城市污水消毒技術(shù)的研究進(jìn)展

趙風(fēng)云，孫根行

(陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710021)

城市污水消毒技術(shù)的研究進(jìn)展

趙風(fēng)云，孫根行

(陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710021)

城市污水消毒是保障水質(zhì)安全必不可少的環(huán)節(jié)。目前，城市污水消毒方法主要為氯消毒、二氧化氯消毒、紫外消毒和臭氧消毒等，傳統(tǒng)氯消毒由于產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物而逐步為其他消毒方法所取代，闡述了各種消毒方式的消毒原理及應(yīng)用，聯(lián)合消毒技術(shù)將成為近幾年發(fā)展較快的城市污水消毒技術(shù)。

城市污水;消毒技術(shù);聯(lián)合消毒

污水再生利用是解決我國(guó)目前水資源緊缺的重要途徑，污水消毒是保障水質(zhì)安全必不可少的環(huán)節(jié)。氯消毒因其成本低廉、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單且對(duì)致病微生物有廣泛的滅活特性，在目前的污水消毒處理中仍處于主導(dǎo)地位［1-2］。但由于氯消毒會(huì)產(chǎn)生大量的三氯甲烷、鹵乙酸等消毒副產(chǎn)物，近年來(lái)出現(xiàn)了很多替代消毒方法，例如:二氧化氯消毒、紫外消毒、臭氧消毒等，聯(lián)合消毒技術(shù)也得到了更加廣泛的應(yīng)用。

1 氯消毒

1.1 氯消毒的原理

氯消毒是最為普遍的消毒技術(shù)，殺菌機(jī)理非常簡(jiǎn)單，主要是氯溶于水中產(chǎn)生了 HOCl。HOCl是很小的中性分子，它能擴(kuò)散到帶負(fù)電的細(xì)菌表面，并穿透至細(xì)菌內(nèi)部，氧化和破壞微生物外膜或酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能，從而使微生物死亡［3］。而氯對(duì)病毒的作用，主要是對(duì)核酸破壞的致死性作用。

向水中加入液氯或次氯酸鹽溶液消毒時(shí)，在水中發(fā)生的反應(yīng)如下:

HOCl、OCl－之 和 稱 作 有 效 自 由 氯，其 中 以HOCl消毒效果最好。排入水體時(shí)，氯會(huì)和水中的氨氮、有機(jī)氮反應(yīng)生成消毒效果較差的無(wú)機(jī)氯胺和氯胺，稱作化合氯。總余氯是指有效自由氯和有效化合氯之和。

1.2 氯消毒的應(yīng)用

加氯消毒是目前城市污水最為經(jīng)濟(jì)有效和應(yīng)用最廣泛的消毒工藝。氯消毒常用的是液氯法和次氯酸法，其中以液氯法應(yīng)用最為普遍。據(jù)1998年對(duì)北美洲20 000座城市污水處理廠進(jìn)行的調(diào)查表明，接近60%的污水廠使用氯消毒，其中24%的污水廠采用氯消毒并后續(xù)脫除余氯的操作方式［4］，說(shuō)明氯消毒在目前還是應(yīng)用比較廣泛的一種消毒方式。廣州獵德污水處理廠尾水采用液氯消毒法進(jìn)行殺菌，液氯消毒接觸時(shí)間較短時(shí)，僅增加液氯投加量，尾水中的總大腸菌群數(shù)和糞大腸菌群數(shù)也不穩(wěn)定;只要有足夠長(zhǎng)的接觸時(shí)間，尾水中的總大腸菌群數(shù)和糞大腸菌群數(shù)都比較穩(wěn)定，能夠達(dá)到污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)中的一級(jí)A類標(biāo)準(zhǔn)，且能達(dá)到我國(guó)城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［5］。

液氯消毒是一種使用固定傳送系統(tǒng)的常規(guī)技術(shù)，處理費(fèi)用低。由于消毒后污水中尚有一定的余氯存在，液氯消毒具有剩余消毒能力。液氯技術(shù)方法成熟，設(shè)備故障率低，運(yùn)行費(fèi)用低，是目前國(guó)內(nèi)最普遍采用的城市污水消毒方法［6-7］。但氯化消毒最大的問(wèn)題是對(duì)某些病毒、芽孢無(wú)效，殘毒產(chǎn)生臭味，有強(qiáng)烈刺激性，消毒過(guò)程中產(chǎn)生有毒的消毒副產(chǎn)物DBPs。

2 二氧化氯消毒

2.1 二氧化氯消毒的原理

二氧化氯是國(guó)際上公認(rèn)的含氯消毒劑中唯一的高效消毒劑(滅菌劑)，它可以殺滅一切微生物，包括細(xì)菌繁殖體、細(xì)菌芽孢、真菌、分枝桿菌和病毒等，其對(duì)微生物的殺滅機(jī)理為:二氧化氯對(duì)細(xì)胞壁有較強(qiáng)的吸附穿透能力，可有效地氧化細(xì)胞內(nèi)含巰基的酶，還可以通過(guò)快速地抑制微生物蛋白質(zhì)的合成來(lái)破壞微生物［8］。

二氧化氯具有易揮發(fā)、易爆炸的特點(diǎn)，故不宜貯存，以現(xiàn)場(chǎng)制取和使用為主。用于水處理領(lǐng)域的小型化學(xué)法二氧化氯發(fā)生器主要有兩種:以氯酸鈉、鹽酸為原料的復(fù)合型二氧化氯發(fā)生器和以亞氯酸鈉、鹽酸為原料的純二氧化氯發(fā)生器，其中前者應(yīng)用最為廣泛［9］，主要的反應(yīng)是:

2.2 二氧化氯消毒的應(yīng)用

二氧化氯是國(guó)際上公認(rèn)的廣譜高效的氧化性殺菌劑，在污水處理中日益得到廣泛應(yīng)用。二氧化氯作為強(qiáng)氧化劑，可將廢水中的少量 S2－、SO23－、SnO22>－、AsO23－、NO2－、CN－等還原性酸根氧化除去，也可將 Fe2+、Mn2+、Ni2+等金屬離子及它們與酚類、CN－形成的絡(luò)合物除去。因此，二氧化氯可廣泛應(yīng)用于含氯、酚、硫、有機(jī)物、金屬離子等工業(yè)廢水處理以及醫(yī)院、生活污水殺菌消毒和生活污水的凈化處理等［10］。

黃君禮等［11］對(duì)大慶東風(fēng)水廠 ClO2消毒后，進(jìn)行水中有機(jī)富集物的 Ames試驗(yàn)，結(jié)果表明，ClO2消毒的大慶東風(fēng)水廠取水未顯示出致突變性。另外，有研究者也發(fā)現(xiàn)，即使在原水Ames試驗(yàn)為陽(yáng)性的條件下，ClO2組份消毒后可以轉(zhuǎn)為陰性。二氧化氯消毒具有不受pH影響、易溶于水、投加量少、殘留量少、投資少、產(chǎn)率高且在水中滯留時(shí)間長(zhǎng)，能殺除和抑制細(xì)菌，在一定的范圍內(nèi)，殺菌能力隨著溫度升高而升高的特點(diǎn)，但易爆，只能現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生、使用，設(shè)備復(fù)雜，操作管理要求高，成本較高，僅有20%的二氧化氯在消毒過(guò)程中被利用。二氧化氯消毒僅適用于較小規(guī)模的污水處理廠。

3 紫外線消毒

3.1 紫外線消毒的原理

根據(jù)生物效應(yīng)的不同，將紫外線按照波長(zhǎng)劃分為4個(gè)部分:A波段(UV—A)，又稱為黑斑效應(yīng)紫外線(400～320 nm);B波段(UV—B)，又稱為紅斑效應(yīng)紫外線(320～275 nm);C波段(UV—C)，又稱為滅菌紫外線(275～200 nm);D波段(UV—D)，又稱為真空紫外線(200～100 nm)。水消毒主要采用的是C波段紫外線［3］。微生物在紫外光的照射下發(fā)生光化反應(yīng)，破壞微生物的核酸，使其失去活性。細(xì)胞的DNA和RNA吸收短波UV發(fā)射的高能量，吸收波長(zhǎng)大部分在200～275 nm范圍內(nèi)的 UV能量，這將導(dǎo)致在臨近的核苷之間形成新的結(jié)合物，在核酸內(nèi)創(chuàng)造了雙結(jié)構(gòu)或二聚物。DNA中的胸腺嘧啶經(jīng)過(guò)光化學(xué)的破壞，相鄰的嘧啶產(chǎn)生二聚作用。細(xì)菌和病毒菌素的DNA中多數(shù)胸腺嘧啶二聚物的形成阻止了復(fù)制和最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

3.2 紫外線消毒的應(yīng)用

由于傳統(tǒng)的氯消毒會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物，20世紀(jì)70年代，隨著對(duì)氯消毒產(chǎn)生的副產(chǎn)物的分析與研究，發(fā)現(xiàn)氯與水中某些有機(jī)物會(huì)產(chǎn)生大量的鹵代烷和氯化有機(jī)物，使得處理后的污水中各類氯化有機(jī)物有不同程度的提高。氯氣和氯的衍生物消毒的副作用越來(lái)越引起人們的重視，為積極尋找替代氯的更安全、更優(yōu)越的新型消毒劑，紫外消毒已成為今后污水處理領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。

現(xiàn)代紫外消毒除了可以消毒小水量，也可以消毒大水量。目前，紫外技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中最大已達(dá)到每小時(shí)6萬(wàn)噸。古交給排水公司污水處理廠采用紫外消毒，日處理污水2萬(wàn)噸，1990年建廠以來(lái)，共處理污水6 000多萬(wàn)噸。應(yīng)用紫外線消毒設(shè)備后，污水消毒提高了古交電廠的用水安全性。污泥消毒后，污泥農(nóng)用有了保證，打開(kāi)了銷路，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益［12］。

紫外線消毒技術(shù)具有其他技術(shù)無(wú)可比擬的殺菌效率。當(dāng)紫外強(qiáng)度為3×104μW/cm2時(shí)，紫外線對(duì)細(xì)菌、病毒的殺菌作用一般在一秒以內(nèi)。由于紫外線消毒技術(shù)不加入任何化學(xué)藥劑，因此它不會(huì)對(duì)水體和周圍環(huán)境產(chǎn)生二次污染，不會(huì)改變水中任何成分，使用簡(jiǎn)便、安全、快速，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不會(huì)產(chǎn)生任何對(duì)人類及水中生物有毒害成分的副產(chǎn)物，對(duì)保護(hù)環(huán)境和保護(hù)工作人員的身體健康有積極的意義。不過(guò)，紫外消毒電耗大，紫外燈管和石英套管需定期更換清除［13］。

4 臭氧消毒

4.1 臭氧消毒的原理

臭氧(O3)是氧(O2)的同素異形體，O3具有很強(qiáng)的氧化能力(僅次于氟)，能氧化大部分有機(jī)物。研究表明，O3是通過(guò)物理、化學(xué)及生物等幾個(gè)方面的綜合作用來(lái)殺滅細(xì)菌和病毒的，其作用機(jī)制［14］可歸結(jié)為以下兩點(diǎn):

1) O3能氧化分解細(xì)菌內(nèi)部氧化葡萄糖所必需的葡萄糖氧化酶，并直接與細(xì)菌和病毒發(fā)生作用，破壞其細(xì)胞和核糖核酸，分解 DNA、RNA、蛋白質(zhì)、脂肪類和多糖等大分子聚和物，使細(xì)菌的物質(zhì)代謝生長(zhǎng)和繁殖過(guò)程遭到破壞。

2) O3能滲透細(xì)胞膜組織，侵入細(xì)胞膜內(nèi)作用于外膜脂蛋白和內(nèi)部的脂多糖，使細(xì)胞發(fā)生畸變，導(dǎo)致細(xì)胞的溶解死亡，并且將死亡菌體內(nèi)的遺傳基因、寄生菌種、寄生病毒粒子、噬菌體、支原體及熱原(內(nèi)毒素)等溶解變性，使其死亡。因此，O3所具有的強(qiáng)氧化性和易于通過(guò)微生物細(xì)胞膜的性能，使O3具有強(qiáng)大的殺藻和滅菌能力，能殺死水中細(xì)菌、大腸菌群、隱孢子蟲(chóng)、賈第蟲(chóng)孢囊、病毒等。

4.2 臭氧消毒的應(yīng)用

消毒劑效果可以采用CT值來(lái)衡量，其值越低，消毒效果越好［15］。表1給出了4種常用消毒劑殺滅不同微生物時(shí)的 CT值，濃度單位為 mg/L，時(shí)間單位為 min，殺滅率為99%。根據(jù)表1可知，臭氧的CT值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氯。因此，臭氧殺滅病原體所需時(shí)間更短，效率更高而且不產(chǎn)生有毒有害的副產(chǎn)物。

北京田村山水廠、昆明五水廠等均采用臭氧消毒技術(shù)［16］。臭氧消毒具有現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生、反應(yīng)速度快、消毒后臭氧立即分解、基本消除了對(duì)生物群的毒效、使水的溶解氧增加、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)。但生產(chǎn)臭氧效率低，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用高，臭氧必須邊生產(chǎn)邊使用［17］。

5 復(fù)合消毒技術(shù)

5.1 二氧化氯和氯聯(lián)合消毒技術(shù)

二氧化氯消毒時(shí)一部分被還原為可能會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響的ClO2－［18］，而且制造成本較高，

氯消毒會(huì)產(chǎn)生三氯甲烷等消毒副產(chǎn)物。為了克服單種消毒技術(shù)的缺點(diǎn)，水春雨等［19-20］以氯酸鈉和鹽酸為原料，制備以二氧化氯為主、氯氣為輔的消毒劑，應(yīng)用于經(jīng)不完全二級(jí)生物處理后的城市污水。對(duì)產(chǎn)生ClO2－的影響和污水中中糞大腸菌的滅活效果的研究表明，ClO2較Cl2活潑，優(yōu)先于Cl2和污水中有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，因此減少了Cl2和有機(jī)物反應(yīng)生成THMS和其他有機(jī)氯;污水中余氯通過(guò)氧化ClO2－生成ClO2減少了二氧化氯消毒副產(chǎn)物ClO2－量，增加了殘余的ClO2量。復(fù)合二氧化氯用于污水消毒，保持了ClO2和Cl2各自的優(yōu)點(diǎn)，而減少了各自的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了回用污水的環(huán)境安全性;殘余的二氧化氯量增加，使該復(fù)合消毒劑對(duì)污水中的細(xì)菌具有持續(xù)殺菌能力。研究結(jié)果表明，復(fù)合ClO2發(fā)生器用于污水回用，不僅能達(dá)到良好的消毒效果，其產(chǎn)生的復(fù)合氣體還能氧化去除水中有機(jī)物和還原性無(wú)機(jī)污染物。試驗(yàn)表明，該復(fù)合氣體對(duì)城市污水色度的去除效果優(yōu)于純二氧化氯或氯氣。

表1 殺滅不同微生物消毒劑的CT值

5.2 紫外線與氯聯(lián)合消毒技術(shù)

雖然紫外線消毒比氯消毒產(chǎn)生更少的消毒副產(chǎn)物，但紫外線消毒技術(shù)存在沒(méi)有持續(xù)消毒能力的問(wèn)題。近年來(lái)，紫外線和氯對(duì)污水的復(fù)合消毒技術(shù)得到了一些研究，郭美婷等［21］研究表明，單獨(dú)紫外線消毒的滅活率為3.22－lg，單獨(dú)氯消毒的滅活率僅為0.83－lg。先氯消毒再紫外線消毒的方式得到的滅活率高達(dá)4.42－lg，先紫外線消毒再氯消毒的滅活率次之，為4.13－lg。所以，紫外線與氯聯(lián)合消毒的方式可在一定程度上提高滅活率，其中，先添加氯的組合消毒方式得到的滅活率最高。結(jié)果表明，在一定程度上，紫外線和氯在消毒方面有協(xié)同作用，因此兩者的組合效果大于兩者的簡(jiǎn)單加和。張永吉［22］研究了紫外線和氯聯(lián)合滅活枯草芽孢桿菌的效果，也證明了兩者存在較明顯的協(xié)同滅活作用。

通過(guò)分析并研究紫外線與氯不同的組合方式對(duì)消毒效果的影響，將氯消毒與紫外線消毒相結(jié)合，既減小了氯消毒的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性，又彌補(bǔ)了紫外線消毒無(wú)持續(xù)消毒能力的不足，保證了水質(zhì)的安全性。

6 結(jié)語(yǔ)

氯、二氧化氯、臭氧、紫外線等常規(guī)消毒劑用于污水消毒經(jīng)濟(jì)有效，但具有在消毒過(guò)程中產(chǎn)生有害副產(chǎn)物等缺點(diǎn)。聯(lián)合消毒劑能有效滅活水體中的致病微生物，有效控制消毒副產(chǎn)物的生成，可延長(zhǎng)或保證管網(wǎng)水中的消毒作用，比氯單獨(dú)消毒的持續(xù)消毒能力強(qiáng)。聯(lián)合消毒工藝具有投資少、成本低、見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)，聯(lián)合消毒技術(shù)必將迎來(lái)其蓬勃發(fā)展的未來(lái)。

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Research Progress in the Disinfection Technologies of Sewage

ZHAO Feng-yun，SUN Gen-xing
(College of Resources and Environment，Shaanxi University of Science＆Technology，xi’an 710021，China)

The disinfection technologies of sewage are essential operation to protect water quality and safety.The disinfection technologies of sewage include mostly chlorination disinfection，chlorine dioxide disinfection，ultraviolet disinfection，ozone disinfection et.al.The traditional chlorination disinfection is being gradually substituted by other disinfection crafts because of its toxic disinfection byproducts.It had described the principles and applications of various disinfection technologies.And united disinfection wins the expansive future in recent years.

sewage;disinfection technologies;joint disinfection

X 703.1

A

1005-0310(2010)01-0008-04

2009－12－31

趙風(fēng)云(1985—)，女，內(nèi)蒙古烏海人，陜西科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲鬯偕冒踩栽u(píng)

(責(zé)任編輯 李亞青)