城鎮(zhèn)污水處理廠次氯酸鈉消毒效果的影響因素研究
2019年底，一場(chǎng)由新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）引發(fā)的疫情在全國(guó)蔓延開(kāi)來(lái)，隨后陸續(xù)有專家團(tuán)隊(duì)在患者的糞便、尿液、淚液和唾液等代謝物中檢出病毒核酸陽(yáng)性，由此引起污水處理行業(yè)對(duì)新型冠狀病毒可能存在的水介傳播風(fēng)險(xiǎn)的高度警惕。因此在疫情期間如何做好污水的消毒工作，保障污水處理廠出水的生物安全性已成為污水處理行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。
《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）將糞大腸菌群數(shù)列為城鎮(zhèn)污水處理廠出水致病微生物的控制指標(biāo)。為保證城鎮(zhèn)污水處理廠出水中糞大腸菌群數(shù)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，一般采用在污水處理環(huán)節(jié)末端設(shè)置消毒工藝的措施。常見(jiàn)的污水消毒方式有化學(xué)法（如液氯、次氯酸鈉、二氧化氯、臭氧等）和物理法（如紫外線）。其中液氯和二氧化氯的消毒效果較為可靠，運(yùn)行成本適中，但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全管控要求較高；臭氧和紫外線消毒效率高，但設(shè)備投資成本大，現(xiàn)場(chǎng)管理復(fù)雜，并且電耗、能耗較多；次氯酸鈉作為和液氯消毒原理基本一致的化學(xué)藥劑，具有消毒效果好，采購(gòu)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存環(huán)節(jié)安全方便，生產(chǎn)、管理和使用相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已逐漸成為我國(guó)污水處理廠最常用的消毒方式。
目前國(guó)內(nèi)污水處理行業(yè)對(duì)含氯系列的消毒藥劑投加量等運(yùn)行參數(shù)及其消毒效果的認(rèn)識(shí)尚未取得一致意見(jiàn)。參考我國(guó)現(xiàn)行各類給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)與規(guī)范，如《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)第5冊(cè)：城鎮(zhèn)排水》（第三版）中給出的加氯量參考值為“一級(jí)處理后的污水20～30 mg/L，不完全人工二級(jí)處理后的污水10～15 mg/L，完全人工二級(jí)處理后的污水5～10 mg/L”，而未明確給出三級(jí)處理（即深度處理）后的加氯量；《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014—2006）中給出的二級(jí)處理出水的加氯量為6～15 mg/L，但該數(shù)值來(lái)源于2003年6座污水處理廠的加氯消毒數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)的污水處理廠無(wú)論處理工藝還是水質(zhì)條件，都與當(dāng)前的污水處理廠存在較大差異。此外，上述設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦的污水與氯的接觸時(shí)間均不小于30 min，而目前國(guó)內(nèi)部分污水處理廠尚不具備滿足30 min接觸時(shí)間的條件。
面對(duì)上述問(wèn)題與困擾，以執(zhí)行一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的某城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池出水為研究對(duì)象，開(kāi)展了加氯消毒試驗(yàn)，并考察了不同有效氯投加量、消毒接觸時(shí)間和反應(yīng)水溫下的糞大腸菌群、余氯（含總氯和游離氯）和氧化還原電位（ORP）等指標(biāo)的變化，以期建立污水加氯消毒效果與各影響因素間的關(guān)聯(lián)性，為污水處理廠利用次氯酸鈉消毒提供理論依據(jù)。
一 材料與方法
1.1研究對(duì)象
本文研究對(duì)象為執(zhí)行一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的某城鎮(zhèn)污水處理廠，該廠目前的處理能力為22萬(wàn)m3/d，工藝流程如圖1所示。該廠目前轉(zhuǎn)盤過(guò)濾器和紫外消毒池均處于停運(yùn)維修狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)加藥點(diǎn)位于二沉池出水渠末端，消毒接觸在二沉池至出水排放口（超越轉(zhuǎn)盤過(guò)濾器和紫外消毒池）的管道內(nèi)完成，根據(jù)日均流量、管徑和管長(zhǎng)等參數(shù)計(jì)算，得出接觸時(shí)間約為12 min。加氯消毒試驗(yàn)用水取自該廠二沉池出水，水質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。
圖1 某城鎮(zhèn)污水處理廠工藝流程
表1 某城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池出水水質(zhì)
1.2試驗(yàn)方法
采集加氯點(diǎn)前二沉池出水20 L作為試驗(yàn)用水，檢測(cè)糞大腸菌群數(shù)、ORP、氨氮、TN、COD、濁度、pH、水溫等水質(zhì)指標(biāo)。取污水廠現(xiàn)用最新批次次氯酸鈉，按《次氯酸鈉》（GB/T 19106—2013）中5.3的方法檢測(cè)其有效氯含量，并配制成1 g/L稀釋液待用。取500 mL試驗(yàn)用水于500 mL帶蓋棕色試劑瓶中，將濃度為1g/L的次氯酸鈉稀釋液按設(shè)計(jì)有效氯投加量（1、2、3、4、5、6、8、10 mg/L）順序加入，加蓋搖勻，在設(shè)計(jì)接觸時(shí)間（5、12、30 min）和設(shè)計(jì)水溫（16.8、28.9 ℃）下充分反應(yīng)，檢測(cè)糞大腸菌群數(shù)（檢測(cè)前對(duì)水樣采用硫代硫酸鈉脫氯）、余氯（游離氯、總氯）、ORP、氨氮、TN、COD、濁度、pH、水溫。為確保每個(gè)試驗(yàn)組反應(yīng)不受干擾，每個(gè)有效氯投加量、接觸時(shí)間和反應(yīng)水溫均單獨(dú)安排一個(gè)試驗(yàn)樣品。
1.3 試驗(yàn)設(shè)備
便攜式余氯測(cè)定儀（美國(guó)HACH公司，PCⅡ，需配合總氯試劑包和游離氯試劑包使用）；程控定量封口機(jī)（美國(guó)IDEXX公司，2009D）；隔水式恒溫培養(yǎng)箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司，GHP-9080）；便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀（帶ORP電極，美國(guó)YSI公司，PROPLUS）；紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（美國(guó)HACH公司，DR6000）；濁度儀（美國(guó)HACH，2100AN）；消解器（美國(guó)HACH，DRB200）；無(wú)菌采樣瓶（美國(guó)IDEXX，120 mL，含硫代硫酸鈉）。
1.4分析方法
表2 檢測(cè)項(xiàng)目及方法
二 結(jié)果與討論
2.1 有效氯投加量和接觸時(shí)間對(duì)糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率的影響
對(duì)糞大腸菌群的消毒效果采用對(duì)數(shù)去除率（即消毒后微生物存活率倒數(shù)的對(duì)數(shù)值，以10為底）指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。如圖2所示，糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率隨著有效氯投加量的增加而上升。當(dāng)有效氯投加量相同時(shí)，接觸時(shí)間越長(zhǎng)，糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率越高，而在達(dá)到相同的糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率的前提下，接觸時(shí)間越長(zhǎng)，所需有效氯投加量越少。以試驗(yàn)用水為例，穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的糞大腸菌群數(shù)需滿足至少2.5 lg的去除率，此時(shí)有效氯的投加量分別是4.50 mg/L（接觸時(shí)間5 min）、3.67 mg/L（接觸時(shí)間12 min）、2.93 mg/L（接觸時(shí)間30 min）。研究結(jié)果表明，消毒工藝接觸時(shí)間不足30 min的污水處理廠可通過(guò)適當(dāng)提高次氯酸鈉的用量來(lái)提高糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率，從而保證出水的糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。但需注意的是，次氯酸鈉投加量的提高可能會(huì)導(dǎo)致消毒后出水的余氯含量偏高。同樣以糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率達(dá)到2.5lg為例，在不同接觸時(shí)間的條件下，消毒后出水的余氯見(jiàn)表3，可以看出，當(dāng)接觸時(shí)間僅為5 min時(shí)，游離氯可達(dá)到0.66 mg/L，如果此時(shí)受納水體為地表水，將會(huì)在一定程度上影響其水生生態(tài)環(huán)境。
圖2 有效氯投加量和接觸時(shí)間對(duì)糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率的影響
表3 不同接觸時(shí)間條件下消毒后出水的余氯
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2.2 ORP值與糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率的相關(guān)性
ORP可以反映溶液的氧化還原性。其值越高，溶液的氧化性越強(qiáng)；反之，其值越低，溶液的還原性越強(qiáng)。有文獻(xiàn)報(bào)道了ORP值與氯對(duì)一些微生物和細(xì)菌的殺滅效果高度相關(guān)。本研究表明，糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率與反應(yīng)后水樣的ORP值呈現(xiàn)較好的對(duì)數(shù)相關(guān)性，如圖3所示，接觸時(shí)間5、12、30 min的相關(guān)系數(shù)（R）值分別為0.8680、0.7971、0.8706，推測(cè)出現(xiàn)這一相關(guān)性正是由于水中投加了次氯酸鈉這類氧化劑后，引起水質(zhì)的氧化還原電位發(fā)生了改變？紤]到糞大腸菌群數(shù)等致病微生物指標(biāo)的檢測(cè)周期一般需要48h，目前部分歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍采用ORP值控制泳池水的消毒效果。因此為簡(jiǎn)單快速預(yù)判污水處理廠出水糞大腸菌群的去除效果，建議在出水排放口處安裝在線ORP儀以輔助判斷消毒效果。
圖3ORP與糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率的相關(guān)性
2.3 CT值與糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率的相關(guān)性
CT值（接觸時(shí)間T（min）×接觸時(shí)間結(jié)束時(shí)消毒劑殘留濃度C（mg/L））是采用化學(xué)法消毒工藝的一條實(shí)用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，不同的CT值通常對(duì)應(yīng)不同的消毒后微生物滅活率。糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率與CT值呈現(xiàn)較好的對(duì)數(shù)相關(guān)性：以總氯為C值的擬合曲線的R值為0.8246（見(jiàn)圖4）；以游離氯為C值的擬合曲線的R值為0.9221（見(jiàn)圖5）。為確保試驗(yàn)用水的糞大腸菌群數(shù)達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)數(shù)去除率在2.5 lg以上，此時(shí)的總氯CT值為7.6mg·min/L，游離氯CT值為3.3mg·min/L。目前，國(guó)內(nèi)和國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)飲用水消毒給出推薦CT值，例如在《飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）中給出的游離氯CT值為≥9 mg·min/L，一氯胺（總氯）CT值為≥60 mg·min/L；在世界衛(wèi)生組織（WHO）《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》中給出的針對(duì)2l g病毒滅活率的游離氯CT值為2～30 mg·min/L？梢钥闯鲞@些數(shù)據(jù)與本研究中污水的CT值有較大差異？紤]到污水處理廠流動(dòng)水體中的懸浮物濃度普遍偏高，且各地水質(zhì)差異較大，因此后續(xù)還需針對(duì)污水消毒的CT值，結(jié)合各地不同的水質(zhì)條件開(kāi)展深入研究。
圖4 總氯CT值與糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率的相關(guān)性
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圖5 游離氯CT值與糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率的相關(guān)性
2.4 水溫對(duì)糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率的影響
試驗(yàn)水樣中有效氯投加量為2 mg/L和5 mg/L時(shí)，分別在水溫為16.8 ℃和28.9 ℃下接觸消毒5 min，結(jié)果如圖6所示，可見(jiàn)水溫對(duì)糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率有顯著影響。在相同的有效氯投加量下，水溫升高可明顯提高糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率，這可能是由于溫度的提升使得次氯酸擴(kuò)散至微生物表面的速率變快，進(jìn)而提高了穿透細(xì)胞壁發(fā)生氧化作用使其死亡的概率。因此在為了達(dá)到近似的糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率的前提下，夏季水溫較高時(shí)可適當(dāng)減少次氯酸鈉的投加量；而在冬季水溫較低的環(huán)境下，可通過(guò)加大有效氯投加量或者適當(dāng)延長(zhǎng)接觸時(shí)間達(dá)到相同的消毒效果。
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圖6 水溫對(duì)糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率的影響
2.5 消毒工藝現(xiàn)場(chǎng)干擾因素分析
在研究過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)影響消毒效果的因素，現(xiàn)針對(duì)相關(guān)問(wèn)題作出如下分析，并給出相應(yīng)建議：
1）消毒工藝段瞬時(shí)流量消毒工藝段的瞬時(shí)流量存在較大幅度波動(dòng)（如圖7所示），可見(jiàn)最大瞬時(shí)流量值和最小瞬時(shí)流量值可相差2.7倍以上。這種瞬時(shí)流量的不穩(wěn)定性給次氯酸鈉準(zhǔn)確投加帶來(lái)了極大的干擾，進(jìn)而影響出水糞大腸菌群的去除效果和余氯含量。建議在消毒工藝前端設(shè)置緩沖構(gòu)筑物如溢流井等，以保障進(jìn)入消毒環(huán)節(jié)的水量的穩(wěn)定。
圖7 某城鎮(zhèn)污水處理廠消毒工藝出水流量瞬時(shí)曲線
2）次氯酸鈉有效氯含量
為研究次氯酸鈉有效氯含量隨時(shí)間的變化規(guī)律，將次氯酸鈉原液避光加蓋保存3d，每天檢測(cè)其有效氯含量，同時(shí)與3d內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)藥罐中同批次次氯酸鈉的有效氯含量作對(duì)比。如圖8所示，可見(jiàn)保存方法得當(dāng)?shù)拇温人徕c原液的有效氯含量并未發(fā)生明顯改變，而現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)藥罐內(nèi)次氯酸鈉的有效氯含量卻發(fā)生了明顯的衰減，且日均衰減速率超過(guò)10%。這主要是由于現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)藥罐存在罐體上蓋密封不嚴(yán)、露天暴曬、灌注新藥時(shí)罐內(nèi)舊藥余量過(guò)多等問(wèn)題。有效氯含量的變化也會(huì)影響次氯酸鈉投加量的準(zhǔn)確性。因此建議污水處理廠應(yīng)重視對(duì)次氯酸鈉試劑的現(xiàn)場(chǎng)管理，宜采用避光（黑色或深色）、密封（留一出氣口）、耐腐蝕（如聚四氟乙烯）的罐體存儲(chǔ)，并盡量在使用至低液位處再灌注新藥。
圖8 次氯酸鈉隨時(shí)間的衰減趨勢(shì)
3）糞大腸菌群數(shù)測(cè)定方法
為研究脫氯對(duì)檢測(cè)水樣中糞大腸菌群數(shù)的影響，在3座污水處理廠總排放口處分別取經(jīng)次氯酸鈉消毒后出水水樣，一組在現(xiàn)場(chǎng)使用硫代硫酸鈉脫氯，一組為未脫氯作為對(duì)照組。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，未脫氯水樣中的糞大腸菌群數(shù)明顯低于已脫氯水樣中的糞大腸菌群數(shù)（見(jiàn)圖9）。另外，從3座污水處理廠的出水對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)看，已脫氯水樣中糞大腸菌群數(shù)可超出未脫氯水樣的10～1000倍不等，說(shuō)明余氯的存在會(huì)嚴(yán)重干擾糞大腸菌群數(shù)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，從而影響對(duì)實(shí)際消毒效果的準(zhǔn)確判斷，因此建議采樣時(shí)應(yīng)對(duì)水樣進(jìn)行脫氯處理。
圖9 余氯對(duì)糞大腸菌群檢測(cè)結(jié)果的影響
三 結(jié)論
1）通過(guò)加氯消毒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)污水處理廠在使用次氯酸鈉消毒時(shí)，出水的糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率與消毒工藝中的有效氯投加量、接觸時(shí)間以及水溫等均呈正相關(guān)，消毒后出水的ORP值可間接表征消毒效果，CT值可指導(dǎo)消毒藥劑的投加。
2）本研究的城鎮(zhèn)污水處理廠在保持接觸時(shí)間為12 min的前提下，有效氯投加量在3.67 mg/L時(shí)，可滿足糞大腸菌群對(duì)數(shù)去除率達(dá)到2.5lg以上，即保障該廠消毒后出水的糞大腸菌群數(shù)達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)的ORP為578 mV，總氯CT值為7.6 mg•min/L，游離氯CT值為3.3 mg•min/L？紤]到CT值和眾多影響因素有關(guān)，建議各廠結(jié)合各自實(shí)際研究確定各自的CT值。
3）消毒工藝環(huán)節(jié)進(jìn)水瞬時(shí)流量的大幅波動(dòng)和儲(chǔ)藥罐內(nèi)次氯酸鈉有效氯含量的衰減等均會(huì)直接影響消毒效果，出水樣品采集后未及時(shí)脫氯也會(huì)影響對(duì)消毒效果的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。建議在消毒工藝前端設(shè)置緩沖構(gòu)筑物以保障水量的穩(wěn)定性，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)次氯酸鈉的進(jìn)料存儲(chǔ)和使用管理，采集后檢測(cè)糞大腸菌群數(shù)等指標(biāo)的水樣需脫氯處理以保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
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