水質工程學(1)-消毒

水質工程學（Ⅰ）—給水工程

WaterQualityEngineering第7章消毒和氧化還原1講授內容：消毒機理、常見消毒劑、氯消毒臭氧消毒、氧化法、還原法計劃學時：4學時重點：氯消毒、折點加氯參考教材：給水處理理論——許保玖主編27.1消毒概述

1854年JohnSnow在倫敦發(fā)現(xiàn)霍亂（cholera）與飲用水密切相關

1881年Koch發(fā)現(xiàn)氯可以殺死細菌

1902年比利時的Middleheike市首次在公共水處理中采用氯消毒一、消毒定義：將水體中的病原微生物(pathogenicorganisms)滅活，使之減少到可以接受的程度。人體內致病微生物主要包括：病菌(bacteria)、原生動物胞囊（protozoanoocystsandcysts）、病毒（viruses）（如傳染性肝炎病毒、腦膜炎病毒）等。消毒與滅菌(sterilization)不同：滅菌是消滅所有活的生物。評價指標：（生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范，衛(wèi)生部,2007）細菌總數(shù)：<100個/mL

總大腸菌群：每100mL水樣中不得檢出糞大腸菌群：每100mL水樣中不得檢出3二、消毒方法：化學藥劑（氧化劑等）物理法（熱和光）輻射（

射線、電子束）三、消毒機理可能有以下幾個方面的作用：（1）破壞細胞壁；（2）改變微生物的DNA或RNA；（3）抑制酶的活性47.2氯消毒一、氯消毒原理氯易溶于水中，在清水中，發(fā)生下列反應：

Cl2+H2O

HOCl+H++Cl-

HOCl

H++OCl-HOCl和OCl-的比例與水中溫度和pH有關。pH高時，OCl-較多。

pH>9，OCl-接近100%。

pH<6，HOCl接近100%。

pH=7.54,[HOCl]=[OCl-]

HOCl和OCl-都有氧化能力，但細菌是帶負電的，所以一般認為主要是通過HOCl的作用來消毒的。只有它才能擴散到細菌表面，并穿透細胞壁到細菌內部，破壞細菌酶系統(tǒng)。實踐也表明pH越低，消毒作用越強。56如果有氨存在：

NH3+HOCl

NH2Cl+H2ONH2Cl+HOCl

NHCl2+H2ONHCl2+HOCl

NCl3+H2O其比例與pH有關。

pH>9，一氯胺占優(yōu)勢

pH為7時，一氯胺和二氯胺同時存在。

pH<6.5時，二氯胺

pH<4.5三氯胺氯氨的消毒也是依靠HOCl。只有HOCl消耗得差不多時，反應才會向左移動。因此，有氯胺存在時，消毒作用比較緩慢。如氯消毒5分鐘，殺滅細菌99％以上，而用氯胺消毒，相同條件下僅殺滅50％。三種氯胺中，二氯胺消毒效果最好，但有嗅味。三氯胺消毒作用極差，且有惡嗅味。自由性或游離性氯（freeavailablechlorine）：

HOCl、OCl－

Cl2

化合性氯或結合性氯（combinedavailablechlorine）：氯胺7二、加氯量

加氯量＝需氯量＋余氯需氯量：滅活水中微生物、氧化有機物和還原性物質所消耗的部分。余氯：出廠水接觸30分后余氯不低于0.3mg/L；在管網末梢不應低于0.05mg/L。8加氯曲線：水中無任何微生物、有機物等，加氯量＝余氯，①水中有機物較少時，需氯量滿足以后就是余氯。②

9當水中的污染物主要是氨和氮化合物時，情況復雜。10H：峰點B：折點OA段：水中雜質把氯消耗光。AH段：氯與氨反應，有余氯存在，有一定消毒效果，但余氯為化合性氯，其主要成分是一氯氨。HB段：仍然是化合性余氯，加氯量繼續(xù)增加，氯氨被氧化成不起消毒作用的化合物，余氯反而減少。BC段：B點以后，出現(xiàn)自由性余氯。加氯量超過折點需要量：折點氯化當原水游離氨<0.3mg/L時→加氯量控制在折點后當原水游離氨>0.5mg/L時→加氯量控制在峰點前11三、加氯點：

濾后加氯

濾前加氯――混凝劑投加時加氯，提高混凝效果。

管網中途加氯四、加氯設備一般用氯氣：有毒氣體，在6－8氣壓下變成液氯使用時采用氯瓶。干燥氯氣和液氯對鋼瓶無腐蝕作用，但遇水或受潮則會嚴重腐蝕金屬。因此，必須嚴格防止水和潮氣進入氯瓶。加氯機：轉子加氯機121314151617加氯尾氣吸收18五、氯化消毒副產物有機物與氯生成有機氯化物，三鹵甲烷。我國新標準規(guī)定了三鹵甲烷(THMs)濃度，包括：氯仿、溴仿、二溴一氯甲烷和一溴二氯甲烷四種物質。1993年美國制訂的消毒劑－消毒副產物方案中建議：

THMs80

g/L，鹵乙酸（HAAS）：一共五種（一氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、一溴乙酸、二溴乙酸），五種之和在1997年低于60

g/L，2000年低于30

g/L。有關消毒副產物的去除，現(xiàn)在研究熱點！??！查文獻：消毒副產物前驅物，三鹵甲烷生成勢197.3其它消毒法一、氯氨消毒優(yōu)點：水中含有有機物和酚時，氯氨消毒不會產生氯臭和氯酚臭，大大減少了THMs的產生，能保持水中余氯較久。但作用緩慢，殺菌能力比自由氯弱。單獨使用的情況較少。人工投加氨可以是液氨、硫酸氨或氯化氨。氯和氨的投加量視水質不同而有所不同。一般采用氯：氨＝3：1～6：1采用氯氨消毒時，一般先加氨，再加氯。氯胺消毒管網中微生物（硝化細菌）的控制！20二、二氧化氯消毒

ClO2在常溫下是一種黃綠色氣體，具有刺激性。溶解度是氯的5倍。極不穩(wěn)定，氣態(tài)和液態(tài)ClO2均易爆炸。故必須以水溶液的形式現(xiàn)場制取。制取方法：

1）亞氯酸鈉和氯制?。?/p>

Cl2+H2O→HOCl+HCl

HOCl+HCl+2NaClO2→2ClO2+2NaCl+H2O2）用酸與亞氯酸鈉制取:5NaClO2+4HCl→4ClO2+5NaCl+2H2O作用：

ClO2既是消毒劑又是氧化能力很強的氧化劑。對細菌的細胞具有較強的吸附和穿透能力，滅活能力強。不會與水中有機物作用生成有機氯化物。甚至本身的氧化能力能去除THMs前驅體。優(yōu)點：

ClO2消毒能力比氯強。

ClO2不水解，消毒受pH影響較小。

ClO2余量能在管網中保持很長的時間。作為氧化劑，能去除或降低水的色度等。缺點：

ClO2本身和副產物ClO2－對人體血紅細胞有損害。有報道認為還對人的神經系統(tǒng)及生殖系統(tǒng)有損害。21三、臭氧消毒作用：既是氧化劑，又是消毒劑，滲入細胞壁。作為消毒劑，不會產生三鹵甲烷副產物，殺菌和氧化能力比氯強。但由于臭氧在水中不穩(wěn)定，易散失，因此在O3之后，往往需要投加少量的氯等。歐洲普遍用臭氧處理飲用水，在美國也逐漸流行。但近年來臭氧化的副作用也開始引起人們的關注。水中大分子物質變成分子較小的中間產物，可能有毒性?；蛘咧虚g產物和氯作用后致突變反而增強。

22四、其它1.次氯酸鈉消毒：次氯酸鈉發(fā)生器，食鹽電解：NaCl+H2O

NaOCl+H2

2.紫外線消毒：消毒速度快，幾十秒鐘即能殺菌；不影響水的物理和化學性質；操作簡單3.電化學消毒：消毒效率高23小結：消毒與滅活，方法分類，氯消毒過程，折點加氯為什么在水消毒中廣泛采用氯作為消毒劑？近年來發(fā)現(xiàn)了什么問題？試討論其他消毒劑的發(fā)展前途。247.4氧化還原概述

一、氧化還原的基礎

通過氧化或還原，將水中溶解性物質→無害物無機物：失去電子過程→氧化過程，失去電子的物質→還原劑得到電子過程→還原過程，得到電子的物質→氧化劑每個物質都有各自的氧化態(tài)和還原態(tài)。氧化還原能力（失去或得到電子的能力）：

――氧化還原電位作為指標。標準氧化還原電位E0，以氫的電位值作為基準，氧化態(tài)和還原態(tài)的濃度為1.0M時所測的值，由負值到正值依次排列。E0越大，氧化性越大，如：

E0/(S/S2-)=-0.428VE0/(Cr2O72-/2Cr3+)=1.33vE0/(Cl2/2Cl-)=1.36VE0/(MnO4-/Mn)=1.51V25有機物：難以用電子的轉移來分析（因為涉及到共價健，電子的移動很復雜，只是發(fā)生電子云密度變動）氧化：加氧或去氫反應，或生成CO2，H2O還原：加氫或去氧反應26二、氧化還原法分類二、氧化還原法分類a.氧化法空氣氧化法----曝氣除鐵氯氧化法（液氯、NaClO、漂白粉等）

Fenton氧化法（p229）臭氧氧化法水力空化技術電解（陽極）超聲波氧化紫外光氧化法光催化氧化法濕式催化氧化超臨界氧化燃燒法b還原法藥劑還原法（亞硫酸鈉、硫代硫酸鈉、硫酸亞鐵、二氧化硫）金屬還原法（金屬鐵、金屬鋅，鐵炭微電解參考《廢水的催化還原處理技術》馬魯銘）電解（陰極）277.5氧化法一、氯氧化法投加藥劑：漂白粉、次氯酸鈉、液氯等。氯在水中瞬間水解：

Cl2

＋H2O

HOCl

＋HCl

HOCl

H++OCl-pH>9時，OCl-

接近100％

OCl-的標準氧化還原電位1.2V主要用途：氰化物、硫化物、酚、醛、油類的氧化去除以及脫色、脫臭、殺菌等28二、臭氧氧化法臭氧的特點●強氧化劑：氧化還原電位與pH有關，在酸性溶液中為2.07V,僅次于氟（3.06），在堿性溶液中為1.24V?！裨谒械娜芙舛容^低，只有3－7mg/L（25度時）。臭氧化空氣中臭氧只占0.6-1.2%●會自行分解為氧氣。水中的分解速度比在空氣中的快。如水中的臭氧濃度為3mg/L時，在常溫常壓下，其半衰期僅5－30分?！裼卸練怏w，對肺功能有影響，工作場所規(guī)定的最大允許濃度為0.1mg/L?！窬哂懈g性。除金和鉑以外，臭氧化空氣對所有的金屬材料都有腐蝕，一般采用不銹鋼材料對非金屬材料也有強烈的腐蝕作用，不能用普通橡膠作密封材料。29臭氧技術的應用

1.臭氧預氧化

a除藻（破壞細胞成分）除味(二價鐵、錳的氧化,S2-，對含飽和鍵有機物效果差，)b控制氯消毒副產物

c氧化助凝(破壞有機物對膠體的保護作用，使之脫穩(wěn))2.臭氧中間氧化臭氧—生物活性炭工藝

3.臭氧消毒30三、高級氧化一般地，將涉及到羥基自由基的氧化過程稱為高級氧化流程；廣義地，也包括一些反應機理不確定但羥基自由基可能起重要作用的新型氧化過程。

羥基自由基氧化還原電位：2.80V。

H2O2/UV,H2O2/O3/UV，

Fenton試劑法（H2O2/Fe2+）317.6還原法一、無機物的還原處理還原劑金屬：鐵粉、鋅粉應用：處理含汞、含鉻和含銅廢水。如：

Fe+Hg2+→Fe2++Hg

鐵屑還原效果與廢水pH有關，當pH