第1区，即0A段，表示水中杂质把氯消耗光，余氯量为零，需氯量为b1，这时消毒效果不可靠。 在第2区，即曲线AH段，加氯后，氯与氨发生反应，有余氯存在，所以有一定消毒效果，但余氯为化合性氯，主要成分是一氯胺。
在第3区，即曲线HB段，仍然产生化合性余氯，加氯量继续增加，开始下列化学反应：
2NH2Cl?HOCl?N2??3HCl?H2O （4-9）
反应结果使氯胺被氧化成一些不起消毒作用的化合物，余氯反而逐渐减少，最后到达折点B。
超过折点B后，进入第4区，即曲线BC段。此后已经没有消耗氯的杂质了，出现自由性余氯。该区消毒效果最好。
从整个曲线看，到达峰点H时，余氯最高，但这是化合性余氯而非自由性余氯。到达折点时，余氯最低。如继续加氯，余氯增加，此时所增加的是自由性余氯。加氯量超过折点需要量时称为折点氯化。
上述曲线的测定，应结合生产实际进行。
当原水受到严重污染，采用普通的混凝沉淀和过滤加上一般加氯量的消毒方法都不能解决问题时，折点加氯法可取得明显效果，它能降低水的色度，去除恶臭，降低水中有机物含量；还能提高混凝效果。需要说明的是：折点加氯法过去常常应用，但自从发现水中有机污染物能与氯生成三卤甲烷后，采用折点加
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氯来处理受污染水源已引起人们担心，所以，现在正在寻求去除有机污染物的预处理或者深度处理和其它消毒法，并且已经取得一些成绩。
4.1.3 加氯点
在过滤后加氯，因为消耗氯的物质已经大部分去除，所以加氯量少。
在加混凝剂时同时加氯，可氧化水中的有机物，提高混凝效果。用硫酸亚铁作为混凝剂时，可以同时加氯，将亚铁氧化成三价铁，促进硫酸亚铁的凝聚作用。这些氯化法称为滤前氯化或预氯化。预氯化还能防止水厂内各类建筑物中滋生青苔和延长氯胺消毒的接触时间，使加氯量维持在图中的AH段，以节省加氯量。对于受污染水源，为避免消毒的副产物产生，滤前加氯或预氯化应尽量取消。
当城市管网延伸很长，管网末梢的余氯难以保证时，需要在管网中途补充加氯。 4.1.4 加氯设备、加氯间和氯库
现在一般采用自动检测和自动加氯技术。所以加氯设备包括加氯机、氯瓶、自动检测和自动控制设备，还有真空调节器，水射器等。
加氯间是安置加氯设备的操作间，氯库是储备氯瓶的仓库。由于氯气是有毒气体，所以要采取措施确保安全加氯，加氯间和氯库在建筑上的通风、照明、防火、保温等应特别注意，还应设置一系列安全报警、事故处理设施等。有关加氯间和氯库设计要求应严格按照相关设计规划和手册进行。
4.2 其它消毒法
除了加氯消毒，还有许多其它消毒方法。每一种方法都有其优点和不足之处，具体采用何种消毒法应当结合水质、经济、供水要求等条件来选择。
其它消毒法主要包括：二氧化氯消毒；氯胺消毒；漂白粉消毒；次氯酸钠消毒；臭氧消毒。
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附录5：生活饮用水卫生标准（包括1986年和2006年两个版本）
生活饮用水水质标准 (GB5749—85) （1986-10-01实施）
项目 感官性状和 一般化学指标 色 浑浊度 臭和味 肉眼可见物 ｐＨ 总硬度（以碳酸钙计） 铁 锰 铜 锌 挥发酚类（以苯酚计） 阴离子合成洗涤剂 硫酸盐 氯化物 溶解性总固体 毒理学指标 氟化物 氰化物 砷 硒 汞 镉 铬(六价) 铅 银 硝酸盐(以氮计) 氯仿* 四氯化碳* 苯并(a)芘* 滴滴涕* 六六六*
标准 色度不超过15度并不得呈现其他异色 不超过3度，特殊情况不超过5度 不得有异臭、异味 不得含有 6.5~8.5 450 mg/L 0.3 mg/L 0.1 mg/L 1.0 mg/L 1.0 mg/L 0.002 mg/L 0.3 mg/L 250 mg/L 250 mg/L 1000 mg/L 1.0 mg/L 0.05 mg/L 0.05 mg/L 0.01 mg/L 0.001 mg/L 0.01 mg/L 0.05 mg/L 0.05 mg/L 0.05 mg/L 20 mg/L 60 mg/L 3 mg/L 0.01 m g/L 1 mg/L 5 mg/L 20