庞宇辰,席劲瑛,胡洪营,*,吴乾元,卢 如,3,江 瑞 (.清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 0008；.清华大学深圳研究生院,国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室,广东深圳 58055；3.中国市政工程西北设计研究院北京分院,北京 00037；.中国地质大学,北京 00083)

污水再生利用作为有效缓解我国水资源短缺的重要方式,具有广阔的应用前景.污水经过必要的处理,达到相应标准后,就成为能够满足回用要求的再生水.在污水再生和利用过程中,消毒作为杀灭水中有害微生物的必要措施,对于保障再生水利用的生物安全性至关重要[1].

紫外线消毒与氯消毒是再生水消毒过程中常用的消毒工艺[2-4].在实际应用中发现,紫外线消毒在水质较差时存在消毒曲线拖尾现象[5],消毒后部分细菌易复活,对某些病毒灭活效率低.而氯消毒则存在易生成有害消毒副产物、对某些病原虫灭活效率低等问题.有研究表明[6-8],紫外线-氯联合消毒工艺,能够结合紫外线消毒和氯消毒各自优点,从而发挥协同效应,提高对病原微生物的灭活效果.

本研究以二级处理出水作为消毒对象,比较了紫外线-氯联合消毒和单一紫外线消毒对指示微生物的灭活效果,考察了紫外线-氯联合消毒工艺的三卤甲烷生成情况,为紫外线-氯联合消毒工艺性能评价提供了依据.

1 材料与方法

1.1 水样

待消毒的水样采集自北京市某污水处理厂二沉池出水,该污水厂采用A2O工艺.进行消毒试验前,对水样的紫外线透射率(UVT)、pH 值、NH3-N、TOC、浊度及色度等指标进行了测定.消毒前水样的主要指标如表1所示.

表1 消毒前水样的主要指标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质较好,除粪大肠菌群数外,氨氮、浊度、pH等水质指标均达到了《城市污水再生利用 景观环境用水水质》[9](GB/T18921-2002)标准.水样中的总大肠菌群和粪大肠菌群平均值分别为4.8×103CFU/mL及 1.6×102CFU/mL,其中粪大肠菌群数超过了GB/T 18921-2002标准规定的104CFU/L,经消毒后可为景观用水再生利用.

1.2 消毒系统构建

本研究搭建的消毒系统如图 1所示.二沉池出水经泵提升进入蓄水池,再经泵的提升连续进入紫外线消毒反应器,经紫外消毒后进入氯消毒单元,实现联合消毒.

紫外线反应器(型号 MP13A,美国 Atlantic Ultraviolet公司)主要参数如下:反应器长 23cm,直径 11cm,紫外灯套管直径 2.1cm,反应器体积1734mL.氯消毒单元采用间歇实验装置,体积1000mL.

图1 消毒系统示意Fig.1 Diagram of the disinfection system

1.3 消毒实验设计

1.3.1 单一紫外线消毒实验 二沉池出水连续进入紫外线反应器接受辐照.通过调节进水流量控制紫外线剂量,在0～80mJ/cm2剂量范围考察单一紫外线消毒对总大肠菌群和粪大肠菌群的灭活情况.

1.3.2 紫外线-氯联合消毒试验 氯消毒试验水样取自紫外消毒系统出水.分别取 1000mL经过20mJ/cm2及80mJ/cm2紫外线消毒后水样置于预先灭菌的氯消毒装置中,投加一定浓度 NaClO溶液进行氯消毒试验,使消毒体系中有效氯浓度范围为 1～8mg Cl2/L.氯消毒接触时间为 30min,采用 Na2S2O3溶液作为氯消毒终止剂.消毒后测定总大肠菌群数量及三卤甲烷生成情况.

1.4 分析方法

水样紫外线透过率采用日本岛津公司UV-2401PC紫外可见分光光度仪检测;pH值采用瑞士Mettler Toledo公司SG78便携式pH仪检测;NH3-N采用意大利Hanna公司HI 96175氨氮测试仪检测;TOC采用日本岛津公司 TOC仪检测;浊度采用美国 Orion公司的便携式浊度检测仪 AQ4500检测;色度检测采用上海昕瑞公司的SD9012A色度仪检测.

总大肠菌群和粪大肠菌群均采用国标方法

[10](GB/T5750.12-2006)规定的滤膜法测定.三卤甲烷采用美国环保署(USEPA)推荐方法(EPA Method 501.3)测定,具体测定指标包括三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷及三溴甲烷.

次氯酸钠溶液浓度及水中余氯采用意大利Hanna公司的余氯测定仪(型号HI93711)测定.该测定仪的测试原理为水中余氯与N,N-二乙基对苯二胺反应生成淡粉红色物质,通过测定 515nm吸光度计算得到水中余氯浓度.当添加碘化物催化时,可使化合余氯与试剂反应,测得总余氯;无碘化物时,测得自由余氯.总余氯减去自由余氯,得到化合余氯.

2 结果与讨论

2.1 单一紫外线消毒工艺效果

图 2(a)表明,水样经 80mJ/cm2紫外消毒后,出水中总大肠菌群数依然无法达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》[11](GB/T18920-2002)的相关标准(总大肠菌群＜3CFU/L),因此有必要联合其他消毒措施.

图 2(b)表明,紫外线对粪大肠菌群灭活率随着剂量增大而提高.但是,当紫外线剂量大于10mJ/cm2后,灭活曲线出现了明显的拖尾现象,即虽然紫外线剂量提高很多,但是灭活率增加并不多.经紫外线消毒处理后,粪大肠菌群对数灭活率最大约为4.0;总大肠菌群对数灭活率约为2.5.

研究表明[12],5mJ/cm2紫外线剂量即可使PBS缓冲液中的大肠杆菌(典型肠道细菌)达到约 4.0对数灭活率,显著高于本研究在同一剂量下获得的灭活率.这可能是由于实际污水中浊度的增加会导致有效紫外线辐照剂量的下降[13-14].拖尾现象是紫外线灭活中的常见现象,其可能的原因包括:细菌聚团、部分细菌具有消毒抗性基因[15-16]、悬浮物裹藏细菌等.

图2 单一紫外线消毒对总大肠菌群、粪大肠菌群的灭活效果Fig.2 Inactivation of total coliforms and fecal coliforms by UV irradiation

2.2 紫外线-氯联合消毒工艺效果

图 3(a)表明,经过 20mJ/cm2紫外线辐照及8mg/L氯接触30min后,水样中可检测到的总大肠菌群数达到 GB/T18920-2002的相关要求.当紫外线消毒剂量为 80mJ/cm2时,3mg/L氯接触30min也可使出水中总大肠菌群数达到 GB/T18920-2002[11]要求.

图 3(b)表明,20mJ/cm2紫外线辐照及 8mg/L氯接触 30min,总大肠菌群的总对数灭活率达到7.0(其中20mJ/cm2紫外线消毒达到3.0,氯消毒达到4.0).

研究表明,8mJ/cm2紫外线消毒后接 1.5mg/L氯消毒可有效灭活大肠杆菌DH5α并使其7d内无明显复活[17].Wang等[18]的研究同样证实,紫外线后加氯消毒可有效解决高浊度污水紫外线消毒的拖尾现象,达到较大的微生物灭活率.可见,紫外线-氯联合消毒工艺可以满足对微生物灭活的更高要求,是保障出水生物安全的可靠选择之一.

图3 紫外线-氯联合消毒对总大肠菌群的去除Fig.3 Inactivation of total coliforms by combination of UV irradiation and chlorination

2.3 余氯浓度

由图4可知,氯投加量为1mg/L时,无自由余氯存在.随着氯投加量的增加,自由余氯、化合余氯和总余氯都显著增加.此外,紫外线辐照剂量对联合消毒后的余氯值影响不大.

氯消毒后水样中余氯的持续存在,对抑制细菌的复活具有重要作用,也是保障再生水输配、利用过程中生物安全的必要措施.图 4的结果表明,1mg/L氯投加量可达到 GB/T18921-2002中规定消毒后余氯浓度≥0.05mg/L的要求;5mg/L氯投加量可达到GB/T 18920-2002中规定30min接触消毒后余氯浓度≥1mg/L的要求.

图4 紫外线-氯消毒联合工艺后余氯浓度Fig.4 Residual chlorine after combination of UV irradiation and chlorination

2.4 三卤甲烷生成情况

由图5可知,随着氯投加量增加,三卤甲烷生成总量增加.当氯投加量为1mg/L时,三卤甲烷生成量约为10μg/L;而当氯投加量为8mg/L,三卤甲烷生成量增加至约55μg/L.值得注意的是,不同剂量紫外线消毒对后续氯消毒三卤甲烷生成量有一定影响.除氯投加量为1mg/L外,80mJ/cm2紫外线消毒后再进行氯消毒,三卤甲烷的生成量均稍高于 20mJ/cm2时的情况.统计检验表明,这种氯消毒副产物生成量差异并不显著(one-way ANOVA, p＞0.05).

由于达到相同的灭活效果时,联合消毒工艺中的氯投加量较小,其副产物生成量低于单独氯消毒工艺[6,8,18].

由表2可知,三卤甲烷不同组分中,三氯甲烷比例最高,占 75～95%,其次是二氯一溴甲烷.各组分浓度随氯投加量增加均有增加趋势.80mJ/cm2紫外线辐照后,氯消毒后三卤甲烷各组分的组成结构与20mJ/cm2紫外线剂量下的情况相似.紫外线剂量对三卤甲烷组成的影响不显著.研究表明,200mJ/cm2以下的紫外线剂量并不能改变水样的pH、浊度、DOC、UVT、色度等基础水质指标[19].但也有研究提出,紫外线可能会导致水中可以吸收紫外线的物质发生光化学反应,提高后续氯消毒的副产物生成风险[20].因此,不同剂量紫外线对后续氯消毒副产物生成的影响还有待进一步研究.

图5 不同紫外线-氯组合剂量消毒后三卤甲烷生成规律Fig.5 Formation of trihalomethanes under different UV irradiation- chlorination doses

表2 不同消毒剂量组合对三卤甲烷组成的影响Table 2 Compositions of trihalomethanes under different UV irradiation- chlorination doses

2.5 讨论

紫外线-氯联合消毒工艺用于再生水消毒时,不但能够有效提高微生物灭活率,而且可有效减少消毒副产物生成量.当再生水浊度较高时,不宜采用大剂量紫外线照射,此时采用20mJ/cm2紫外线照射和 8mg/L氯消毒的方式可有效达到回用要求.而当消毒进水浊度较低,可利用高剂量(如80mJ/cm2)紫外线消毒灭活绝大多数微生物;后投加小剂量的氯(3mg/L)将少部分抗紫外线微生物灭活,降低氯消毒副产物生成量.

3 结论

3.1 紫外剂量小于10mJ/cm2时,总大肠菌群、粪大肠菌群灭活率随紫外剂量的增大显著提高.单一紫外线消毒在10mJ/cm2以上剂量存在拖尾现象,80mJ/cm2紫外线剂量对总大肠菌群、粪大肠菌群对数灭活率分别为2.5、4.0.

3.2 20mJ/cm2紫外线辐照后再投加 8mg/L氯消毒30min可使总大肠菌群累计对数灭活率达到约 7.0;而 80mJ/cm2紫外线辐照后再投加3mg/L氯消毒30min可达到相近的灭活率,满足国家标准GB/T 18920-2002中污水杂用卫生学指标要求.

3.3 联合工艺氯消毒过程中生成消毒副产物三卤甲烷.随着投氯量增加,三卤甲烷生成量增加.80mJ/cm2紫外线消毒后再进行氯消毒,三卤甲烷的生成量稍高于20mJ/cm2时的情况.三卤甲烷组分中,三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷、三溴甲烷比例逐渐降低.

[1]胡洪营,吴乾元,黄晶晶,等.再生水水质安全评价与保障原理[M]. 北京:科学出版社, 2011.

[2]张 辰,张 欣,吕东明,等.污水消毒标准及紫外线消毒技术应用 [J]. 给水排水, 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,张金松,安 瑞,等.某污水处理厂紫外线消毒运行效果研究 [J]. 给水排水, 2012,38(1):126-129.

[5]郭美婷,胡洪营,李 莉,等.污水紫外线消毒工艺的影响因素研究 [J]. 中国环境科学, 2007,27(4):534-538.

[6]杨 川,王晓羽,王 丹,等.再生水紫外-氯组合消毒与单一氯消毒比较分析 [J]. 供水技术, 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]赖日明,罗永恒,叶挺进,等.紫外线与氯联合消毒在饮用水中的应用研究 [J]. 净水技术, 2010,29(2):15-18.

[9]GB/T18921-2002 城市污水再生利用景观环境用水水质 [S].

[10]GB/T5750.12-2006 生活饮用水标准检验方法微生物指标[S].

[11]GB/T18920-2002 城市污水再生利用城市杂用水水质 [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]胡洪营,庞宇辰,黄晶晶,等.再生水紫外线消毒影响因素及控制措施 [J]. 给水排水动态, 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.