污水消毒技术评述

北方环境，第30卷第2期NORTH ENVIRONMENT2005年4月污水消毒技术评述屈计宁',贾磊',陈洪斌(1.2.3同济大学环境科学与工程学院，上海20092)[摘要]污水消毒技术已经有 了一个多世纪的发展,而水资源短缺和水质标准的提高使得人们对污水消毒技术的要求更加严格。传统加氯消毒虽然技术成熟.应用广泛,但由于产生有毒消毒副产物,正逐渐被其他消毒工艺替代，这种趋势在国外尤为明显。本文就目前使用的污水消毒工艺的原理.特点和常用参数作了介绍.同时对目前研究较多的新技术作简要概述,为我国污水消毒技术的改进提供借鉴。[关键词]氯消毒 紫外光 电化学消毒 副产物Review of Sewage Disinfection TechnologyQu Jining' ,Jia Lei2 ,Chen Hongbin'(1. 2.3School of Environnental Science and Engineering, Tongi University ,No. 1239. ,Siping R. D ,Shanghai ,00092)Abetact : The disfection tchnologies of sewage have developed for more than one century. The shortage of waler resource and improved require-ment of waler quality make the dsisfection of treated scwage much sticter. Though being ripe tchologicall and used exensivly, the taditional chlorin-ation disnfction is being gradully substituted by other dsnfection crafts because of its toxic disfction byproducts. This trend is particularly obvious 8broad. This text makes a review of main sewage dinfection crafts and their principles, characteisties, and an introduction of some new technologes thatare focused on by researchers, in order to ofer some reference for the improvement of disinfetion tchnologies of our countty.Keywords : Chlorination Disinfection Ultraviolet ectrochemical Disinfection Byproduct在给水处理和污水处理中,消毒都是必须的操作单元，物(DBPs)。这种作用在20世纪70年代就被发现和研究。其目的是去除水体病菌、微生物，降低水传播疾病的风险。DBPs 被认为有致癌作用且在较低的浓度(小于0. lmg/L)就污水消毒技术随着人们对水质要求的提高而不断发展，目会对环境产生危害(2]。另外,氯化消毒使水中小分子有机物前,污水消毒方法主要有以下几类:化学药剂消毒法,物理方的种类与浓度有明显的增加,水的致突变活性显著升高;产法,光化学方法和电化学方法。采用何种消毒方法,要考虑生多种非卤代有机物,如酮类与酯类有机物,对人类和水生到具体的水质情况,水的用途,水处理工艺,环境效应以及经生物会产生长期毒性影响”。济因素。为了消除出水余氯的毒性影响,北美地区要求氯消毒出1化学药剂消毒方法水必须进行脱氯处理。美国许多污水处理厂安装了脱氯设污水处理中应用的化学消毒剂主要有卤素消毒剂(包括施[4)。典型的脱氯工艺是在出水中添加过量的含硫还原性氯气、次氯酸盐氯胺、二氧化氯)、臭氧和过氧乙酸。除了本药剂(亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、硫代硫酸钠、焦亚硫酸钠)。常身的化学性质外,化学消毒剂的杀菌能力还与水质情况有关。用的几种脱氯剂比较见表1。目前,脱氯剂主要使用的是亚硫酸氢钠。脱氯处理降低1.1 氯消自20世纪40年代起,氯化消毒就是使用最为广泛的污了氯化出水的毒性,但某些残留氯化物仍然超过了EPA的水消毒方法,在预防水传播疾病方面起着主要的作用。我国规定,同时还增加了水体的盐度消耗了溶解氧,增加了20%在20世纪80年代建设的城市污水厂,大都建有加氯消毒设到30%的消毒费用刊。氯法消毒由于其技术上的成熟性,至今仍是使用最为广施,包括加氯机、氯库混合接触池等川。.往水中投加氯或次氯酸盐(如NaCl0等),一般会生成泛的消毒方法。次氯酸( HCIO)和盐酸( HCl)。在反应产物中，HCI0.CI0是1.2 二氧化氯消毒二氧化氯最早用于造纸与纺织等工业中的漂白脱色处杀菌消毒的有效成分,两者之和称作有效自由氯,其中以理,到1850年,二氧化氯在欧洲用于消除水的臭味,直到20HCl0消毒效果最好。HCl0是体积很小的中性分子,能扩散世纪40年代，对二氧化氯的消毒作用才开始有了较为全面到带有负电荷的细菌表面,具有较强的渗透力,能穿透细胞的研究。壁进入细菌内部。氯对细菌的作用是破坏其酶系统,导致细中国煤化工菌死亡。而氯对病毒的作用,主要是对核酸破坏的致死性作用。[收稿日期MHCNMH G氯法消毒,是一种使用固定传送系统的常规技术,处理[作者简们屈计了(1965-),女现就职丁上海市环境保护局,副教费用低,有一定的余氯存在,具有持续的消毒能力,技术方法授,研究方向为水污染控制工程。成熟。通常,对生活污水来说,典型的加氯量为5 ~ 20mg/L,[国家“863”项目]上海城市水环境质量改善技术与综合示范接触时间为30~60分钟。氯化消毒会产生有毒的消毒副产(200AA601020)的子课题. 55.第30卷第2期屈计宁等.污水消毒技术评述2005年4月二氧化氯是有效的杀菌剂,具有快速灭活细菌的能力。等) ,但在碱性条件下,会发生岐化反应生成氯酸盐(CI0*)许多研究都表明二氧化氯在广泛的pH条件下对细菌和病毒和亚氯酸盐( CIO2- ) ,这两种化合物在动物体内累计,会产生的杀灭效果要好与氯。通常二氧化氯的浓度在2 ~ 5mg/L，过氧化氢,把 血红朊氧化成没有颜色的正铁血红朊，造成溶接触时间在5 ~ 15分钟就可以达到良好的消毒效果(2。另.血性的贫血,危害生物健康”]。外二氧化氯氧化能力较强,能够氧化破坏染料的发色基团和二氧化氯用于城市污水消毒,成本较高,目前在国内用助色基团达到脱色效果,也能有效地氧化硫醇、硫醚和其他于医院污水处理较多。另外,采用二氧化氯和氯复合消毒城无机硫化物以及仲胺和叔胺类霉臭物质,迅速消除水体及空市污水也有报道,其优点是减少了消毒副产物、增加了持续气中的臭味6]。消毒能力等。有关于这方面的研究,还有待继续。二氧化氯用于消毒,不易产生氯化副产物(如三氯甲烷表1几种常用的脱氯剂的比较'1]每去除一份脱氯剂反应方程式氧需要的药应用情况剂量二氧化硫二氧化硫气体有毒,使用中应在美国作 为主要的脱SO2 +Cl2 +H20== +2HCl + H2SO,(SO2)注意危险氯剂得到应用亚硫酸钠Na,SO, +Cl2+ H20= =2HCl+ Na2SO, .1.77脱氯后过量的药剂排入水体(Na2S03)后,消耗溶解氧,造成水体缺在美国应用于生产亚硫酸氢钠NaHSO3 +Ch+ H2=- =*O2HCl + NaHSO,1.46氧(NaHSO3)硫代硫酸钠Na2S2O, + 4C2 + 5H2O 8HC +0.56Na2S2O3●5H20比Ne2S2O3在温哥华地区广 泛使(Na2S20,)2NaHSO,在水中溶解更快,较为便宜用活性碳C+2Cl2 +2H20= 4HCl+ CO20.085工艺造价昂贵，仅在出水要求医院污水消毒采用很高时使用1.3 臭氧消毒前为止较少。1893年,臭氧消毒首先在荷兰被应用于水处理。随后，1.4 过氧乙酸(PAA)消毒法国和德国也建设了利用臭氧消毒的水厂,1975年在美国首PAA的杀菌性质最先由Freer和Nory在1902 年发现，先用于污水消毒。在我国,臭氧水处理技术首先应用于废水Hutchings 和Xezones在1949年证明了PAA在23种消毒剂处理,主要用于胶片、石油化工印染等废水处理及传染病院中对杆状细菌的杀灭最为有效(00。 由于PAA对细菌和病毒的污水杀菌。有良好的消毒效果,自20世纪80年代开始,对PAA应用于臭氧在水处理中的作用主要是杀菌消毒、除色、除臭味污水消毒的研究越来越重视。和氧化有机物。臭氧氧化作用强,反应速度快,不仅能有效经过研究发现,PAA是一种强氧化剂和消毒剂,其氧化杀灭细菌、病毒,而且对抗药性很强贾第鞭毛虫病、似隐孢菌电位要比氯和二氧化氯大得多,能有效杀灭细菌、病毒、真素等原生寄生虫也有很好的效果。通常,对于城市污水二级菌、孢子,是污水处理有效的消毒剂。用PAA消毒易于实和三级处理出水,臭氧消毒剂量通常在几个mg/L,对一-级处施 ,不需要昂贵的设备,具有广谱的杀菌效果"。目前,对理,则可能需要十几mg/L2。臭氧用于城市污水二级处理于PAA杀菌消毒的机理研究还比较有限,有人认为其消毒出水的消毒时,在水中大肠杆茵的数量超过107个/L的情况机理_与其他过氧化物和氧化物的消毒机理相似,都是通过释下,在消毒接触反应时间10min时可以达到99.9%的去除放活性氧来达到消毒 目的12)。微生物蛋白质、酶和其他代率间。另外,臭氧消毒也增加了水中的溶解氧,同时解决了谢产物中的巯基被PAA氧化,细胞质外脂蛋白膜的化学渗色、臭、味的问题。透作用被破坏,甚至细胞壁被破坏。另外,进人细胞内部的臭氧在水中的分解速度很快,不易贮存,通常是在现场PAA也会氧化某些微生物必须的酶,这样,细胞重要的生化制取、使用。目前，主要采用无声放电法生产臭氧。臭氧消反应中国煤化工胞内外物质的转移平衡毒受pH值、水温及水中氨量的影响较小,但当水中存在溴化都被YHE亡。通常,PAA对微生物和碘化物的时候,会产生溴酸盐和碘酸盐的消毒副产物。物消C.NMH G病毒>细菌孢子>原生其中，当溴酸盐浓度大于50 ug/L时,对人体有害0°。动物孢囊0]。臭氧消毒技术在欧洲广泛的用于给水消毒,但由于在生PAA消毒过的水中没有发现含卤素的消毒副产物( DB-产、操作、维护等方面的问题,在城市污水消毒中的应用到目Pa)。 这是PAA与其他典型的化学消毒剂液氯次氯酸钠、， 56方数据第30卷第2期屈计宁等●污水消毒技术评述2005年4月二氧化氯和臭氧)相比,最为重要的优势之- _[川]。 到目前为区,大多采用了紫外线消毒[8)。止,关于PAA产生有毒消毒副产物的报道很少。一般认为,紫外线消毒机理主要是紫外辐射导致的光化学反应对PAA所产生的消毒副产物类别和数量要远远小于氯气和臭微生物有致死作用。在紫外线的辐射下,微生物细胞内的核氧。糖核酸( RNA)和脱氧核糖核酸( DNA)吸收高能量的短波紫PAA可以在广泛的温度范围内进行杀菌消毒,杀菌效果外辐射,发生核酸突变,阻止其复制转录,破坏了微生物蛋随水温的升高而提高。水体pH值越低, PAA消毒效果越白质的合成实现杀菌消毒。影响紫外线消毒的因素,主要好"4。PAA也受总悬浮物量(TSS)和生化需氧量( BOD)的可归结为两个方面:一是紫外线剂量(紫外光强度与接触时影响。研究发现,减少水体中TSS和BOD都有助于提高.间的乘积) ,这是影响消毒效果的直接因素,紫外剂量越大,PAA的消毒效率[5.16)。消毒越好。当然,考虑到工程应用,紫外剂量有一定的限值,到目前为止,在污水处理中应用PAA进行消毒最大的否则不能经济有效杀灭微生物。二是处理水的水质、水量参缺点是成本太高,这主要是由于PAA没有大规模生产而造数。影响紫外线消毒的水质参数主要有紫外线穿透率成的。在欧洲, 12% PAA溶液的成本约为每加仑3美元,大(UVT)、总悬浮物(TS)、颗粒物的尺寸分布(PSD)以及水力约为次氯酸钠的4倍[0] ,较高的成本,限制了PAA的使用。负荷。一般来说, UVT越低,消毒效果越差;TSS越高,颗粒2物理消毒方法吸收而分散掉的紫外能量越多,消毒效果越差;PSD影响紫物理消毒方法主要是通过过滤(砂滤或者膜过滤)对微外线的消毒效率,当颗粒物粒径超过某一临界值时,紫外剂生物截留而达到消毒的目的,通常和其他消毒方法配合使用量随着污水中颗粒物粒径的增加而增加;水力负荷如果突然增大,紫外线与水接触时间变短,出水水质较平时差,杀菌率以提高去除效率。法国美国对微滤、超滤技术在污水消毒和去处胶体、大无法保证(9]。分子有机物的作用作了较多的研究。由于处理后水质很好，紫外线消毒无需添加化学药品,不存在外来化学药品与膜过滤在澳大利亚、日本和美国被用于地表水回灌、生活污水中化合物相互作用的问题。根据目前的文献报道.还没有水回用以及工业污水回用等方面。污水经膜过滤后细菌不.发现紫外线(特别是在253. 7nm处)在消毒过程中会产生足会再生,也没有有毒消毒副产物的问题(2]。超滤消毒技术也够量的对人体有害的物质(2]。成功的和生物膜反应器混合使用,这项技术的好处在于可以目前,世界范围内使用较多的是敞开渠式紫外消毒方法使用圆柱型低压或者中压汞灯。很多二级和三级城市污.在紧凑的单元里完成污水回用处理。膜过滤是一种高效的污水消毒方法,处理水质好,可以水处理消毒数据表明紫外辐射剂量在30 ~45mw●s/cm2 对满足非常严格的污水回用要求,主要的缺点是费用相对较粪便大肠杆菌和粪便链球菌就有很好的杀灭效果。但一级高,浓水仍需处理,设备难以大型化,目前,主要用于工业废处理(包括化学强化-级处理)出水需要更高的紫外线剂量2]。水处理和污水回用。用紫外线消毒的投资成本比氯气消毒要低得多,这主要3光化学消毒光化学消毒是通过由光辐射导致的光化学反应来进行，是因为土建投资低。但随着处理水量的增大,这种差别逐渐目前常用的是紫外线消毒。紫外线是非可见光,通常将波长缩小。紫外线消毒的运行费用主要为电费、维修费用包括更在200nm以上的光都称为紫外线。根据不同的波长范围还换灯管、镇流器、灯套管的费用及清洗液费用、人工费等。运可细分为UVA(315 ~ 400nm) ,UVB(280 ~ 315nm) ,UVC(200行费用约为年总费用的50%。对于低压灯管,能耗费用大约~ 280nm)。 其中UVC最易被核糖核酸吸收,因此,紫外线消是运行费用的15~20%。污水紫外线消毒的运行、维护成本要比氯消毒低[)。毒使用的就是UVC。紫外线消毒技术由于具有不对水体产生污染、操作系统紫外线消毒有着悠久的历史。1910 年法国的Cemovde~安全投资运营成本低以及杀菌效率高等优点,在西方国家ow和Henvi首次将紫外线用于饮用水消毒。1970 年,美国已成为给排水领域的主要消毒技术。近年来,我国对紫外线环境保护署(EPA)完成了第一个污水紫外线消毒的示范工消毒应中国煤化工工程上的应用还较程。此后在美国加拿大等北美国家,应用紫外线消毒法处少,有较CNM H G_理污水开始普及”]。由于采用紫外线消毒具有不需投加任常用巧水用每力法仅个起价几我相常用参数见表2和何化学药剂不改变水的成分和结构,消毒时间短、杀菌范围表3。宽效果好的优点,国际上一些对细菌排放有严格要求的地●57●第30卷第2期屈计宁等.污水消毒技术评述2005年4月表2主要污水消毒方 法技术经济比较[2]特征氯化/脱氯U臭氧微滤超據安全性+++++细菌去除率病毒去除率原生动物去除率(对似隐孢菌素分析)细菌再生残留物毒性副产物运行费用投资费用.+注:“-"无;"+"低;"+ +"中等;"+ + +”高。表3二级处理 出水消毒常用设计参数(21出水水质I < 102 FC100mL每10L水中不得检消毒工艺出水水质I < 10*TC/100mL <2 x 10'FC/100mL出肠道病毒氯化24(3 -8)mg/L;30min10(8 -15)m/L;30 - 60min35(25 -40)mW. s/cm265(50 - 100)mW. s/cm25(3 - 10)mg/L;10min7(5 - 10)mg/L;10min50(40 - 80)L/h . m2 ,20C ,反冲洗2次/h。不能完全去除肠道病毒超滤20公时,50(40 - 60)L/h. m2 ,反冲洗2次/h注:1.设计参数很大程度上依赖于出水水质要求。2.一般值(最小值-最大值)。4电化学消毒电化学消毒是- -种较新的消毒 方法,具有广泛的杀菌能化学消毒的效果是很好的,与其他消毒方法的比较见表4。力,对水藻、细菌等有着很好的去处效果。许多研究表明,电同生物、化学和物理等废水消毒处理法相比,电化学消化学消毒是一种环境友好的、经济可行的消毒方式,因此越毒方法具有以下优点:①能耗低,费用少,在盐度3%、流量.来越受到人们的重视(2。111. 6L/h(停留时间5.0s)、杀菌率达到99. 464%时,处理每对于电化学消毒机理,目前尚不清楚,但普遍认为主要立方米水所需的电量仅为0.003度。在盐度为0、流量为56.有以下几种作用:①电化学过程产生氧化剂(氯气、臭氧、羟.3L/h(停留时间10. 0s)、杀菌率达到90%时,处理每立方米基自由基等)将细菌氧化致死;②外加电场对细菌细胞膜的水所需的电量仅为0.0107度。②能使废水中多种微生物一不可逆滲透作用对细菌的代谢功能产生破坏;③细菌曝露在次性去除,不需投加药剂和易于实现自动化。③处理装置紧电流中或者受到电场作用,重要的细胞组织受到化学氧化凑、5牛面积少,操作维护简单，(细胞膜的电击穿现象、细胞的电灼烧现象等)破坏2)。不需中国煤化工保证安全性2。其中,根据电子扫描显微镜镜检的结果,经电化学消毒反应TYHC N M H G极、电流密度以及停留后的大肠杆菌细胞在形态上和结构上与经Fenton试剂消毒时间等(2。研究表明,涂有贵金属或其氧化物的金属板电后的细胞相似，且都与氯化消毒不同,因此,很可能是电化学极效果较好;随电流密度的增大和停留时间的延长,杀菌效过程中产生的自由基起消毒的主要作用'21。试验表明,电率逐渐提高2.20.51。5另方 数据第30卷第2期屈计宁等●污水消毒技术评述2005年4月表4不同消毒方法的实验条件和灭菌率'll消毒方法测试条件灭菌率(%)电化学消毒16mA/cm2 ,2min 25mA/cm2 ,0. Smin99.98 100氯化消毒5mg/L.30min 5m/L.60min99.94 99.98臭氟消毒10mg/L,25min 10mg/L,5min99.9 100 .8. 5mg/L H202 ,0. 85mg/L Fe2+ ,pH 4 ,10min99.4Fenton试剂消毒8. 5mg/L H202 ,0. 85mg/L Fe2+ ,pH 4 ,30min99.8目前,已有不少关于电化学杀菌的研究报道和实际用[1]Baldry MCC, French MS. Aetivity of peractie acid against sewage例,但至今都没有得到推广应用,原因是作用机理和适用范indi - catororganisms. Water Sei Technol,1989a(21). 1747 - 1749围仍不清楚,应用中存在效果不稳定等问题[25),因此,大规[12]Liberti L. Notamicola M. Advanced treatment and dsfection for mu模的应用还需要进一-步的研究。- nicipal wastereuse in egiculure. Water Sci. Technol,1999(40). 235 -2455结束语[13]Monarca s. Richardson SD. Fereti D. et al. Mutagenicity and disin随着水质标准的不断严格,对污水消毒的要求也越来越fection by - products in surface drinkingwater disnleted with per-高。消毒工艺不仅要满足杀死病原菌的要求,也要保证消毒acetic acid. Envion. Toricol. Chem ,002(21).309 -318后污水对受纳水体微生物不产生危害。目前,传统消毒方法[14] Colgan s. Gehr R. Disnfection. Waler Environ. Technol, 2001在我国污水处理中仍占据主导地位,但对其他消毒方法的研(13).29 -33究与应用也已经取得很大进展,其中，紫外线消毒优点突出，[15]Cehr R. Cochrane D. French M. Perncetie acid as a disfectant for有替代化学消毒的趋势。另外,随着天然水资源的短缺,回munic -palastewaters. encounging performance results from phys-icochem - icales well as biologieal efluents. Proc. of the US water用污水已逐步成为一种稳定的再生水资源。合适的消毒技environmenfederation disinfection conferenc术为回用水的安全性提供了保证,是污水回用处理中相当重[16]Stampi s. De Luca C. Zanettit F. Evaluation of the eficiencey of per-要的一环。acetic acid in the disfection of sewage efluents. J Appl Microbiol,2001(91). 833 -838参考文献[1]羊寿生.张辰.城市污水处理厂设计中热点问题剖析.给水排水，[17]陈尧王向东.紫外线消毒技术在污水处理中的应用.重庆环境科学,2001.23 (3).49-51199.25(9).1-3[18]张欣.污水处理中的紫外线消毒技术.给水排水,2002. 28(11).[2]V. Lazarova. P. Savoye. M. L. Janex. et al. Advanced Wastewaler Dis-31 -34infection Technologies. State of the Art and Perspectives. Water Sci.[19]顾雪锋.杨海真.污水处理中紫外线消毒技术的研究进展.江苏Tech,199.40(4-5). 203 -213环境科技,2003. 16(3).33 -34[3]马军.李圭白.陈忠林等.氯化消毒对水中有机物及水的致突变活[20]陈健.王长生，张国占等紫外线消毒技术在给排水中的应用.中性的影响.哈尔滨建筑大学学报, 1996.29(5).64 -67国给水排水,2002.18(7).29 -31[4]王荣生.黄翔峰.谢揩等.城市污水厂尾水氨消毒及其余氯控制技[21]H.F. Diao.X. Y. Li.J D. 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