基于臭氧的供水管网消毒技术中试研究：二次微生物风险削减与工艺优化

本研究针对供水管网二次微生物污染导致供水中断的难题，创新性地采用移动式臭氧冲洗消毒系统（F&DS），通过中试规模实验评估了臭氧在不同水质条件（pH、氯离子浓度、温度）和管网材质（老旧钢管与新型PE管）下的消毒效能。结果表明，臭氧可在数分钟内有效灭活大肠菌群和 Escherichia coli，将管网恢复时间从传统氯消毒的36小时缩短至数小时，显著提升供水安全性与应急响应能力。该研究为供水系统绿色消毒提供了重要技术支撑和数据依据。

　　

在21世纪水资源安全保障体系构建中，饮用水微生物安全始终是关乎公共健康的核心议题。尽管水处理技术不断进步，供水管网中的二次污染问题依然严峻——生物膜在管道内壁的滋生、脱落和扩散，导致大肠杆菌、结肠菌群等病原微生物再次进入水流，引发水质恶化甚至供水中断。传统氯消毒虽广泛应用，却存在接触时间长（需24-36小时）、产生有害副产物、干扰正常供水等局限。更棘手的是，老旧钢管中的腐蚀沉积物和新铺PE管的不同表面特性，都可能影响消毒剂的实际效果。在这一背景下，寻求更高效、环保且适应性强的消毒方式，成为供水领域亟待突破的技术瓶颈。

为此，波兰西里西亚工业大学的Izabela Zimoch、Maria W?odarczyk-Maku?a和Józef Natonek团队在《Desalination and Water Treatment》发表了一项中试研究，系统探讨了采用移动式臭氧冲洗消毒系统（Flushing and Disinfection System, F&DS）对供水管网进行快速消毒的可行性。研究不仅对比了不同管网材质下的消毒效率，还深入分析了关键水质参数（pH、Cl?浓度、温度）对臭氧消毒效果的影响，为臭氧技术在真实管网条件下的应用提供了重要数据支撑和理论依据。

为开展本研究，团队主要采用了以下关键技术方法：一是自主设计的移动式臭氧消毒系统（F&DS），该系统集成臭氧生成、水气混合、多级接触柱和管网接口模块，可现场制备高浓度臭氧水（最高2.0 mgO?/dm3）；二是构建了两套中试管网模型，分别为有25年沉积物的老旧钢管和新聚乙烯（PE）管，长度均为6米，直径100毫米，并在管壁设置多个采样点；三是通过人工接种大肠菌群和Escherichia coli制备高浓度微生物污染水体（＞2420 MPN/100mL），模拟管网二次污染场景；四是采用标准微生物检测方法（MPN法与IDEXX Quanti-Tray?）和臭氧浓度测定（靛蓝比色法）进行效果评估；五是应用消毒动力学模型（Chick-Watson方程）计算臭氧灭活效率及Ct值（浓度-时间积）。

研究结果通过多组对照实验系统展开：

3.1. Effect of pH

研究表明，pH显著影响臭氧消毒效率。在酸性条件（pH=6.5）下，臭氧对微生物的灭活速率更高，老旧钢管中大肠菌群的Ct??值仅为5.96 mg·min/L，而碱性条件（pH=9.5）下升至8.92 mg·min/L。PE管道中Escherichia coli在碱性环境下反而表现更佳，Ct??从14.33降至8.66 mg·min/L，说明臭氧在不同管网中的反应机制可能存在差异——酸性环境下分子态臭氧主导直接氧化，碱性环境下则自由基途径更为活跃。

3.2. Effect of chloride ions

氯离子浓度对消毒效果的影响复杂且依赖管网材质。当Cl?浓度从41.1 mg/L升至325 mg/L时，老旧钢管中臭氧对大肠菌群的灭活常数k?提高一倍（0.0657→0.1317 L/(mg·min)），因氯离子可促进次生氧化剂（如HOCl）生成；然而在PE管中，高氯离子对Escherichia coli的灭活产生抑制，Ct??从11.17升高至16.69 mg·min/L，反映了氯离子在无沉积物管道中可能与臭氧发生竞争性消耗。

3.3. Effect of temperature

温度升高通常可加速化学反应，但本研究显示，在老旧钢管中，温度从6.2°C上升至11.1°C反而导致臭氧效率下降，大肠菌群Ct??从5.95增至15.22 mg·min/L，原因在于沉积物在高温下加剧了臭氧消耗。而在PE管中，温度提升对Escherichia coli灭活有积极效果（Ct??从14.33降至11.17 mg·min/L），但对大肠菌群效果不显著，说明温度效应具菌种特异性。

综合以上结果，团队得出核心结论：臭氧消毒的效率高度依赖管网材质与水质条件。无沉积物的新PE管中臭氧消毒效果更优且更可预测，其大肠菌群灭活速率比老旧钢管高23%；而老旧管网因沉积物存在，需更高臭氧剂量且效率波动大。此外，水质参数如低pH、中高氯离子浓度及适度升温可提升消毒效果，但作用机制因微生物种类和管网环境而异。

在讨论环节，作者强调，本研究首次在真实管网条件下系统量化了臭氧消毒的动力学参数，证实移动式F&DS系统可在2-7小时内完成管网消毒，远低于传统氯消毒的36小时作业窗口。这不仅大幅缩短供水中断时间，降低应急供水成本，也避免了氯消毒带来的持久性副产物风险。然而，臭氧在高温、高碱或高氯水体中的表现复杂性提示：实际应用中需根据管网状态和水质特点定制消毒策略。例如，对于老旧管网，建议优先采用酸性强化臭氧处理；而对于新铺PE管网，则可利用碱性条件提升对特定病原体的灭活效率。

该研究的现实意义在于，它为供水企业提供了一种快速、可靠且环境友好的应急消毒技术选择，尤其适用于突发微生物污染事件的应急响应。未来研究可进一步探索臭氧与管网沉积物的相互作用机制，以及在不同水源类型（如高溴水体中溴酸盐控制）中的长期应用潜力。通过优化臭氧消毒工艺参数，有望在全球范围内推动饮用水安全保障技术从“氯依赖”向“绿色氧化”转型。