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解跃峰、马军:饮用水厂病毒去除与控制效能分析

字体: 放大字体  缩小字体 发布日期:2020-02-03  来源:给水排水  作者:解跃峰、马军  浏览次数:100660

小编说:


 

开年以来,新型冠状病毒疫情牵动着所有人的心。近日小编查阅相关资料,想了解病毒在水中的存活时间,发现病毒的生命力比想象中更加顽强。比如之前引发SARS的冠状病毒,在人体排泄物中可以存活4天,零摄氏度下甚至可以“无限期存活”http://tech.sina.com.cn/ae/2003-05-05/2130183332.shtml)。针对本次新型冠状病毒,1月31日发表于《The new england journal of medicine》“First Case of 2019 Novel Coronavirus  in the United States”的美国研究结果表明,患者粪便中发现了新型冠状病毒点击阅读原文可以下载英文原文我国《生活饮用水卫生标准》并未对病毒浓度作出规定,那么,在特殊时期,饮用水厂应该如何防控病毒呢?《给水排水》特约解跃峰教授和马军院士联合撰写相关文章,以供参考借鉴,本文将刊登于《给水排水》2020年第3期。如需转载,请联系小编按要求转载。


 


 

饮用水厂肠道病毒去除与控制


 


宾州州立大学 解跃峰教授


哈尔滨工业大学/中国工程院  马军院士


 

病毒是水中一类重要的病原微生物。根据世界卫生组织(WHO)《Guidelines for Drinking-Water Quality》第四版,饮用水中健康风险高的病毒包括肠道病毒、甲肝病毒、戊肝病毒、轮状病毒、诺如病毒和札幌病毒等,健康风险适中的病毒包括腺病毒和星状病毒。而关于冠状病毒在饮用水中的特性和行为报导不多,世界卫生组织WHO认为其在饮用水中的健康风险还不确定或尚缺乏证据(evidence is inconclusive or lacking)。近年来,饮用水厂病毒控制引起人们的关注,本文通过简要综述与分析饮用水中肠道病毒的去除与控制效能,为控制饮用水中的微生物风险提供参考和借鉴。

美国环保局(USEPA)饮用水水质标准对菌落总数、总大肠菌群 (包括粪大肠菌群和大肠埃希氏菌)、军团菌、病毒、隐孢子虫、贾第鞭毛虫微生物指标进行了限定,其中病毒指肠道病毒,要求病毒的削减率不低于4 log(即99.99%)。水中微生物的削减一般通过处理工艺的去除和后续消毒工艺的灭活来实现。处理工艺之后残留的病毒需通过控制消毒工艺CT值来实现灭活。CT值为消毒剂有效浓度(即消毒剂余量)(C值,单位:mg/L)与有效接触时间(T值,单位:min)的乘积,与微生物种类、消毒剂类型和有效浓度、水温和pH值等密切相关, 如表1所示。针对现行的“混合+絮凝+沉淀+过滤”的常规处理工艺,当滤后水浊度低于0.3 NTU时,USEPA认可病毒的去除率为2 log(即99%)。如果自由氯消毒的CT值为5.8 mg/L‧min(比如,0.5 mg/L自由氯余量和11.6分钟的有效接触时间),病毒的消毒灭活率为2 log(即99%)。病毒通过去除和灭活的总削减率为4 log (即99.99%),达到USEPA去除标准。


 

表1. 不同消毒剂病毒灭活的CT值和剂量

(针对肠道病毒,水温为1 oC,紫外的为腺病毒)

根据美国环保局(USEPA)《Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule: Toolbox Guidance Manual》整理得出


 

虽然我国现行《生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》尚未对病毒的最高允许浓度进行限定,但《标准》中对浊度和消毒的要求也间接地保证了饮用水处理工艺对病毒的削减,即去除和灭活。我国《标准》要求龙头水浊度低于1 NTU。为了达到此浊度标准,水厂一般要求更低的滤后水浊度。如果水厂滤后水浊度为0.3 NTU以下,病毒的去除率可达到2 log。我国《标准》同时要求,出厂水中游离氯余量不得小于0.3 mg/L,接触时间不得小于30 min,计算得到CT值为9.0 mg/L‧min,满足病毒灭活率大于3 log的要求。病毒通过去除和灭活的总削减率为5 log (即99.999%)。如果水厂滤后水浊度为0.5-1.0 NTU,病毒的去除率也应大于1 log(即90%)。我国《标准》自由氯消毒标准的CT值为9.0 mg/L‧min,对应病毒灭活率大于3 log。病毒通过去除和灭活的总削减率为1 + 3 = 4 log (即99.99%),也达到USEPA病毒去除标准。我国《标准》同时规定供水管网中总余氯最低值为0.05 mg/L。管网中余氯或余二氧化氯也可以灭活致病菌,有效控制由于管网二次污染造成的微生物风险。


 

我国《标准》规定臭氧消毒时臭氧余量不得小于0.3 mg/L,接触时间不得小于12 min。由于臭氧接触反应方式多样,同时臭氧浓度在接触池中变化较大,需根据实际设计参数与操作条件来计算其CT值。一般臭氧的病毒灭活率为2—4 log。在我国使用臭氧作为主消毒剂的水厂很少,但有相当一部分水厂采用臭氧与生物活性炭联用(O3-BAC)深度处理工艺,处理能力占全国地表水总处理量的10—20%。因此,采用臭氧消毒或O3-BAC深度处理工艺的水厂,对病毒的去除能力较强。对于有条件的水厂,采用臭氧和游离氯联合消毒病毒灭活率更高,更为安全可靠。


 

按《标准》规定的最低消毒剂余量和接触时间,氯胺和二氧化氯消毒可能难以达到2 log(99%)的病毒灭活率。对于含有氨氮的水质,即使是投加氯(或次氯酸钠),当氯与氨的比值小于7.6比1时(质量比),水中的氯实质上主要以氯胺形式起消毒作用。尽管紫外线消毒对贾第虫和隐孢子虫“两虫”的灭活效果很好,但其病毒灭活的CT值(基于腺病毒)很高。紫外线照射强度(I值,单位:mW/cm²)与有效接触时间(T值,单位:s)的乘积为IT值(即紫外线照射剂量)。灭活病毒2 log所需紫外线剂量值为100 mJ/cm²,远高于目前水厂常用的40 mJ/cm²剂量。现有的紫外消毒设施可通过投加氯(次氯酸钠)或臭氧有效地强化病毒的灭活。我国超滤工艺应用越来越广泛,一般将膜孔径在0.05 µm以下的低压膜定义为超滤膜。超滤单元对贾第虫和隐孢子虫等致病微生物有很好的去除效果,对细菌也有非常显著的去除作用。而病毒尺寸小,超滤不能使之彻底去除,且去除率随着膜工艺运行条件和破损情况而变化。USEPA没有明确定义超滤膜对病毒的去除率,美国绝大多数州不认可超滤膜过滤对病毒的去除,要求消毒工艺具有4 log(即99.99%)病毒灭活率。


 

对于现行的常规处理工艺水厂,可通过降低滤后水浊度进一步提高对病毒的去除。而现行的超滤工艺则需要强化消毒工艺,确保4 log(即99.99%)病毒灭活率。对于仅采用氯氨、二氧化氯或紫外消毒的常规处理工艺水厂,建议强化处理工艺对浊度的去除, 同时根据表1所列CT值和我国《标准》,增加自由氯消毒,适当提高出厂水或管网的氯氨或二氧化氯余量,可以提高病毒的去除率。对于含有氨氮的原水,建议强化去除氨氮、提高投氯量达到折点后用游离氯进行消毒;或者采用臭氧与氯胺组合消毒。采用自由氯或臭氧消毒的常规处理工艺对病毒的总削减率一般为4 log (99.99%)以上, 达到USEPA病毒去除标准。


 

沉淀与过滤是去除病毒、贾第虫和隐孢子虫以及其它致病微生物的有效屏蔽过程,如果水厂回收利用厂内的自用水(沉淀池排泥水和反冲洗水),微生物会在沉淀池和滤池中得以富集。建议特殊时期应停止未处理过沉淀池排泥水和滤池反冲洗水回收,并经过消毒等安全处理后排放。考虑到病毒等微生物在滤池和反冲洗水中的富集以及某些病毒通过空气飞沫、密切接触的传播途径特性,建议水厂操作人员在滤池气水反冲洗和其它曝气工段中佩戴口罩和勤洗手进行个人预防。

 
 
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