几种国内城市污水处理厂消毒工艺的比较
摘要: 针对国内城市污水处理厂出水消毒的现状, 分别介绍了紫外线消毒、液氯消毒、臭氧消毒等污水消毒工艺的原理及设备组成和各自特点, 并对这几种消毒工艺进行了综合比较, 指出了每种工艺的适用范围, 以指导相关人员合理选择,提高污水消毒效率。
关键词: 城市污水, 消毒工艺, 原理, 特点
城市污水经二级处理后, 水质已经改善, 细菌含量也大幅度减少, 但细菌的绝对数量仍很可观, 并存在有病原菌的可能, 必须在去除掉这些微生物以后, 废水才可以安全地排入水体或循环再用。随着居民对生活品质要求的不断提高, 污水处理厂的二级处理出水对城市水体造成的影响引起了人们对健康和安全问题的更多关注。消毒是灭活这些致病生物体的基本方法之一, 因此污水处理厂的尾水消毒已经成为污水处理中的重要工序, 水处理专业人员也在不断探索污水消毒的最佳方法。
1 几种消毒工艺方法
1. 1 物理消毒方法——紫外线消毒
1. 1. 1 紫外线消毒原理
紫外线消毒是一种物理消毒方法, 紫外线消毒并不是杀死微生物, 而是去掉其繁殖能力进行灭活。紫外线消毒的原理主要是用紫外光摧毁微生物的遗传物质核酸( DNA 或RNA ), 使其不能分裂复制。除此之外, 紫外线还可引起微生物其他结构的破坏。紫外线是一种波长范围为136 nm ~ 400 nm 的不可见光线。在该波段中260 nm 附近已被证实是杀菌效率最高的, 目前生产的紫外灯的最大功率输出在253. 7 nm 波长。该波长输出在目前世界顶极紫外灯中已占到紫外能量的90%, 总能量的30%, 由于高强度、高效率的紫外C 波段的存在, 紫外技术已成为水消毒领域一个具有相当竞争力的技术。
1. 1. 2 紫外线消毒器的结构形式
1)敞开式结构。在敞开式UV消毒器中被消毒的水在重力作用下流经UV 消毒器并杀灭水中的微生物。
2)封闭式结构。封闭式UV 消毒器属承压型, 用金属筒体和带石英套管的紫外线灯把被消毒的水封闭起来。
1. 2 化学消毒方法
1. 2. 1 液氯消毒
1)液氯消毒原理。向水中加入液氯或者次氯酸盐(如Na C lO)溶液消毒时, 在水中发生如下反应:
HOC,l OC l- 之和称作有效自由氯, 其中以HOC l消毒效果最好。排入水体时, 氯会和水中的氨氮、有机氮反应生成消毒效果较差的无机氯胺和有机氯胺, 称作化合氯。总余氯是指有效自由氯和有效化合氯之和。氯的消毒效果受接触时间、投加量、水质 (含氮化合物浓度、SS浓度)、温度、pH 以及控制系统的影响。
2) 加氯系统。目前常用加氯系统包括加氯机、接触池、混合设备以及氯瓶等部分, 如图1所示。
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1. 2. 2 臭氧消毒
1) 臭氧消毒原理。臭氧( O3 ) 是氧( O2 ) 的同素异形体, 纯净的O3 常温常压下为蓝色气体。臭氧具有很强的氧化能力( 仅次于氟), 能氧化大部分有机物。臭氧灭菌过程属物理、化学和生物反应, 臭氧灭菌有以下三种作用:
a. 臭氧能氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必需的酶, 使细菌灭活死亡。b. 直接与细菌、病毒作用, 破坏它们的细胞壁、DNA和 RNA, 细菌的新陈代谢受到破坏, 导致死亡( DNA—核糖核酸; RNA—脱氧核糖核酸。病毒是由蛋白质包裹着一种核酸的大分子; 病毒只含一种核酸)。c. 渗透胞膜组织, 侵入细胞膜内作用于外膜的脂蛋白和内部的脂多糖, 使细菌发生透性畸变, 溶解死亡。因此, O3 能够除藻杀菌, 对病毒、芽孢等生命力较强的微生物也能起到很好的灭活作用。
2) 污水臭氧处理工艺。臭氧氧化能力强, 且很不稳定, 也无法储藏, 因此应根据需要就地生产。臭氧的制备一般有紫外辐射法、电化学法和电晕放电法。目前臭氧制备占主导地位的是电晕放电法。由臭氧发生器制备好的臭氧气体通过管道输送到密闭的臭氧接触池, 与处理后的污水进行接触反应。反应后的气体由池顶汇集后, 经收集器离开接触池, 进入尾气臭氧分解器, 在此剩余臭氧气体被分解成氧气排入大气中( 见图2) 。
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1. 2. 3 二氧化氯消毒
二氧化氯在水中溶解度是氯的5倍, 氧化能力是氯气的2. 5倍左右, 它是一种强氧化剂。溶于水后很安全, 是国际上公认的含氯消毒中唯一高效消毒剂。
二氧化氯性质不稳定, 只能采用二氧化氯发生器现场制备。用于水处理领域的小型化学法二氧化氯发生器主要有两种: 以氯酸钠、盐酸为原料的复合型二氧化氯发生器和以亚氯酸钠、盐酸为原料的纯二氧化氯发生器, 其中前者应用最为广泛。
1)复合二氧化氯发生器原理。复合二氧化氯发生器以氯酸钠和盐酸制备二氧化氯为主、氯气为辅的混合气体。反应如下: N aC lO3 + 2H C l= C lO2 + 1 /2C l2 + NaC l+ H 2O 该反应的最佳温度为70 ℃, 反应器采用耐温、耐腐蚀材料制造。反应生成的二氧化氯和氯气混合气体通过水射器投加到被处理水中。
2)复合二氧化氯发生器的应用。复合二氧化氯发生器用于消毒时, 消毒剂投加点一般在滤后, 有效氯投加量一般为3 m g /L ~ 5 m g /L; 用于脱色或降低COD时, 该复合气体投加在硫酸铝等混凝剂投加点之前效果较好, 投加量应根据水质由试验确定。
2 上述几种消毒方法的特点
2. 1 紫外线消毒
紫外线污水消毒技术如今已被广泛应用于各类城市污水的消毒处理中, 包括低质污水、常规二级生化处理后的污水、合流管道溢流废水和再生水的消毒。紫外线消毒法除具有不投加化学药剂、不增加水的嗅和味、不产生有毒有害的副产物、消毒速度快、效率高、设备操作较传统消毒工艺安全简单和实现自动化等优点外, 运行、管理、劳务和维修费用也低, 近20 年来逐渐得到广泛应用。紫外线消毒工艺对紫外穿透率较低的水质并不适用, 如未经处理或只经过一级处理的污水, SS高于30 m g /L的污水。这种情况采用紫外线消毒的方式不但会增加能耗, 还会造成消毒效果不好。而对于经过二级处理的污水和再生水, 紫外穿透率一般为40% ~ 80%, 采用紫外线消毒方式是不错的选择。
但是紫外线消毒法不能提供剩余的消毒能力, 当处理水离开反应器之后, 一些被紫外线杀伤的微生物在光复活机制下会修复损伤的DNA分子, 使细菌再生。
2. 2 液氯消毒
液氯使用最大的优点是价格便宜, 杀菌力强, 该工艺简单, 技术成熟, 药剂易得, 投量准确, 有后续消毒作用, 不需要庞大的设备。液氯消毒在各地医院、工业、民用的灭菌消毒中都有广泛应用, 并且有些已达到了自动化的程度。液氯储存不是十分安全, 容易发生泄漏, 而且自20世纪70年代以来, 由于发现氯可与水中多种物质形成致癌或致病变的产物, 致使该工艺在应用上开始受到限制。
2. 3 臭氧消毒
臭氧是一种强氧化剂, 它具有高效无二次污染, 既能氧化有机物, 又能杀菌除色、嗅、味等特点, 可氧化铁、锰等物质, 通常认为它的氧化能力比氯高600倍~ 3 000 倍, 且接触时间短, 除能有效杀灭细菌以外, 对各种病毒和芽胞等生命力强的生物也有很大的杀伤效果。臭氧消毒不受污水中NH3 和pH 的影响, 而且其最终产物是二氧化碳和水, 不产生致癌物质。
2. 4 二氧化氯消毒
二氧化氯消毒的特点是只起氧化作用, 不起氯化作用, 因而一般不会产生致癌物质。二氧化氯的消毒效果与氯气相当, 但当污水中NH3 N 浓度较高时, 耗氯量会大幅度增加, 但二氧化氯由于不与NH3 反应, 因而其投加量并不增加。另外, 二氧化氯消毒还不受pH 的干扰。二氧化氯不稳定且具有爆炸性, 因而必须在现场制造, 立即使用。制备含氯低的二氧化氯较复杂, 且原料 ( NaClO2 ) 的价格较其他消毒方法高, 故限制了该方法的广泛采用。所以国内目前只是在一些中小型的污水处理工程中采用了二氧化氯消毒工艺。
3 对几种消毒工艺的综合比较
如表1所示, 几种消毒方式目前在国内均有运用。由于液氯消毒运行费用低, 操作简单, 主要运用于大型污水处理厂。中小型污水处理厂主要采用二氧化氯和紫外线消毒, 但由于紫外线消毒效果不稳定, 且设备维护费用较高等因素, 二氧化氯消毒在中小型污水处理厂中运用越来越广泛。臭氧消毒主要运用于中水处理, 具有较强的消毒效果及脱色效果, 同时再辅以加氯消毒, 以保证出水中余氯要求。
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