城鎮(zhèn)污水處理廠次氯酸鈉消毒影響因素及優(yōu)化研究
作者： 日期：2022-12-06 來(lái)源： 關(guān)注：344
以典型城鎮(zhèn)污水處理廠濾池出水為研究對(duì)象，對(duì)次氯酸鈉消毒主要影響因素進(jìn)行了分析，并從有效氯投加量和消毒效果表征指標(biāo)兩方面對(duì)工藝優(yōu)化分別開展了研究。結(jié)果表明，有效氯投加量、接觸時(shí)間、混合條件和糞大腸菌群數(shù)對(duì)消毒效果影響顯著，氨氮濃度對(duì)消毒效果影響較小；靜置下溫度對(duì)消毒效果影響顯著，攪拌下溫度對(duì)消毒效果的影響可以忽略；當(dāng)攪拌接觸時(shí)間≥10min時(shí)，有效氯投加量為0.75mg/L即可確保濾池出水消毒后的糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；典型深度處理工藝沿程糞大腸菌群數(shù)明顯降低，與二沉池出水相比，濾池出水糞大腸菌群數(shù)平均降低85%；對(duì)于一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠，接觸時(shí)間≥10min時(shí)濾池出水消毒的有效氯投加量為1mg/L，接觸時(shí)間<10min時(shí)濾池出水消毒的有效氯投加量可增至1.25mg/L；優(yōu)化的有效氯投加量（1～1.25mg/L）明顯低于調(diào)研的全國(guó)高排放標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠的平均有效氯投加量（3.69mg/L）；當(dāng)有效氯投加量為1mg/L時(shí)，濾池出水接觸30min的余氯（0.02～0.16mg/L）明顯低于調(diào)研的全國(guó)高排放標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠的平均余氯（1.12mg/L），尾水生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)明顯降低；同時(shí)，提出了一種消毒效果快速表征指標(biāo)，即氧化還原電位（ORP）和運(yùn)行控制參數(shù)氧化還原電位增量（ΔORP），并給出了有效氯投加量為1mg/L時(shí)濾池出水不同接觸時(shí)間的ΔORP參考值。
城鎮(zhèn)污水處理廠消毒工藝主要包括紫外消毒、佛山次氯酸鈉消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒及其組合工藝等，其中佛山次氯酸鈉由于具有消毒效果好、不涉及?；?、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前城鎮(zhèn)污水處理廠應(yīng)用最廣泛的消毒劑。但目前關(guān)于佛山次氯酸鈉消毒的研究存在諸多問(wèn)題。①次氯酸鈉消毒影響因素方面：a.以二沉池出水為研究對(duì)象開展一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)下次氯酸鈉消毒影響因素研究，而非濾池出水；b.部分因素對(duì)次氯酸鈉消毒影響的研究方法不合理；c.影響因素研究的結(jié)論并不一致。②有效氯投加量方面：a.相同排放標(biāo)準(zhǔn)下城鎮(zhèn)污水處理廠單獨(dú)佛山次氯酸鈉消毒系統(tǒng)有效氯投加量差別較大；b.《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）規(guī)定，當(dāng)無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)，污水廠出水加氯量可采用5～15mg/L，其并未針對(duì)不同出水排放標(biāo)準(zhǔn)分類規(guī)定加氯量。③次氯酸鈉消毒效果表征指標(biāo)（糞大腸菌群數(shù)和余氯濃度）存在一定的應(yīng)用局限：a.糞大腸菌群數(shù)為生物指標(biāo)，檢測(cè)周期一般為48h，不能實(shí)時(shí)指導(dǎo)原水水質(zhì)水量波動(dòng)下消毒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控；b.余氯為化學(xué)指標(biāo)，一般便攜式和在線余氯儀的檢測(cè)下限分別為0.02和0.035mg/L，但研究發(fā)現(xiàn)低有效氯投加量或?qū)嶋H接觸時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)存在出水總余氯低于或接近余氯儀檢測(cè)下限問(wèn)題。
基于此，筆者以典型城鎮(zhèn)污水處理廠濾池出水為研究對(duì)象，對(duì)次氯酸鈉消毒主要影響因素（有效氯投加量、混合條件、溫度、氨氮濃度等）開展了系統(tǒng)研究，并在此基礎(chǔ)上從有效氯投加量和消毒效果表征指標(biāo)兩方面分別進(jìn)行工藝優(yōu)化，以期為“雙碳戰(zhàn)略”下城鎮(zhèn)污水處理廠次氯酸鈉消毒系統(tǒng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供指導(dǎo)，并為我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定和修訂提供參考。
1.1 有效氯投加量的影響
以某典型城鎮(zhèn)污水處理廠濾池出水為研究對(duì)象，在常溫（25.5 ℃）和靜置接觸30 min的條件下，開展了有效氯投加量對(duì)濾池出水消毒效果的影響。消毒前糞大腸菌群數(shù)為47000個(gè)/L，濾池出水氨氮為0.2mg/L，當(dāng)有效氯投加量為0.5、0.75、1、1.5、2、2.5 mg/L時(shí)，消毒后糞大腸菌群數(shù)分別為27500、13000、8850、1800、100、0個(gè)/L?？梢姡S著有效氯投加量的增加，濾池出水消毒效果增強(qiáng)，消毒后糞大腸菌群數(shù)明顯降低，當(dāng)有效氯投加量為2mg/L時(shí)，濾池出水消毒后的糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值（1000個(gè)/L）。
《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）規(guī)定“佛山次氯酸鈉消毒后應(yīng)進(jìn)行混合和接觸”。實(shí)際工程中次氯酸鈉溶液一般投加在推流式接觸池前端，主要通過(guò)水力作用實(shí)現(xiàn)次氯酸鈉與濾池出水的充分混合。在常溫（27℃）和接觸時(shí)間為30min的條件下，開展了不同混合條件（靜置和攪拌）下有效氯投加量對(duì)濾池出水消毒效果的影響，其中濾池出水氨氮為0，攪拌轉(zhuǎn)速為100r/min，結(jié)果見表1（消毒前糞大腸菌群數(shù)為59 000個(gè)/L）?？芍旌蠗l件對(duì)濾池出水次氯酸鈉消毒效果影響顯著，攪拌條件下的消毒效果明顯優(yōu)于靜置時(shí)的消毒效果。根據(jù)實(shí)際情況，有效氯投加量為0.75mg/L可確保濾池出水糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)靜置接觸30min時(shí)，確保濾池出水糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的有效氯投加量為2mg/L。表1 不同混合條件下有效氯投加量對(duì)濾池出水消毒效果的影響
分別在靜置和攪拌條件下，開展溫度對(duì)濾池出水消毒效果的影響。靜置條件下，消毒前糞大腸菌群數(shù)為59000個(gè)/L，接觸時(shí)間為30min，濾池出水氨氮為0，當(dāng)有效氯投加量為1.5、2、2.5mg/L時(shí)，常溫（27 ℃）環(huán)境下消毒后糞大腸菌群數(shù)分別為1100、50、0個(gè)/L；低溫（13℃）環(huán)境下該指標(biāo)分別為4900、1750、0個(gè)/L。攪拌條件下，消毒前糞大腸菌群數(shù)為34000個(gè)/L，接觸時(shí)間為30min，濾池出水氨氮為0.3mg/L，攪拌轉(zhuǎn)速為100r/min，當(dāng)有效氯投加量為0.75、1、1.5mg/L時(shí)，常溫（24℃）和低溫（13℃）環(huán)境下消毒后糞大腸菌群數(shù)均為0?？梢?，靜置條件下，溫度對(duì)濾池出水次氯酸鈉消毒效果的影響顯著，與常溫的消毒效果相比，低溫的消毒效果較差。為確保濾池出水消毒后糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，靜置時(shí)間為30min時(shí)，常溫和低溫環(huán)境下所需的有效氯投加量分別為2和2.5mg/L。但在攪拌條件下，溫度對(duì)濾池出水次氯酸鈉消毒效果的影響可以忽略。在低溫?cái)嚢?0min條件下，有效氯投加量為0.75mg/L即可確保濾池出水消毒后糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。溫度對(duì)次氯酸鈉消毒效果的影響主要取決于微生物活性和水分子運(yùn)動(dòng)綜合作用下糞大腸菌群與消毒劑的混合程度，靜置條件下微生物活性和水分子運(yùn)動(dòng)的綜合作用是主導(dǎo)因素，而攪拌條件下以機(jī)械混合作用為主。
在常溫（24℃）條件下，以攪拌進(jìn)行混合，接觸時(shí)間對(duì)濾池出水消毒效果的影響見表2，其中濾池出水氨氮為1.2mg/L，攪拌轉(zhuǎn)速為100r/min?？芍?，接觸時(shí)間對(duì)濾池出水次氯酸鈉消毒效果的影響顯著，隨著接觸時(shí)間的增加，濾池出水消毒后糞大腸菌群數(shù)明顯降低。為確保濾池出水消毒后糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)有效氯投加量為0.5mg/L時(shí)，需要的接觸時(shí)間為20min；而有效氯投加量為0.75mg/L時(shí)，需要的接觸時(shí)間可降低至10 min，均明顯低于《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的“不應(yīng)小于30min”的要求。表2 接觸時(shí)間對(duì)濾池出水消毒效果的影響
1.5 氨氮濃度的影響
氨氮是次氯酸鈉消毒的主要影響因素之一，當(dāng)污水處理廠出水含有氨氮時(shí)，次氯酸鈉會(huì)與氨氮反應(yīng)生成活性相對(duì)較低的氯胺。在常溫（20℃）、攪拌接觸30min、有效氯投加量為0.75mg/L、消毒前糞大腸菌群數(shù)為25000個(gè)/L的條件下，研究氨氮濃度對(duì)濾池出水消毒效果的影響，結(jié)果見表3。可知，初始氨氮濃度對(duì)濾池出水次氯酸鈉消毒效果有一定影響，當(dāng)初始氨氮≥1mg/L時(shí)，濾池出水消毒效果有所降低，但并不影響出水糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，這與何敏等得出的結(jié)論“次氯酸鈉消毒效果隨氨氮濃度的增加而增強(qiáng)”并不一致。經(jīng)核算，當(dāng)氨氮濃度為0、1、2和3mg/L時(shí)，濾池出水消毒后的化合氯濃度分別為0、0.05、0.09和0.05mg/L。分析認(rèn)為，在較低有效氯投加量下，隨著氨氮濃度的增加，部分有效氯轉(zhuǎn)化為消毒能力相對(duì)較低的一氯胺等化合氯是導(dǎo)致消毒效果下降的主要原因。
表3 氨氮濃度對(duì)濾池出水消毒效果的影響
在常溫?cái)嚢?/span>30min和有效氯投加量為0.5mg/L的條件下，分析初始糞大腸菌群數(shù)對(duì)濾池出水消毒效果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)消毒前糞大腸菌群數(shù)為25000、39000和48500個(gè)/L時(shí)，消毒后糞大腸菌群數(shù)分別降至150、400和1480個(gè)/L?？梢?，初始糞大腸菌群數(shù)對(duì)濾池出水消毒效果的影響顯著，消毒效果隨初始糞大腸菌群數(shù)的增加呈下降趨勢(shì)。初始糞大腸菌群數(shù)為48500個(gè)/L時(shí)，消毒后的糞大腸菌群數(shù)已超過(guò)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值。
進(jìn)一步對(duì)典型深度處理工藝（混凝—沉淀—過(guò)濾）沿程糞大腸菌群數(shù)變化特征進(jìn)行了研究。以海河流域3座典型污水處理廠深度處理工藝沿程糞大腸菌群數(shù)為研究對(duì)象，結(jié)果表明，這3座污水廠工藝沿程糞大腸菌群數(shù)均呈降低趨勢(shì)，二沉池出水糞大腸菌群數(shù)為（19.5～39）×104個(gè)/L，經(jīng)過(guò)深度處理后，濾池出水降至（2.05～5.4）×104個(gè)/L，平均降幅為23.04×104個(gè)/L，即平均降低率為85%。2.1 基于出水生態(tài)安全的有效氯投加量?jī)?yōu)化有效氯投加量是次氯酸鈉消毒的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，不但會(huì)影響消毒藥劑的投加成本，而且會(huì)影響污水處理廠尾水余氯濃度和受納水體的生態(tài)安全。海河流域3座典型一級(jí)A以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠次氯酸鈉消毒系統(tǒng)調(diào)研結(jié)果表明，實(shí)際有效氯投加量為2.5～4.5mg/L，均值為3.67mg/L。但本研究中，在低溫和攪拌接觸10min條件下，有效氯投加量為0.75mg/L即可確保城鎮(zhèn)污水處理廠濾池出水消毒后糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，明顯低于李激等調(diào)研的全國(guó)31座一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠單獨(dú)次氯酸鈉消毒系統(tǒng)的平均有效氯投加量（3.69mg/L），進(jìn)一步表明當(dāng)前我國(guó)一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠普遍存在有效氯投加量過(guò)大、出水生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。結(jié)合城鎮(zhèn)污水處理廠水質(zhì)水量波動(dòng)、部分時(shí)段二沉池跑泥、消毒系統(tǒng)改造受限時(shí)消毒劑投加點(diǎn)前移等不利因素，并考慮到工程安全系數(shù)，建議一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠接觸時(shí)間不低于10min下的有效氯投加量為1mg/L，接觸時(shí)間低于10min下的有效氯投加量可適當(dāng)增加至1.25mg/L。
為分析上述一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠出水次氯酸鈉消毒有效氯投加量建議值的可行性，以海河流域某典型城鎮(zhèn)污水處理廠濾池出水為研究對(duì)象，在常溫?cái)嚢杞佑|30min、有效氯投加量為1mg/L、初始糞大腸菌群數(shù)為25000個(gè)/L 的條件下，進(jìn)一步驗(yàn)證了不同初始氨氮濃度下濾池出水消毒效果。結(jié)果表明，當(dāng)初始氨氮濃度為0、1、2、3mg/L時(shí)，消毒后糞大腸菌群數(shù)均為0，游離氯分別為0.02、0.02、0.03、0.03mg/L，總氯分別為0.02、0.06、0.12、0.16 mg/L。同時(shí)，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠次氯酸鈉消毒系統(tǒng)平均有效氯投加量的實(shí)際情況，分析了較高有效氯投加量（4mg/L）下消毒接觸時(shí)間對(duì)余氯的影響（濾池出水氨氮為0.2mg/L），結(jié)果如圖1所示。
圖1 有效氯投加量為4mg/L時(shí)接觸時(shí)間對(duì)余氯濃度的影響
不同初始氨氮濃度下，有效氯投加量為1mg/L均可確保濾池出水消毒后糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，濾池出水消毒后的游離氯和總氯均明顯低于較高有效氯投加量（4mg/L）下濾池出水消毒30min的游離氯（0.48mg/L）與總氯（0.6mg/L），同時(shí)也低于李激等調(diào)研的全國(guó)56座一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠的出水總余氯平均值（1.12mg/L）。綜上所述，有效氯投加量為1mg/L時(shí)，一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠尾水生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)可明顯降低。2.2 消毒效果表征指標(biāo)的優(yōu)化次氯酸鈉溶液在實(shí)際儲(chǔ)存過(guò)程中受光照等因素的影響會(huì)出現(xiàn)有效氯含量衰減問(wèn)題，進(jìn)而影響有效氯的精準(zhǔn)投加和消毒效果 。針對(duì)上述問(wèn)題和次氯酸鈉消毒效果主要表征指標(biāo)（糞大腸菌群數(shù)與余氯濃度）應(yīng)用的局限，基于氧化還原電位（ORP）在污水生物處理系統(tǒng)運(yùn)行管理中的應(yīng)用以及其可作為游泳池水消毒效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，創(chuàng)新性地提出了一種優(yōu)化的污水處理廠次氯酸鈉消毒效果快速表征指標(biāo)。采用氧化還原電位實(shí)時(shí)指導(dǎo)低有效氯投加量下一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠次氯酸鈉消毒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。以某典型城鎮(zhèn)污水處理廠濾池出水為研究對(duì)象，開展了有效氯投加量為1mg/L時(shí)接觸時(shí)間對(duì)消毒后出水ORP的影響，結(jié)果如圖2所示?？芍?，在接觸1min內(nèi)，消毒后出水ORP由初始的183.3mV迅速上升至506.7mV，隨后ORP隨接觸時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，接觸60min后降至299.2mV。
圖2 有效氯投加量為1mg/L時(shí)接觸時(shí)間對(duì)消毒出水ORP的影響
考慮到濾池出水ORP會(huì)受DO濃度和硝酸鹽等氧化性物質(zhì)濃度的影響，不同污水處理廠濾池出水ORP（初始ORP）有所差異，提出將消毒后出水的氧化還原電位增量（ΔORP）作為系統(tǒng)運(yùn)行的控制參數(shù)，并給出了優(yōu)化有效氯投加量為1mg/L時(shí)某典型城鎮(zhèn)污水處理廠濾池出水不同接觸時(shí)間（≥10min）的ΔORP參考值，見表4，可為水質(zhì)水量波動(dòng)下一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠次氯酸鈉消毒系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控提供參考。
表4 有效氯投加量為1mg/L時(shí)濾池出水不同接觸時(shí)間的ΔORP參考值
為確保城鎮(zhèn)污水處理廠出水糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)節(jié)省消毒劑投加成本和降低出水生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)，佛山次氯酸鈉消毒工藝在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)把握如下技術(shù)要點(diǎn)：①設(shè)置消毒系統(tǒng)出水在線ORP儀和精確加藥控制系統(tǒng)；②合理確定濾池出水ORP（初始ORP）和優(yōu)化有效氯投加量下濾池出水不同接觸時(shí)間的ΔORP；③基于消毒系統(tǒng)進(jìn)水流量實(shí)時(shí)核算實(shí)際接觸時(shí)間，并根據(jù)核算的實(shí)際接觸時(shí)間確定具體ΔORP范圍；④參考優(yōu)化的有效氯投加量，并結(jié)合濾池出水ORP和ΔORP范圍，實(shí)時(shí)指導(dǎo)次氯酸鈉溶液的動(dòng)態(tài)投加，進(jìn)而合理控制尾水實(shí)時(shí)ORP。
① 有效氯投加量、混合條件、接觸時(shí)間和糞大腸菌群數(shù)對(duì)次氯酸鈉消毒效果的影響顯著，氨氮濃度對(duì)次氯酸鈉消毒效果的影響較??；靜置條件下溫度對(duì)次氯酸鈉消毒效果的影響顯著，攪拌條件下產(chǎn)生的影響可忽略；攪拌接觸時(shí)間≥10min時(shí)，有效氯投加量為0.75mg/L即可確保濾池出水消毒后糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
② 對(duì)于一級(jí)A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠，接觸時(shí)間≥10min時(shí)濾池出水消毒的優(yōu)化有效氯投加量為1mg/L，接觸時(shí)間<10 min時(shí)可增加至1.25mg/L；優(yōu)化的有效氯投加量（1～1.25mg/L）明顯低于調(diào)研的全國(guó)高排放標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠的平均有效氯投加量（3.69mg/L）；當(dāng)優(yōu)化有效氯投加量為1mg/L時(shí)，濾池出水接觸30min的余氯（0.02～0.16mg/L）明顯低于調(diào)研的平均余氯（1.12mg/L），消毒劑投加成本和尾水生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)均明顯降低，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著。
③ 創(chuàng)新性地提出了一種優(yōu)化的消毒效果快速表征指標(biāo)，即ORP和ΔORP，并給出了優(yōu)化有效氯投加量為1mg/L時(shí)濾池出水不同接觸時(shí)間的ΔORP參考值。
④ 對(duì)于以清水池作為接觸池的情況，建議新建清水池采用推流式池型，采用非推流式池型的清水池可強(qiáng)化混合效果或適當(dāng)增加有效氯投量；當(dāng)污水處理廠消毒系統(tǒng)改造受限導(dǎo)致進(jìn)水為非濾池出水時(shí)，建議結(jié)合燒杯試驗(yàn)確定有效氯投量。
⑤ 當(dāng)濾池出水水質(zhì)波動(dòng)較大時(shí)，注意關(guān)注初始ORP的檢測(cè)和修正，在優(yōu)化的有效氯投加量下，結(jié)合燒杯試驗(yàn)確定污水處理廠濾池出水不同接觸時(shí)間的ΔORP，并且條件允許時(shí)在濾池出水管道上設(shè)置在線流量計(jì)，根據(jù)接觸池實(shí)時(shí)進(jìn)水流量核算接觸時(shí)間文章來(lái)源：佛山次氯酸鈉廠家 http://www.yljgdk.com 提供的信息