再生水紫外線-氯聯合消毒工藝特性研究

龐宇辰,席勁瑛,胡洪營,*,吳乾元,盧 如,3,江 瑞 (.清華大學環境學院環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京 0008；.清華大學深圳研究生院,國家環境保護環境微生物利用與安全控制重點實驗室,廣東深圳 58055；3.中國市政工程西北設計研究院北京分院,北京 00037；.中國地質大學,北京 00083)

污水再生利用作為有效緩解我國水資源短缺的重要方式,具有廣闊的應用前景.污水經過必要的處理,達到相應標準后,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,對于保障再生水利用的生物安全性至關重要[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].在實際應用中發現,紫外線消毒在水質較差時存在消毒曲線拖尾現象[5],消毒后部分細菌易復活,對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物、對某些病原蟲滅活效率低等問題.有研究表明[6-8],紫外線-氯聯合消毒工藝,能夠結合紫外線消毒和氯消毒各自優點,從而發揮協同效應,提高對病原微生物的滅活效果.

本研究以二級處理出水作為消毒對象,比較了紫外線-氯聯合消毒和單一紫外線消毒對指示微生物的滅活效果,考察了紫外線-氯聯合消毒工藝的三鹵甲烷生成情況,為紫外線-氯聯合消毒工藝性能評價提供了依據.

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.進行消毒試驗前,對水樣的紫外線透射率(UVT)、pH 值、NH3-N、TOC、濁度及色度等指標進行了測定.消毒前水樣的主要指標如表1所示.

表1 消毒前水樣的主要指標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較好,除糞大腸菌群數外,氨氮、濁度、pH等水質指標均達到了《城市污水再生利用 景觀環境用水水質》[9](GB/T18921-2002)標準.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,其中糞大腸菌群數超過了GB/T 18921-2002標準規定的104CFU/L,經消毒后可為景觀用水再生利用.

1.2 消毒系統構建

本研究搭建的消毒系統如圖 1所示.二沉池出水經泵提升進入蓄水池,再經泵的提升連續進入紫外線消毒反應器,經紫外消毒后進入氯消毒單元,實現聯合消毒.

紫外線反應器(型號 MP13A,美國 Atlantic Ultraviolet公司)主要參數如下:反應器長 23cm,直徑 11cm,紫外燈套管直徑 2.1cm,反應器體積1734mL.氯消毒單元采用間歇實驗裝置,體積1000mL.

圖1 消毒系統示意Fig.1 Diagram of the disinfection system

1.3 消毒實驗設計

1.3.1 單一紫外線消毒實驗 二沉池出水連續進入紫外線反應器接受輻照.通過調節進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總大腸菌群和糞大腸菌群的滅活情況.

1.3.2 紫外線-氯聯合消毒試驗 氯消毒試驗水樣取自紫外消毒系統出水.分別取 1000mL經過20mJ/cm2及80mJ/cm2紫外線消毒后水樣置于預先滅菌的氯消毒裝置中,投加一定濃度 NaClO溶液進行氯消毒試驗,使消毒體系中有效氯濃度范圍為 1～8mg Cl2/L.氯消毒接觸時間為 30min,采用 Na2S2O3溶液作為氯消毒終止劑.消毒后測定總大腸菌群數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;pH值采用瑞士Mettler Toledo公司SG78便攜式pH儀檢測;NH3-N采用意大利Hanna公司HI 96175氨氮測試儀檢測;TOC采用日本島津公司 TOC儀檢測;濁度采用美國 Orion公司的便攜式濁度檢測儀 AQ4500檢測;色度檢測采用上海昕瑞公司的SD9012A色度儀檢測.

總大腸菌群和糞大腸菌群均采用國標方法

[10](GB/T5750.12-2006)規定的濾膜法測定.三鹵甲烷采用美國環保署(USEPA)推薦方法(EPA Method 501.3)測定,具體測定指標包括三氯甲烷、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公司的余氯測定儀(型號HI93711)測定.該測定儀的測試原理為水中余氯與N,N-二乙基對苯二胺反應生成淡粉紅色物質,通過測定 515nm吸光度計算得到水中余氯濃度.當添加碘化物催化時,可使化合余氯與試劑反應,測得總余氯;無碘化物時,測得自由余氯.總余氯減去自由余氯,得到化合余氯.

2 結果與討論

2.1 單一紫外線消毒工藝效果

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

圖 2(b)表明,紫外線對糞大腸菌群滅活率隨著劑量增大而提高.但是,當紫外線劑量大于10mJ/cm2后,滅活曲線出現了明顯的拖尾現象,即雖然紫外線劑量提高很多,但是滅活率增加并不多.經紫外線消毒處理后,糞大腸菌群對數滅活率最大約為4.0;總大腸菌群對數滅活率約為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(典型腸道細菌)達到約 4.0對數滅活率,顯著高于本研究在同一劑量下獲得的滅活率.這可能是由于實際污水中濁度的增加會導致有效紫外線輻照劑量的下降[13-14].拖尾現象是紫外線滅活中的常見現象,其可能的原因包括:細菌聚團、部分細菌具有消毒抗性基因[15-16]、懸浮物裹藏細菌等.

圖2 單一紫外線消毒對總大腸菌群、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-氯聯合消毒工藝效果

圖 3(a)表明,經過 20mJ/cm2紫外線輻照及8mg/L氯接觸30min后,水樣中可檢測到的總大腸菌群數達到 GB/T18920-2002的相關要求.當紫外線消毒劑量為 80mJ/cm2時,3mg/L氯接觸30min也可使出水中總大腸菌群數達到 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,總大腸菌群的總對數滅活率達到7.0(其中20mJ/cm2紫外線消毒達到3.0,氯消毒達到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內無明顯復活[17].Wang等[18]的研究同樣證實,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象,達到較大的微生物滅活率.可見,紫外線-氯聯合消毒工藝可以滿足對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-氯聯合消毒對總大腸菌群的去除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,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,紫外線輻照劑量對聯合消毒后的余氯值影響不大.

氯消毒后水樣中余氯的持續存在,對抑制細菌的復活具有重要作用,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的結果表明,1mg/L氯投加量可達到 GB/T18921-2002中規定消毒后余氯濃度≥0.05mg/L的要求;5mg/L氯投加量可達到GB/T 18920-2002中規定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.當氯投加量為1mg/L時,三鹵甲烷生成量約為10μg/L;而當氯投加量為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后續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紫外線消毒后再進行氯消毒,三鹵甲烷的生成量均稍高于 20mJ/cm2時的情況.統計檢驗表明,這種氯消毒副產物生成量差異并不顯著(one-way ANOVA, p＞0.05).

由于達到相同的滅活效果時,聯合消毒工藝中的氯投加量較小,其副產物生成量低于單獨氯消毒工藝[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.80mJ/cm2紫外線輻照后,氯消毒后三鹵甲烷各組分的組成結構與20mJ/cm2紫外線劑量下的情況相似.紫外線劑量對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、色度等基礎水質指標[19].但也有研究提出,紫外線可能會導致水中可以吸收紫外線的物質發生光化學反應,提高后續氯消毒的副產物生成風險[20].因此,不同劑量紫外線對后續氯消毒副產物生成的影響還有待進一步研究.

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

表2 不同消毒劑量組合對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-氯聯合消毒工藝用于再生水消毒時,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物生成量.當再生水濁度較高時,不宜采用大劑量紫外線照射,此時采用20mJ/cm2紫外線照射和 8mg/L氯消毒的方式可有效達到回用要求.而當消毒進水濁度較低,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,降低氯消毒副產物生成量.

3 結論

3.1 紫外劑量小于10mJ/cm2時,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象,80mJ/cm2紫外線劑量對總大腸菌群、糞大腸菌群對數滅活率分別為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對數滅活率達到約 7.0;而 80mJ/cm2紫外線輻照后再投加3mg/L氯消毒30min可達到相近的滅活率,滿足國家標準GB/T 18920-2002中污水雜用衛生學指標要求.

3.3 聯合工藝氯消毒過程中生成消毒副產物三鹵甲烷.隨著投氯量增加,三鹵甲烷生成量增加.80mJ/cm2紫外線消毒后再進行氯消毒,三鹵甲烷的生成量稍高于20mJ/cm2時的情況.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,吳乾元,黃晶晶,等.再生水水質安全評價與保障原理[M]. 北京:科學出版社, 2011.

[2]張 辰,張 欣,呂東明,等.污水消毒標準及紫外線消毒技術應用 [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行效果研究 [J]. 給水排水, 2012,38(1):126-129.

[5]郭美婷,胡洪營,李 莉,等.污水紫外線消毒工藝的影響因素研究 [J]. 中國環境科學, 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, 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,等.紫外線與氯聯合消毒在飲用水中的應用研究 [J]. 凈水技術, 2010,29(2):15-18.

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

[10]GB/T5750.12-2006 生活飲用水標準檢驗方法微生物指標[S].

[11]GB/T18920-2002 城市污水再生利用城市雜用水水質 [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,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]. 給水排水動態, 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.