污水消毒技术评述

北方环境第30卷第2NORTH ENVIRONMENT2005年4月污水消毒技术评述屈计宁,贾磊2,陈洪斌(123同济大学环境科学与工程学院,上海2000)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 Lei, Chen Hongbin(1.2. 3School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, No 1239, Siping R D, Shanghai, 200092)he disinfection technologies of sewage have developed for more than one century. The shortage of water resource and improved require-ment of water quality make the disinfection of treated sewage much stricter. Though being ripe technologically and used extensively, the traditional chlorin-ation disinfection is being gradually substituted by other disinfection crafts because of its toxic disinfection byproducts. This trend is particularly obvious a-broad. This text makes a review of main sewage disinfection crafts and their principles, characteristic, and an introduction of some new technologies thatare focused on by researchers, in order to offer some reference for the improvement of disinfection technologies of our countryKeywords: Chlorination Disinfection Ultraviolet electrochemical 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0.1mg/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。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。典型的脱氯工艺是在出水中添加过量的含硫还原氯气、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)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。1.l氯消毒目前脱氯剂主要使用的是亚硫酸氢钠。脱氯处理降低自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EFA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1。施包括加氯机氯库、混合接触池等。氯法消毒由于其技术上的成熟性,至今仍是使用最为广往水中投加氯或次氯酸盐(如NaCO等),一般会生成泛的消毒方法。1.2二氧化氯消毒次氯酸(HCO)和盐酸(HC)。在反应产物中, HCIO ClO是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20HCO消毒效果最好。HCo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]200-15氯法消毒,是一种使用固定传送系统的常规技术,处理【作者简介]屈计宁(195-),女,现就职于上海市环境保护局,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,研究方向为水污染拉制工程成熟。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(Co)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(CO3),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每去除一份脱氯剂反应方程式氯需要的药应用情况剂量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)02+CI,+H,=2HCI+H2S04注意危险氯剂得到应用亚硫酸钠M2SO3+C+H20∈QHC1+Na2SO41.77Nay S0,)脱氯后过量的药剂排入水体后,消耗溶解氧,造成水体缺在美国应用于生产亚硫酸氢钠NaHSO,Cl+ H,=0,HCl+ NaHSO硫代硫酸钠Na2S2O3+4C12+5H2O←8HC+Na2S2O3·5H2O比Na2S2O3在温哥华地区广泛使(Na,S20,) 2NaHSO在水中溶解更快较为便宜工艺造价昂贵,仅在出水要求活性碳C+2Cl2+2H2O←4HC+CO20.085医院污水消毒采用很高时使用1.3臭氧消毒前为止较少。893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Nowy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 i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。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PA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m/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10mn时可以达到99%的去除放活性氧来达到消毒目的。微生物蛋白质、酶和其他代率。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,进入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。臭氧消反应途径细胞膜的运输作用以及细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破坏了细胞失去活性,微生物死亡。通常PA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。物消毒效果优劣有如下顺序:细菌>病毒>细菌孢子>原生其中当溴酸盐浓度大于50吗/L时,对人体有害。动物孢囊。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第30卷第2期屈计宁等·污水消毒技术评述005年4月二氧化氯和臭氧)相比最为重要的优势之一。到目前为区,大多采用了紫外线消毒。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。PAA也受总悬浮物量(TS)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(FSD)以及水力约为次氯酸钠的4倍,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;水力负荷如果突然以提高去除效率增大,紫外线与水接触时间变短,出水水质较平时差杀菌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253.7mm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在紧凑的单元里完成污水回用处理。法使用圆柱型低压或者中压汞灯。很多二级和三级城市污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·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(包括化学强化一级处理)出水需要更高的紫外线剂水处理和污水回用。量2。3光化学消毒用紫外线消毒的投资成本比氯气消毒要低得多,这主要是因为土建投资低。但随着处理水量的增大,这种差别逐渐光化学消毒是通过由光辐射导致的光化学反应来进行缩小。紫外线消毒的运行费用主要为电费、维修费用包括更目前常用的是紫外线消毒。紫外线是非可见光,通常将波长换灯管、镇流器灯套管的费用及清洗液费用、人工费等。运在200m以上的光都称为紫外线。根据不同的波长范围还行费用约为年总费用的50%。对于低压灯管能耗费用大约可细分为UvA(315~400mm),UVB(280~315mm),UvC(200是运行费用的15~20%。污水紫外线消毒的运行、维护成本280nm)。其中UVC最易被核糖核酸吸收,因此,紫外线消要比氯消毒低。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 Cernovde-ow和Henv首次将紫外线用于饮用水消毒。1970年,美国安全投资运营成本低以及杀菌效率高等优点,在西方国家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用于污水处理有了一定研究,但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,有较大的发展潜力。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污水消毒方法技术经济比较和常用参数见表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21特征氯化/脱氯UV臭氧微滤超滤安全性细菌去除率病毒去除率十十原生动物去除率(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十十注:“-”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<104Tc/00mL<2x103FC/100mL出水水质Ⅱ<103FC/100mL每10L水中不得检消毒工艺出肠道病毒氯化24(3-8)mg/L;30min10(8-15)mg/L;30-60min35(25-40)mW·s65(50-100)mW,g/cm2臭氧5(3-10)mg/L; 10min7(5-10)mg/L; 10min微滤50(40-80)Lh·m2,20℃,反冲洗2次/h不能完全去除肠道病毒超滤0℃时50(40-60)Lh·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。般值(最小值一最大值)。电化学消毒电化学消毒是一种较新的消毒方法,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)。116Lh(停留时间5.0s)、杀菌率达到99464%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3Lh(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不可逆渗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、设备小,停留时间短,反应池占地面积少,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。不需要专人负责所用电压很低,可以保证安全性2其中,根据电子扫描显微镜镜检的结果,经电化学消毒反应电化学消毒的影响因素包括用电极、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。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1。试验表明,电率逐渐提高23,22)。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1消毒方法测试条件灭菌率(%)电化学消毒16mA/cm2, 2min 25mA/cm2,0.5min99.98100氯化消毒99.9499.98臭氧消毒10mg/L, 25min 10mg/L, 5min99.91008. 5mg/L H202, 0. 85mg/L Fe, pH 4, 10minFenton试剂消毒8.5mg/L H,,, 0. 85mg/L Fe, pH 4, 30min目前,已有不少关于电化学杀菌的研究报道和实际用1 Baldry MGC, French MS. Activity of peracetic 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 Sci Technol, 1989a(21). 1747-1749围仍不清楚应用中存在效果不稳定等问题,因此,大规12] Merti L. Notamicola M. Advanced treatment and disinfection for mt模的应用还需要进一步的研究nicipal wastewater reuse in agriculture. Water Sci. Technol, 1999(40)235-2455结束语[13 ]Monarca S Richardson SD. Feretti 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 disinfected 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. Environ. Toxicol. Chem, 2002(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. Disinfection. Water Environ, Technol,200l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]chR.c∞ chane d. French M. Peracetic acid as a disinfectant 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-ipalwastewaters. encouraging performance results from phys-用污水已逐步成为一种稳定的再生水资源。合适的消毒技icochen-icalas well as biological effluents. Proc. of the US water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environmentfederation要的[16]Stampi S. De Luca G Zanetti F. Evaluation of the efficiency of per-acetic acid in the disinfection of sewage effluents, J Appl Microbiol2001(91).833-838参考文献[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[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,科学,2001.23(3)491999.25(9).1-3[2V. Bazarova P Savoye. M. L Janex et al. Advanced Wastewater Dis[18]张欣污水处理中的紫外线消毒技术给水排水,200228(1131-34infection 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,19940(4-5).203-213环境科技,2003.16(3).33-343]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)29-314]王荣生黄翔峰谢浩等城市污水厂尾水氯消毒及其余氯控制技[21]H:.F.Dm0.x.Y.L.D.cta. Electron microscopic investi术进展.贵州环保科技,2003.9(4).16-20gation of the bactericidal action of electrochemical disinfection in[5]张立成紫外线消毒与四种化学消毒方法的比较辽宁化工comparison with chlorination, ozonation and Fenton reaction Process(39)6]沈晓南王福浩谢经良等污水回用中二氧化氯的消毒脱色效(2】张杰远,刁惠芳施汉昌电化学消毒法的消毒效果试验水处理能中国给水排水,200016(9)53-55技术,2002.28(4).217-219[7曹瑞任叶解张克勤勒二氧化氯的产生氧化和消毒作用化工标(2]kinP.Dme. Morteza abbaszadegan.im, Maier. Comparative准化与质量监督,19910.17-21electrochemical inactivation of bacteria and bacteriophage. Water Re[8]杨基成曾抗吴梁宏等臭氧法在城市污水消毒中的应用环境search,2003.37.2291-2300科学与技术,200427(1)64-65[24]曾抗美史建福刘桂华电化学法进行饮用水消毒研究.中国绐[9JUrs von Gunten. Ozonation of drinkingwater: Part Il. Disinfection and水排水,199.15,16-18by- product formation in presence of bromide. iodide or chlorine.Wa[25]吴星五高廷耀李国建电化学消毒水处理实验化工标准计er Research,2003(37).1469-148量质量,20012.38-41[10]Mehmet Itis, Disinfection of wastewater with peracetic acid. a review. Environment Intemational, 2004 (30). 47-55