新冠肺炎疫情期间城镇污水处理厂消毒设施运行调研与优化策略

摘要：我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）将病原微生物指标粪大肠菌群数列为出水基本控制指标之一，要求污水处理过程中必须进行消毒处理，以降低病原微生物对人畜产生健康风险。为了解污水处理消毒设施运行的效果，对全国56座城镇污水处理厂进行了调研，总结了消毒单元中存在的问题并提出相应的应对措施。调研结果表明，超过80%的城镇污水处理厂采用次氯酸钠和二氧化氯作为消毒剂。次氯酸钠和二氧化氯消毒的优势在于消毒的持久性效果较好以及运行管理相对简单。不过，在调研中发现由于各种原因，29.4%的城镇污水处理厂有效氯投加量超过4 mg/L，部分污水处理厂因为消毒接触时间不足，因此通过采取增大氯投加量实现水中粪大肠菌群的去除；此外，50%的污水处理厂未对消毒后的总余氯进行过测试，在已检测该指标的污水处理厂中，总余氯浓度在0.20 mg/L以上的占比达到70%。针对调研中发现的问题，结合文献报道以及试验数据，提出了污水处理厂消毒设施优化运行建议，并展望未来的主要研究方向，以期为城镇污水处理厂更合理地设计、运行消毒设施提供理论依据和技术指导。

1  引言

未经消毒灭菌的城镇污水处理厂出水中含有大量的病原微生物，这些病原微生物随出水排入自然水体后，在适宜的环境条件下可存活很长时间，存活的病原体可通过直接接触、飞沫或气溶胶等途径传播给人畜而产生健康风险[1]。因此，我国在2000年6月由原建设部、国家环保总局和科技部联合发布的《城市污水处理及污染防治技术政策》文件中明确规定“为保证公共卫生安全，防止传染性疾病传播，城市污水处理设施应设置消毒设施”[2]。2002年12月发布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)首次将病原微生物指标粪大肠菌群数列为出水基本控制指标之一，要求污水处理过程中必须进行消毒处理[3]。

目前我国城镇污水处理厂采用的消毒方式主要有：紫外、次氯酸钠、二氧化氯和臭氧等，常单一应用或组合联用。紫外消毒是利用紫外线对微生物的核酸产生光化学危害，从而产生消毒作用[4]，但紫外线没有持续消毒作用，存在光复活现象[5]；次氯酸钠为中性小分子，极易扩散到带着负电的细菌表面，穿透细菌细胞壁，氧化并破坏细菌的酶系统达到消毒目的[6]。次氯酸钠消毒过程中会产生余氯，余氯依然具有持续消毒能力，能有效抑制残余细菌的复活和繁殖，但余氯对水生生物和鱼类也会造成一定的毒性影响，不同鱼类对氯的敏感性也不一样，一般在0.1～0.001 mg/L之间[7]；二氧化氯消毒是利用其强氧化性来破坏微生物的酶系统，从而导致反应产物的分解破坏，使细菌死亡[6]。相对于次氯酸钠消毒，二氧化氯消毒在抑制消毒副产物三卤甲烷形成以及降低总有机卤的生成等方面具有一定的优越性[8]，但二氧化氯制备成本较高；臭氧消毒的机理是利用其强氧化性来破坏微生物的细胞膜结构继而达到灭菌的效果。臭氧在水中半衰期大约30 min[6]，由于其消毒持久性相对较差，一般需和氯消毒配合使用。

上述每种消毒方式均具有各自的优缺点，并且消毒效果易受消毒药剂投加量、接触时间、进水水质水量等因素影响。目前国内对污水消毒的研究主要集中在这些消毒方式在不同条件下的消毒效果评价上，如郑晓英等对次氯酸钠、臭氧及其组合技术进行再生水消毒研究，结果表明：在次氯酸钠消毒过程中，有效氯投加量为5 mg/L时，总大肠菌群和粪大肠菌群数去除率分别为99.91%和99.99%；在次氯酸钠和臭氧的组合工艺中，当臭氧剂量为2 mg/L、有效氯投加量为0.5 mg/L时，出水总大肠菌群和粪大肠菌群数去除率分别为99.94%和99.87%[9]。何敏等[10]研究了次氯酸钠对污水处理厂二级出水消毒效果的影响因素如氨氮浓度、pH值、水温和接触时间等，结果表明：当氨氮浓度≤0.2 mg/L时，次氯酸钠最佳投加量为 15 mg/L；氨氮浓度为0.2～0.4 mg/L时，次氯酸钠最佳投加量为8 mg/L；氨氮浓度约 0.6 mg/L时，次氯酸钠最佳投加量为6 mg/L；氨氮浓度为0.8～1.2 mg/L时，次氯酸钠最佳投加量为5 mg/L。一般消毒接触时间为 15～30 min时消毒效果最佳。从上述不同研究结果可以看出，不同文献研究条件不同次氯酸钠的适宜投加量相差较大。赵琳等[6]对次氯酸钠消毒研究的结果表明在氨氮含量＜15mg/L，次氯酸钠含量＜6 mg/L时，随着氨氮浓度升高，次氯酸钠消毒效果降低。该研究结论与何敏等人的研究结果不一致。另在对组合消毒工艺研究中，郭美婷等[11]研究发现先次氯酸钠消毒后紫外消毒协同效果优于先紫外后次氯酸钠消毒，张永吉等研究认为先紫外后次氯酸钠消毒协同效果优于先次氯酸钠后紫外消毒[12,13,3]。由此可见不同的应用条件研究结果相差较大。

2020年1月传染性强的新型冠状病毒在全国爆发蔓延，为了严防冠状病毒通过污水传播扩散，2月1日生态环境部印发了《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》（环办水体函[2020]），其中特别指出“地方生态环境部门要督促城镇污水处理厂切实加强消毒工作，结合实际，采取投加消毒剂或臭氧、紫外线消毒等措施，确保出水粪大肠菌群数指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）要求。”目前各地城镇污水处理厂均在积极落实该通知要求，为了确保出水粪大肠菌群数指标稳定达标，一些原设计为紫外消毒的污水处理厂临时增设次氯酸钠投加设施，将两种消毒方式串联使用；部分污水处理厂由于缺少接触消毒池，采取加药消毒后直接通过管道混合处理出水；部分主要以次氯酸钠作为消毒剂的污水处理厂则将原来的有效氯投加量从1.5 mg/L增大至4～5 mg/L。这些消毒方式的可行性和必要性尚缺乏实际数据支撑。

由于目前我国尚缺乏对城镇污水处理厂消毒的工艺参数和运行效果的统一认识，因此有必要开展污水消毒运行效果调研和研究工作，掌握目前国内城镇污水处理厂消毒设施运行现状，分析主要存在问题，提出针对性优化策略，为城镇污水处理厂的消毒设施运行提供技术指导。

2 城镇污水处理厂出水消毒设施运行调研与优化策略分析

2.1 消毒设施调研概况分析

污水的消毒处理可使排放污水或再生水的微生物学指标满足防止水体污染或进行安全利用的要求，而消毒工艺的选择会影响到污水处理厂出水的消毒效果、运行管理以及运行成本等，因此选择合适的消毒工艺对于出水的达标排放及运行管理至关重要。针对消毒设施的运行情况，2020年2月对江苏、浙江、上海和福建等省市的56座城镇污水处理厂进行了调研，调研概况统计结果如表1所示。

表1 56座城镇污水处理厂消毒设施运行概况调研汇总表

备注：①“/”表示数据缺失；② 带“*”的数据为二氧化氯实际在污水处理厂可发挥消毒效果的有效氯含量。