微生物控制是各类工业及市政水处理应用中至关重要的环节。不受控制的微生物生长会导致生物污垢、腐蚀、健康危害以及系统效率降低。杀菌剂是专门设计用于通过抑制或杀死微生物来减轻这些风险的化学化合物。
在实验室环境中，通常会对特定系统设定一个最大可容忍的微生物种群限值。当超过这些阈值时，或者为了预防阈值被突破，会使用杀菌剂来实现快速有效的种群削减，使微生物难以恢复。杀菌剂通常以“冲击式投加”的方式应用，以确保快速作用。
杀菌剂大致可分为两大类：氧化型杀菌剂和非氧化型杀菌剂。
氧化型杀菌剂
氧化型杀菌剂通过与微生物的细胞组分发生反应并破坏其结构，导致微生物失活或死亡。
氯
氯是全球范围内使用最广泛的工业杀菌剂，在饮用水消毒以及去除异味和臭味方面有着悠久的历史。氯的效力和投加量取决于以下几个因素：
- 需氯量： 与水中有机和无机物质反应所消耗的氯量。
- 接触时间： 氯与微生物接触的持续时间。
- pH 值和温度： 这些因素影响氯的形态和活性。
- 水量： 待处理水的总量。
- 曝气损失： 逸散到大气中的氯量。
当氯气 (Cl₂) 被引入水中时，它会迅速水解生成次氯酸 (HOCl) 和盐酸 (HCl)：
Cl₂ + H₂O → HOCl + HCl
次氯酸是主要的活性杀菌剂。它易于扩散穿过微生物细胞壁，并氧化细胞质内的关键组分，特别是破坏对微生物呼吸至关重要的三磷酸腺苷 (ATP) 的产生。这种干扰会导致严重的呼吸问题，并最终导致细胞死亡。
氯投加量的 pH 依赖性： 控制细菌生长所需的氯量高度依赖于 pH 值：
- 在 pH 值 8 至 9 的范围内，通常需要约 0.4 ppm (0.4 mg/L) 的氯。
- 在 pH 值 9 至 10 的范围内，通常需要约 0.8 ppm (0.8 mg/L) 的氯。
二氧化氯 (ClO₂)
二氧化氯是一种活性氧化型杀菌剂，由于其对环境和人类健康的影响通常低于氯，因此越来越受欢迎。与氯不同，它不会在水中水解生成次氯酸；相反，它以溶解的二氧化氯形式存在。这种化合物是一种反应性更强的杀菌剂，在较高 pH 值范围内尤其有效。
二氧化氯是一种爆炸性气体，因此必须现场制备。常见的生产方法涉及以下反应：
Cl₂ + 2 NaClO₂ → 2 NaCl + 2 ClO₂2 HCl + 3 NaOCl + NaClO₂ → 2 ClO₂ + 4 NaCl + H₂O
氯代异氰脲酸酯
这些是有机氯化合物，在水中水解后会释放出次氯酸和氰尿酸。氰尿酸起到稳定剂的作用，可减少因与紫外线发生光化学反应而导致的氯损失。这种对氯的保护通过确保更多次氯酸保持可用状态来增强整体的杀菌作用。
次氯酸盐
次氯酸盐化合物是源自次氯酸的盐类，通常以次氯酸钠 (NaOCl) 或次氯酸钙 (Ca(OCl)₂) 的形式应用。它们的作用方式与氯类似，都是向水中释放活性氯物质，但通常被认为效果稍差。
臭氧 (O₃)
臭氧是一种强氧化剂，天然不稳定，必须在使用前立即在反应器中生成。作为一种杀菌剂，臭氧会破坏 ATP 的产生，使微生物的细胞呼吸变得困难。在氧化过程中，细菌通常会因失去维持生命所需的细胞质而死亡。
臭氧分解成氧气和一个初生态氧原子，该原子具有高反应活性，是氧化过程的驱动力：
O₃ → O₂ + (O)
有效氧化所需的臭氧量受以下因素影响：
- pH 值： 影响臭氧的稳定性和反应活性。
- 温度： 较高温度会降低臭氧的稳定性。
- 有机物和溶剂： 这些物质会消耗臭氧。
- 累积的反应产物： 可能干扰臭氧的效力。
臭氧被认为比氯更环保，因为它不会向水系统中添加氯。它分解成氧气意味着排放后对水生生物无害。
通常，会向水系统中连续或间歇地投加 0.5 ppm (0.5 mg/L) 的臭氧。
非氧化型杀菌剂
非氧化型杀菌剂采用多种机制来控制微生物生长，而不依赖于氧化反应。它们通常在氧化型杀菌剂无效或不适用时使用。
丙烯醛
丙烯醛是一种非常有效的非氧化型杀菌剂，具有环境优势：在排放前可轻松用亚硫酸钠将其灭活，从而最大限度地减少对受纳水体的影响。它通过攻击和扭曲微生物细胞内的蛋白质基团和酶合成反应来发挥作用。
丙烯醛通常以气体形式投加到水系统中，在中性至微碱性水中的浓度为 0.1 至 0.2 ppm (0.1-0.2 mg/L)。然而，由于其极高的易燃性和毒性，其使用频率较低。
胺类
胺类是有效的表面活性剂，通过破坏微生物细胞膜来表现其杀菌特性。当与氯化酚类物质一起使用时，可以增强整体的杀菌效果。
氯化酚类
与氧化型杀菌剂不同，氯化酚类不直接影响微生物的呼吸作用。相反，它们通过不同的机制抑制生长。它们首先通过氢键吸附到微生物的细胞壁上。吸附后，它们扩散到细胞内，在那里使蛋白质沉淀，从而抑制微生物生长。
铜盐
铜盐在历史上曾被用作杀菌剂，但近年来由于对重金属污染的担忧，其应用受到限制。它们通常以 1 至 2 ppm (1-2 mg/L) 的量投加。
铜盐的重要注意事项：
- 不应将其用于在钢制水箱中处理的水，因为它们能诱导腐蚀。
- 它们对人体有毒，因此不应用于饮用水应用。
有机硫化合物
有机硫化合物通过抑制细胞生长来发挥杀菌剂的作用。存在多种此类化合物，每种在不同的 pH 值范围内有效。
它们的作用机理通常涉及干扰细胞内的能量传递。在许多细菌细胞中，能量通过铁的氧化还原反应（从 Fe³⁺ 到 Fe²⁺）传递。有机硫化合物通过与 Fe³⁺ 络合形成铁盐来去除 Fe³⁺，从而阻止这种能量传递，并导致细胞立即死亡。
季铵盐
季铵盐是表面活性化学品，其特征是一个氮原子被四个有机取代基包围，通常含有 8 到 25 个碳原子。
这些化合物通常在碱性 pH 值范围内对细菌最有效。由于带正电荷，它们会静电结合到细菌细胞壁上带负电荷的位点。这些键合会对细胞壁造成应力，导致细胞死亡。它们还会降低细胞壁的渗透性，破坏维持生命所需的化合物正常流入细胞。
季铵盐的使用可能受到其与水中存在的油类相互作用以及其引起起泡倾向的限制。
AquaChain 工程提示
在实施杀菌剂方案时，请务必定期进行微生物监测（例如，ATP 检测、浸片法），并考虑轮换使用不同类型的杀菌剂，以防止微生物产生耐药性并保持长期有效性。
常见问题解答
问：氧化型和非氧化型杀菌剂的主要区别是什么？ 答：氧化型杀菌剂通过直接氧化破坏微生物的细胞过程来杀死微生物，而非氧化型杀菌剂则通过蛋白质变性或细胞膜破坏等各种非氧化机制来抑制生长或杀死微生物。
问：为什么 pH 值在使用氯作为杀菌剂时很重要？ 答：pH 值显著影响氯的效力，因为它决定了水中最有效的杀菌形式——次氯酸 (HOCl) 的比例。较高的 pH 值会降低 HOCl 的浓度，因此需要更多的氯才能达到相同的消毒效果。
问：使用杀菌剂是否存在环境问题？ 答：是的，某些杀菌剂，如某些氯化物或重金属盐（例如铜），如果排放不当可能会对环境产生负面影响。在可行的情况下，通常更倾向于使用更环保的替代品，如臭氧或易降解的杀菌剂。
了解更多关于在冷却塔中管理微生物生长的信息。