北排案例再生水厂协同消毒的实战经验

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年底，我国发生了新型冠状病毒（COVID-19）感染的肺炎疫情。年3月11日，世界卫生组织宣布COVID-19已构成全球性大流行。国内外相关专家相继在新冠肺炎确诊患者的粪便中检测出COVID-19病毒核酸，尿液中分离出新型冠状病毒。新冠肺炎诊疗方案（试行第七版）明确指出由于在粪便及尿中可分离到新型冠状病毒，应注意粪便及尿对环境污染造成气溶胶或接触传播。生态环境部于年2月1日印发《关于做好新型冠状病毒感染的肺炎疫情医疗污水和城镇污水监管工作的通知》，要求进一步加强医疗污水和城镇污水监管工作，防止新型冠状病毒通过污水传播扩散。现代城市排水系统是在应对致病微生物导致的传染性疾病的基础上建立起来的，作为保障社会正常运转的基础性公共服务，也是病原微生物源头控制的重要环节。尽管不同类型的致病微生物对污水处理工艺的耐受性有所差异，通过处理工艺的选择优化，城市排水系统完全可以保障人类健康安全。为提升污水再生处理能力，保障污水再生利用的安全，年起，北京市连续启动实施污水治理和再生水利用三年行动计划。截至年底，北京中心城区11座再生水厂完成升级改造，均采用协同消毒工艺。针对此次疫情，从管网运维、污水再生处理尤其是预处理段、再生水供水及污泥处理处置等各个风险点均采取了相应的人员防护与运行保障措施。本文重点介绍了疫情期间城镇再生水厂协同消毒工艺的生产运行情况及其对病原微生物的控制效果。1北京城镇再生水厂消毒工艺1.1城镇再生水厂常用消毒技术城镇污水常用消毒方式有氯化物、紫外和臭氧等。次氯酸钠主要依靠其水解产生的中性次氯酸分子发挥消毒作用，因其经济性与消毒持续性，为目前广泛应用的消毒方式，然而次氯酸钠消毒会生成“三致特性”的卤代消毒副产物，出水余氯过高还会影响水环境生态安全。紫外消毒主要由病原微生物的遗传物质吸收紫外线能量后引发的光化学反应所导致，以nm-nm附近紫外波段为有效。紫外系统集成化程度高、节省占地，消毒快速，可在数秒内灭活病原微生物，且不会引入副产物，但无持续性。臭氧具有高效去除有机污染物，改善色度、嗅味感官指标等多重效果，随着其剂量的增加对病原微生物也具有很好的杀灭作用，但由于建设与运维成本较高限制了臭氧的应用。1.2北京城市污水再生处理系统协同消毒工艺北京已建成了万m3/日的全球最大规模再生水系统，再生水厂出水水质全部达到北京市地方标准（DB11/-）要求。为了进一步保障再生水安全，北京城市排水集团与清华大学共同承担了国家水专项“北京城市再生水水质提高关键技术研究与集成示范”，研究构建了“城市集中式再生水系统水质安全协同保障集成技术体系”。其中再生水消毒研究结果表明，臭氧氧化对有机物的转化作用可提升20-30%紫外线透射率，且可有效降低次氯酸钠投加量。通过臭氧、紫外与次氯酸钠优化组合，能够充分发挥各单元技术特点与优势，实现病原微生物控制目标的同时，降低次氯酸钠消毒带来的副作用。根据不同消毒技术特点，结合实际应用需求，提出了协同消毒技术，进一步强化再生水生物安全系统保障程度。目前，北京中心城区的11座再生水厂均采用由臭氧、紫外、次氯酸钠两种或三种消毒方式组合的协同消毒工艺，如表1所示。协同消毒技术不仅能够实现病原微生物的高效控制，且针对不同水质、水量的变化提供灵活性调控策略，实现消毒工艺稳定、高效、经济运行。2指示微生物与新冠病毒灭活效果相关性分析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、细菌、原生动物以及蠕虫寄生虫类等。种类繁多，但含量较低，分析检测流程较为复杂，通常监测与病原微生物密切相关的指示微生物来说明水体病原微生物污染情况。目前应用最广泛的指示微生物为总大肠菌群与粪大肠菌群。国家环境保护总局在《GB-城镇污水处理厂污染物排放标准》中将指示微生物粪大肠菌群列为基本控制项目，其在一级A标准中的最高允许排放浓度为不超过个/L。北京市目前主要采用年颁布的地方标准《DB11/-城镇污水处理厂水污染物排放标准》，其中现阶段执行的B标准要求粪大肠菌群数最高允许排放浓度不超过MPN/L。针对常规再生水回用方式，普通接触暴露场景下，该限值能够保障再生水利用的安全性。2.2粪大肠菌群指示新冠病毒灭活效果可行性此次引发新型冠状病毒肺炎疫情的病毒经鉴定属于包膜病毒，与SARS冠状病毒（SARS-CoV）同属冠状病毒家族β属，具有超过82％的同源性。根据Patricia等对病毒在水体中存活率的研究可知，冠状病毒的灭活速度比脊髓灰质炎病毒快，在水环境中的传播几率低于肠道病毒。王新为等在对大肠杆菌和噬菌体f2的消毒研究发现，大肠杆菌和噬菌体f2的灭活剂量需达到游离余氯0.50mg/L和0.82mg/L以上，高于SARS冠状病毒被完全杀灭所需的0.40mg/L游离余氯。由于冠状病毒比大肠杆菌更易于被灭活，对消毒剂的抵抗力低于目前常见的脊髓灰质炎病毒、大肠杆菌以及噬菌体f2等指示微生物。因此，可以基本判定目前再生水厂消毒工艺控制粪大肠菌群或总大肠菌群达标，即可用于参考指示对新冠病毒的有效灭活。3疫情期间北京再生水厂系统运行调控污水再生处理系统各工艺环节对病原微生物的控制均发挥着相应的作用。Schmitz等对比了活性污泥法等常规生化处理工艺与多级AO工艺（Bardenpho技术）对污水中不同类型病毒的去除效果，结果表明单纯二级处理对病毒的去除能力可达到3.6log10拷贝数/L。Wigginton等也发现二级处理对病毒的去除能力在1-4log10拷贝数/L。新冠肺炎疫情期间，北京中心城区11座再生水厂积极开展厂网、厂间、厂与用户间的联调联动，各厂在做好预处理、生物处理、深度处理等前序工艺单元运行保障的基础上，强化末端协同消毒工艺的优化运行。3.1二级处理单元的低水量运行调控疫情发生时间与春节假期重叠，人员密集离京后推迟返京造成水厂长时期低水量运行，如图1所示，北京中心城区各再生水厂春节假期至今的日均处理水量（1月25日-3月15日）较冬季平日处理水量（1月01日至1月10日）的平均降幅为15.9%-39.5%。为应对疫情期间进水持续低水量，各厂通过降低初沉池投运比例，精准曝气、精准碳源投加及精准排泥系统的优化调控保障了二级处理单元运行效果。针对反硝化生物滤池，则采取了适当减少运行滤池数量，滤池编组交替运行的方式，将滤池滤速控制在8~10m/h正常范围，同时对碳源投加量进行动态调整。如表2所示为疫情期间高碑店再生水厂进、出水主要水质指标。3.2过滤单元运行情况水中的悬浮颗粒物影响水中病原微生物含量，不同处理工艺出水悬浮物浓度与粪大肠菌群数如表3所示。同时悬浮颗粒物还能够对消毒效果产生直接影响。通过协同消毒工艺前端砂滤、膜过滤等处理单元的设置，提高水中悬浮颗粒物的截留效果。可有效提升臭氧、紫外与次氯酸钠对直接暴露在水中的病原微生物的灭活效率，过滤工艺在对致浊颗粒物去除的同时伴随着部分病原微生物的截留。疫情期间，北京城区各再生水厂以出水浊度调控砂滤与膜过滤等处理单元的清洗频率，严格控制其出水悬浮物浓度5mg/L。如表3所示，再生水处理工艺出水SS均低于5mg/l，砂滤出水浊度0.53~1.64NTU，微滤/超滤出水浊度0.35~0.82NTU。低悬浮物浓度保障了后端协同消毒工艺对病原微生物的灭活效果。3.3协同消毒工艺运行策略作为协同消毒技术体系的首个工艺单元，臭氧在氧化有机物污染物的同时，可以部分灭活病原微生物，实现与下游紫外、次氯酸钠的协同消毒作用。臭氧氧化能够显著降低色度与UV（图2a）。2mg/L的臭氧预氧化能够将出水色度控制在10°以下，且紫外光透射率提升30%。在此基础上，2mg/L的臭氧预氧化则可将粪大肠菌群数降至3CFU/L，且所需次氯酸钠投加量较单独次氯酸钠消毒可降低近50%（图2b）。（b）臭氧预氧化对次氯酸钠消毒的影响“臭氧-氯”两协同消毒工艺中，次氯酸钠为主消毒单元，根据WaterVal、Rachmadi等研究结果，维持一定的CT值是保障病原微生物的灭活效率的关键因子，如图3所示，根据水量变化，调整次氯酸钠投加量，次氯酸钠CT值在8.4mg·min/L-13.2mg·min/L之间变化，粪大肠菌群灭活率达到99.99%，出水粪大肠菌群2CFU/L(图4a)。“臭氧-紫外-氯”三协同消毒工艺中，紫外为主消毒单元，根据臭氧运行情况，调整臭氧投加剂量维持1-3mg/L。在紫外消毒单元中，景观用再生水紫外剂量为25-40mJ/cm2，城市杂用再生水紫外剂量为70-80mJ/cm2，而紫外后端投加次氯酸钠的主要目的是维持适当的余氯保持消毒的持续性。针对不同协同消毒组合工艺，其运行参数见表4。3.4协同消毒工艺水质监测与出水水质分析疫情期间，各再生水厂强化出水水质监测工作。由于游离氯与总氯不稳定，为了更准确的实时掌握出水余氯情况，各再生水厂均采用现场快速测定分析出水余氯，每天上午、下午各测1次；总大肠菌群数与粪大肠菌群数每天测1次。为保证系统运行稳定性对各消毒单元进、出水起衔接作用的关键水质指标进行补充监测。对臭氧单元进、出水色度与UV进行快速测定，并将水质监测与协同消毒工艺运行调控相结合，以保障协同消毒工艺体系对病原微生物的控制效果。如图4（a）所示，无论是“臭氧-次氯酸钠”两协同消毒工艺，还是“臭氧-紫外-次氯酸钠”三协同消毒工艺均能够保证各再生水厂出水粪大肠菌群数低于2CFU/L。年北京市再生水利用量为10.8亿m3，超过80%用于补充河、湖等景观水体。为避免再生水余氯过高可能对受纳水体水生生物造成的损伤，疫情期间各厂在确保再生水卫生学指标达标的同时，均加大了再生水余氯监测频次，将厂区清水池余氯日常监测与河、湖补水口余氯监测相结合，并强化开展河岸巡查工作，确保以再生水为补给水源的水环境的生态安全性。图4（b）为采用“臭氧-氯”两协同消毒工艺再生水厂退水中总氯与游离余氯变化情况，由图中可以看出，疫情期间再生水厂出水游离余氯基本维持在0.05-0.1mg/L之间，在卫生学达标基础上充分保障了后续受纳水环境的生态安全。4结论与建议1）根据已有研究结果，新冠病毒在水环境中的存活能力及对消毒剂耐受力均弱于粪大肠菌群，可采用粪大肠菌群灭活率参考指示水厂消毒工艺对新冠病毒的灭活效果。2）二级处理及深度处理单元的稳定运行是保障系统安全的关键环节，砂滤与膜过滤出水SS稳定低于5mg/L，有效保障了后续消毒单元的消毒效果。3）“O3-NaClO”协同消毒工艺，臭氧剂量维持3-5mg/L，NaClO剂量根据水量与接触池（清水池）容积维持CT值不低于8mg·min/L可以较稳定的实现粪大肠菌群2CFU/L的消毒效果，同时节省NaClO投加量。“O3-UV-NaClO”协同消毒工艺，臭氧1-3mg/L的投加量能够提升30%紫外透射率，在紫外消毒单元设计剂量下（景观用水30mJ/cm2，城市杂用水80mJ/cm2），紫外出水能够实现粪大肠菌群2CFU/L；后续根据再生水用途及管网输配要求进行适当补氯，保障出水余氯达到相应标准。4）协同消毒工艺通过不同消毒技术的合理组合与运行优化，可以实现99.99%的粪大肠菌群灭活率，出水粪大肠菌群2CFU/L，且出水余氯浓度稳定，保障再生水与受纳水体生态安全。来源：给水排水作者：李魁晓等