生水用于地下回灌的加氯消毒研究

Study on Chlorination of Reclaimed Wastewater Used for Artificial Groundwater Recharge

ZHANG Li-ping, YE Yu-cai, WU Tian-bao, YUN Gui-chun
(Institute of Nuclear Energy and Tech.,Tsinghua Univ.,Beijing 100084,China)

　　Abstract：To enable the secondary effluent to be used for groundwater recharge,chlorine dosages for two advanced treatment processes were determined to meet the disinfection requirement.The effects of chlorination on organic parameters such as DOC,AOX,CHCl3,CCl4,UV254 were also studied. The results show that an available chlorine dosage of about 8 mg/L can make the total count of bacteria and the total coliforms meet the national sanitation standard for drinking water.After disinfection with chlorine,DOC changes very little,AOX increases significantly;CHCl3 increases a little,CCl4 almost does not change,and UV254 also increases.The result also shows that the granular activated carbon plays a very important role in the removal of disinfection by-product-AOX and its precursors.
　　Keywords:chlorine disinfection;groundwater recharge;total count of bacteria;total coliforms

　　再生水地下回灌是解决地区性水资源短缺、缓解地下水位下降、防止地面沉降以及海水入侵等问题的有效手段。为防止污染地下水，污水厂二级处理出水需经过深度处理使回灌水达到一定的水质要求，消毒则是防止将病原菌带入地下水的重要措施。加氯消毒是目前世界上应用最广泛的水处理消毒方法，其特点是杀菌效果好，价格便宜，因此多年来一直在水处理消毒中占有主导地位。笔者对城市污水经深度处理回灌地下之前的加氯消毒进行了研究。

　　1　试验方法

　　城市污水深度处理后用于人工地下回灌的中试以北京市某污水处理厂的二沉池出水为原水，采用两种深度处理工艺，DGB吸附工艺(是一种新型吸附剂，吸附性能好，价格便宜)和DGB＋活性炭工艺(后文简称活性炭工艺)如图1、2所示。

　　两种工艺出水的pH均为7左右，水温则随外界气温而有所变化。由于目前还没有制定地下回灌的水质标准，只能遵照我国现行饮用水水质标准中对微生物指标的要求，即细菌总数≤100 个/mL，总大肠菌群数≤3 个/L。
　　氯消毒剂采用次氯酸钠(分析纯)溶液，试验前将其稀释到一定浓度作为储备消毒液。试验时首先取水样分别投加不同剂量的消毒液进行消毒，然后测定原水样及消毒水样的细菌总数与总大肠菌群数，从而确定氯的合适投加量。同时测定水样加氯后其他水质参数的变化情况，以确定加氯消毒在达到卫生学要求的同时对水质的影响，所测参数包括DOC、AOX、CHCl3、CCl4、UV254等。

　　2　　试验结果及分析

　　2.1　加氯消毒对微生物的影响
　　向DGB工艺的砂滤出水分别投加不同剂量的氯消毒剂(以当量有效氯表示)，测定消毒前后水样中的细菌总数和总大肠菌群数。试验结果见表1。

　　从表1可以看出，水样消毒前细菌总数大约在104 个/mL的数量级，总大肠菌群数大约在104～105 个/L的数量级。加氯量为6～8 mg/L时，消毒效果可达我国饮用水的卫生要求，即细菌总数≤100 个/mL，总大肠菌群数≤3 个/L。
　　将活性炭工艺出水分别投加不同剂量的氯消毒剂，测定消毒前后水样中的细菌总数和总大肠菌群数。试验结果见表2。

　　从表2可以看出，在DGB吸附与粒状活性炭过滤联用的活性炭工艺出水中，细菌总数和总大肠菌群数与DGB工艺大约在相同的数量级。在加氯量大约8 mg/L时，基本可以达到我国饮用水的卫生要求。
　　2.2加氯消毒对有机物去除的影响
　　①DOC。图3是加氯对两种工艺出水DOC值的影响曲线，其中DGB工艺出水1与DGB工艺出水2是在不同时间对DGB出水取样所测的DOC值，因而水质有所不同。
　　从图3可见，对两种工艺出水，加氯量＜15 mg/L时，水的DOC值没有明显的变化趋势，可以认为加氯量在此范围内对两种工艺出水的DOC值影响不大。由于氯的氧化性比较弱，所以对水中溶解性有机物浓度没有明显的影响。

　　DGB工艺出水2与活性炭工艺出水两条曲线所代表的取样时间相同，二者的原水水质相同，后者相当于前者再经过活性炭过滤后的出水。比较两条曲线可以看出，活性炭床对DOC有一定的去除效果。粒状活性炭是一种很好的吸附剂，可以通过吸附作用去除水中的部分非极性和弱极性有机物。
　　②AOX。图4为两种工艺出水加氯前后的AOX变化情况。从图4中可以看出，两种水样在加氯后AOX值都有明显的增大趋势，加氯量越大，AOX值增大得越多。

　　DGB工艺出水在加氯后AOX值显著增大，加氯量为8 mg/L时，使AOX由25.6 μg/L增加到136 μg/L，增加了4倍多。据报道〔1〕，城市污水有很强的AOX生成势，对某一污水厂的城市污水投加1.34 mmol/L的NaClO(相当于有效氯93 mg/L)，在0.5 h后AOX即达到其最大值1 500 μg/L，比原水增加了20多倍。不同水质的AOX生成速度和生成势是不同的，并且受pH的影响。参照发达国家的有关规定和研究成果，研究者认为，我国以土壤渗滤方式进行人工回灌的回灌水中AOX浓度应≤30 μg/L。因此，DGB工艺的砂滤出水因为在加氯消毒后AOX含量太高而不能直接用于地下回灌。活性炭工艺出水加氯后AOX值也有所增大，但即使加氯量达到10 mg/L，AOX值也只有13.4 μg/L，也就是说，活性炭出水在加氯消毒后的AOX值能满足地下回灌的要求。
　　对比两种工艺出水加氯前后的AOX值可以看出，粒状活性炭对AOX及其前驱物有很好的去除效果。试验时，活性炭大约运行了750个床体积后还比较新，随着运行时间的增加，对AOX的去除效果会逐渐下降，当出水达到4 500个床体积时，活性炭出水的AOX约为10 μg/L。为了研究活性炭对加氯后水中AOX的去除效果，将活性炭工艺的加氯消毒放在砂滤之后，活性炭床之前，亦即先消毒，后活性炭吸附。当加氯量为8 mg/L时，砂滤出水的AOX值为173 μg/L，经过活性炭之后AOX降为5.9 μg/L，可见在AOX值较高时，活性炭对其去除效果也很好(此时活性炭大约运行了800个床体积)。对活性炭工艺来说，将加氯消毒放在活性炭之前和之后都能使AOX值满足地下回灌的要求。但是如果将加氯消毒放在活性炭之前，经过活性炭之后水中的微生物数量又会上升，因此应该将加氯消毒放在活性炭之后，利用活性炭对AOX前驱物的去除效果控制AOX。
　　③CHCl3、CCl4。图5表示了两种工艺出水在加氯前后的CHCl3浓度变化情况。

　　从图5可以看出，加氯后水中CHCl3浓度略有增加，并且DGB工艺出水比活性炭工艺出水的增幅略大，可见加氯消毒能形成少量的CHCl3。
　　对比两种处理工艺可以发现，CHCl3浓度在加氯前后都相差不大，可见活性炭对CHCl3及其前驱物的去除作用不明显。CHCl3是极性有机物，而粒状活性炭优先吸附非极性和弱极性的有机物，对极性有机物的吸附作用则较弱，所以对CHCl3几乎没有去除作用。两种工艺出水在加氯消毒前后CHCl3浓度都能达到我国饮用水的要求。
　　图6是两种工艺出水在加氯前后水中CCl4浓度的变化情况图。

　　从图6中可以看出，加氯后两种工艺水的CCl4浓度略有波动，但变化不明显，可以认为这种数值上的波动在测量误差范围内，也就是说，加氯对两种工艺出水的CCl4值没有明显影响。活性炭工艺出水的CCl4值较DGB工艺出水有所降低，亦即粒状活性炭对CCl4及其前驱物有一定的去除作用，此时活性炭大约运行了3 000个床体积。
　　两种工艺出水在加氯消毒前后的CCl4浓度都低于我国饮用水标准中规定的3 μg/L。
　　④UV254。图7是加氯前后两种工艺出水的UV254值的变化情况图。

　　可以看出，两种工艺出水的UV254值在加氯后都有所增大，DGB工艺出水比活性炭工艺出水的UV254值大约高一倍，加氯后的增大量也大约高一倍。UV254值反映的是水中天然存在的腐殖质类大分子有机物以及含C=C双键和C=O双键的芳香族化合物的多少。Reckhow和Singer等人研究发现UV254值可以表征有机卤化物前驱物的多少，它与CHCl3的生成势之间有很好的相关性。加氯后水的UV254值增大说明水中含C=C双键和C=O双键的芳香族化合物增多，可能的解释是，氯将水中的某些大分子有机物氧化为可表现为UV254值的物质，即含C=C双键和C=O双键的芳香族化合物。活性炭吸附去除的有机物中包含了一部分含C=C双键和C=O双键的芳香族化合物以及加氯形成的该类化合物，因而在加氯前后活性炭工艺出水比DGB工艺出水的UV254值都要小。这进一步证实了活性炭可以降低有机卤化物的生成势，从而降低消毒副产物的产量。

　　3　结论

　　从以上试验结果可以得出如下结论：
　　①对于DGB工艺和活性炭工艺，加氯量在8 mg/L时，水中的细菌总数和总大肠菌群数可以达到我国饮用水的卫生标准。
　　②对于两种处理工艺来说，加氯消毒对水的DOC值影响不大。
　　③两种处理工艺中加氯消毒都会使水中AOX的浓度增大，DGB工艺出水中AOX浓度的增大更为突出。活性炭对AOX及其前驱物有较好的去除作用。
　　④加氯消毒会使水中CHCl3量略有增加，而对CCl4浓度没有明显的影响。粒状活性炭能去除少量的CCl4，但对CHCl3几乎没有去除作用。
　　⑤两种工艺出水在加氯消毒后UV254值都有所增大。粒状活性炭过滤能降低水的UV254值，能部分去除水中含C=C双键和C=O双键的芳香族化合物以及加氯后能形成该类物质的有机物。
　　⑥粒状活性炭对控制消毒副产物的形成有很好的作用。

　　参考文献：
　〔1〕Stefanie Schulz,Hermann H Hahn.Generation of Halogenated Organic Compounds in Municipal Wastewater〔J〕.Water Science & Technology,1998,37(1):303-309.