城市污水消毒技术研究进展

2016年8月城市污水消毒技术研究进展43城市污水消毒技术研究进展叶强1程永辉2余巍伟2(1.江西洪城水业股份有限公司，江西南昌330025;2.南昌大学科学技术学院，江西南昌330029)摘要:污水再生利用是解决我国目前水资源紧缺的重要途径，而消毒是保证污水回收利用安全的技术关键。综述了国内外液氯、二氧化氯、臭氧、紫外线等污水回收利用杀菌消毒技术的作用机理、技术特点以及研究和应用现状，在此基础上提出了进一步探索适合污水消毒技术的建议，为污水消毒技术的研究和应用提供一定的参考。关键词:污水回收利用消毒技术1引言随着社会经济发展和水体污染的加剧，人类对于水环境质量要求日益增高，污水再生利用和污水处理后出水的安全问题引起人们的广泛关注。当前城市污水经过二级处理后，水质已经有了明显的改观，但细菌的绝对数量仍然存在，并伴有病原菌的可能，除掉这些微生物是污水排放和再利用的重点关键，因此污水处理厂的尾水消毒已经成为污水处理中的重要工序，而相对应的消毒方式也成为了决定最后消毒效果的决定因素。2污水消毒技术发展趋势液氯长期以来作为一种成熟的消毒剂应用已有百年历史，液氯的消毒效果是得到人们所公认的，同时，液氯消毒所产生的危害也越来越被人们所认识[1]。随着对氯消毒产生的副产物的分析研究，发现氯与水中某些有机物如腐植酸、富里酸等反应，会产生大量的卤代烷和氯化有机物，使得处理后的污水中各类氯化有机物有不同程度的提高，易造成二次污染[1’2]。因此，臭氧、紫外线和二氧化氯这三种消毒技术被认为是替代氯的较佳消毒技术。长期以来，人们对这三种消毒方法进行了大量的应用研究。二氧化氯具有快速杀菌能力，且杀菌持效时间长，更为重要的是二氧化氯不是通过氯化作用进行杀菌，因此不会产生诸如三氯甲烷之类的致癌物[1]。在许多发达国家，C102在饮用水中的应用已很普遍。近年来，北美已有1〇〇〇家左右的自来水厂使用C102，在欧洲使用C102则更为流行。从20世纪90年代开始，二氧化氯在我国一些中、小型水厂中开始应用。通过水世界网发起的一个调查结果表明，使用C102消毒的城市数量仅次于液氯消毒。在国内，虽然二氧化氯的研制开发与应用起步较晚，但发展很快，近几年二氧化氯已成为取代液氯消毒杀菌、灭藻和漂白的“新星”，目前C102的开发和应用在我国也正成方兴未艾之势。同时二氧化氯在生活污水、工业废水、工业循环水和医院污水中的应用也越来越普遍。无色、有轻微臭气味的臭氧是一种强氧化剂，有非常强的消毒和杀菌功效，消毒产生的副产物少，被称为“绿色消毒剂”，已被广泛应用在饮用水、游泳池等中进行消毒。如北京九水厂、上海周家渡水厂、昆明五水厂以及常州、大庆、深圳等地的水厂。同时，在我国一千多家矿泉水、纯净水水厂中，其中约60%以上均采用臭氧消毒[3]。由于臭氧的制备能耗较大、处理成本较高、且缺乏持续杀菌能力，近几年对于臭氧的消毒应用研究相对较少[4]。在国内，臭氧工艺在市政污水处理领域尚处于起步阶段，还缺乏足够的工程实践经验，其中无锡城北污水处理厂臭氧处理技术的实施可作为一个试点工程。物理消毒技术中紫外线消毒不会产生消毒副产物，且具有广谱杀菌能力和无二次污染。经过20多年的发展，紫外线消毒技术已经成为成熟、可靠、高效、环保的消毒技术[5]。北美的加拿大、美国和澳洲等许多国家已在90年代分别修改了环境立法，在废水处理后的消毒，以及饮用水的消毒，推荐采用紫外线消毒技术[6]。我国对紫外线消毒技术了解的较晚，在污水处理消毒中的应用也较少，但从2000年后，随着我国对污水消毒的日趋重视和运行管理经验的不断积累，紫外线消毒技术得到了推广和应用，可能成为取代传统氯消毒技术的主流消毒方法。据统计目前新建的污水处理厂大约有60%~70%都是采用紫外线进行消毒。从国内外污水厂普遍采用的消毒技术可以发现，氯消毒在相当长的一段时间里仍然为主流消毒技术，尤其是在国内。但随着紫外线和二氧化氯等消毒技术应用和研究的成熟，污水消毒采用紫外线和二氧化氯也成为一种趋势。除了这些常规的消毒技术外，一些环境友好型的组合工艺和新型消毒工艺的研究也越来越多。有理由相信这些新型消毒工艺在不久将会在实际44江西化工2016年第4期生产中应用。总体来说，污水消毒技术将会从简单、单纯的化学消毒转向环境友好型的组合及新型的消毒技术。3污水消毒原水水质特点“污水消毒原水”指的是在经过消毒设备前已经过特定工艺处理过且达到一定水质要求的水。同饮用水相比，污水消毒原水的水质有以下特点[7]:(1)不同污水厂和同一污水厂不同时间段的消毒原水水质差异很大；(2)污水厂进出水病原微生物种类繁多，数量大，同时含有多种病原微生物（寄生虫、病原菌、病毒等），另外如隐孢子虫等致病性原生动物很难被杀死；(3)消毒原水中的悬浮物(SS)浓度较高，且变化幅度大,悬浮物(SS)会影响消毒剂的消毒效果；(4)污水消毒原水的BOD和COD浓度同饮用水相比很高，且污水消毒原水有机污染物的种类复杂；(5)氨氮等还原性无机污染物浓度高、变化大；(6)溶解性总固体的浓度高、成分复杂[7]。由于污水消毒原水有着这样的特点，所以各种消毒技术在不同地区和不同水质条件下，所需要的消毒剂量和投加量差异较大。因此在选择采用哪种消毒技术时,应根据自身的出水水质情况，进行合理的选择。4常规污水消毒技术消毒方法大体上可分为物理方法和化学方法。物理方法主要是利用加热、冷冻、辐照等方法对微生物的遗传物质核酸的破坏而达到消毒的目的，在工程中主要有紫外线消毒法等;化学方法是利用消毒剂的强氧化性来破坏微生物的结构而达到消毒的目的，在工程中常用的化学消毒方法有氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒等。4.1氯消毒氯消毒是国内外最主要的消毒技术，也是最早采用的消毒技术，由于其杀菌能力强，价格低廉，消毒可靠，是目前应用最广泛的消毒方式。其消毒机理是利用氯溶解于水生成次氯酸和盐酸，次氯酸扩散到细菌表面并穿过细胞壁到达细胞内部，在内部利用氯原子的氧化作用破坏细菌的酶系统使其死亡[8]。而氯对病毒的作用，主要是对核酸破坏的致死性作用。向水中加人液氯或次氯酸盐溶液消毒时，在水中发生的反应如下：ci2+h2o=hoci+h++crocr+h2o=hoci+oh_H0C1、0C1-之和称作有效自由氯，其中以HOCl消毒效果最好。排人水体时，氯会和水中的氨氮、有机氮反应生成消毒效果较差的无机氯胺和氯胺，称作化合氯。总余氯是指有效自由氯和有效化合氯之和。加氯消毒是目前城市污水最为经济有效和应用最广泛的消毒工艺。通常生活污水二级出水采用氯消毒时的投药量为5m^L~20m^L，反应接触时间一般为30~60分钟，氯消毒常用的是液氯法和次氯酸法，其中以液氯法最为普遍。调查表明，北美洲的20000座城市污水处理厂中有接近60%是采用液氯消毒[9]，而在国内,广州猎德污水厂尾水在采用液氯消毒法进行杀菌的情况下，保证了充分的接触时间和液氯投加量，最终尾水中的大肠菌群数和粪大肠菌群数都比较稳定，能够达到污水厂排放标准中的一级标准[1°]，这也充分说明了这种消毒方式的效果可靠。国内关于氯消毒的相关研究主要集中在不同水质对消毒效果的影响和消毒后水质的变化情况。同时研究了氯消毒后一些常规的副产物生成情况，也从急性毒性和遗传毒性分析了副产物和剩余消毒剂的危害。在余氯的排放问题上没有明确的规定。氯消毒作为一种技术成熟、效果可靠的消毒方式被人们所接受，但是在实际运用中它的一些弊端还是显现出来:易产生‘三致’物质，存在二次污染，对病毒芽孢杀除效果较差等。尤其是‘三致’物质的生成，这些都成为人们讨论和关注的热点。4.2二氧化氯消毒二氧化氯是国际公认的含氯消毒剂中唯一的高效消毒剂，大量研究表明，二氧化氯能够有效杀灭细菌繁殖体、细菌芽孢、真菌、病毒、原生动物、藻类和浮游生物等有害微生物,并在实际应用中表现出了比氯更为理想的效果。同时，二氧化氯可以去除还原性无机物和部分致色、致臭和致突变的有机物。对其杀菌消毒机理可描述为:二氧化氯对细胞壁有较强的穿透能力，可有效的氧化细胞内的酶，还可以通过快速的抑制微生物蛋白质的合成最终达到破坏微生物的目的[11]。关于二氧化氯的应用和研究主要集中在给水方面，在污水消毒中的应用研究相对较少。研究的重点主要在其消毒的效果及影响因素等方面。同时使用二氧化氯产生的副产物的研究也越来越多。主要是考察〇02_和CIO厂的毒性危害这方面的研究，结果表明二氧化氯消毒后的毒性是很小的，不会产生明显的负面效应。事实表明，二氧化氯作为强氧化剂，可将水中的少量S2_、S032_、Sn022_等还原性酸性根氧化除去，也可将Fe2+、Mn2+、Ni2+等金属离子及它们与酚类、CN_形成的络合物除去。因此，二氧化氯可广泛用于含氯、酚、硫、有机物、金属离子等工业废水处理以及医院、生活污水杀菌消毒和生活污水的净化处理等[12]。黄君礼等[13]对国内大庆东风水厂采用二氧化氯消毒后，进行水中有机富集物的分析实验，经过分析后得出水中未显示出致突变性，出水效果达标。与液氯相同，二氧化氯消毒也存在一些制约条件。因为它极不稳定，运输中很容易发生爆炸事故,故不能2016年8月城市污水消毒技术研究进展45长距离运输，只有依靠现场制备;国内较为常见的现场制备方法是厂家采用稀盐酸进行定量控制滴加氯酸钾的方法生成二氧化氯，由于需要使用氯酸钾或者是氯酸钠，所以运行成本很高;而且通常二氧化氯的利用率不高，仅有20%的二氧化氯在消毒过程中被利用等等，所以目前仅适用于较小规模的污水处理厂。4.3臭氧消毒臭氧是氧的同素异形体，具有很大的氧化能力，能氧化大部分有机物。研究表明，臭氧是通过物理化学生物等多个方面综合作用来杀灭细菌和病毒的。其消毒机理可以阐述为[14]:利用臭氧分解时放出的新生态表1杀灭不同捐氧，通过氧的强氧化能力，氧化分解细菌内部的葡萄糖氧化酶，也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏其细胞器，分解DNA、RNA等大分子聚合物，使细菌的物质代谢和繁殖过程遭到破坏。因此，臭氧所具有的强氧化性和易于通过微生物细胞膜的性能，使其具有强大的杀藻和灭菌能力，能杀死水中细菌、大肠杆菌、隐孢子虫、病毒等。通常对于杀毒剂的效果可以采用CT值来衡量，其值越低，表示消毒效果越好[15]。表1给出了4种常用消毒剂杀灭不同微生物时的CT值，浓度单位为m^L，时间单位为min,杀灭率为99%。匆消毒剂的CT值微生物i毒剂种类自由氯氯胺二氧化氯臭氧大肠杆菌0.9-2.7113(pH=9)0.480.006-0.02(1〇脊髓灰质炎病毒1420(pH=9)0.2〜6.70.2甲肝病毒1.85921.7兰伯氏甲第虫胞囊83~1700.53尖刺甲第虫包囊150〜10121000(15C)10.71.94由表可知，臭氧的CT值远远小于氯。因此，臭氧杀灭病原体所需要的时间更短，效率更高而且不产生有毒有害的副产物。同时通过北京田村山水厂、昆明五水厂的实际应用[16],我们可以发现臭氧具有：①现场发生、反应速度快；②消毒后分解迅速，消除对微生物的毒效、使水的溶解氧增加；③无毒等优点。但是在制取臭氧的过程中，效率较低，必须要现场制备，所以投资成本高;且臭氧无持续消毒能力[17],这些都是臭氧消毒技术在市场应用时必须要面对和完善的问题。4.4紫外线消毒紫外线是一种频率高于可见光的电磁波，按其波长可以分为四个波段：A波段（UV-A400~320ran)；B波段（UV-B320-275ran)；C波段（UV-C275~200nm)；D波段(UV-D200~100ran)o其中低于200mn的远紫外线区域称为真空紫外线，极易被水吸收，因此不能用于消毒。用于消毒的紫外线是UV-C区[8]，即波长为200~275nm的区域，特别是波长254nm附近。紫外线消毒室利用紫外光发生装置，产生强紫外C光照射水、空气、物体表面，当水、空气、物体表面的各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其它病原体收到一定剂量的紫外C光辐射后，其细胞中的DNA结构受到破坏，达到消毒和净化的目的。由于传统氯消毒会产生副产物,20世纪70年代，氯气和氯的衍生物消毒的副作用越来越