污水消毒系統(tǒng)比較與消毒副產(chǎn)物

污水消毒系統(tǒng)比較與消毒副產(chǎn)物分析摘要：污水消毒的必要性及標(biāo)準(zhǔn)水消毒技術(shù)在給水處理中的應(yīng)用已有100多年的歷史,但在污水處理中的應(yīng)用時(shí)間卻不長(zhǎng),而我國(guó)更是才剛剛起步。

關(guān)鍵字：污水消毒系統(tǒng)消毒副產(chǎn)物分析1、污水消毒的必要性及標(biāo)準(zhǔn)水消毒技術(shù)在給水處理中的應(yīng)用已有100多年的歷史,但在污水處理中的應(yīng)用時(shí)間卻不長(zhǎng),而我國(guó)更是才剛剛起步。城市污水經(jīng)過(guò)二級(jí)處理后,水質(zhì)已經(jīng)改善,細(xì)菌含量也大幅度減少,但細(xì)菌的絕對(duì)值仍很高,并存在有病原菌的可能,這就要求對(duì)污水進(jìn)行消毒處理，因此,必須對(duì)污水進(jìn)行消毒，分析比較了紫外線消毒、氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒技術(shù)的消毒原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。為了保護(hù)人類的生命健康,保護(hù)好水環(huán)境,世界許多國(guó)家和地區(qū)(北美、歐盟、日本、韓國(guó)、臺(tái)灣等)都要求對(duì)城市污水在排放前進(jìn)行消毒處理。我國(guó)在2002年底頒布的GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中首次將微生物指標(biāo)列為基本控制指標(biāo),要求城市污水必須進(jìn)行消毒處理,從而使污水處理標(biāo)準(zhǔn)的病原微生物指標(biāo)與國(guó)際接軌。許多國(guó)家和地區(qū)在對(duì)城市污水要求消毒的同時(shí),也制定了相應(yīng)的消毒指標(biāo)[1]。詳見(jiàn)表1。表1部分國(guó)家和地區(qū)污水消毒指標(biāo)國(guó)家或地區(qū)指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家和地區(qū)指標(biāo)值指標(biāo)美國(guó)環(huán)保局(EPPA)糞大腸菌群數(shù):≤≤200個(gè)100mmL二級(jí)生化處理后的的出水歐盟糞大腸菌群數(shù):≤≤2000個(gè)100mmL浴場(chǎng)水指導(dǎo)準(zhǔn)則日本指針總大腸菌群數(shù):≤≤1000個(gè)mL水污染環(huán)境質(zhì)量標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)—二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),漁業(yè)一級(jí)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)糞大腸菌群數(shù):≤≤1000個(gè)L一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)A類標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)(GB18918--2002))糞大腸菌群數(shù)≤110000個(gè)L一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)B類、二二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)2、常見(jiàn)污水消毒技術(shù)比較消毒方法大體上可分為物理方法和化學(xué)方法。物理方法主要利用加熱、冷凍、輻照等方法對(duì)微生物的遺傳物質(zhì)核酸的破壞而達(dá)到消毒的目的,在工程中常用的物理消毒方法主要有紫外線消毒法等;化學(xué)方法是利用消毒劑的強(qiáng)氧化性來(lái)破壞微生物的結(jié)構(gòu)而達(dá)到消毒的目的,在工程中常用的化學(xué)消毒方法有氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒等。上述幾種污水消毒技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件見(jiàn)2[2]。表2污水消毒方式優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件消毒技術(shù)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用條件紫外線消毒1消毒速度快,效效率高2不影響水的的物理和化學(xué)學(xué)成分3模塊化設(shè)備備操作簡(jiǎn)單,便于管理,易于實(shí)現(xiàn)自自動(dòng)化1電耗較大2在國(guó)國(guó)內(nèi)采用不多多,對(duì)其技術(shù)的的了解具有一一定的局限性性1低質(zhì)污水、常規(guī)二二級(jí)生化處理理后的污水、合合流管道溢流流廢水和再生生水2大、中、小小型污水處理理廠液氯消毒1效果可靠,成本本較低2投配設(shè)備簡(jiǎn)簡(jiǎn)單,投量準(zhǔn)確1易產(chǎn)生“三致”物物質(zhì)2氯化形成的的余氯及某些些含氯化合物物對(duì)水生物有有毒害1常規(guī)二級(jí)生化處理理后的污水、再再生水2大、中、小小型污水處理理廠二氧化氯消毒1具有較好的消毒效效果2不會(huì)產(chǎn)生“三致”物質(zhì)1不能儲(chǔ)存,現(xiàn)制制現(xiàn)用2制取設(shè)備復(fù)復(fù)雜,成本較高1常規(guī)二級(jí)生化處理理后的污水、再再生水2中、小型污污水處理廠臭氧消毒1消毒效率高2不不產(chǎn)生難處理理的或生物積積累性殘余物物1投資大,成本高高2設(shè)備管理復(fù)復(fù)雜1常規(guī)二級(jí)生化處理理后的污水、再再生水2小型污水處處理廠污水消毒應(yīng)根據(jù)污水處理廠的規(guī)模、處理后的水質(zhì)、排入的水體要求、運(yùn)營(yíng)成本等因素綜合考慮,選擇安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、有效的消毒方式。3、污水消毒的發(fā)展方向3、1污水消毒的發(fā)展趨勢(shì)由于化學(xué)消毒方法是向水中投加了消毒劑,會(huì)產(chǎn)生或多或少的消毒副產(chǎn)物,易造成二次污染;而采用物理消毒方法的紫外消毒技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物,具有廣譜殺菌能力,無(wú)二次污染,經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,已經(jīng)成為成熟、可靠、高效、環(huán)保的消毒技術(shù),在國(guó)外各個(gè)領(lǐng)域特別在各類城市污水(包括低質(zhì)污水、常規(guī)二級(jí)生化處理后的污水、合流管道溢流廢水和再生水)的消毒處理中得到了廣泛的運(yùn)用。在我國(guó)由于對(duì)其技術(shù)的了解有一定的局限性,在污水處理中的應(yīng)用不多;進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著對(duì)污水消毒的日益重視和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累,紫外線消毒技術(shù)將得到推廣,并將成為取代傳統(tǒng)化學(xué)消毒方法的主流技術(shù)。3、2液氯消毒氯化消毒自1980年問(wèn)世以來(lái),在殺滅水中微生物,防止水介疾病的傳染方面,發(fā)揮了重大作用。隨著水污染的日益加劇,治水所需的消毒劑越來(lái)越多。氯作為消毒劑使用的同時(shí),也有其副作用。氯在氧化去除或降解有機(jī)物的同時(shí),會(huì)通過(guò)取代反應(yīng)與有機(jī)物結(jié)合生成鹵代有機(jī)物。這些鹵代有機(jī)物經(jīng)過(guò)動(dòng)物試驗(yàn)證明是有致突變或致癌活性的。氯的加注量越高,加注點(diǎn)越在前面,產(chǎn)生的鹵代有機(jī)物也越多,副作用也越大。20世紀(jì)70年代,氯化消毒副產(chǎn)物相繼在自來(lái)水中被檢出,氯化消毒工藝的地位開(kāi)始受到挑戰(zhàn)。為避免氯消毒產(chǎn)生具有致癌作用的鹵代有機(jī)物,目前的解決途徑:一是設(shè)法降低水中形成鹵代有機(jī)物前體;二是采用其他非氯消毒劑如二氧化碳、臭氧、紫外線等消毒;三是去除氯消毒后水中形成的鹵代有機(jī)物?？偟膩?lái)說(shuō),如何合理選擇消毒劑,提高供水水質(zhì),保障人民身體健康,是給水工程面臨的一大重要課題。自Rook1974年在氯消毒后的飲用水中檢出三氯甲烷以來(lái),對(duì)飲用水氯化消毒副產(chǎn)物的研究已成為國(guó)際給水界特別是美國(guó)研究的重點(diǎn)課題。在國(guó)內(nèi)岳舜林等人用氣相色譜色質(zhì)聯(lián)機(jī)對(duì)某水廠的原水及自來(lái)水進(jìn)行了加氯后水中有機(jī)副產(chǎn)物的測(cè)定研究,結(jié)果表明,水中增加了22種氯化消毒副產(chǎn)物。這些氯化消毒副產(chǎn)物是指飲用水消毒過(guò)程中產(chǎn)生的鹵代化合物,其分類如下。3、2、1無(wú)機(jī)副產(chǎn)物研究表明，氯化消毒過(guò)程中產(chǎn)生的最主要無(wú)機(jī)物質(zhì)是氯胺,包括次氯酸與氨反應(yīng)生成的一氯胺、二氯胺、三氯胺或三氯化氮及其他產(chǎn)物,這些無(wú)機(jī)副產(chǎn)物對(duì)人體健康都不會(huì)產(chǎn)生危害。3、2、2有機(jī)副產(chǎn)物氯是一種很活潑的氧化物,它在水中與很多有機(jī)物起化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生不同種類的氯化碳?xì)浠衔?。到目前為?用氣相色譜/質(zhì)譜技術(shù),在氯消毒飲用水中已檢出超過(guò)500種的消毒副產(chǎn)物。三氯甲烷和鹵乙酸由于其強(qiáng)致癌性已成為控制的主要目標(biāo),而且也分別代表了揮發(fā)性和非揮發(fā)性的兩類消毒副產(chǎn)物。3、2、3揮發(fā)性消毒副產(chǎn)物飲用水中檢測(cè)到三鹵甲烷類消毒副產(chǎn)物共有4種,即三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷和三溴甲烷。實(shí)驗(yàn)表明三氯甲烷的各組分具有明顯的致突變作用,且存在良好的劑量反應(yīng)關(guān)系。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證實(shí)三氯甲烷可引起雄性大鼠的腎臟腫瘤,雌性大鼠的肝臟腫瘤。三溴甲烷也被證實(shí)具有致癌性。大量流行病學(xué)調(diào)查表明,長(zhǎng)期飲用氯消毒的飲用水,死于消化和泌尿系統(tǒng)的癌癥的危險(xiǎn)性增加,并和其他癌癥的死亡率存在著統(tǒng)計(jì)學(xué)的關(guān)系。目前三鹵甲烷類消毒副產(chǎn)物已成為多數(shù)國(guó)家和組織的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的控制指標(biāo)。3、2、4非揮發(fā)性消毒副產(chǎn)物20世紀(jì)80年代中期以來(lái),飲用水氯消毒中產(chǎn)生的另一類非揮發(fā)性消毒副產(chǎn)物鹵乙酸已引起美國(guó)環(huán)保局的高度重視。3、3二氧化氯消毒二氧化氯是一種廣譜性消毒劑,通過(guò)滲入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi),將核酸氧化,從而阻止細(xì)胞的合成代謝,并使細(xì)菌死亡。由于二氧化氯與水中有機(jī)物的反應(yīng)為氧化反應(yīng),故用于水消毒時(shí)不形成有機(jī)鹵代物，但會(huì)產(chǎn)生酮、醛或羰基類的物質(zhì),有些被聯(lián)合國(guó)衛(wèi)生組織認(rèn)定為可疑致癌物。二氧化氯在水中幾乎100%以分子狀態(tài)存在,所以極易透過(guò)細(xì)胞膜,殺菌效果明顯高于液氯。二氧化氯由亞氯酸鈉和氯反應(yīng)而成。由于二氧化氯制造成本高且不能貯存,只有在原水污染嚴(yán)重,才用二氧化氯消毒。3、3、1二氧化氯消毒消毒危害3、3、1、1二氧化氯有機(jī)副產(chǎn)物的形成二氧化氯消毒雖然不會(huì)產(chǎn)生THMs、HAAs等鹵代致癌物,但作為一種強(qiáng)氧化劑參與氧化反應(yīng)同樣有個(gè)副產(chǎn)物的問(wèn)題。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),它的副產(chǎn)物應(yīng)包括兩部分:一部分是被其氧化而生成的有機(jī)副產(chǎn)物;另一部分是本身被還原而生成的無(wú)機(jī)副產(chǎn)物。對(duì)于有機(jī)副產(chǎn)物來(lái)說(shuō),到目前為止,僅有少數(shù)的有機(jī)副產(chǎn)物做過(guò)研究,大部分的有機(jī)副產(chǎn)物的毒理學(xué)意義尚未弄清。需明確的一點(diǎn)是:只有含有活性官能團(tuán)(功能基)或還原性氫的有機(jī)物才能被二氧化氯氧化。作為一種強(qiáng)氧化劑,我們可以推斷:類似羥基、醛基、酚基等含氧的官能團(tuán),根據(jù)它們的位置和投加的二氧化氯的劑量,大多數(shù)被氧化成酮、醛或羰基類的物質(zhì)。近來(lái)發(fā)現(xiàn),在二氧化氯消毒后的水體中曾檢出乙醛、乙二醛。這兩種物質(zhì)已被聯(lián)合國(guó)衛(wèi)生組織認(rèn)定為可疑致癌物。醛類物質(zhì)的形成筆者認(rèn)為有兩個(gè)原因:一是在有機(jī)胺和氨基酸的氧化脫胺反應(yīng)中形成的;二是投加的二氧化氯的劑量不足引起的?？偟膩?lái)說(shuō),二氧化氯消毒的有機(jī)副產(chǎn)物的種類和數(shù)量與水體的水質(zhì)情況、pH值條件和二氧化氯的投加量密切相關(guān)。3、3、1、2二氧化氯無(wú)機(jī)副產(chǎn)物的形成二氧化氯的無(wú)機(jī)副產(chǎn)物是由于自身被還原而產(chǎn)生的,主要包括亞氯酸根和氯酸根。在水處理中幾乎有70%左右的二氧化氯立即被還原成亞氯酸根,其余的以氯離子形式存在。氯酸根又是如何產(chǎn)生的呢?我們必須認(rèn)真考慮這個(gè)問(wèn)題。因?yàn)橹挥斜M可能的弄清這些副產(chǎn)物的來(lái)源,我們才有可能從源頭上考慮盡量減少它們的含量。在水體中,亞氯酸根和氯酸根量的大小與發(fā)生器所采用的原料以及原料的濃度、反應(yīng)工藝、所產(chǎn)出的二氧化氯的純度都密切相關(guān)。分述如下:對(duì)于采用和氯氣或亞氯酸鈉、次氯酸鈉和鹽酸的混合物反應(yīng)工藝的,反應(yīng)式如下:Cl2+ClO-2→2ClO2+2Cl-(1)2ClO-2+HClO→2ClO2+Cl-+OH-(2)反應(yīng)可能涉及中間體Cl2O2的形成。Cl2+ClO-2→[Cl2O2]+Cl-(3)2[Cl2O2]→2ClO2+Cl-(4)或[Cl2O2]+ClO-2→2ClO2+Cl-(5)若兩種反應(yīng)物均以較高的濃度,且氯氣稍過(guò)量(約過(guò)量10%),中間體可迅速形成,并通過(guò)反應(yīng)(3)和(4)不斷循環(huán),最終主要生成二氧化氯,二氧化氯純度可達(dá)95%以上。氯氣稍過(guò)量,使得原料亞氯酸鈉完全反應(yīng),產(chǎn)物為二氧化氯和Cl-。也就是說(shuō),水中的亞氯酸根是由產(chǎn)物二氧化氯在水中的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化來(lái)的。在這種情況下并無(wú)ClO-3離子生成。如果氯氣大大過(guò)量(理論用量的200%～300%)或兩種反應(yīng)物以較低濃度進(jìn)行反應(yīng),就可能有一定程度的ClO-3副產(chǎn)物生成,反應(yīng)式如下:[Cl2O2]+H2O→ClO-3+Cl-+2H+(6)[Cl2O2]+HClO→ClO-3+Cl2+H+(7)或2ClO-2+Cl2+OH-→ClO-3+H++Cl-(8)這種情況下,水體中除了由二氧化氯氧化得到的亞氯酸根外,還有一定量的ClO-3。對(duì)于采用氯酸鈉和鹽酸為原料的反應(yīng)工藝(國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)的二氧化氯發(fā)生器都采用此種工藝),反應(yīng)式如下:2NaClO3+4HCl→2ClO2+Cl2+2H2O+2NaCl(9)由于此反應(yīng)的理論轉(zhuǎn)化率并不高,且同時(shí)還有氯氣生成。這意味著有大量未反應(yīng)的ClO-3直接進(jìn)入水體。因此,水體中除了有ClO-2外,還有較多的ClO-3存在。不論采取何種反應(yīng)工藝,如果產(chǎn)物中二氧化氯的純度較高(氯氣的比例<5%),二氧化氯消毒的無(wú)機(jī)副產(chǎn)物基本上是亞氯酸根,不存在氯酸根。如果二氧化氯的純度不高,氯氣占有相當(dāng)大的比例,則二氧化氯消毒的無(wú)機(jī)副產(chǎn)物包括亞氯酸根和氯酸根。3、4紫外線消毒3、4、1紫外線消毒工藝流程及應(yīng)用特點(diǎn)紫外線消毒工藝流程如圖1所示,污水通過(guò)照射池時(shí),污水中的各種微生物在紫外光作用下滅活,達(dá)到消毒目的。照射池一般采用明渠,污水層深度一般在065～10m之間;紫外光光源由若干獨(dú)立的紫外燈模塊組成的系統(tǒng)發(fā)出,紫外燈模塊浸入污水層中;水流靠重力流動(dòng)通過(guò)照射區(qū)域,不需要泵、管道以及閥門(mén);這種消毒方式簡(jiǎn)稱為模塊化明渠式消毒系統(tǒng)。采用該系統(tǒng),可對(duì)單個(gè)模塊進(jìn)行維護(hù),且紫外燈模塊可輕易地從明渠中直接取出進(jìn)行維護(hù)檢修,維護(hù)時(shí)系統(tǒng)無(wú)需停機(jī),可繼續(xù)消毒,因而無(wú)需備用設(shè)備。如果需要對(duì)明渠進(jìn)行清理也很方便,大大降低了紫外線污水消毒的成本并使得系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單方便。同時(shí)當(dāng)污水處理廠在擴(kuò)建或改造時(shí),只需適當(dāng)增加紫外燈模塊的數(shù)量,而無(wú)需添購(gòu)整套系統(tǒng),可以節(jié)省設(shè)備投資,使用起來(lái)非常靈活。由于紫外光須照透污水層才能起消毒作用,污水中的懸浮物、濁度等會(huì)干擾紫外光的傳播,影響消毒效果,故紫外線消毒一般用于低質(zhì)污水、常規(guī)二級(jí)生化處理后的污水、合流管道溢流廢水以及再生水的消毒。低質(zhì)污水的消毒,即只經(jīng)過(guò)一級(jí)處理或一級(jí)強(qiáng)化處理的污水,其特點(diǎn)是高TSS(50～150mg/L)和低紫外穿透率(5%～25%),這類污水如果使用化學(xué)消毒工藝,將會(huì)產(chǎn)生大量的三致副產(chǎn)物,采用紫外線消毒可以避免產(chǎn)生上述消毒副產(chǎn)物。常規(guī)二級(jí)生化處理后的污水消毒,是紫外線消毒應(yīng)用最為普遍的領(lǐng)域,這類污水TSS一般在10～30mg/L、紫外穿透率在40%～70%。合流管道溢流污水用紫外線消毒,不僅消毒效果好,而且比加氯消毒在劑量控制上更為可靠和容易,這類污水的特點(diǎn)是水質(zhì)可以在短時(shí)間內(nèi)有很大幅度的變化,例如TSS可在10～100mg/L間,紫外穿透率可在5%～70%間變化。再生水的消毒,是紫外線污水消毒的另一個(gè)重要應(yīng)用范圍,再生水表現(xiàn)為低濁度和高紫外穿透率,采用紫外線消毒效果明顯。紫外線消毒的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)致病微生物有廣譜消毒效果、消毒效率高對(duì)隱孢子蟲(chóng)、賈第蟲(chóng)卵囊有效消毒作用不產(chǎn)生有毒、有害副產(chǎn)物不增加AOC、BOOC等損害管網(wǎng)水質(zhì)生物穩(wěn)定性的副產(chǎn)物能降低嗅味和降解微量有機(jī)污染物占地面積小、停留時(shí)間短消毒效果受水溫、PH影響小表3紫外線殺菌技術(shù)對(duì)常見(jiàn)細(xì)菌病毒的殺菌效率（紫外線輻射強(qiáng)度30，00uj/cm2）種類名稱100%殺滅所需需