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饮用水多屏障消毒策略及紫外消毒技术的应用

字体: 放大字体  缩小字体 发布日期:2020-06-19  来源:净水技术  浏览次数:201

吕东明博士

1986年从清华大学工程力学系毕业,同年进入清华大学热能系读研,后在英国继续机械工程专业的博士学习,1998年加入特洁安技术公司(Trojan Technologies)从事研发方面的工作,将其所学的流体力学以及机械工程专业知识很好地结合起来,对紫外水消毒技术,特别是消毒器的优化设计有深入的理解和掌握,并进行了更好的创新。经过近20年的努力,从无到有,紫外水处理技术在我国城市污水处理中得到广泛应用,在饮用水常规及深度处理中正被逐渐接受,为保护环境和人类健康发挥了积极的作用。

2008年3月发表于Nature的《未来几十年的水净化科学和技术》第一句就说“众所周知,干净淡水的缺乏在全球范围内导致许多问题的产生:12亿人无法获得安全的饮用水,26亿人几乎没有卫生设施,每年有数百万的人(其中每天有3 900个儿童)死于通过不安全的水或人类排泄物传播的疾病。水污染使无数的人患病。”基于此,水处理工作者正在寻求更加安全、可靠的水净化技术,以期在既不加重环境压力,又不危及人类健康的前提下,达到预期的水处理效果。

紫外线很早就被人们用来杀菌消毒。微生物的遗传物质(DNA/RNA)吸收紫外线, DNA/RNA发生光化学反应,从而生物体不能够复制繁殖。200~300 nm的紫外线最容易被这些遗传物质吸收,灭活能力也最强。自19世纪初,人们就用这种源于自然的紫外线技术进行水处理。本文主要介绍了紫外线技术在饮用水消毒处理中的应用及其重要作用。

1 多屏障消毒策略——联合消毒工艺

1.1 传统的单一消毒工艺单元存在的问题

目前,国内自来水厂主要采用单一的氯消毒工艺单元。随着科技的进步,人类对于这一技术的认识也更加全面和深入。随着近年来对消毒副产物认识的深入,已知的氯消毒副产物已经接近上千种,但绝大多数消毒副产物的结构和毒性仍待研究。具有毒性的氯消毒副产物中较为熟知的三卤甲烷和卤乙酸等只是为数不多的几种。除此之外,氯消毒并不是对所有的病原体都有效,如自由氯对隐孢子虫、贾第鞭毛虫和鸟型分枝杆菌等耐氯病原体是低效或无效的。在单独使用氯消毒时,鸟型分枝杆菌普遍存在于给水系统的生物膜中,且在高pH和低温的自然水体中对氯有很强的抵抗力。氯消毒过程中存在着很大的运输、储存和使用的安全风险,这也迫使决策者放弃单一的自由氯消毒方式而采取其他更为安全的水消毒理念、技术和解决方案。

1.2 新的消毒理念和方式

为了进一步保障饮用水的安全,近年来基于多级屏障理念的多屏障消毒策略在欧美地区的净水处理中得到日益广泛的认同和实践。多级屏障策略不仅可以确保当净水厂中某一工艺单元出现问题时,不会导致整个系统的失效,还可以通过不同消毒手段的联合使用、取长补短实现优势互补,提高供水安全性。现代消毒的最终目标是对水进行可实施和强有效的消毒,消灭其中已知和未知的病原体,由于水厂无法对水中的微生物全部检测,消灭水中未知的病原体其实与消灭已知的病原体同等重要,但是往往被忽视,不少供水企业的一个典型认识误区就是认为如果水厂的进水里没有检测出水质卫生学指标微生物,就不需要对该微生物进行处理,这其实是对水质安全指标体系的片面或者错误解读。这些指标的本质是用来衡量水厂各级工艺单元控制某类安全风险的能力,它们代表的往往是一类风险而不仅仅是其本身。这就要求水务专业人员在消毒工艺的选择上要同时平衡微生物和化学风险。

其实,氯消毒经济的观念也是一个认识误区,如果要求用氯有效灭活所有已知的水媒病原体,其投资与运行成本比常规氯消毒要增加上千倍,而且工程上也根本不能实施,因为接触池容积可能要增加上千倍,从这个意义上讲,紫外消毒是目前已知的最经济的消毒手段。臭氧也是一种高效的消毒剂,但存在溴酸盐的风险,溴酸盐的致癌性远高于我们熟知的三卤甲烷和卤乙酸。紫外是公认的杀菌广谱性最好的消毒技术(这也是它经济的根本原因),而且作为物理手段没有消毒副产物的问题,但紫外没有残余消毒作用,无法保证供水管网中的生物稳定性。因此,几种消毒技术联合使用可以取长补短,在扩大微生物控制覆盖的同时,减少化学药剂的使用量,从而降低消毒副产物的生成,最大程度地提高供水安全,满足现实和前沿的认知条件下安全供水的需求。目前,饮用水联合消毒工艺最为常见的是紫外线加氯或加氯胺的方式。

1.3 多屏障消毒策略- 联合消毒工艺

联合消毒工艺的主要方式有紫外线+氯胺、紫外线+氯、紫外线+臭氧+氯胺和臭氧+氯胺等。由于紫外线消毒微生物覆盖广谱性好、无消毒副产物、经济性好(与单一消毒单元的微生物覆盖面比较)、占地面积小、易安装实施和对耐氯微生物灭活效果好等优点,近几年来,饮用水联合消毒工艺选择中基本都包括紫外线消毒单元,而且为了最大程度地发挥紫外线的优势,减少化学药剂用量,往往以紫外线消毒作为主消毒单元。

图1对多屏障消毒策略中较为常见的紫外联合氯消毒工艺的优点给出了直观的说明。表明传统的单一氯消毒工艺单元路线是无法在卫生学上完全保障供水安全的。考虑到水中已知和可能存在的未知耐氯性病原体(目前没有检测要求,并有可能受目前的技术水平和检测手段限制无法检测),紫外联合氯消毒无疑比传统单一氯消毒工艺单元能提供更好的供水安全屏障。

图1 紫外联合氯多屏障消毒策略

另外,紫外联合氯消毒可以减少氯消毒部分的剂量(余氯量或停留时间)。图1还给出了氯消毒副产物三卤甲烷的生成曲线,可以看到无论是水质较好的水厂还是水质较差的水厂,三卤甲烷的浓度随着氯CT值的增加而增加,即使是水质较好的水厂,在CT值加大时,也存在着消毒副产物超标的可能。但如果采用紫外联合氯消毒,通过降低氯的投加CT值,可以大大减少消毒副产物的浓度,满足安全要求。

因此,紫外联合氯消毒工艺,不仅可以扩大对水中病原体控制的覆盖广谱性,还可以减少化学药剂的使用以及消毒副产物的生成,同时改善供水的化学安全性。

紫外联合氯消毒的优点有:(1)扩大微生物控制的覆盖面;(2)减少化学药剂用量及副产物,同时保证管网的生物稳定性;(3)在联合消毒工艺的某一单元出故障时,其他单元还可以在某种程度上保证消毒效果。而所有联合消毒方式中紫外+氯胺消毒是非常理想的搭配,可以最大程度地实现多屏障消毒策略的三大优势。

一线的水处理工作者在理论研究不断推进的同时,将 紫外+氯铵联合消毒工艺应用到实际生产中,已建或在建案例均显示出一定的成效,以期在实践中发现问题、解决问题,为更加完善的水净化工艺提供不同程度的技术支持。

在发达国家和地区,以紫外线消毒技术为主的联合消毒工艺已被广泛认可和应用。郄燕秋等详细介绍了国外几个典型的工程应用和在建案例。其中,美国纽约市Catskill & Delaware水厂每日的设计处理规模为832万m3/d,是世界上最大的采用紫外消毒的自来水厂。在国内,天津泰达经济技术开发区给水厂的三期工程(22万t/d)设计采用了紫外线+氯消毒的联合消毒工艺,成为国内首家运行紫外消毒工艺的自来水厂。

图2 余氯和加氯量-氨氮含量关系图

2 紫外消毒技术在我国自来水厂中的应用

2.1 我国饮用水生产面临的挑战

微生物控制是水厂管理的核心指标。对于饮用水来说,微生物控制失效引发的结果往往是恶性的,甚至是灾难性的。受检测手段、认识和技术的局限,我国饮用水使用的卫生学管理指示微生物还是以大肠菌群为主,这就要求大肠菌群对水厂所选择的消毒剂来说是最难以去除的。但遗憾的是,由于耐氯微生物的存在,被广泛使用的氯消毒恰好是很容易对付大肠菌群的,因此存在着卫生学指标达标但水质实际并不安全的可能。由于大部分国家没有对耐氯微生物的检测提出要求以及检测手段存在限制,国内外供水界普遍存在对水中耐氯微生物风险缺乏认识或认识不足的现象。

水媒中耐氯微生物中最有名的就是隐孢子虫。正是国外数百起隐孢子虫引起的供水公共安全事件使得人类认识到饮用水中耐氯微生物对人类健康的潜在威胁,也认识到单一的氯消毒单元可能无法保障供水安全,因此多屏障消毒策略,即联合消毒工艺应运而生。饮用水中耐氯病原体的存在是供水行业需要积极面对的对公众健康的潜在威胁。

随着中国现代农业的发展,化肥农药的使用逐渐受到控制,取而代之的是生物制剂。用微生物改良土壤与养殖用水,这是一把双刃剑,在农业进步的同时,往往会对该区域水源造成冲击,引入微生物控制风险,为供水企业的管理带来挑战。

2.2 中国饮用水紫外消毒技术应用的发展情况

2008年,天津泰达自来水三期工程为22万t/d,紫外主消毒工艺投产运行,这开创了我国在大型市政自来水厂中使用紫外作为主消毒工艺的先河。在随后的10年间,饮用水紫外消毒应用伴随着多屏障消毒策略被越来越多的行业有识之士认可并得到发展。我国陆续有40多座大中型水厂使用了紫外主消毒工艺,总规模已近650万t/d。紫外消毒技术的使用,丰富了这些水厂的微生物控制手段与应急能力,对供水安全保障起到了积极作用。

3 结语

饮用水中耐氯微生物的安全风险应引起供水行业的高度重视,传统的单一氯消毒单元无法真正保障饮用水卫生学和化学安全。伴随我国水源水质日趋复杂化和恶化,多屏障消毒策略与紫外线消毒技术正逐渐用于给水深度处理的工艺中,这一策略可以更好地保障供水安全。在市政自来水消毒处理中,紫外线消毒是多屏障消毒策略中的重要单元,结合氯或氯胺消毒工艺来保证输水管网内的生物稳定性可全面提高供水的微生物和化学安全性,联合消毒将会成为未来水厂处理中一种重要的工艺选择。

编辑札记

饮用水紫外消毒伴随着多屏障消毒策略已被越来越多的行业人士认可,并得到陆续应用和发展。紫外消毒技术的使用丰富了水厂的微生物控制手段与应急能力,对供水安全保障起到了积极作用。通过对该技术的分享与讨论,旨在为今后紫外消毒技术的发展提供更开阔的思路和方向。

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排版:王佳

校对:黎翔

 
 
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