再生水紫外線-氯聯(lián)合消毒工藝特性研究

龐宇辰,席勁瑛,胡洪營(yíng),*,吳乾元,盧 如,3,江 瑞 (.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 0008；.清華大學(xué)深圳研究生院,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東深圳 58055；3.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院北京分院,北京 00037；.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),北京 00083)

污水再生利用作為有效緩解我國(guó)水資源短缺的重要方式,具有廣闊的應(yīng)用前景.污水經(jīng)過必要的處理,達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)后,就成為能夠滿足回用要求的再生水.在污水再生和利用過程中,消毒作為殺滅水中有害微生物的必要措施,對(duì)于保障再生水利用的生物安全性至關(guān)重要[1].

紫外線消毒與氯消毒是再生水消毒過程中常用的消毒工藝[2-4].在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),紫外線消毒在水質(zhì)較差時(shí)存在消毒曲線拖尾現(xiàn)象[5],消毒后部分細(xì)菌易復(fù)活,對(duì)某些病毒滅活效率低.而氯消毒則存在易生成有害消毒副產(chǎn)物、對(duì)某些病原蟲滅活效率低等問題.有研究表明[6-8],紫外線-氯聯(lián)合消毒工藝,能夠結(jié)合紫外線消毒和氯消毒各自優(yōu)點(diǎn),從而發(fā)揮協(xié)同效應(yīng),提高對(duì)病原微生物的滅活效果.

本研究以二級(jí)處理出水作為消毒對(duì)象,比較了紫外線-氯聯(lián)合消毒和單一紫外線消毒對(duì)指示微生物的滅活效果,考察了紫外線-氯聯(lián)合消毒工藝的三鹵甲烷生成情況,為紫外線-氯聯(lián)合消毒工藝性能評(píng)價(jià)提供了依據(jù).

1 材料與方法

1.1 水樣

待消毒的水樣采集自北京市某污水處理廠二沉池出水,該污水廠采用A2O工藝.進(jìn)行消毒試驗(yàn)前,對(duì)水樣的紫外線透射率(UVT)、pH 值、NH3-N、TOC、濁度及色度等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定.消毒前水樣的主要指標(biāo)如表1所示.

表1 消毒前水樣的主要指標(biāo)Table 1 Basic property of tested wastewater before disinfection

由表 1可知,本研究所取的二沉池出水水質(zhì)較好,除糞大腸菌群數(shù)外,氨氮、濁度、pH等水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到了《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》[9](GB/T18921-2002)標(biāo)準(zhǔn).水樣中的總大腸菌群和糞大腸菌群平均值分別為4.8×103CFU/mL及 1.6×102CFU/mL,其中糞大腸菌群數(shù)超過了GB/T 18921-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的104CFU/L,經(jīng)消毒后可為景觀用水再生利用.

1.2 消毒系統(tǒng)構(gòu)建

本研究搭建的消毒系統(tǒng)如圖 1所示.二沉池出水經(jīng)泵提升進(jìn)入蓄水池,再經(jīng)泵的提升連續(xù)進(jìn)入紫外線消毒反應(yīng)器,經(jīng)紫外消毒后進(jìn)入氯消毒單元,實(shí)現(xiàn)聯(lián)合消毒.

紫外線反應(yīng)器(型號(hào) MP13A,美國(guó) Atlantic Ultraviolet公司)主要參數(shù)如下:反應(yīng)器長(zhǎng) 23cm,直徑 11cm,紫外燈套管直徑 2.1cm,反應(yīng)器體積1734mL.氯消毒單元采用間歇實(shí)驗(yàn)裝置,體積1000mL.

圖1 消毒系統(tǒng)示意Fig.1 Diagram of the disinfection system

1.3 消毒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 單一紫外線消毒實(shí)驗(yàn) 二沉池出水連續(xù)進(jìn)入紫外線反應(yīng)器接受輻照.通過調(diào)節(jié)進(jìn)水流量控制紫外線劑量,在0～80mJ/cm2劑量范圍考察單一紫外線消毒對(duì)總大腸菌群和糞大腸菌群的滅活情況.

1.3.2 紫外線-氯聯(lián)合消毒試驗(yàn) 氯消毒試驗(yàn)水樣取自紫外消毒系統(tǒng)出水.分別取 1000mL經(jīng)過20mJ/cm2及80mJ/cm2紫外線消毒后水樣置于預(yù)先滅菌的氯消毒裝置中,投加一定濃度 NaClO溶液進(jìn)行氯消毒試驗(yàn),使消毒體系中有效氯濃度范圍為 1～8mg Cl2/L.氯消毒接觸時(shí)間為 30min,采用 Na2S2O3溶液作為氯消毒終止劑.消毒后測(cè)定總大腸菌群數(shù)量及三鹵甲烷生成情況.

1.4 分析方法

水樣紫外線透過率采用日本島津公司UV-2401PC紫外可見分光光度儀檢測(cè);pH值采用瑞士Mettler Toledo公司SG78便攜式pH儀檢測(cè);NH3-N采用意大利Hanna公司HI 96175氨氮測(cè)試儀檢測(cè);TOC采用日本島津公司 TOC儀檢測(cè);濁度采用美國(guó) Orion公司的便攜式濁度檢測(cè)儀 AQ4500檢測(cè);色度檢測(cè)采用上海昕瑞公司的SD9012A色度儀檢測(cè).

總大腸菌群和糞大腸菌群均采用國(guó)標(biāo)方法

[10](GB/T5750.12-2006)規(guī)定的濾膜法測(cè)定.三鹵甲烷采用美國(guó)環(huán)保署(USEPA)推薦方法(EPA Method 501.3)測(cè)定,具體測(cè)定指標(biāo)包括三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷及三溴甲烷.

次氯酸鈉溶液濃度及水中余氯采用意大利Hanna公司的余氯測(cè)定儀(型號(hào)HI93711)測(cè)定.該測(cè)定儀的測(cè)試原理為水中余氯與N,N-二乙基對(duì)苯二胺反應(yīng)生成淡粉紅色物質(zhì),通過測(cè)定 515nm吸光度計(jì)算得到水中余氯濃度.當(dāng)添加碘化物催化時(shí),可使化合余氯與試劑反應(yīng),測(cè)得總余氯;無碘化物時(shí),測(cè)得自由余氯.總余氯減去自由余氯,得到化合余氯.

2 結(jié)果與討論

2.1 單一紫外線消毒工藝效果

圖 2(a)表明,水樣經(jīng) 80mJ/cm2紫外消毒后,出水中總大腸菌群數(shù)依然無法達(dá)到《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》[11](GB/T18920-2002)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(總大腸菌群＜3CFU/L),因此有必要聯(lián)合其他消毒措施.

圖 2(b)表明,紫外線對(duì)糞大腸菌群滅活率隨著劑量增大而提高.但是,當(dāng)紫外線劑量大于10mJ/cm2后,滅活曲線出現(xiàn)了明顯的拖尾現(xiàn)象,即雖然紫外線劑量提高很多,但是滅活率增加并不多.經(jīng)紫外線消毒處理后,糞大腸菌群對(duì)數(shù)滅活率最大約為4.0;總大腸菌群對(duì)數(shù)滅活率約為2.5.

研究表明[12],5mJ/cm2紫外線劑量即可使PBS緩沖液中的大腸桿菌(典型腸道細(xì)菌)達(dá)到約 4.0對(duì)數(shù)滅活率,顯著高于本研究在同一劑量下獲得的滅活率.這可能是由于實(shí)際污水中濁度的增加會(huì)導(dǎo)致有效紫外線輻照劑量的下降[13-14].拖尾現(xiàn)象是紫外線滅活中的常見現(xiàn)象,其可能的原因包括:細(xì)菌聚團(tuán)、部分細(xì)菌具有消毒抗性基因[15-16]、懸浮物裹藏細(xì)菌等.

圖2 單一紫外線消毒對(duì)總大腸菌群、糞大腸菌群的滅活效果Fig.2 Inactivation of total coliforms and fecal coliforms by UV irradiation

2.2 紫外線-氯聯(lián)合消毒工藝效果

圖 3(a)表明,經(jīng)過 20mJ/cm2紫外線輻照及8mg/L氯接觸30min后,水樣中可檢測(cè)到的總大腸菌群數(shù)達(dá)到 GB/T18920-2002的相關(guān)要求.當(dāng)紫外線消毒劑量為 80mJ/cm2時(shí),3mg/L氯接觸30min也可使出水中總大腸菌群數(shù)達(dá)到 GB/T18920-2002[11]要求.

圖 3(b)表明,20mJ/cm2紫外線輻照及 8mg/L氯接觸 30min,總大腸菌群的總對(duì)數(shù)滅活率達(dá)到7.0(其中20mJ/cm2紫外線消毒達(dá)到3.0,氯消毒達(dá)到4.0).

研究表明,8mJ/cm2紫外線消毒后接 1.5mg/L氯消毒可有效滅活大腸桿菌DH5α并使其7d內(nèi)無明顯復(fù)活[17].Wang等[18]的研究同樣證實(shí),紫外線后加氯消毒可有效解決高濁度污水紫外線消毒的拖尾現(xiàn)象,達(dá)到較大的微生物滅活率.可見,紫外線-氯聯(lián)合消毒工藝可以滿足對(duì)微生物滅活的更高要求,是保障出水生物安全的可靠選擇之一.

圖3 紫外線-氯聯(lián)合消毒對(duì)總大腸菌群的去除Fig.3 Inactivation of total coliforms by combination of UV irradiation and chlorination

2.3 余氯濃度

由圖4可知,氯投加量為1mg/L時(shí),無自由余氯存在.隨著氯投加量的增加,自由余氯、化合余氯和總余氯都顯著增加.此外,紫外線輻照劑量對(duì)聯(lián)合消毒后的余氯值影響不大.

氯消毒后水樣中余氯的持續(xù)存在,對(duì)抑制細(xì)菌的復(fù)活具有重要作用,也是保障再生水輸配、利用過程中生物安全的必要措施.圖 4的結(jié)果表明,1mg/L氯投加量可達(dá)到 GB/T18921-2002中規(guī)定消毒后余氯濃度≥0.05mg/L的要求;5mg/L氯投加量可達(dá)到GB/T 18920-2002中規(guī)定30min接觸消毒后余氯濃度≥1mg/L的要求.

圖4 紫外線-氯消毒聯(lián)合工藝后余氯濃度Fig.4 Residual chlorine after combination of UV irradiation and chlorination

2.4 三鹵甲烷生成情況

由圖5可知,隨著氯投加量增加,三鹵甲烷生成總量增加.當(dāng)氯投加量為1mg/L時(shí),三鹵甲烷生成量約為10μg/L;而當(dāng)氯投加量為8mg/L,三鹵甲烷生成量增加至約55μg/L.值得注意的是,不同劑量紫外線消毒對(duì)后續(xù)氯消毒三鹵甲烷生成量有一定影響.除氯投加量為1mg/L外,80mJ/cm2紫外線消毒后再進(jìn)行氯消毒,三鹵甲烷的生成量均稍高于 20mJ/cm2時(shí)的情況.統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明,這種氯消毒副產(chǎn)物生成量差異并不顯著(one-way ANOVA, p＞0.05).

由于達(dá)到相同的滅活效果時(shí),聯(lián)合消毒工藝中的氯投加量較小,其副產(chǎn)物生成量低于單獨(dú)氯消毒工藝[6,8,18].

由表2可知,三鹵甲烷不同組分中,三氯甲烷比例最高,占 75～95%,其次是二氯一溴甲烷.各組分濃度隨氯投加量增加均有增加趨勢(shì).80mJ/cm2紫外線輻照后,氯消毒后三鹵甲烷各組分的組成結(jié)構(gòu)與20mJ/cm2紫外線劑量下的情況相似.紫外線劑量對(duì)三鹵甲烷組成的影響不顯著.研究表明,200mJ/cm2以下的紫外線劑量并不能改變水樣的pH、濁度、DOC、UVT、色度等基礎(chǔ)水質(zhì)指標(biāo)[19].但也有研究提出,紫外線可能會(huì)導(dǎo)致水中可以吸收紫外線的物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),提高后續(xù)氯消毒的副產(chǎn)物生成風(fēng)險(xiǎn)[20].因此,不同劑量紫外線對(duì)后續(xù)氯消毒副產(chǎn)物生成的影響還有待進(jìn)一步研究.

圖5 不同紫外線-氯組合劑量消毒后三鹵甲烷生成規(guī)律Fig.5 Formation of trihalomethanes under different UV irradiation- chlorination doses

表2 不同消毒劑量組合對(duì)三鹵甲烷組成的影響Table 2 Compositions of trihalomethanes under different UV irradiation- chlorination doses

2.5 討論

紫外線-氯聯(lián)合消毒工藝用于再生水消毒時(shí),不但能夠有效提高微生物滅活率,而且可有效減少消毒副產(chǎn)物生成量.當(dāng)再生水濁度較高時(shí),不宜采用大劑量紫外線照射,此時(shí)采用20mJ/cm2紫外線照射和 8mg/L氯消毒的方式可有效達(dá)到回用要求.而當(dāng)消毒進(jìn)水濁度較低,可利用高劑量(如80mJ/cm2)紫外線消毒滅活絕大多數(shù)微生物;后投加小劑量的氯(3mg/L)將少部分抗紫外線微生物滅活,降低氯消毒副產(chǎn)物生成量.

3 結(jié)論

3.1 紫外劑量小于10mJ/cm2時(shí),總大腸菌群、糞大腸菌群滅活率隨紫外劑量的增大顯著提高.單一紫外線消毒在10mJ/cm2以上劑量存在拖尾現(xiàn)象,80mJ/cm2紫外線劑量對(duì)總大腸菌群、糞大腸菌群對(duì)數(shù)滅活率分別為2.5、4.0.

3.2 20mJ/cm2紫外線輻照后再投加 8mg/L氯消毒30min可使總大腸菌群累計(jì)對(duì)數(shù)滅活率達(dá)到約 7.0;而 80mJ/cm2紫外線輻照后再投加3mg/L氯消毒30min可達(dá)到相近的滅活率,滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18920-2002中污水雜用衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)要求.

3.3 聯(lián)合工藝氯消毒過程中生成消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷.隨著投氯量增加,三鹵甲烷生成量增加.80mJ/cm2紫外線消毒后再進(jìn)行氯消毒,三鹵甲烷的生成量稍高于20mJ/cm2時(shí)的情況.三鹵甲烷組分中,三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷、三溴甲烷比例逐漸降低.

[1]胡洪營(yíng),吳乾元,黃晶晶,等.再生水水質(zhì)安全評(píng)價(jià)與保障原理[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2011.

[2]張 辰,張 欣,呂東明,等.污水消毒標(biāo)準(zhǔn)及紫外線消毒技術(shù)應(yīng)用 [J]. 給水排水, 2003,29(12):1-3.

[3]Lazarova V, Savoye P, Janex M L. Advanced wastewater disinfection technologies: State of the art and perspectives [J].Water Science and Technology, 1999,40(4/5):203-213.

[4]濮晨熹,張金松,安 瑞,等.某污水處理廠紫外線消毒運(yùn)行效果研究 [J]. 給水排水, 2012,38(1):126-129.

[5]郭美婷,胡洪營(yíng),李 莉,等.污水紫外線消毒工藝的影響因素研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2007,27(4):534-538.

[6]楊 川,王曉羽,王 丹,等.再生水紫外-氯組合消毒與單一氯消毒比較分析 [J]. 供水技術(shù), 2011,5(1):19-22.

[7]Montemayor M, Costan A, Lucena F, et al. The combined performance of UV light and chlorine during reclaimed water disinfection [J]. Water Science Technology, 2008,57(6):935-940.

[8]賴日明,羅永恒,葉挺進(jìn),等.紫外線與氯聯(lián)合消毒在飲用水中的應(yīng)用研究 [J]. 凈水技術(shù), 2010,29(2):15-18.

[9]GB/T18921-2002 城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì) [S].

[10]GB/T5750.12-2006 生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法微生物指標(biāo)[S].

[11]GB/T18920-2002 城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì) [S].

[12]Templeton M R, Oddy F, Leung W K, et al. Chlorine and UV disinfection of ampicillin-resistant and trimethoprim-resistant Escherichia coli [J]. Canadian Journal of Civil Engineering,2009,36(5):889-894.

[13]胡洪營(yíng),龐宇辰,黃晶晶,等.再生水紫外線消毒影響因素及控制措施 [J]. 給水排水動(dòng)態(tài), 2013,39(2):I21-I24.

[14]Caron E. Impact of Microparticles on UV Disinfection of indigenous aerobic spores [J]. Water Research, 2007,41(19):4546-4556.

[15]Cerf O, Metro F. Tailing of survival curves ofBacilluslicheniformisspores treated with hydrogen-peroxide [J]. Journal of Applied Bacteriology, 1977,42(3):405.

[16]Stewart M A and Olson B H. Bacterial resistance to potable water disinfectant [M]. Cambridge University Press, Cambridge. 1996.

[17]Wang X, Hu X, Hu C, et al. Sequential use of ultraviolet light and chlorine for reclaimed water disinfection [J]. Journal of Environmental Sciences, 2011,23(10):1605-1610.

[18]Wang X, Hu X, Wang H, et al. Synergistic effect of the sequential use of UV irradiation and chlorine to disinfect reclaimed water [J].Water Research, 2012,46(4):1225-1232.

[19]U.S. EPA. Ultraviolet disinfection guidance manual for the final long term 2enhanced surface water treatment rule [M]. 2006.

[20]Malley J P, Shaw J P, and Ropp J R. Evaluation of by-products produced by treatment of groundwaters with ultraviolet irradiation [M]. American Water Works Association. Research Foundation, Denver, CO. 1996.