紫外/氯消毒在飲用水處理中的應用

黃慧婷，張明明，王 敏，顧軍農(nóng)

(1.北京市自來水集團有限責任公司技術研究院，北京 100012； 2.北京市供水水質工程技術研究中心，北京 100012；3.北京市自來水集團有限責任公司水質監(jiān)測中心，北京 100012)

近年來，飲用水突發(fā)污染事件頻發(fā)，飲用水源的水質安全問題已成為全民關注的焦點。當飲用水受到污染后，對人類健康的最大威脅之一是微生物。因此，飲用水的微生物安全及采用何種消毒方式備受關注。飲用水處理中常用的消毒方式是氯消毒。但氯消毒在控制微生物量的同時會增加消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生的風險。為了降低這種風險，紫外技術以其高效、廣譜性好、無消毒副產(chǎn)物等優(yōu)勢逐漸成為物理消毒技術的代表。目前，全世界應用紫外消毒技術的飲用水處理量已超過3×106m3/d[1]。在國內(nèi)，紫外消毒技術在飲用水處理中還處于起步階段。

試驗以北京某水廠內(nèi)搭建在炭濾池出水后的低壓紫外消毒裝置為研究對象，考察了紫外線對炭濾池出水微生物的滅活效果和添加不同濃度消毒劑(次氯酸鈉)后的微生物滅活效果，以及消毒副產(chǎn)物的生成情況。同時，對某水廠實際運行的紫外消毒裝置出水微生物的滅活效果及消毒副產(chǎn)物的生成情況進行分析，以期為紫外消毒技術在飲用水處理的應用提供技術支持。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置及其運行條件

低壓紫外消毒系統(tǒng)(中試設備)連接在某水廠的炭濾池出水后，選用的消毒系統(tǒng)是特潔安公司的PRO10，該系統(tǒng)外部是一個不銹鋼的筒體，內(nèi)部是紫外燈管外套石英套管。這個消毒系統(tǒng)設計的最大處理量是2.2 m3/h,設計的紫外線消毒劑量是40 mJ/cm2。系統(tǒng)運行期間，水溫保持在5～27 ℃，常規(guī)指標每周進行一次取樣，微生物及消毒副產(chǎn)物指標每月取樣一次。

某水廠實際運行的紫外消毒系統(tǒng)連接在其炭濾池出水后，其設計處理的總水量是50萬m3/d， 分由8套紫外裝置與進水管相連接，每套紫外裝置內(nèi)有6根紫外燈管，每臺紫外設備的功率為21 kW，每臺設備的紫外線消毒劑量為40 mJ/cm2，每臺紫外設備內(nèi)的水流流速為1.3 m/s，過流時間約為1 s。試驗期間每月對該廠的紫外消毒系統(tǒng)出水進行取樣，試驗期間的水溫在2～31 ℃。

1.2 微生物總量及滅活效果的測定方法

1.2.1 基于流式細胞儀對微生物總量的測定方法

常規(guī)的微生物檢測方法是基于平板培養(yǎng)的計數(shù)方法，Siebel等[2]發(fā)現(xiàn)待測自來水中的微生物僅有0.001%～2%的細菌可以通過平板培養(yǎng)得出。同時，研究表明，當細菌的生長環(huán)境,如溫度、營養(yǎng)物組成發(fā)生改變時,一些細菌即會進入一種“活的但不可培養(yǎng)”的狀態(tài),在此狀態(tài)下,即使使用適合的培養(yǎng)基,也無法對細菌數(shù)量作出精確的計數(shù)[3]。因此，本試驗采用的微生物檢測方法是基于流式細胞儀的計數(shù)方法：將待測樣品置于C6流式細胞儀[美國BD(Becton,Dickinson and Company)公司]的樣品管內(nèi)進行檢測，檢測過程中設置流式細胞儀進樣量為100 μL，檢測速度為SLOW，通過檢測樣品在(533±15)nm、>670 nm的熒光強度值，即檢測水樣在C6流式細胞儀的FL1(533 nm±15 nm)熒光通道和FL3(>670 nm)熒光通道的熒光強度值，通過細胞熒光標記染料與水體中DNA結合，計算獲得水樣中微生物的數(shù)量，完成對水體中微生物的計數(shù)。細胞熒光標記染料為TO和PI，TO可以標記水中所有微生物，包括死的、受損傷的和活性良好的，可以透過各種狀態(tài)微生物的細胞膜并與DNA進行結合，其替代染料為SYBR GREEN，通過測定(533±15)nm熒光進行檢測；PI只可以標記水中死的或受損傷的微生物，不能標記活性良好的微生物，只可以透過受損傷或死亡的微生物的細胞膜，與DNA進行結合，不能透過活性良好微生物的細胞膜，其替代染料為7-AAD，通過測定>670 nm熒光進行檢測。

1.2.2 微生物滅活效果的試驗及測定方法

將待測水樣轉移至已高溫滅菌后的取樣瓶中，加入不同濃度的次氯酸鈉消毒劑(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/L)，接觸反應30 min，之后轉移至一次性微生物瓶中，考察脫氯后總停留時間48 h內(nèi)氯常規(guī)消毒方式和紫外/氯消毒方式對微生物的滅活效果。對微生物總量的測試方法采用流式細胞儀進行檢測。

1.3 消毒副產(chǎn)物中三鹵甲烷的測定方法

在待測水樣中加入抗壞血酸固定(取樣瓶為40 mL，抗壞血酸加入0.1～0.2 g)，取7 mL加入到頂空瓶中，頂空-氣相色譜法測定。頂空進樣器型號為安捷倫7694，進樣器條件:加熱溫度為45 ℃，平衡35 min。氣相色譜儀型號為6 890 N，其操作條件：柱溫為80 ℃，進樣口為150 ℃，檢測器為250 ℃，分流比為1∶1。

2 結果和討論

2.1 氯消毒及紫外/氯消毒工藝對活性炭出水微生物的滅活效果(中試系統(tǒng))

本試驗微生物總數(shù)的原液取自某水廠的炭濾池出水和經(jīng)中試紫外系統(tǒng)后的出水，該紫外消毒系統(tǒng)的設定流量為2.2 m3/h，設定紫外劑量為40 mJ/cm2。將取自某水廠的炭濾池出水和經(jīng)中試紫外系統(tǒng)后的出水水樣轉移至已高溫滅菌后的取樣瓶中，加入不同濃度的次氯酸鈉消毒劑(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/L)，接觸反應30 min，之后轉移至一次性微生物瓶中進行脫氯，考察脫氯后總停留時間48 h內(nèi)的氯常規(guī)消毒方式和紫外/氯消毒方式對微生物的滅活效果。

圖1 氯消毒對微生物的滅活效果(中試系統(tǒng))Fig.1 Inactivation Effect of Microorganisms by Chlorine Disinfection (Pilot System)

圖2 紫外-氯消毒方式對微生物的滅活效果(中試系統(tǒng))Fig.2 Inactivation Effect of Microorganisms by UV/Chlorine Disinfection (Pilot System)

由圖1可知，氯常規(guī)消毒工藝對微生物具有很好的殺滅作用。然而，當加氯量發(fā)生變化時，0 h時檢測出的存活的微生物數(shù)量存在差異，存活的微生物數(shù)量隨著停留時間的延長呈現(xiàn)不同的增長趨勢。同時，隨著加入的氯消毒劑濃度的升高，微生物數(shù)量增長幅度逐漸趨于緩慢。氯消毒劑濃度的高低對微生物數(shù)量的控制起到?jīng)Q定性作用。為了將微生物的數(shù)量維持在較低的水平，試驗用水的氯消毒劑投加濃度應達到1.0 mg/L。

由圖2可知，單獨紫外消毒后的水在停留24 h內(nèi)，隨放置時間的延長，水中存活的微生物數(shù)量逐漸降低，數(shù)量下降幅度超過50%。待停留48 h后，存活的微生物數(shù)量僅有少量的增長，增幅僅為6.8%，可認為經(jīng)過紫外消毒后，微生物的活性在一定的停留時間內(nèi)會不斷降低直至衰亡。若采用紫外/氯聯(lián)合消毒工藝，氯消毒劑濃度的高低均不影響水中存活的微生物總量在停留的24 h內(nèi)保持下降的趨勢。當消毒劑的投加量不小于0.8 mg/L時，水中存活的微生物總數(shù)量在48 h內(nèi)均維持在同一水平。

將圖1和圖2結合來看，在同樣的停留時間內(nèi)，水中存活的微生物數(shù)量出現(xiàn)了一定程度的差異。這主要與前序工藝的紫外消毒有關。紫外消毒的原理主要是紫外線使微生物體內(nèi)的核酸突變、 阻礙其復制、 轉錄封鎖及蛋白質的合成[4]。因此，微生物的衰亡是需要一定時間的，可認為采用紫外/氯消毒的這種方式是具有一定時效性的。

2.2 氯消毒及紫外/氯消毒工藝對活性炭出水微生物的滅活效果(實際生產(chǎn)工藝)

為了更全面地考察紫外/氯消毒工藝對活性炭出水微生物的滅活效果，對實際運行水廠的炭濾池出水和后續(xù)中壓紫外系統(tǒng)的出水進行取樣并進行如下試驗：將水樣轉移至已高溫滅菌的取樣瓶中，加入不同濃度的次氯酸鈉消毒劑(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/L)，接觸反應30 min，之后轉移至一次性微生物瓶中進行脫氯，考察脫氯后總停留時間48 h內(nèi)采用氯常規(guī)消毒方式對微生物的滅活效果和采用紫外/氯消毒方式對微生物的滅活效果。

實際生產(chǎn)工藝的試驗結果與中試試驗系統(tǒng)得出的結果基本一致。由圖3可知，常規(guī)氯消毒方式下，投加的氯消毒劑濃度對微生物數(shù)量的控制起決定性的作用。只有將試驗用水的氯投加量控制在1.0 mg/L以上，才能較有效地控制水中的微生物數(shù)量。

圖3 氯常規(guī)消毒對微生物的滅活效果(現(xiàn)有生產(chǎn)工藝)Fig.3 Inactivation Effect of Microorganisms by Chlorine Disinfection (Existing Production Process)

由圖4可知，停留24 h內(nèi)，不論是否有氯消毒劑參與，水中存活的微生物數(shù)量均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。待停留24 h后，存活的微生物數(shù)量出現(xiàn)不同幅度的增長，但均低于初始測量值。由此，可證實采用紫外/氯消毒的這種方式是具有一定的時效性的。

圖4 紫外/氯消毒方式對微生物的滅活效果(現(xiàn)有生產(chǎn)工藝)Fig.4 Inactivation Effect of Microorganisms by UV/Chlorine Disinfection (Existing Production Process)

2.3 氯消毒工藝及紫外/氯消毒工藝對消毒副產(chǎn)物的控制(中試系統(tǒng))

三鹵甲烷具有三致性，對人類的健康危害甚大，且是現(xiàn)行氯消毒工藝的主要副產(chǎn)物[5]，因此，該中試試驗特以此作為消毒副產(chǎn)物主要控制對象，紫外/氯消毒工藝與氯消毒工藝進行對比。試驗選取中試紫外系統(tǒng)和實際生產(chǎn)中的紫外消毒系統(tǒng)的出水作為試驗水樣，分別向試驗水樣中加入不同濃度的次氯酸鈉溶液，分析其水中的三鹵甲烷變化結果。首先，對比中試紫外/氯消毒工藝與氯消毒工藝出水的三鹵甲烷檢測數(shù)據(jù)，如表1和表2所示。

表1 氯消毒工藝在不同消毒劑濃度下三鹵甲烷生成值(中試系統(tǒng))Tab.1 Generated Value of THMs Formation under Different Disinfectant Concentration by Chlorine Disinfection (Pilot System)

表2 低壓紫外/氯消毒工藝在不同消毒劑濃度下三鹵甲烷生成值(中試系統(tǒng))Tab.2 Generated Value of THMs Formation under Different Disinfectant Concentration by UV/Chlorine Disinfection (Pilot System)

注：“三鹵甲烷指數(shù)”是4個消毒副產(chǎn)物各自實測濃度與其國標GB 5749—2006規(guī)定的各自限值比之和圖5 兩種消毒工藝在不同消毒劑濃度下三鹵甲烷指數(shù)(中試系統(tǒng))Fig.5 THMs Index under Different Disinfectants Concentration by Two Disinfection Processes (Pilot System)

由表1和表2的兩組數(shù)據(jù)可知：三氯甲烷是三鹵甲烷的主要貢獻者，隨著消毒劑濃度的增加，三氯甲烷的值上升明顯；而一溴二氯甲烷和二溴一氯甲烷的生成值隨著消毒劑濃度的增加僅有小幅度上升。由圖5的兩種工藝條件下三鹵甲烷指數(shù)的對比分析可知，在采用氯消毒工藝的條件下，三鹵甲烷指數(shù)隨著氯消毒劑濃度的升高而增長，其增長趨勢與在紫外/氯消毒條件下三鹵甲烷指數(shù)的增長相比相對平緩。推測認為，經(jīng)紫外消毒后，可能會生成更多易于加氯后形成消毒副產(chǎn)物的前體物質。

2.4 氯消毒工藝及紫外/氯消毒工藝對消毒副產(chǎn)物的控制(實際生產(chǎn)工藝)

對實際生產(chǎn)中某一水廠的紫外/氯消毒工藝及氯消毒工藝出水的三鹵甲烷檢測數(shù)據(jù)進行分析比對，結果如表3和表4所示。

由表3和表4兩組數(shù)據(jù)可知，實際生產(chǎn)工藝系統(tǒng)對三鹵甲烷的檢測結果與中試試驗系統(tǒng)對該值的檢測結果基本一致。三氯甲烷是三鹵甲烷的主要貢獻者，隨著消毒劑濃度的增加，三氯甲烷的值上升明顯。由圖6的兩種工藝條件下的三鹵甲烷指數(shù)的對比分析可知，不論采用哪種工藝，三鹵甲烷指數(shù)均隨著氯消毒劑濃度的升高而增長，對比兩種工藝條件下三鹵甲烷的增長趨勢，可看出在同一消毒劑濃度下，采用紫外/氯消毒時的三鹵甲烷指數(shù)明顯高于氯消毒條件下的三鹵甲烷指數(shù)。

表3 氯消毒工藝在不同消毒劑濃度下三鹵甲烷生成值(現(xiàn)有生產(chǎn)工藝)Tab.3 Generated Value of THMs Formation under Different Disinfectant Concentration by Chlorine Disinfection (Existing Production Process)

表4 紫外/氯消毒工藝在不同消毒劑濃度下三鹵甲烷生成值(現(xiàn)有生產(chǎn)工藝)Tab.4 Generated Value of THMs under Different Disinfectant Concentration by UV/Chlorine Disinfection (Existing Production Process)

圖6 兩種消毒工藝在不同消毒劑濃度下三鹵甲烷指數(shù)(現(xiàn)有生產(chǎn)工藝)Fig.6 THMs Index under Different Disinfectants Concentration byTwo Disinfection Processes (Existing Production Process)

將氯消毒工藝和紫外/氯聯(lián)合消毒工藝對微生物的滅活效果及該工藝下的三鹵甲烷生成情況結合來看，若想保持水中微生物數(shù)量在8 h(一般水廠內(nèi)清水池停留時間不超過8 h)內(nèi)不增長，采用氯消毒方式時需要加入濃度為0.8 mg/L的消毒劑，而采用紫外/氯消毒時，可不添加任何濃度的氯消毒劑，但為了滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》的出廠水余氯最低為0.3 mg/L的要求，可加入滿足此要求的消毒劑濃度對應的投加量。由此可知，若采用紫外/氯消毒方式，可大幅降低消毒劑的投加量。不僅如此，消毒劑投加濃度的降低，也可降低氯代消毒副產(chǎn)物的生成量。

3 結論

(1) 在紫外/氯消毒工藝的條件下停留24 h內(nèi)，水中微生物的數(shù)量有明顯的減少。氯消毒劑濃度的高低都不影響水中存活的微生物總量在停留的24 h內(nèi)保持下降的趨勢。

(2) 氯常規(guī)消毒技術對微生物具有很好的殺滅作用。投加的氯消毒劑濃度對微生物數(shù)量的控制起決定性的作用，當氯消毒劑的投加濃度未達到1.0 mg/L時，隨著停留時間的延長，水中的微生物數(shù)量呈現(xiàn)增長的趨勢。

(3) 紫外/氯消毒與氯消毒相比，可大幅降低消毒劑的投加量，進而降低運營成本，也可降低氯代消毒副產(chǎn)物的生成量。