CN112777820A - 一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，包括以下步骤：(1)往预处理后的污水厂二沉池出水中加入次氯酸盐消毒剂，搅拌均匀，得到初步处理污水；(2)对初步处理污水进行紫外照射处理；(3)再继续往步骤(2)中经紫外照射处理后的污水中加入次氯酸盐消毒剂，混匀反应，即完成。与现有技术相比，本发明的方法无需复杂冗长的操作过程，通过改变常规次氯酸钠消毒和紫外消毒工艺的组合顺序，即可实现微生物灭活效率提升并有效削减DBPs生成量。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，涉及一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法。
背景技术
近年来，废水排放量的增加对饮用水供应构成严重威胁，由于经过处理的废水中存在各种与氯反应活性高的物质，如有机碳、有机氮和溴化物等，可在氯化时生成各种DBPs，所以污水处理变得尤为重要。目前国内外对于污水消毒的处理方法主要有紫外消毒、自由氯消毒、臭氧消毒、联合消毒等。污水处理中常用的消毒方式是自由氯消毒，其具有使用方便、杀菌效果好、价格低廉等优点。但自由氯消毒在有效控制微生物量的同时会增加消毒副产物(DBPs)生成风险。如三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)、卤乙腈(HANs)、卤代硝基甲烷(HNMs)、亚硝胺类(NMs)等。众所周知，大部分的消毒副产物具有潜在致癌、致畸、致突变性，其中各类含氮消毒副产物(N-DBPs)，如卤乙腈(HANs)、卤代硝基甲烷(HNMs)和亚硝胺类(NAms)等，作为高致毒性新兴DBPs，近年来备受关注。在污水厂消毒后出水中，尽管产生的N-DBPs浓度比常规DPBs(例如THMs和HAAs)低，但却具有更高更强的细胞毒性和基因毒性。如，Muellner等人(Environ.Sci.Technol.,2007,41,645-651)研究证实二氯乙腈(DCAN)不仅具有强基因毒性，且其细胞毒性也比三氯甲烷(CF)高2个数量级；Wagner等(Wagner E D,Osiol J,Mitch W A et al.Environ.Sci.Technol.,2014,48,8203-8211)研究发现N-DBPs中的二甲基亚硝胺(NDMA)具有潜在的致癌性，并且会使人慢性中毒后死亡。
为了降低生成消毒副产物的风险，紫外消毒技术以其高效、广谱性好、无消毒副产物等优势逐渐成为物理消毒技术的代表。然而，受水力停留时间制约，实际工程应用中紫外接触时间往往很短暂，紫外辐照剂量较低(实际工程中通常仅有几十mJ/cm2)，难以有效杀灭水中治病微生物。此外，仅仅使用紫外消毒之后会让微生物后续产生不同程度的光复活与暗复活，继而导致大量细菌等病原微生物再生。目前，城市污水中存在着种类繁多、数量巨大的病原微生物，包括细菌、病毒、寄生虫和原生动物等。其中粪便污染是城市污水中病原微生物的主要来源，在污水中用作粪便污染指标的大肠杆菌通常被认为是非致病性的，但是某些菌株可能具有致病性。城市污水中不仅包含致病微生物，还包括一定数量的病毒，目前已经在生活污水中发现了150多种肠道病毒，这些病毒通常会导致肠胃炎，心肌炎，结膜炎，肝炎，呼吸道疾病等传染病。
基于此，有学者研究发现用紫外线和氯进行顺序消毒相结合，可以有效减少废水中使用两种单独消毒剂测试时的大肠杆菌和铜绿假单胞菌的数量。然而当前常用的“先紫外后氯”和“先氯后紫外”顺序组合工艺在污水消毒过程中均存在一定缺陷。由于当前污水消毒通常不设置单独的氯接触池，导致氯消毒剂的接触反应时间短暂。当采用“先紫外后氯”消毒时，一旦前端紫外剂量不足，后续投加的高剂量氯消毒剂来不及接触反应便被排入受纳水体，存在较高的杀菌不彻底风险，且大量消毒剂直接排入水体，将对水生态环境产生不利影响；而当采用“先氯后紫外”时，尽管氯消毒接触时间增加，但投加的高剂量自由氯消毒剂在后续紫外光照下会加速消耗并产生活性氯自由基，不仅氯耗较大，而且活性氯自由基与有机物反应会增加卤代DBPs的生成风险。因此，如何将两种消毒技术合理组合应用，是保障杀菌灭活效果和降低DBPs生成风险的关键。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，为污水厂出水消毒提供应用技术。本发明通过氯-紫外-氯顺序消毒实现协同控制二沉池出水中微生物和DBPs生成风险。该方法简单实用，容易实现工程应用。
本发明在不额外增加其他工艺且不增加药剂投加量的前提下，通过调整次氯酸钠投加点位并控制合理剂量和反应时间，有效提升了次氯酸钠消毒剂的杀菌灭活利用率，避免了过多氯耗和活性氯自由基的产生，降低了DBPs生成风险，同时也减轻了大量消毒剂排入受纳水体后对生态环境的不利影响。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，包括以下步骤：
(1)往预处理后的污水厂二沉池出水中加入次氯酸盐消毒剂，搅拌均匀，得到初步处理污水；
(2)对初步处理污水进行紫外照射处理；
(3)再继续往步骤(2)中经紫外照射处理后的污水中加入次氯酸盐消毒剂，混匀反应，即完成。
进一步的，步骤(1)中，预处理具体为：将污水厂二沉池出水调节pH至5-9。
进一步的，步骤(1)中，次氯酸盐消毒剂的投加量为1-6mg/L，以Cl2计，该投加量的确定在保证消毒效果的同时，不至于后续紫外照射下产生过多活性氯自由基从而导致DBPs增高；搅拌均匀的时间为5-10s，该时间的控制可确保足够的次氯酸钠与后续紫外充分接触，借助该过程中产生的部分强氧化性羟基自由基，增强杀菌灭活效果，同时5-10s的短暂接触时间也不会增加额外的接触池或延长输水管道，最大限度节约建筑改造成本。
进一步的，步骤(2)中，紫外照射的处理过程具体为：采用波长254nm的低压紫外汞灯，紫外辐照剂量控制为20-100mJ/cm2，照射时间控制为2-5min，此剂量和接触时间的控制目的是在保证杀菌灭活效果的同时，不增加过多紫外灯管和水力停留时间，最大限度节约设备和能源成本。
进一步的，步骤(3)中，次氯酸盐消毒剂的投加量为1-6mg/L，以Cl2计，该剂量的限定充分考虑前两步已实现的杀菌灭活效果和DBPs风险，通过补充适当的次氯酸钠消毒剂，进一步提升杀菌灭活效果，同时避免过量消毒剂对受纳水体造成环境危害以及过多DBPs生成。
进一步的，步骤(3)中，搅拌均匀的时间为5-10s。
进一步的，步骤(3)中，接触反应的时间为2-5min。
上述搅拌和接触反应时间的确定，可在不增加氯反应接触池或延长管道的同时，最大限度保证次氯酸钠投加后到排入受纳水体之前二次加氯的杀菌灭活效能。
进一步的，所述的次氯酸盐消毒剂为次氯酸钠。
进一步的，步骤(1)和步骤(3)中，投加的次氯酸盐消毒剂的总量为2-8mg/L，以Cl2计。
进一步的，步骤(1)至步骤(3)中，所有反应的总时间不超过10min。
上述总次氯酸钠投加量及总反应时间的限定，是在充分保证杀菌灭活效果和降低DBPs生成的前提下，不额外增加过多水厂的药剂、设备和构筑物改建费用投入，节约成本。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明操作简单、反应条件容易控制，所使用的化学试剂和材料均为污水厂消毒出水处理用常规产品，未引入其它有毒有害物质，其安全性尤为突出。
2)本发明所用次氯酸钠投加量低，水力停留时间短，药剂、能源动力和水厂改建成本低廉。
3)本发明仅通过调整传统污水处理厂现有的紫外和氯消毒顺序和工艺参数，即可实现微生物灭活效率提升，同时降低消毒副产物生成风险，改善出水水质安全。
附图说明
图1五种不同消毒工艺对二沉池出水粪大肠菌群灭活效果
图2为污水厂二沉池出水分别在单独氯化、紫外、氯-紫外、紫外-氯、氯-紫外-氯联合工艺后生成DBPs潜能分布图。
图3为氯-紫外-氯工艺下不同pH对生成DBPs潜能分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域为实现对应功能的常规试剂或原料。
实施例1：
取某污水厂二沉池出水，控制反应温度为25℃，pH为7.0，分别置于单独氯化消毒、紫外消毒、氯-紫外消毒、紫外-氯消毒、氯-紫外-氯消毒等5种消毒方式下，各消毒方式的具体工艺过程如下：
(1)单独氯化消毒：向水样中投加5mg/L(以Cl2计，下同)的次氯酸钠消毒剂并混匀，反应时间为10min。
(2)单独紫外消毒：将水样置于254nm的低压紫外汞灯下进行紫外照射，控制紫外辐照剂量为50mJ/cm2、反应时间为10min。
(3)氯-紫外顺序消毒：向水样中投加5mg/L的次氯酸钠消毒剂，搅拌10s后迅速采用波长为254nm的低压紫外汞灯进行紫外照射，控制紫外辐照剂量为50mJ/cm2、反应时间为10min。
(4)紫外-氯顺序消毒：先采用波长为254nm的低压紫外汞灯对水样进行紫外照射，控制紫外剂量为50mJ/cm2，控制反应时间为5min左右，结束后迅速加入5mg/L的自由氯消毒剂搅拌均匀，控制反应时间为5min左右。
(5)氯-紫外-氯顺序消毒：向溶液中投加2mg/L的自由氯消毒剂，搅拌10s后迅速采用波长为254nm的低压紫外汞灯进行紫外照射，控制紫外辐照剂量为50mJ/cm2，通过调整光强控制反应时间为5min左右，结束后迅速加入3mg/L的自由氯(即次氯酸钠)并搅拌均匀，控制总次氯酸钠投加量为5mg/L，控制反应时间为5min左右。
待上述反应结束后取反应液测定粪大肠菌群数量，得到粪大肠菌群灭活效果如图1所示。
结论：由图1可知，单独氯化消毒对粪大肠菌群灭活率最低，反应10min后去除率仅有1.5Log，紫外消毒对粪大肠菌群灭活效果优于单独氯化消毒，灭活率为2.0Log。当前该污水厂采用的氯-紫外消毒灭活效果比单独氯化和单独紫外有进一步提升，灭活率可达2.5Log。当调整次氯酸钠和紫外工艺顺序时，即采用紫外-氯和氯-紫外-氯两种组合式消毒方式，粪大肠菌群灭活率可提升至4.2Log水平(未检出，消毒效果彻底)，远高于目前水厂采用的氯-紫外消毒方式。
实施例2：
取某污水厂二沉池出水，控制反应温度为25℃，pH为7.0，分别置于单独氯化消毒、紫外消毒、氯-紫外消毒、紫外-氯消毒、氯-紫外-氯消毒等5种消毒方式下。
(1)单独氯化消毒：向水样中投加5mg/L的次氯酸钠消毒剂并混匀，反应时间为10min。
(2)单独紫外消毒：将水样置于254nm的低压紫外汞灯下进行紫外照射，控制紫外辐照剂量为50mJ/cm2、反应时间为10min。
(3)氯-紫外顺序消毒：向水样中投加5mg/L的次氯酸钠消毒剂，搅拌10s后迅速采用波长为254nm的低压紫外汞灯进行紫外照射，控制紫外辐照剂量为50mJ/cm2、反应时间为10min。
(4)紫外-氯顺序消毒：先采用波长为254nm的低压紫外汞灯对水样进行紫外照射，控制紫外剂量为50mJ/cm2，控制反应时间为5min，结束后迅速加入5mg/L的自由氯消毒剂搅拌均匀，控制反应时间为5min。
(5)氯-紫外-氯顺序消毒：向溶液中投加2mg/L的自由氯消毒剂，搅拌10s后迅速采用波长为254nm的低压紫外汞灯进行紫外照射，控制紫外辐照剂量为50mJ/cm2，通过调整光强控制反应时间为5min，结束后迅速加入3mg/L的自由氯并搅拌均匀，控制总次氯酸钠投加量为5mg/L，控制反应时间为5min。
待上述反应结束后取反应后溶液10mL，用气相色谱分析五种不同顺序消毒方式中DBPs的生成情况如图2所示。
结论：从图2可以看出在五种不同顺序的消毒方式中，除紫外消毒不产生DBPs以外，其余四种消毒方式均检测到DBPs生成，包括5种常规含碳消毒副产物(三氯甲烷、一溴二氯甲烷和二溴一氯甲烷)和1种新兴含氮消毒副产物(二氯乙腈)。单独氯化消毒过程中DBPs产生量最高，常规含碳消毒副产物总量为21μg/L，新兴含氮消毒副产物二氯乙腈生成量为1.17μg/L；氯-紫外方式较单独氯化而言，常规含碳副产物生成量略有降低，为18.8μg/L，而二氯乙腈生成量基本不变；而当调整次氯酸钠和紫外投加顺序时，常规含碳消毒副产物浓度进一步降低，而二氯乙腈浓度降低最为显著，仅有单独氯化消毒和氯-紫外消毒方式的50％左右，其中又以氯-紫外-氯产生的浓度为最低。综合来说，相对于单独氯化工艺，氯-紫外组合工艺、紫外-氯组合工艺、氯-紫外-氯组合工艺生成的DBPs分别减少了10.81％、15.80％、19.60％，其中含氮消毒副产物分别降低了4.85％、44.00％、47.47％。
综上所述，氯-紫外-氯组合工艺在控制污水厂消毒中DBPs生成方面具有明显优势。
实施例3：
取某污水厂二沉池出水，控制温度为25℃，pH为7.0，打开紫外辐射器预热半小时之后稳定紫外光强为50mJ/cm2并用小体积的浓硫酸和氢氧化钠调节溶液的pH为5.0，6.0，7.0，8.0，9.0后进行氯-紫外-氯消毒试验。向溶液中投加2mg/L的自由氯消毒剂，搅拌均匀，10s后将溶液置于培养皿中放入紫外辐射区中进行紫外照射，搅拌均匀，控制光强为50mJ/cm2，控制反应时间为5min，结束后迅速加入3mg/L的自由氯消毒剂搅拌均匀，控制反应时间为5min。反应结束后用气相色谱分析DBPs种类和浓度，不同pH下氯-紫外-氯工艺中DBPs的生成情况如图3所示。
结论：从图3看出氯-紫外-氯消毒工艺中，中性和碱性条件更有利于常规含碳消毒副产物的产生，而中性条件下二氯乙腈生成量最大，酸性和碱性条件下，高毒性二氯乙腈生成量明显减少。因此，可考虑在酸性条件下采用氯-紫外-氯消毒，可较大程度削减DBPs产生。
实施例4：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，控制紫外照射的处理过程为：采用波长254nm的低压紫外汞灯，紫外辐照剂量控制为20mJ/cm2，照射时间控制为5min。
实施例5：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，控制紫外照射的处理过程为：采用波长254nm的低压紫外汞灯，紫外辐照剂量控制为100mJ/cm2，照射时间控制为2min。
实施例6：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，控制第一次和第二次的次氯酸盐消毒剂的投加量均为1mg/L，以Cl2计。
实施例7：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，控制第一次次氯酸盐消毒剂的投加量为2mg/L，以Cl2计，另外，两次次氯酸盐消毒剂的投加量为8mg/L，以Cl2计。
实施例8：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，控制紫外照射的反应时间为2min，第二次加入次氯酸钠后的反应时间为3min。
实施例9：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，控制紫外照射的反应时间为3min，第二次加入次氯酸钠后的反应时间为2min。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)往预处理后的污水厂二沉池出水中加入次氯酸盐消毒剂，搅拌均匀，得到初步处理污水；
(2)对初步处理污水进行紫外照射处理；
(3)再继续往步骤(2)中经紫外照射处理后的污水中加入次氯酸盐消毒剂，混匀反应，即完成。
2.根据权利要求1所述的一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，其特征在于，步骤(1)中，预处理具体为：将污水厂二沉池出水调节pH至5-9。
3.根据权利要求1所述的一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，其特征在于，步骤(1)中，次氯酸盐消毒剂的投加量为1-6mg/L，以Cl2计；
搅拌均匀的时间为5-10s。
4.根据权利要求1所述的一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，其特征在于，步骤(2)中，紫外照射的处理过程具体为：采用波长254nm的低压紫外汞灯，紫外辐照剂量控制为20-100mJ/cm2，照射时间控制为2-5min。
5.根据权利要求1所述的一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，其特征在于，步骤(3)中，次氯酸盐消毒剂的投加量为1-6mg/L，以Cl2计。
6.根据权利要求1所述的一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，其特征在于，步骤(3)中，搅拌均匀的时间为5-10s。
7.根据权利要求1所述的一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，其特征在于，步骤(3)中，反应的时间为2-5min。
8.根据权利要求1所述的一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，其特征在于，所述的次氯酸盐消毒剂为次氯酸钠。
9.根据权利要求1所述的一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(3)中，投加的次氯酸盐消毒剂的总量为2-8mg/L，以Cl2计。
10.根据权利要求1所述的一种协同控制污水处理厂出水微生物和消毒副产物的方法，其特征在于，步骤(1)至步骤(3)中，所有反应的总时间不超过10min。
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