污水处理厂过氧乙酸消毒特性及应用进展.pdf

第 卷第 期 年 月能 源 环 境 保 护 ，陈家斌，同济大学环境科学与工程学院教授，博士生导师。国家优秀青年基金获得者，入选上海市青年科技启明星计划。围绕污水深度处理与水质安全保障技术原理和方法展开系统研究，在新污染物、病原微生物等污染控制方向取得多项创新性成果。作为负责人主持国家自然科学基金、国 家 重 点 研 发 计 划 课 题、上 海 市 科 技 计 划 项 目 等 项 目 余 项。在 等期刊发表 论文 余篇；出版著作 部；授权发明专利 项，并获 年上海市技术发明一等奖，年上海市科技进步一等奖。先后担任能源环境保护 等期刊青年编委。移动扫码阅读陈家斌，姚广磊，纪睿成，等 污水处理厂过氧乙酸消毒特性及应用进展 能源环境保护，（）：，（）：收稿日期：；责任编辑：金丽丽 ：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：陈家斌（），男，江西赣州人，教授，主要研究方向为污水处理与资源化。：污水处理厂过氧乙酸消毒特性及应用进展陈家斌，姚广磊，纪睿成，张龙龙，张亚雷，周雪飞（同济大学 环境科学与工程学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海）摘要：消毒是污水处理的必要环节，氯是常用化学消毒剂，但消毒过程会产生有害副产物，对人类健康和生态环境造成威胁。过氧乙酸（）是具有氧化性的有机过氧酸，是替代氯的新型绿色消毒剂。本综述系统介绍了 消毒剂的结构特征、消毒特性、副产物生成特性以及生物毒性。随后介绍了 在污水处理过程中的消毒效果，探讨了 和 耦合工艺在污水消毒中的增效作用，分析了 消毒过程中的综合影响因素。进一步总结了 在污水消毒领域的具体应用，并介绍了北美、欧洲国家相关典型工程应用案例，以及我国污水处理厂中试研究进展。最后，对 在未来污水处理消毒领域的发展方向进行了展望，提出了改进和优化 消毒技术的策略和方向，以促进 绿色消毒技术在我国污水处理厂的推广应用。关键词：过氧乙酸；消毒；病原微生物；污水处理中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，（），陈家斌等 污水处理厂过氧乙酸消毒特性及应用进展 ，：；引 言消毒是保障饮用水和再生水安全的关键环节。目前，氯消毒和紫外（）消毒是广泛应用的消毒技术。氯消毒作为一种常用的污水消毒方法，在再生水的生物风险控制方面效果显著，能有效杀灭病原微生物；然而，氯消毒的一个主要缺点是 在 消 毒 过 程 中 会 产 生 有 害 消 毒 副 产 物（），对人体健康和环境造成潜在风险，引起了人们广泛关注。相比之下，消毒技术作为一种物理消毒方法，具有操作简便、安全可靠等优点；可以通过破坏病原微生物的遗传物质来达到消毒效果；然而，消毒无法有效阻止病原微生物再次繁殖，导致光复活现象发生。因此，如何控制有害消毒副产物的生成并防止病原微生物再生，已成为消毒过程中亟待解决的难题；迫切需要研发绿色高效的新型消毒技术，在高效杀菌的同时最大限度地减少或消除有害副产物的产生，从而确保水质安全。过氧乙酸（）作为一种备受关注的新型消毒剂，在消毒过程中产生的有害副产物较少，被国际水协认为是最具潜力的消毒剂之一。具有氧化性，能够有效破坏细菌的细胞壁、细胞膜以及其他细胞结构，损伤病毒蛋白质外壳和核酸，从而实现高效的灭活作用。消毒剂在医疗、卫生、工业等领域应用广泛；近年来，也逐渐应用于水处理领域，在污水处理中发挥着重要作用。本综述对 化学结构、消毒特性、有害 产生特性、生物毒性进行了系统的介绍；阐述了 及其耦合工艺在污水处理过程中的消毒效果及其影响因素；介绍了国内外 污水消毒的相关典型工程应用案例；最后对 在未来污水处理消毒领域的发展方向进行了展望，为推动 消毒技术在我国的应用提供参考。消毒剂的特性 化学结构特性 分子结构如图 所示，从重叠构象到交替构象的能量差小，且在室温下自由旋转。在二面体 构象中，分子内氢键形成的 构象最稳定，羟基的氢（）与羰基的氧（）旋转角接近，表明分子内氢键的弱酸性行为。的弱酸性在氧化和消毒过程中具有重要作用，避免了后续调节 的需求。此外，具有氧化性（），能直接氧化部分有机物。的最低空分子轨道能（）低于（），且 的过氧键（）不对称，其键能（）远低于（）。因此，更容易发生断裂，产生羟基自由基（）和过氧乙酰自由基（）等多种活性物质。具有强氧化性，能引发蛋白质的氧化反应和核酸断裂，阻止微生物的生理过程和复制能力。则能与微生物细胞内的生物大分子结合，干扰其正常代谢活动，并破坏细胞结构。因此，通过产生这些活性物质，显著增强其对病原微生物的消杀效果，确保消毒过程的高效性和可靠性。图 过氧乙酸的结构 消毒特性 能够氧化破坏生物大分子，导致病原微生物失去活性。与蛋白质的还原性基团或双键发生反应，导致蛋白质的结构改变、酶活性丧失以及蛋白质聚集，从而阻断病原微生物的重要代谢途径和功能。此外，能够破坏细胞膜的磷脂双分子层，使其丧失选择透过性功能。细胞膜的破坏会导致细胞内外物质的不平衡，干扰细胞内部的正常代谢和离子平衡，最终导致病原微生能 源 环 境 保 护第 卷第 期物死亡。还可以通过扩散作用进入病原微生物内部，进一步氧化破坏、等遗传物质，从而阻止其正常的生长和繁殖。对大多数病原微生物具有优异的消毒效果（见表），尤其在对诺如病毒的灭活上，的效果优于传统消毒剂，即使在低浓度下，仍有较好消毒性能。表 对病原微生物的作用效果 病毒种类 浓度（）作用时间处理效果参考文献大肠杆菌 灭活粪大肠菌 灭活鱼虱属虫 灭活大肠杆菌 灭活大肠杆菌 灭活肠球菌 灭活人诺如病毒 灭活鼠诺如病毒 灭活脊髓灰质炎病毒 灭活仙台病毒 灭活 消毒副产物生成特性含氯消毒剂已在污水处理中得到了广泛应用，但其消毒过程中会产生大量有害。这些 主要包括三卤甲烷、三卤乙烷、卤酸、卤醇和酚等物质，具有潜在的毒性和致癌风险。相比之下，消毒后的产物是羧酸类物质，不具有致癌风险，但是羧酸类物质会导致出水中有机碳浓度升高。此外，消毒可能会产生一些低分子量的醛和酮，此类化合物主要是氨基酸、酚类和其他芳香物质的氧化产物。其中醛类化合物也可以进一步被 氧化为相应的羧酸，最终可能完全氧化为二氧化碳。与卤素离子反应会形成次生氧化剂（，），二级速率常数分别为（）、（）。然而，组分中的 可以将次氯酸或次溴酸还原为氯或溴，导致次卤酸的稳态浓度较低，溴代（氯代）的形成受到限制。因此，这些特性使得 在污水处理中成为一种相对安全的消毒剂。生物毒性长时间接触含氯消毒剂可能会对人体造成一定的伤害，而使用 消毒剂相对安全。消毒剂的使用可以减少人体长期接触有害化学物质的风险，为工作环境和公共场所消毒提供更安全的选择。消毒（浓度为 ，接触时间为 ）对废水的遗传毒性未产生明显影响。同时，经过 消毒的地表水中鲤鱼未观察到 损伤。在对大鼠的急性和亚急性毒性进行研究时，发现 未引发异常现象。此外，的脂水分配系数（）为，而 为，均远低于，表明 不具有生物积累潜力，对水生态系统中捕食者的次生风险低。在对较为敏感的淡水循环水养殖系统进行研究时，发现 对大西洋鲑鱼的生长没有明显影响，表明 对水生环境的潜在影响相对较小。在适当的使用浓度下，消毒剂不会对水生生物的生长和生态系统的稳定性产生不利影响。可见，相比于含氯消毒剂，消毒剂具有生物风险和化学风险低等特点。这些优越的特征使得 消毒剂在安全性方面表现出明显的优势，不仅能够有效杀灭病原微生物，还能够减少有害副产物的生成，降低潜在的环境和健康风险。污水处理 消毒根据 污水消毒相关关键词的共现网络图（图），在污水消毒及其相关领域得到了广泛研究。作为一种常用的污水消毒剂，其研究领域涵盖了很多方面，研究者们对 在水处理中的应用进行了深入研究，以验证其在污水消毒方面的潜力。共现网络图的分析表明，与 相关的关键词之间的连接，这进一步证明了 在这一领域的研究价值。在污水消毒中与其他消毒剂相比效率较高，只需较少的剂量就能够达到理想的消毒效果。相比之下，其他消毒剂可能会产生更多的有害物质，对环境和人体健康造成潜在风险。另外，陈家斌等 污水处理厂过氧乙酸消毒特性及应用进展在与其他技术耦合后，充分利用了不同技术的优势，以提高污水消毒的综合效果。例如与紫外线消毒或电化学消毒等技术相耦合，可以在污水处理过程中发挥更大的作用，从而更有效地消除污水中的有害微生物和污染物，使得 在提高水质安全方面发挥着重要作用。图 在污水消毒过程中相关关键词共现网络图 消毒污水通常含有多种病原微生物，对人类和生态系统构成潜在的威胁，消毒被认为是处理这些病原微生物的可行方法。然而，在初级废水处理过程中，通常存在大量的有机物和悬浮物，会影响 的消毒效果。当 投加量和接触时间分别在 和 时，可以使肠道细菌减少 。如果在废水处理过程开始时投加，必须考虑其对生物处理的影响，高剂量消毒剂可能对生物过程的功能构成潜在风险。废水经生物二级处理后，有机物和悬浮物减少，可以有效提高 的消毒效率。废水通过砂滤、气浮或混凝絮凝等三级处理后，出水中有机物较低，出水的消毒效果更好。因此，在整个废水处理过程中，需要综合考虑 的投加点和剂量，以及各个处理阶段的特点，以确保达到理想的消毒效果，同时降低对生物过程的负面影响。耦合消毒 溶液成分或其分解产物会导致有机物含量增加，从而可能引发处理后水中细菌再生。与单独 消毒相比，耦合处理对细菌和病毒的灭活效果显著提高，所需的 浓度更低，有效减小 消毒后溶解性有机物对水体的影响。在 耦合处理中，辐射能够引发 和蛋白质的损伤。此外，可以活化 产生具有强氧化性的活性自由基，能够高效破坏微生物的结构和功能（图）。与单独使用 消毒相比，耦合处理方法能够更加彻底地灭活水中的微生物，有效提高水质的安全性。此外，耦合处理方法具有操作简便、反应时间短等优点，在实际应用中易于实施。图 耦合 消毒过程示意图 对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌和表皮葡萄球菌等微生物展现出优异的消毒效果。对于黑曲霉和黄曲霉等真菌，处理的增效因子分别为 和，对真菌孢子的膜透化分别达到 和。通过观察细胞形态变化和胞内物质渗漏等细胞生物学指标，能 源 环 境 保 护第 卷第 期进一步证实 处理相较于单独使用 或 处理，在细胞结构的破坏程度上表现出更好的效果。显示出显著的微生物再生抑制作用，并且能够有效杀灭细菌、病毒和真菌。尽管 消毒效果显著，但仍需要深入研究其作用机制，并进一步优化处理条件，以提高其在实际污水处理中的效率和可靠性。消毒的影响因素 对污水的消毒效率受到消毒剂浓度、水质条件等多种因素的影响。浓度越高，细菌、病毒和其他微生物的杀灭效果越好。在污水处理过程中，通常选取适当的 剂量确保消毒剂在污水中的浓度达到有效杀菌水平。溶液中存在的 组分，可能会提升消毒效果。与 活化后生成活性氧自由基，增加了消毒剂的活性，进而提高了消毒效率。此外，污水的 也对 消毒效率起重要影响。一般而言，在中性到弱碱性 下，的消毒效果较好。在这个 范围内，能更稳定地存在并释放活性氧自由基，实现有效的杀菌作用。此外，水质的成分也会影响 消毒的效率。例如，污水中存在的某些水质组分（溶解性盐和重金属等），可能与 发生反应或阻碍活性氧自由基的生成，从而降低 的消毒效果。同时，水体中的有机物和氨氮等也可能对 消毒产生影响。部分有机物可能与 发生化学反应，降低其有效浓度，进而降低消毒效果。氨氮则可能与 互相竞争，减少 对微生物的作用。因此，在处理有机物或氨氮浓度较高的水体时，需要采取适当的预处理措施，如氧化、吸附或氯化，以减少这些化学物质对 消毒效果的干扰。消毒效果也可能受水温、搅拌等其他因素的影响。水温对 消毒效果有一定影响，通常情况下，较高的水温可以提高 的反应速率和溶解度，从而增加其消毒效果。然而，过高的水温可能导致 分解速度加快，从而降低消毒效率。因此，在选择合适的水温时需要综合考虑 的稳定性和消毒效果之间的平衡，以确保取得最佳的杀菌效果。同时，消毒效果与 和微生物的接触时间也有关。较长的接触时间可以增加 与微生物的接触机会，从而提高杀菌效果。在实际应用中，适当延长接触时间可以增强 消毒的效果，确保充分杀灭水体中的微生物。此外，水体的搅拌也会影响 消毒效果。良好的搅拌可以使 均匀分布于水体中，增加与微生物的接触机会，进而提高消毒效果。因此，在消毒过程中，适当的搅拌有助于提高 消毒效率。可见，消毒的效果受到多种因素的综合影响。通过合理调控这些因素可以提高 消毒的效率。此外，还有其他一些因素也可能对 消毒效果产生影响，例如水体中的悬浮物和沉淀物可能与 发生反应或阻碍其有效分布，从而降低消毒效果。因此对水中固体颗粒进行预处理或过滤，可以减少对 消毒效果的干扰。综合考虑这些因素，并根据具体情况进行调整，可以获得最佳的 消毒效果。实际应用中，监测消毒后水样中微生物的浓度，评估消毒剂的残留浓度，以及考察水体中潜在的微生物再生和复活情况，可以更好地判断 消毒的实际效果，及时发现潜在的问题，从而保障水处理过程中消毒效果。污水消毒技术的工程应用 北美洲污水处理厂在北美洲的部分污水处理厂，消毒技术已被推广应用（表），以取代传统的氯消毒技术。造成该转变的推动因素有几个方面，首先，消毒技术具有广谱杀菌作用，可有效控制病原微生物；对一些常见的对氯耐受的致病微生物也具有高效杀灭效果。第二，消毒过程中产生的有害副产物相对较少，这是替代传统氯消毒的另一个重要因素。消毒技术在北美地区已经广泛获得行业认可，并制定了相关的法规和标准，确保了 消毒技术的操作和应用规范性，并保证其在消毒过程中的安全性和有效性。这些法规和标准不仅规范了 消毒技术在污水消毒处理的使用条件和剂量控制，还对监测和评估其消毒效果提供了指导。第三，政府机构在 消毒技术的推广中发挥了重要的角色；通过支持和推动相关研究和开发，制定相应的政策和指导文件，以确保 消毒技术合理应用。欧洲污水处理厂近年来，消毒在欧洲引起了广泛的关注和认可。在欧洲地区，被认为是一种相对安全的消毒剂，并已纳入多个行业标准和指南中。欧洲对于消毒剂的使用法规和标准十分严格，而 在这些法规和标准中得到了明确的规定和指导。消毒技术在欧洲得到了相关机构的支持，其安全性和有效性得到了广泛认可。欧洲的陈家斌等 污水处理厂过氧乙酸消毒特性及应用进展行业标准和指南不仅规定了 消毒剂的使用方法和剂量，还对其在不同领域中的应用提供了详细的指导。由表 可知，在欧洲的污水处理厂中，被广泛用于污水消毒，以确保再生水的安全性。近年来，意大利等国家的一些大型污水处理厂工程应用实践表明，在消杀污水中的细菌和噬菌体方面展现出优异的性能。当 浓度为 时，可使污水处理后的出水达到意大利的排放标准。此外，相较于 等其他消毒剂，表现出更为出色的消毒性能。工程实践结果表明，作为一种有效的污水消毒剂，能够满足严格的排放标准，并有效去除病原微生物。表 国外不同污水处理厂 消毒效果 区域污水处理厂处理能力（）浓度（）接触时间 最佳消毒效果参考文献北美洲 城市污水处理厂 污水处理厂 灭活 污水处理厂 灭活欧洲 污水处理厂 灭活 市政污水处理厂 市政污水处理厂 灭活 污水处理厂 意大利北部某污水处理厂 污水处理厂 灭活 中国污水处理厂尽管我国没有 污水消毒的工程案例，但已有对城镇生活污水 消毒处理中试研究的报道。已有研究分析了不同投加浓度和反应时间下，对污水消毒效率、出水水质和消毒副产物的影响。当 浓度为 、接触时间为 时，可实现对污水中粪大肠杆菌 灭活率。同时，消 毒 过 程 对 出 水 水 质（、和）会造成一定程度的干扰，但出水水质仍达到 一级 排放标准。此外，与传统的 消毒过程相比，不会产生三卤甲烷（）和卤乙酸（）等消毒副产物。以上研究为我国城镇污水 消毒处理提供了可靠实证数据，为 消毒技术在我国的推广应用奠定了基础。在我国污水处理中推广应用还面临着一些挑战，如 消毒剂价格相对较高，使得其在实际应用中存在一定的限制。此外，处理系统的投资成本也相对较高，对于规模相对较小的污水处理厂而言，具备更好的经济竞争力。尽管 在我国的实际应用面临一些困难，但通过合理的技术改进、经济优化和政策支持等手段，消毒技术将在我国有着广泛的推广前景。结语与展望 作为一种新型消毒剂，由于其优异的氧化和消毒性能，在取代传统氯消毒剂方面被广泛研究。目前 污水消毒在国外已开展大规模应用，在我国已经开展了初步探索；随着研究的推进，在我国污水处理领域的应用前景将更加广阔，并将持续推动污水处理行业的可持续发展。基于 在污水消毒中的应用，提出了 消毒的未来发展方向：（）提高 稳定性：在污水处理中，的稳定性对其消毒效果至关重要。未来的研究可以集中于改进 的稳定性，延长其在水中的存在时间，从而提高其消毒效果和效率。（）降低 成本：寻找更经济、可持续的生产方法，以降低 的生产成本，有助于促进 的广泛应用，并使其在污水处理领域更具竞争力。（）耦合其他技术：将 与其他消毒技术相结合，如紫外辐照、臭氧氧化等，以进一步提高污水消毒效率。这种综合应用可以实现多重杀菌机制，提高应对不同类型污染物和微生物污染。（）推进自动化和智能化：应用自动化和智能化技术，开发 消毒系统的智能控制和监测装置。这些装置可以实时监测 浓度、和能 源 环 境 保 护第 卷第 期消毒效果，并进行精确的控制，提高消毒过程的稳定性和效率。（）拓宽 应用的领域：除了污水处理，未来还可以探索 在其他领域的应用，如 在医疗废物处理、农业灌溉水的消毒、环境清洁等方面的潜在应用。参考文献（）：，：，：，（）：，：？，（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，（），（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，：于海玲，李海帅，丁士翔，等 一种过氧乙酸与过氧化氢混合消毒液对细菌芽孢与病毒杀灭效果比较 中国消毒学杂志，（）：，（）：孙凤萍，胡建华，高骏，等 四种消毒剂对仙台病毒的灭活效果 中国消毒学杂志，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，陈家斌等 污水处理厂过氧乙酸消毒特性及应用进展 ，（）：，（）：杜宏举，马玲，郑珊，等 过氧乙酸消毒剂的毒性试验中国比较医学杂志，（）：，（）：，：，（），：，（），（）：，：，：，：，：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（），（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：徐垚，陈家斌，刘统才，等 过氧乙酸污水消毒的中试研究 工业水处理，（）：，（）：