保障再生水的安全的相關消毒問題
1 與消毒相關的再生水安全因素 微生物 化學消毒劑 健康影響 細菌 如Legionella 和埃希氏大腸菌（Escherichia coli—） 自由氯，氯氨 二氧化氯，臭氧 腸胃疾病、;Legionnair疾病、致死 賈第蟲包囊 自由氯，二氧化氯，臭氧 腸胃疾病、致死 隱孢子蟲包囊 二氧化氯，臭氧 腸胃疾病、致死 病毒 自由氯，二氧化氯，臭氧 腸胃疾病、致死
1.1 衛生要求
再生水的水源水一般為生活污水或污水處理廠出水，因此直接或間接來自人體或動物排泄物污染不可避免的存在，尤其是糞便污染。如果污染源包括可傳播的腸道病原體，則引起這些疾病的病原體將可能存在水體中，當該水體作為飲用水，食品加工用水或用于其他接觸方式的用途時都有可能導致新的疾病感染。
引起疾病的病原體大致分為三大類：細菌、寄生蟲（原生動物和蠕蟲）及病毒。致病的影響程度變化很大，有的可能只是輕微的腸道疾病，嚴重的可能出現致命的痢疾、腹瀉、肝炎或傷寒。
十九世紀初美國出現許多人因感染傷寒而死亡，在1900年高峰期時，每十萬人中的死亡人數曾高達25人。至1908年，美國開始使用氯來消毒自來水，才得以供應衛生、安全的自來水，隨后加氯消毒方式逐漸被各國采用。除了加氯消毒技術外，其他消毒方法也得到了尋迅速發展，如二氧化氯、臭氧、UV等，但成本較高，而且在完成消毒過程之后，便會溶解消失，和氯消毒不同，在水中的余氯能減少自來水在輸送過程中受細菌污染的機會。表1列舉了消毒劑和所針對的微生物。
表1 消毒劑及其對應微生物
1.2 消毒劑和消毒副產物
與其他技術一樣，消毒過程也存在著一定的局限性，即由于消毒劑的氧化能力很強，無選擇性地與水體中所有可氧化地物質發生化學反應而形成消毒副產物，不僅可以起氧化反應，還可與水中天然存在的有機物起取代或加成反應而得到各種鹵代物。其中包括對人體健康具有極大危害的致癌物三鹵甲烷（THMs）和鹵代酸（HAAs）。表2 和表3列舉了主要消毒劑和形成的三種類別的消毒副產物對人體產生的健康影響。實際上，水體中產生的消毒副產物遠不止這些，列舉的是一些普遍存在，研究較多，有代表性的物質。
表2 消毒劑對人體健康影響
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消毒劑 |
對人體的影響 |
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一氯胺 |
無明顯副作用；某種鼠類試驗發現有單核白血病細胞；試管試驗發現有致突變性；體內試驗無遺傳毒性 |
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二和三氯胺 |
不明 |
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氯 (chlorine) |
無明顯副作用；次氯酸鹽為IARC Group 3 |
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碘 (iodine) |
碘是甲狀腺激素合成的必要元素；碘與碘鹽的作用有別，但不祥 |
表3 消毒副產物對人體健康影響
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消毒劑副產物 |
對人體的影響 |
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溴酸鹽 |
溴酸鹽主要產生于溴化物的氧化（如臭氧處理過程）；鼠類試驗引起腎腫瘤、間皮瘤；有致突變性；IARC Group 2B |
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氯酸鹽 |
二氧化氯或次氯酸鹽的分解產物；對其毒性的研究尚不充分 |
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亞氯酸鹽 |
影響紅血球、生成血紅脘（貓、猴試驗結果）；IARC Group 3 |
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2-一氯酚 |
不明 |
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2,4-二氯酚?? |
不明 |
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2,4,6-三氯酚?? |
鼠類試驗引起淋巴瘤和白血癥；Ames試驗陰性，但其他試驗顯示弱致突變性；IARC Group 2B |
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甲醛 |
主要產生于有機物的臭氧分解；鼠類吸入投用表明其致癌性；經口投用引起胃劇痛；IARC Group |
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3-氯-4-二氯甲基-5-羥基-2(5H) 呋喃酮 |
有變異毒性；體內試驗顯示很弱的遺傳毒性 |
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溴仿 |
高濃度引起肝、腎損傷；遺傳毒性研究結果多歧；IARC Group 3 |
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二溴一氯甲烷 |
高濃度引起肝、腎損傷；遺傳毒性研究結果多歧；IARC Group 3 |
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一溴二氯甲烷 |
高濃度引起肝、腎損傷；遺傳毒性研究結果陰性、陽性皆有；IARC Group 2B |
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氯仿 |
影響腎、肝和淋巴腺；IARC Group 2B；鼠類試驗引起肝細胞、腎管腫瘤；遺傳毒性研究結果陰性、陽性皆有 |
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一氯乙酸 |
有限的試驗數據未顯示其致癌性 |
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二氯乙酸 |
動物試驗發生神經疾病、體重減輕、睪丸損傷及腦部病變；有肝腫瘤發生 |
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三氯乙酸 |
引起過氧化體増多、肝重増加；影響染色體；未發現遺傳毒性 |
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水和三氯乙醛 |
影響肝臟；試管試驗有致突變性；干擾染色體分離 |
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氯丙酮 |
影響肝臟（1,1-二氯酮） |
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氯化氰 |
同氰化物 |
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三氯硝基甲烷 |
動物試驗導致壽命降低和體重減輕；有致突變性 |
2 消毒效果分析
消毒的主要目的是利用物理或化學方法殺滅污水中的病原體微生物，防止對人類及畜禽的健康產生危害或對生態環境造成污染。消毒方法大體可分為物理法和化學法兩類。物理法是利用熱、光波、電子流等來實現消毒作用的方法。化學法主要通過向水中投加化學消毒劑以實現消毒目的。常用的化學消毒劑有氯及其化合物、各種鹵素、臭氧、重金屬離子等。
在消毒過程中，CT值是一個重要的控制參數。微生物的滅活率取決于消毒劑的濃度與水和消毒劑的接觸時間的乘積CT值，各種消毒劑滅活不同的微生物所需的CT值相差懸殊，見表4。
表4 各種消毒劑滅活不同的微生物所需的CT值
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微生物 |
自由氯pH6－7 |
氯氨pH8－9 |
二氧化氯pH6－7 |
臭氧pH6－7 |
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埃希氏大腸菌 |
0.34－0.05 |
95－180 |
0.4－0.75 |
0.02 |
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脊髓灰質炎病毒 |
1.1－2.5 |
768－3740 |
0.2－6.7 |
0.1－0.2 |
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螺旋病毒 |
0.01－0.05 |
3806－6476 |
0.2－2.1 |
0.006－0.06 |
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賈第蟲 |
47－150 |
2200 |
26 |
0.05－0.6 |
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隱孢子蟲 |
7200 |
7200 |
78 |
5－10 |
3 保障再生水衛生安全的控制措施
3.1 指示生物選擇
指示生物的選擇應能最好的反應水體受糞便污染的情況，因此一般指示菌的選擇滿足以下條件：在糞便中大量存在，且不存在或少量存在于其他來源；不應在水體中繁殖，在水中比病原體存活時間長；更能抵抗環境的變化，對氯等消毒劑的抵抗力比病原體強；容易監測，易于分離、鑒定和計數，而且在水處理過程的去除程度與其他病原體類似。
目前再生水首選的指示生物是總大腸桿菌或糞便大腸桿菌。大腸菌被作為指示微生物是因為在暖血動物糞便中可以容易和明顯的檢測出來，它與糞便污染有相應的關系，而且與許多病原菌一樣，隨環境條件和處理工藝的變化而變化。但是，只測定大腸桿菌本身不能充分說明存在病原病毒和原生動物或濃度。
具體選擇哪種大腸桿菌帶有一定的主觀性。微生物學家并不都認為總大腸桿菌分析優于糞便大腸桿菌分析，例如用大腸桿菌低到某種程度來表示病原菌的不存在就不合理。雖然人們已推薦使用其它指示生物，如腸球菌（Enterococci）和大腸埃希氏桿菌（E. coli），但由于種種原因，在現有的再用條例或準則里還沒有采納。
美國環保局在制定國家地表水體的水質準則過程中，曾對幾個不同地區的娛樂水體（淡水、海水）進行了流行病學調查和志愿人群跟蹤研究，結果見下表。
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指示菌 |
相關系數 |
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腸球菌 |
0.74 |
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埃希氏大腸菌 |
0.80 |
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糞大腸菌 |
0.08 |
在娛樂水體中出現這種情況，可能因為在娛樂水體中存在甚至不用從口進入而有可能致病的病原體，如肺炎桿菌（Klebsiella）和綠膿桿菌（Pseudomona saerugin）。因此，相對不同的接觸感染途徑，致病病原體種類也不同，我們推薦應根據不同用途設定不同的指示生物，特別是娛樂水體種類，可采用埃希氏菌作為指示菌。
3.2 監測要求
無論是制定還是執行再生水水質標準或指南，水質監測往往都是最突出的問題，可通過水質監測證實常規運行效果和所達到的預計目標。因此水質監測不僅要要確定選擇哪些水質監測參數，還要確定限制值、取樣頻率和監測點的位置，一般要選擇代表性替代參數來進行監測。
通過參考現有的大量資料和實驗室監測的可操作行，過濾和消毒等適當的污水處理措施可以除去病毒或者使病毒失去活性，使病毒濃度降到很低或不可測出的水平。因此對病毒目前沒有什么監測要求，主要是通過限制一定水平的處理工藝來保證病毒水平在要求的健康安全范圍內。
懸浮物質的去除與健康保護也有關系。人們已經發現很多病原菌都與顆粒物有關系，比如顆粒物可以保護細菌和病毒不受消毒劑的影響，而且有機物會消耗氯，減少了可用于消毒的消毒劑量。為了確保病原菌被殺滅或失活，消毒之前顆粒物的濃度應降低到一定程度，如2NTU或5mgTSS/L。
大多數參數的取樣頻率均為每天取瞬時樣或混合樣。連續監測濁度比每天測定懸浮固體更有助于判斷處理的效果。但單純的低濁度或低懸浮固體濃度并不能說明再生水中沒有微生物，濁度和懸浮固體不能指示水中有無微生物，只能說明污水在消毒前的水質情況。
一些觀點還認為應該對監測點位置進行規定，再生水在用水點處應該滿足所有的水質要求是基本的要求，所以監測位置一般應選在污水處理廠和再用點之間微生物可能再次繁殖的地方。
在再生水儲存和分配過程中可能水質惡化，這種惡化應與其它用水中的水質變差同等對待。在實際中可以通過維持一定的余氯以減少配水系統中粘泥的生長，有助于消除霉味，還能再提供一級消毒，從而增加了用水的安全性。
3.3 處理技術要求
從污水到達可使用的再生用途，其中最重要的措施就是采取可行的處理工藝，不僅削減了其中有害污染物和病原體，而且增加整個再生利用系統的可靠性。其中重點需要進行監控的參數指標是對水中懸浮物的去除，水中微粒物質如有機、無機和高等微生物能在消毒過程中保護細菌。
Sproul 等人用臭氧研究發現明礬和斑脫土在濁度為1-5對不同的有機體只提供很少的保護，然而糞便物質尤其是人類上皮細胞的確能起到保護作用。Scarpino等人采用二氧化氯研究發現溫度和濁度影響斑脫土吸附的脊髓灰質炎的失活，在25°C、濁度大于2.29 NTU 降低失活率。
氯容易和含有不飽和鏈的有機物質反應產生有味覺和氣味的化合物，因此有機物造成的濁度增加使消耗氯量增大，導致分配系統的殘留自由余氯的減少，可能造成再污染。例如在渥太華水廠加氯量的加大和濁度增加有很大關系。濁度對消毒的影響，研究表明固定消毒劑量下，濁度從1.0到10.0變化，消毒效率將下降80%。對于有機微粒，濁度從5.0下降到1.0時抗消毒物質減少50%。消毒劑用量和濁度、有機碳含量有很大的相關性，濁度從1.0上升到5.0，消毒劑需要量提高180%。
在水體濁度為4－84NTU，余氯為0.1－0.5g/L，最小接觸時間為30min時，檢測到水體中存在大腸菌群。渾濁水體的Escherichia coli即使余氯為0.35mg/L或更高時也能存活。
絮凝過程中原生動物、細菌和病毒和其他濁度源被絮狀物捕獲并通過過濾去除。但有時候絮狀物通過過濾床時破壞，那種突破同時伴隨著病毒穿透的提高，即使最終水的濁度保持在低于0.5 NTU 。過濾出水濁度的提高說明微生物通過的可能提高，即使出水濁度低于1.0 NTU。例如濁度提高0.2–0.3 NTU，就會出現賈第蟲胞囊濃度的提高。賓夕法尼亞環境保護部門1996年報告：濁度穿透和賈第蟲突破間存在關系，一個穩定的低濁度過濾，濁度提高0.1 NTU能導致胞囊10-50折的提高。在監測濁度和寄生蟲關系時發現濁度去除1 log，賈第蟲和隱孢子蟲去除0.89-log。
3.4 可靠性要求
在保證可靠性要求上，主要集中在兩個問題，處理工藝達到的目標和系統的總去除效果。例如99.9999%的時間達到10 log的病毒去除/滅活效果和簡單的要求處理單元病毒總去除率達到10 log是不同的。
處理工藝達到的目標可通過先設定去除率要求，確定各處理單元是否會滿足去除目標要求。如果不行，則應按所要達到的處理目標將各處理單元排列。如果任何一個處理單元都能夠達到這個要求，則設置兩個處理單元系列，增加總處理系統的可靠性。
將各單個處理單元的處理可靠性相加得出總處理系統的可靠性，但應注意到各個處理單元達到最佳處理效果的頻率是不同的。
假如要求50％的時間病毒去除率為2 log，則只要求半數時間內滿足2log（99%）或以上的去除效果即可，這就意味著去除率小于99％也是可以的。當工藝去除率小于2log（99%）時，為了保證一定去除效果，則應設立另一個控制措施（屏障），增加一套處理工序。如果假設第二級屏障也要求50%的時間病毒去除率為2個數量級，則兩者結合起來就是25%時間可達4 log，即4log（99.99%）（s1 s2）。然而，系統可能有75％的時間（s1 s2，s1 f2，f1 s2）是只能達到99%的去除效果的。因此最終結果是單個處理單元病毒去除率為2log（99%）的幾率為50%，總系統病毒去除率為2log（99%）的幾率為75%，總系統的可靠性增加了，雖然滿足總去除率為4log（99.99%）的幾率低于50%。
如果單元2的2log（99%）去除率的幾率為255，則不達標的幾率將為75%（單元1仍保持不變，99%去除率50%時間）。總系統達到99%的時間將為62.5%（s1 s2＋s1 f2＋f1 s2）。達4log （99.99%）的幾率降低到12.5%。總系統達99％的幾率大于各個獨立單元（可靠性提高了），但達不到99％的幾率也提高到了37.5%。
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