摘要: 針對國內城市污水處理廠出水消毒的現狀, 分別介紹了紫外線消毒、液氯消毒、臭氧消毒等污水消毒工藝的原理及設備組成和各自特點, 并對這幾種消毒工藝進行了綜合比較, 指出了每種工藝的適用范圍, 以指導相關人員合理選擇,提高污水消毒效率。
關鍵詞: 城市污水, 消毒工藝, 原理, 特點
城市污水經二級處理后, 水質已經改善, 細菌含量也大幅度減少, 但細菌的數量仍很可觀, 并存在有病原菌的可能, 必須在去除掉這些微生物以后, 廢水才可以安全地排入水體或循環再用。隨著居民對生活品質要求的不斷提高, 污水處理廠的二級處理出水對城市水體造成的影響引起了人們對健康和安全問題的更多關注。消毒是滅活這些致病生物體的基本方法之一, 因此污水處理廠的尾水消毒已經成為污水處理中的重要工序, 水處理專業人員也在不斷探索污水消毒的較佳方法。
1 幾種消毒工藝方法
1. 1 物理消毒方法——紫外線消毒
1. 1. 1 紫外線消毒原理
紫外線消毒是一種物理消毒方法, 紫外線消毒并不是殺死微生物, 而是去掉其繁殖能力進行滅活。紫外線消毒的原理主要是用紫外光摧毀微生物的遺傳物質核酸( DNA 或RNA ), 使其不能分裂復制。除此之外, 紫外線還可引起微生物其他結構的破壞。紫外線是一種波長范圍為136 nm ~ 400 nm 的不可見光線。在該波段中260 nm 附近已被證實是殺菌效率較高的, 目前生產的紫外燈的較大功率輸出在253. 7 nm 波長。該波長輸出在目前世界頂極紫外燈中已占到紫外能量的90%, 總能量的30%, 由于高強度、高效率的紫外C 波段的存在, 紫外技術已成為水消毒領域一個具有相當競爭力的技術。
1. 1. 2 紫外線消毒器的結構形式
1)敞開式結構。在敞開式UV消毒器中被消毒的水在重力作用下流經UV 消毒器并殺滅水中的微生物。
2)封閉式結構。封閉式UV 消毒器屬承壓型, 用金屬筒體和帶石英套管的紫外線燈把被消毒的水封閉起來。
1. 2 化學消毒方法
1. 2. 1 液氯消毒
1)液氯消毒原理。聚氯化鋁 向水中加入液氯或者次氯酸鹽(如Na C lO)溶液消毒時, 在水中發生如下反應:
HOC,l OC l- 之和稱作有效自由氯, 其中以HOC l消毒效果較好。排入水體時, 氯會和水中的氨氮、有機氮反應生成消毒效果較差的無機氯胺和有機氯胺, 稱作化合氯。總余氯是指有效自由氯和有效化合氯之和。氯的消毒效果受接觸時間、投加量、水質 (含氮化合物濃度、SS濃度)、溫度、pH 以及控制系統的影響。
2) 加氯系統。目前常用加氯系統包括加氯機、接觸池、混合設備以及氯瓶等部分, 如圖1所示。
1. 2. 2 臭氧消毒
1) 臭氧消毒原理。臭氧( O3 ) 是氧( O2 ) 的同素異形體, 純凈的O3 常溫常壓下為藍色氣體。臭氧具有很強的氧化能力( 僅次于氟), 能氧化大部分有機物。臭氧滅菌過程屬物理、化學和生物反應, 臭氧滅菌有以下三種作用:
a. 臭氧能氧化分解細菌內部氧化葡萄糖所必需的酶, 使細菌滅活死亡。b. 直接與細菌、病毒作用, 破壞它們的細胞壁、DNA和 RNA, 細菌的新陳代謝受到破壞, 導致死亡( DNA—核糖核酸; RNA—脫氧核糖核酸。病毒是由蛋白質包裹著一種核酸的大分子; 病毒只含一種核酸)。c. 滲透胞膜組織, 侵入細胞膜內作用于外膜的脂蛋白和內部的脂多糖, 使細菌發生透性畸變, 溶解死亡。因此, O3 能夠除藻殺菌, 對病毒、芽孢等生命力較強的微生物也能起到很好的滅活作用。
2) 污水臭氧處理工藝。臭氧氧化能力強, 且很不穩定, 也無法儲藏, 因此應根據需要就地生產。臭氧的制備一般有紫外輻射法、電化學法和電暈放電法。目前臭氧制備占主導地位的是電暈放電法。聚合硫酸鐵 由臭氧發生器制備好的臭氧氣體通過管道輸送到密閉的臭氧接觸池, 與處理后的污水進行接觸反應。反應后的氣體由池頂匯集后, 經收集器離開接觸池, 進入尾氣臭氧分解器, 在此剩余臭氧氣體被分解成氧氣排入大氣中( 見圖2) 。
1. 2. 3 二氧化氯消毒
二氧化氯在水中溶解度是氯的5倍, 氧化能力是氯氣的2. 5倍左右, 它是一種強氧化劑。溶于水后很安全, 是國際上公認的含氯消毒中唯一高效消毒劑。
二氧化氯性質不穩定, 只能采用二氧化氯發生器現場制備。用于水處理領域的小型化學法二氧化氯發生器主要有兩種: 以氯酸鈉、鹽酸為原料的復合型二氧化氯發生器和以亞氯酸鈉、鹽酸為原料的純二氧化氯發生器, 其中前者應用較為廣泛。
1)復合二氧化氯發生器原理。復合二氧化氯發生器以氯酸鈉和鹽酸制備二氧化氯為主、氯氣為輔的混合氣體。反應如下: N aC lO3 + 2H C l= C lO2 + 1 /2C l2 + NaC l+ H 2O 該反應的較佳溫度為70 ℃, 反應器采用耐溫、耐腐蝕材料制造。反應生成的二氧化氯和氯氣混合氣體通過水射器投加到被處理水中。
2)復合二氧化氯發生器的應用。復合二氧化氯發生器用于消毒時, 消毒劑投加點一般在濾后, 有效氯投加量一般為3 m g /L ~ 5 m g /L; 用于脫色或降低COD時, 該復合氣體投加在硫酸鋁等混凝劑投加點之前效果較好, 投加量應根據水質由試驗確定。
2 上述幾種消毒方法的特點
2. 1 紫外線消毒
紫外線污水消毒技術如今已被廣泛應用于各類城市污水的消毒處理中, 包括低質污水、常規二級生化處理后的污水、合流管道溢流廢水和再生水的消毒。紫外線消毒法除具有不投加化學藥劑、不增加水的嗅和味、不產生有毒有害的副產物、消毒速度快、效率高、設備操作較傳統消毒工藝安全簡單和實現自動化等優點外, 運行、管理、勞務和維修費用也低, 近20 年來逐漸得到廣泛應用。紫外線消毒工藝對紫外穿透率較低的水質并不適用, 如未經處理或只經過一級處理的污水, SS高于30 m g /L的污水。這種情況采用紫外線消毒的方式不但會增加能耗, 還會造成消毒效果不好。而對于經過二級處理的污水和再生水, 紫外穿透率一般為40% ~ 80%, 采用紫外線消毒方式是不錯的選擇。
但是紫外線消毒法不能提供剩余的消毒能力, 當處理水離開反應器之后, 一些被紫外線殺傷的微生物在光復活機制下會修復損傷的DNA分子, 使細菌再生。
2. 2 液氯消毒
液氯使用較大的優點是價格便宜, 殺菌力強, 該工藝簡單, 技術成熟, 藥劑易得, 投量準確, 有后續消毒作用, 不需要龐大的設備。液氯消毒在各地醫院、工業、民用的滅菌消毒中都有廣泛應用, 并且有些已達到了自動化的程度。液氯儲存不是十分安全, 容易發生泄漏, 而且自20世紀70年代以來, 由于發現氯可與水中多種物質形成致癌或致病變的產物, 致使該工藝在應用上開始受到限制。
2. 3 臭氧消毒
臭氧是一種強氧化劑, 它具有高效無二次污染, 既能氧化有機物, 又能殺菌除色、嗅、味等特點, 可氧化鐵、錳等物質, 通常認為它的氧化能力比氯高600倍~ 3 000 倍, 且接觸時間短, 除能有效殺滅細菌以外, 對各種病毒和芽胞等生命力強的生物也有很大的殺傷效果。臭氧消毒不受污水中NH3 和pH 的影響, 而且其較終產物是二氧化碳和水, 不產生致癌物質。
2. 4 二氧化氯消毒
二氧化氯消毒的特點是只起氧化作用, 不起氯化作用, 因而一般不會產生致癌物質。二氧化氯的消毒效果與氯氣相當, 但當污水中NH3 N 濃度較高時, 耗氯量會大幅度增加, 但二氧化氯由于不與NH3 反應, 因而其投加量并不增加。另外, 二氧化氯消毒還不受pH 的干擾。二氧化氯不穩定且具有爆炸性, 因而必須在現場制造, 立即使用。制備含氯低的二氧化氯較復雜, 且原料 ( NaClO2 ) 的價格較其他消毒方法高, 故限制了該方法的廣泛采用。所以國內目前只是在一些中小型的污水處理工程中采用了二氧化氯消毒工藝。
3 對幾種消毒工藝的綜合比較
如表1所示, 幾種消毒方式目前在國內均有運用。由于液氯消毒運行費用低, 操作簡單, 主要運用于大型污水處理廠。中小型污水處理廠主要采用二氧化氯和紫外線消毒, 但由于紫外線消毒效果不穩定, 且設備維護費用較高等因素, 二氧化氯消毒在中小型污水處理廠中運用越來越廣泛。臭氧消毒主要運用于中水處理, 具有較強的消毒效果及脫色效果, 同時再輔以加氯消毒, 以保證出水中余氯要求。