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北排案例:再生水廠協同消毒的實戰經驗!

發布時間:2020-04-03 點擊數:26


北排案例:再生水廠協同消毒的實戰經驗!

2019年底,我國發生了新型冠狀病毒(COVID-19)感染的肺炎疫情。2020年3月11日,世界衛生組織宣布COVID-19已構成全球性大流行。國內外相關專家相繼在新冠肺炎確診患者的糞便中檢測出COVID-19病毒核酸,尿液中分離出新型冠狀病毒。新冠肺炎診療方案(試行第七版)明確指出由于在糞便及尿中可分離到新型冠狀病毒,應注意糞便及尿對環境污染造成氣溶膠或接觸傳播。生態環境部于2020年2月1日印發《關于做好新型冠狀病毒感染的肺炎疫情醫療污水和城鎮污水監管工作的通知》,要求進一步加強醫療污水和城鎮污水監管工作,防止新型冠狀病毒通過污水傳播擴散。現代城市排水系統是在應對致病微生物導致的傳染性疾病的基礎上建立起來的,作為保障社會正常運轉的基礎性公共服務,也是病原微生物源頭控制的重要環節。盡管不同類型的致病微生物對污水處理工藝的耐受性有所差異,通過處理工藝的選擇優化,城市排水系統完全可以保障人類健康安全。

為提升污水再生處理能力,保障污水再生利用的安全,2013年起,北京市連續啟動實施污水治理和再生水利用三年行動計劃。截至2015年底,北京中心城區11座再生水廠完成升級改造,均采用協同消毒工藝。針對此次疫情,從管網運維、污水再生處理尤其是預處理段、再生水供水及污泥處理處置等各個風險點均采取了相應的人員防護與運行保障措施。本文重點介紹了疫情期間城鎮再生水廠協同消毒工藝的生產運行情況及其對病原微生物的控制效果。

1 北京城鎮再生水廠消毒工藝

1.1 城鎮再生水廠常用消毒技術

城鎮污水常用消毒方式有氯化物、紫外和臭氧等。次氯酸鈉主要依靠其水解產生的中性次氯酸分子發揮消毒作用,因其經濟性與消毒持續性,為目前廣泛應用的消毒方式,然而次氯酸鈉消毒會生成“三致特性”的鹵代消毒副產物,出水余氯過高還會影響水環境生態安全。紫外消毒主要由病原微生物的遺傳物質吸收紫外線能量后引發的光化學反應所導致,以250nm-275nm附近紫外波段最為有效。紫外系統集成化程度高、節省占地,消毒快速,可在數秒內滅活病原微生物,且不會引入副產物,但無持續性。臭氧具有高效去除有機污染物,改善色度、嗅味感官指標等多重效果,隨著其劑量的增加對病原微生物也具有很好的殺滅作用,但由于建設與運維成本較高限制了臭氧的應用。

1.2 北京城市污水再生處理系統協同消毒工藝

北京已建成了423萬m3/日的全球最大規模再生水系統,再生水廠出水水質全部達到北京市地方標準(DB11/890-2012)要求。為了進一步保障再生水安全,北京城市排水集團與清華大學共同承擔了國家水專項“北京城市再生水水質提高關鍵技術研究與集成示范”,研究構建了“城市集中式再生水系統水質安全協同保障集成技術體系”。其中再生水消毒研究結果表明,臭氧氧化對有機物的轉化作用可提升20-30%紫外線透射率,且可有效降低次氯酸鈉投加量。通過臭氧、紫外與次氯酸鈉優化組合,能夠充分發揮各單元技術特點與優勢,實現病原微生物控制目標的同時,降低次氯酸鈉消毒帶來的副作用。根據不同消毒技術特點,結合實際應用需求,提出了協同消毒技術,進一步強化再生水生物安全系統保障程度。目前,北京中心城區的11座再生水廠均采用由臭氧、紫外、次氯酸鈉兩種或三種消毒方式組合的協同消毒工藝,如表1所示。協同消毒技術不僅能夠實現病原微生物的高效控制,且針對不同水質、水量的變化提供靈活性調控策略,實現消毒工藝穩定、高效、經濟運行。


2 指示微生物與新冠病毒滅活效果相關性分析

2.1 消毒指示微生物及控制要求

城市污水中病原微生物主要包括病毒、細菌、原生動物以及蠕蟲寄生蟲類等。種類繁多,但含量較低,分析檢測流程較為復雜,通常監測與病原微生物密切相關的指示微生物來說明水體病原微生物污染情況。目前應用最廣泛的指示微生物為總大腸菌群與糞大腸菌群。

國家環境?;ぷ芫衷凇?/span>GB18918-2002 城鎮污水處理廠污染物排放標準》中將指示微生物糞大腸菌群列為基本控制項目,其在一級A標準中的最高允許排放濃度為不超過1000 個/L。北京市目前主要采用2012年頒布的地方標準《DB11/890-2012 城鎮污水處理廠水污染物排放標準》,其中現階段執行的B標準要求糞大腸菌群數最高允許排放濃度不超過1000 MPN/L。針對常規再生水回用方式,普通接觸暴露場景下,該限值能夠保障再生水利用的安全性。

2.2 糞大腸菌群指示新冠病毒滅活效果可行性

此次引發新型冠狀病毒肺炎疫情的病毒經鑒定屬于包膜病毒,與SARS冠狀病毒(SARS-CoV)同屬冠狀病毒家族β屬,具有超過82%的同源性。根據Patricia等對病毒在水體中存活率的研究可知,冠狀病毒的滅活速度比脊髓灰質炎病毒快,在水環境中的傳播幾率低于腸道病毒。王新為等在對大腸桿菌和噬菌體f2的消毒研究發現,大腸桿菌和噬菌體f2的滅活劑量需達到游離余氯0.50mg/L和0.82mg/L以上,高于SARS冠狀病毒被完全殺滅所需的0.40mg/L游離余氯。

由于冠狀病毒比大腸桿菌更易于被滅活,對消毒劑的抵抗力低于目前常見的脊髓灰質炎病毒、大腸桿菌以及噬菌體f2等指示微生物。因此,可以基本判定目前再生水廠消毒工藝控制糞大腸菌群或總大腸菌群達標,即可用于參考指示對新冠病毒的有效滅活。

3 疫情期間北京再生水廠系統運行調控

污水再生處理系統各工藝環節對病原微生物的控制均發揮著相應的作用。Schmitz等對比了活性污泥法等常規生化處理工藝與多級AO工藝(Bardenpho 技術)對污水中不同類型病毒的去除效果,結果表明單純二級處理對病毒的去除能力可達到3.6 log10拷貝數/L。Wigginton等也發現二級處理對病毒的去除能力在1-4 log10拷貝數/L。新冠肺炎疫情期間,北京中心城區11座再生水廠積極開展廠網、廠間、廠與用戶間的聯調聯動,各廠在做好預處理、生物處理、深度處理等前序工藝單元運行保障的基礎上,強化末端協同消毒工藝的優化運行。

3.1 二級處理單元的低水量運行調控


疫情發生時間與春節假期重疊,人員密集離京后推遲返京造成水廠長時期低水量運行,如圖1所示,北京中心城區各再生水廠春節假期至今的日均處理水量(1月25日-3月15日)較冬季平日處理水量(1月01日至1月10日)的平均降幅為15.9%-39.5%。為應對疫情期間進水持續低水量,各廠通過降低初沉池投運比例,精準曝氣、精準碳源投加及精準排泥系統的優化調控保障了二級處理單元運行效果。針對反硝化生物濾池,則采取了適當減少運行濾池數量,濾池編組交替運行的方式,將濾池濾速控制在8~10 m/h正常范圍,同時對碳源投加量進行動態調整。如表2所示為疫情期間高碑店再生水廠進、出水主要水質指標。


3.2 過濾單元運行情況

水中的懸浮顆粒物影響水中病原微生物含量,不同處理工藝出水懸浮物濃度與糞大腸菌群數如表3所示。同時懸浮顆粒物還能夠對消毒效果產生直接影響。通過協同消毒工藝前端砂濾、膜過濾等處理單元的設置,提高水中懸浮顆粒物的截留效果??捎行嶸粞?、紫外與次氯酸鈉對直接暴露在水中的病原微生物的滅活效率,過濾工藝在對致濁顆粒物去除的同時伴隨著部分病原微生物的截留。


疫情期間,北京城區各再生水廠以出水濁度調控砂濾與膜過濾等處理單元的清洗頻率,嚴格控制其出水懸浮物濃度<5 mg/L。如表3所示,再生水處理工藝出水SS均低于5 mg/l,砂濾出水濁度0.53~1.64 NTU,微濾/超濾出水濁度0.35~0.82 NTU。低懸浮物濃度保障了后端協同消毒工藝對病原微生物的滅活效果。

3.3 協同消毒工藝運行策略

作為協同消毒技術體系的首個工藝單元,臭氧在氧化有機物污染物的同時,可以部分滅活病原微生物,實現與下游紫外、次氯酸鈉的協同消毒作用。臭氧氧化能夠顯著降低色度與UV254(圖2a)。2 mg/L的臭氧預氧化能夠將出水色度控制在10°以下,且紫外光透射率提升30%。在此基礎上,2 mg/L的臭氧預氧化則可將糞大腸菌群數降至3 CFU/L,且所需次氯酸鈉投加量較單獨次氯酸鈉消毒可降低近50%(圖2b)。


b)臭氧預氧化對次氯酸鈉消毒的影響

“臭氧-氯”兩協同消毒工藝中,次氯酸鈉為主消毒單元,根據Water Val、Rachmadi等研究結果,維持一定的CT值是保障病原微生物的滅活效率的關鍵因子,如圖3所示,根據水量變化,調整次氯酸鈉投加量,次氯酸鈉CT值在8.4 mg·min/L-13.2 mg·min/L之間變化,糞大腸菌群滅活率達到99.99%,出水糞大腸菌群<2 CFU/L(圖4a)。


“臭氧-紫外-氯”三協同消毒工藝中,紫外為主消毒單元,根據臭氧運行情況,調整臭氧投加劑量維持1-3 mg/L。在紫外消毒單元中,景觀用再生水紫外劑量為25-40 mJ/cm2,城市雜用再生水紫外劑量為70-80 mJ/cm2,而紫外后端投加次氯酸鈉的主要目的是維持適當的余氯保持消毒的持續性。針對不同協同消毒組合工藝,其運行參數見表4。


3.4 協同消毒工藝水質監測與出水水質分析

疫情期間,各再生水廠強化出水水質監測工作。由于游離氯與總氯不穩定,為了更準確的實時掌握出水余氯情況,各再生水廠均采用現場快速測定分析出水余氯,每天上午、下午各測1次;總大腸菌群數與糞大腸菌群數每天測1次。為保證系統運行穩定性對各消毒單元進、出水起銜接作用的關鍵水質指標進行補充監測。對臭氧單元進、出水色度與UV254進行快速測定,并將水質監測與協同消毒工藝運行調控相結合,以保障協同消毒工藝體系對病原微生物的控制效果。


如圖4(a)所示,無論是“臭氧-次氯酸鈉”兩協同消毒工藝,還是“臭氧-紫外-次氯酸鈉”三協同消毒工藝均能夠保證各再生水廠出水糞大腸菌群數低于2 CFU/L。

2018年北京市再生水利用量為10.8億m3,超過80%用于補充河、湖等景觀水體。為避免再生水余氯過高可能對受納水體水生生物造成的損傷,疫情期間各廠在確保再生水衛生學指標達標的同時,均加大了再生水余氯監測頻次,將廠區清水池余氯日常監測與河、湖補水口余氯監測相結合,并強化開展河岸巡查工作,確保以再生水為補給水源的水環境的生態安全性。圖4(b)為采用“臭氧-氯”兩協同消毒工藝再生水廠退水中總氯與游離余氯變化情況,由圖中可以看出,疫情期間再生水廠出水游離余氯基本維持在0.05-0.1 mg/L之間,在衛生學達標基礎上充分保障了后續受納水環境的生態安全。

4 結論與建議

1)根據已有研究結果,新冠病毒在水環境中的存活能力及對消毒劑耐受力均弱于糞大腸菌群,可采用糞大腸菌群滅活率參考指示水廠消毒工藝對新冠病毒的滅活效果。

2)二級處理及深度處理單元的穩定運行是保障系統安全的關鍵環節,砂濾與膜過濾出水SS穩定低于5 mg/L,有效保障了后續消毒單元的消毒效果。

3)“O3-NaClO”協同消毒工藝,臭氧劑量維持3-5 mg/L,NaClO劑量根據水量與接觸池(清水池)容積維持CT值不低于8 mg·min/L可以較穩定的實現糞大腸菌群<2 CFU/L的消毒效果,同時節省NaClO投加量?!癘3-UV-NaClO”協同消毒工藝,臭氧1-3 mg/L的投加量能夠提升30%紫外透射率,在紫外消毒單元設計劑量下(景觀用水30 mJ/cm2,城市雜用水80 mJ/cm2),紫外出水能夠實現糞大腸菌群<2 CFU/L;后續根據再生水用途及管網輸配要求進行適當補氯,保障出水余氯達到相應標準。

4)協同消毒工藝通過不同消毒技術的合理組合與運行優化,可以實現99.99%的糞大腸菌群滅活率,出水糞大腸菌群<2 CFU/L,且出水余氯濃度穩定,保障再生水與受納水體生態安全。


本文為轉摘。


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