污水廠消毒系統的應用研究

吳順勇，尚玉

（合肥通用機械研究院，合肥230000）

污水廠消毒系統的應用研究

吳順勇，尚玉

（合肥通用機械研究院，合肥230000）

污水處理廠常用消毒系統工作原理，對紫外消毒、臭氧、次氯酸鈉系統做工程設計和運行結果分析，結合污水處理廠消毒系統存在的問題，給出優化方案。

污水處理；消毒；優化方案

0 前言

城市生活污水經前端一級、二級生化處理后，污水中的主要污染物能夠顯著降低并達到國家排放標準，然而，出水中的細菌、病原菌仍具有相當規模[1]。根據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中的一級A標準，尾水中糞大腸桿菌群數≤1000個/L。尾水經過消毒工序，病原菌微生物被滅活后，才可以安全地排入水體或循環再用。目前常見的消毒工藝有液氯消毒、二氧化氯消毒、次氯酸鈉消毒、紫外線消毒和臭氧消毒等。基于污水處理尾水消毒的重要性和必要性，很多學者對此做了大量研究工作，王榮生等[2]闡明了液氯消毒的效果以及消毒后脫氯工藝的必要性，提出對于我國城市污水廠消毒工藝的建議。張寶祥等[3]介紹了以二氧化氯作為大型城市污水處理廠出水消毒劑的生產性應用情況，評估了二氧化氯作為污水處理廠出水消毒劑的優勢，以及對出水水質的改善效果。張慧華[4]研究了次氯酸鈉做為污水處理廠消毒工藝時投加量和接觸時間對消毒效果的影響，得出最佳投加量。李東等[5]結合污水處理廠的紫外消毒系統，介紹了在選型時應注意的問題。王祥勇[6]等人對臭氧用于污水消毒的機理、影響因素，并論述了臭氧消毒的持效性和臭氧消毒副產物，為污水回用中臭氧消毒的應用提供參考。

1 消毒方式

（1）紫外消毒。紫外光通過改變細菌、病毒和其他微生物細胞的遺傳物（DNA），使其不再繁殖而達到對水和廢水進行消毒的目的。紫外燈的殺菌速度快、效果好，不改變水的物理性質、化學性質，不增加水的臭味，也不會產生污染。紫外光殺菌波段主要介于200～310 nm的波譜區。微生物被紫外光滅活是由于光化學反應破壞了其體內核酸物質的結果。這一過程有效地阻止了細胞和病毒的繁殖，從而導致細胞的死亡。

（2）液氯。向水中加入液氯時消毒時，在水中反應式為：Cl2+ H2O=HOCl+H++Cl-；OCl-+H2O=HOCl+OH-。HOCl，OCl-稱作有效自由氯，其中以HOCl消毒效果最好。排入水體時，氯會和水中的氨氮、有機氮反應生成消毒效果較差的無機氯胺和有機氯胺，稱作化合氯。總余氯是指有效自由氯和有效化合氯之和。氯的消毒效果受接觸時間、投加量、水質（含氮化合物濃度、SS濃度）、溫度、pH以及控制系統的影響[7]。

（3）二氧化氯。二氧化氯是一種黃綠色氣體，易溶于水，具有與氯相似的刺激性氣味。由于二氧化氯與水中有機物的反應為氧化反應，故其用于飲用水消毒時不與有機物產生三氯甲烷等致癌物質，也不會對口腔粘膜，皮膚產生損傷。二氧化氯是一種強力殺菌消毒劑，其殺菌作用主要是通過滲人細菌細胞內，將核酸（RNA或DNA）氧化，從而阻止細胞的合成代謝，并使細菌死亡。同時二氧化氯的有效含量是氯氣的2.63倍，故其殺菌效果更好。

（4）次氯酸鈉。次氯酸鈉屬于強堿弱酸鹽類，能夠完全溶解于水，分子式為NaOCl。次氯酸鈉殺毒消菌原理主要是水解形成次氯酸和次氯酸根，次氯酸再進一步分解形成氧原子，其具有極強氧化性能夠破壞菌體和病毒的蛋白質等酶系統，水解化學式為NaOCl+H2O→HClO+NaOH；HClO→HCl+[O]。次氯酸再殺菌、殺病毒的過程中，不僅可以作用于細胞壁、病毒外殼，而且因次氯酸分子小，不帶電荷，可滲透入病毒（菌）體內與蛋白、核酸、酶等發生氧化反應，從而殺死病原微生物。

2 污水廠主要消毒系統應用設計

2.1 紫外消毒

項目建設規模：平均處理量20萬噸/d，變化系數1.45。前端工藝為改良型氧化溝+反硝化深床濾池或活性砂濾池，尾端采用紫外線消毒。

（1）紫外消毒系統進水水質。平均流量290 000 m3/d，變化系數1.45，峰值流量12 083.3 m3/h，懸浮物最大值15 mg/L，平均固體顆粒尺寸30 μm，紫外穿透率（@253.7 nm）65%，消毒指標為出水糞大腸桿菌群＜1000個/L。明渠安裝方式。

（2）出水水質。在峰值流量下，紫外透光率≥65%，系統在燈管壽命終點所能實現的有效紫外劑量大于25 000 μWs/cm2，此劑量計算結果經獨立公證實驗室以生物劑量法核實正確。設備正常運行時，經過紫外系統消毒后的污水，糞大腸菌群數≤1000個/L，糞大腸菌群指標能夠達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中的一級A排放標準。

（3）使用設備。紫外消毒系統完整配套，包括紫外燈模塊組（包括紫外燈管、石英套管、電子鎮流器、模塊機架等）、模塊支架、紫外系統控制中心、自動清洗系統、清洗驅動系統及水位控制系統、導流板等全套設備。能完成所有正常消毒運行、監測及控制、所有連接控制柜到模塊間電纜和支架、緊固件等功能。

（4）計算。設備燈管總數（N）540支；總處理流量290 000m3/ d（按峰值流量計201 388.9 L/min），q=201 388.9/N=372.9（Lpm/根）

（5）運行結果分析。對經紫外消毒系統處理后的出水進行為期13天的連續檢測分析，其中水量20萬噸/天。出水大腸桿菌檢測結果如圖1所示，從圖中可以看出，出水大腸桿菌剛開始維持在較低的水平，后來急劇上升，未能達標排放，推斷可能有以下2個原因：①連續檢測期間，進水懸浮物明顯增多，在紫外消毒劑量不變的情況下，出水糞大腸菌群數自然會增多。此外，水中的懸浮物會造成燈管結垢，抑制紫外線的透射，影響消毒效果；②此次連續檢測取水點位于紫外系統出水口10～20 m處，且接觸陽光，一些被紫外線殺傷的微生物在光復活機制下會修復損傷的DNA，使細菌呈指數再生。

圖1 紫外消毒處理后的出水大腸桿菌個數

3 優化方案設計

2.2 次氯酸鈉消毒

（1）工藝概況。加氯系統應用于某污水處理廠深度處理后端再生水處理單元，處理水量10萬噸/天。

（2）使用設備。由次氯酸鈉儲罐系統、次氯酸鈉加藥系統組成，以適用污水廠加氯的整體要求，可控制投加次氯酸鈉溶液定量至各投加點。整套裝置綜合完成次氯酸鈉溶液的制備、投加、輸送至投加點等工序。其中次氯酸鈉儲罐系統包含臥式次氯酸鈉儲罐、防腐磁翻板液位計、卸料泵系統、投加管、控制閥等安全運行所必須的附件。次氯酸鈉加藥系統包含米頓羅計量泵、流量校正柱、Y形過濾器、安全閥、背壓閥、脈動阻尼器、防震隔膜壓力表、電磁流量計、投加管、控制閥等，電氣控制系統等安全運行所必須的附件。

（3）臥式次氯酸鈉儲罐。型式為臥式鋼襯塑儲罐，容積30 m3，儲存介質10%次氯酸鈉溶液，罐體材料為鋼襯塑（鋼罐厚8 mm；內襯聚乙烯16 mm），數量2座。

（4）次氯酸鈉加藥系統。3臺（2用1備）米頓羅計量泵型號GM0240P，工作介質次氯酸鈉溶液，介質溫度為常溫，流量235 L/h，工作壓力0.7 MPa（7BAR），液端材料過流部件PVC，隔膜材料PTFE，進出口連接1/2英寸NPT螺紋接口，電機配置0.37 kW-380 V-50 HZ-3 PH，IP55，F，手動沖程調節及變頻調節。

投加計量泵配置流量校正柱、Y形過濾器、背壓閥、安全閥、脈沖阻尼器、防震隔膜壓力表等附件，以滿足投加系統需要，確保投加系統的安全可靠。投加泵將次氯酸溶液投加液經管路輸送至各個投加點。

（5）運行結果分析

對經次氯酸鈉系統處理后的出水進行為期13天的連續檢測分析，水量10萬噸/d。出水大腸桿菌檢測結果如圖2所示，從圖中可以看出，隨著時間的推移，出水大腸桿菌數量急劇下降，并穩定保持在臨界水平。

圖2 次氯酸鈉消毒處理后的出水大腸桿菌個數

對某規模為10萬噸/天的污水處理廠消毒系統進行優化設計，采用紫外消毒系統和次氯酸鈉相結合的消毒方式，使整個消毒過程無有毒副產物產生，同時能夠解決單獨使用紫外消毒無持續殺菌的能力，保證系統的穩定運行。

3.1 概況

平均流量Q=10萬m3/d，總變化系數1.30，高峰流量Qmax= 5417 m3/h，出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準中大腸桿菌≤1000個/L。

3.2 系統介紹

經反硝化深床濾池處理后的污水，先經過次氯酸鈉接觸池（次氯酸鈉溶液儲存在儲罐中，經過計量泵投加至接觸池），再經過紫外消毒系統，出水達標排放。工藝流程見圖3。

3.3 紫外消毒系統

配置2套紫外線消毒模塊，功率45 kW，紫外線消毒系統安裝在2條明渠中，整個系統的包括紫外燈模塊、紫外線燈管、系統控制中心、UV探測系統、UV配電中心以及水位控制器等。

圖3 污水廠消毒工藝系統流程

3.4 次氯酸鈉消毒系統

（1）次氯酸鈉消毒劑儲罐。儲罐采用鋼板內襯丁基橡膠材料制造，為成套設備，含人孔、快速接口、透氣管、液位計等安全運行必需的設備組件。罐直徑1800 mm；有效容積5 m3；數量1套。

（2）隔膜計量泵機組。機組內含2臺隔膜計量泵、連接管路和閥門系統及不銹鋼泵安裝平臺，并配有手動流量調節裝置。總流量0～200 L/h，揚程0.7 MPa（7 bar），單臺功率，0.55 kW，數量1套（2臺）。

4 結論

從以上工程實例應用及運行結果可以看出，紫外消毒系統雖具有高效性、廣譜性、無二次污染、運行可靠安全、運行維護費用低、可連續大水量消毒等特點，但大腸桿菌在光復活機制下具有自我修復的能力，使得出水不能長久有效的達標排放，造成資源的浪費和環境污染。次氯酸鈉投加系統具有初始投資小、運營成本低、操作方便、易于維護以及不會產生有毒有害物質的等特點，但是消毒效果不及二氧化氯以及液氯。基于對污水廠消毒的安全性以及高效性考慮，建議使用紫外消毒系統與次氯酸鈉消毒相結合的消毒方式，減少消毒系統占地面積，提高在運行維護過程中的安全性以及出水大腸桿菌的穩定達標。此外，此類消毒方式尤其適用于地埋式污水處理廠等土地面積有限的污水消毒系統，具有廣泛的社會效益和環境效益。

［1］陳婉如，李益洪，周兆濃，等.污水處理廠出水消毒方式的探討[J].廣東工業大學學報，2006，23（3）：36-39.

［2］王榮生，黃翔峰.城市污水廠尾水氯消毒及其余氯控制技術[J].廣州環境科學，2003，18（4）8-11.

［3］張寶祥，趙曦.二氧化氯對污水廠出水的消毒及綜合影響研究[J].中國給水排水，2009，25（23）：69-71.

［4］張慧華.污水處理廠利用次氯酸鈉消毒實驗研究[J].廣東化工，2012，12（39）：118-119.

［5］李東，張春敏.北碚污水處理廠的紫外消毒系統[J].中國給水排水，2003，19（1）：68-69.

［6］王祥勇，王榮生，阮久麗.污水和再生水臭氧消毒的研究和應用[J].水處理技術，2010，36（4）：19-23.

［7］ManarK．Fayyad，AhmadM．A1一Sheikh．DeterminationofNChloramines in As—Samra Chlorinated Wastewater and Their Efect on the Disinfection Process．Water Resea rch．2001，35（5）：1304～1310

〔編輯李波〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.50