1、前言
目前，城市生活污水處理廠使用的消毒方法主要有氯消毒、二氧化氯消毒、紫外消毒和臭氧消毒等，其消毒原理、效果和運(yùn)行成本存在差異，污水處理廠通常根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。
廣州市某污水處理廠設(shè)計(jì)處理水量20萬m3/d，處理尾水大部分排放至珠江，小部分經(jīng)過濾及二次消毒后用作廠區(qū)綠化及景觀用水。處理水排放標(biāo)準(zhǔn)參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)要求達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，其中糞大腸菌群數(shù)最高允許排放濃度(日均值)為10000個(gè)/L。該廠使用兩種消毒方法，二氧化氯消毒為主，氯餅消毒為備用或應(yīng)急方案。
2、二氧化氯
2.1 二氧化氯的性質(zhì)與消毒原理
二氧化氯是國(guó)際公認(rèn)的廣譜高效氧化性殺菌劑，廣泛應(yīng)用在城鎮(zhèn)飲用水、工業(yè)循環(huán)水、農(nóng)業(yè)用水和污水處理中。其化學(xué)式ClO2，常溫常壓下為黃綠色有刺激性氣味的氣體，沸點(diǎn)11℃，凝固點(diǎn)-59℃，極易溶于水，二氧化氯水溶液的顏色隨濃度的增加可由黃綠色轉(zhuǎn)為橙色，化學(xué)性質(zhì)極為活潑，當(dāng)在空氣中含量超過2%或受到強(qiáng)光照射時(shí)，易發(fā)生爆炸(爆鳴)。
據(jù)有關(guān)研究，二氧化氯在水中幾乎100%以分子狀態(tài)存在，呈中性，受pH影響小，對(duì)細(xì)菌的細(xì)胞壁有較強(qiáng)的吸附和穿透能力，從而有效地破壞細(xì)菌內(nèi)含巰基的酶，還可快速控制微生物蛋白質(zhì)的合成，故其對(duì)細(xì)菌、病毒等有很強(qiáng)的滅活能力，同時(shí)幾乎不產(chǎn)生有害消毒副產(chǎn)物。
2.2 二氧化氯的投加方式
二氧化氯化學(xué)性質(zhì)活潑，極不穩(wěn)定，不易運(yùn)輸及貯存，故選擇在污水處理廠內(nèi)設(shè)置加氯間以現(xiàn)場(chǎng)制備、投加。加氯間內(nèi)配備4臺(tái)復(fù)合型二氧化氯發(fā)生器，型號(hào)為山東山大華特HTF-20000，單臺(tái)最大產(chǎn)氣量(折合有效氯，以下同)20000g/h。制備原料為工業(yè)鹽酸和氯酸鈉，加氯間內(nèi)設(shè)原料貯存間，并配有應(yīng)急物資。
鹽酸溶液符合《工業(yè)用合成鹽酸》(GB320-2006)要求，氯化氫(HCl)含量大于等于31%。氯酸鈉固體符合《工業(yè)用氯酸鈉》(GB/T1618-2008)一等品的要求，其純度大于等于99.0%。氯酸鈉需制備成溶液，濃度33%(質(zhì)量比)。
鹽酸溶液和氯酸鈉溶液在二氧化氯發(fā)生器內(nèi)部進(jìn)行快速反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為：
二氧化氯氣體及其它產(chǎn)物最終通過負(fù)壓射水裝置投加入處理尾水中。
根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)氯酸鈉固體與鹽酸溶液質(zhì)量比為1：3.2，即氯酸鈉溶液與鹽酸溶液質(zhì)量比約為1：1時(shí)，反應(yīng)中二氧化氯氣體的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值，約50%。
3、氯餅
3.1 氯餅的性質(zhì)與消毒原理
三氯異氰脲酸，常被制作成圓柱形餅狀，故稱氯餅。其化學(xué)式C3Cl3N3O3，是一種有機(jī)化合物，常溫常壓下為白色結(jié)晶性粉末或粒狀固體，具有強(qiáng)烈的氯氣刺激氣味，有效氯含量可達(dá)90%以上，熔點(diǎn)249℃~251℃，熔點(diǎn)以上加熱分解，微溶于水，在水中溶解后水解為次氯酸和氰脲酸。在陰涼干燥處單獨(dú)存放時(shí)較穩(wěn)定，不自燃不易燃，當(dāng)與銨、氨等化合物混合后易發(fā)生燃燒和爆炸，同時(shí)會(huì)分解并釋放出有害氣體。其消毒作用強(qiáng)、毒性低，幾乎對(duì)所有的細(xì)菌芽孢、真菌、病毒都有殺滅作用，應(yīng)用范圍遍及民用衛(wèi)生，工業(yè)循環(huán)水，畜牧養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域。
三氯異氰脲酸溶于水后能產(chǎn)生次氯酸，次氯酸在水中還發(fā)生如下反應(yīng)：
不同pH時(shí)HOCl和OCl-在水中的比例不同，pH>9時(shí)，OCl-接近100%;pH=7.54時(shí)，HOCl和OCl-大致相等，pH<6 時(shí)，HOCl 接近 100%。
因此，三氯異氰脲酸的消毒原理與氯消毒基本一致，一般認(rèn)為主要通過次氯酸起作用，次氯酸因其分子小，不帶電荷，只有它能夠擴(kuò)散到帶電荷細(xì)菌表面，侵入細(xì)胞內(nèi)將菌體蛋白酶氧化而將微生物殺死。而OCl-雖具有殺菌能力，但是帶負(fù)電，難于接近帶負(fù)電的細(xì)菌表面，殺菌能力則較差。生產(chǎn)實(shí)踐證明，pH值越低則消毒作用越強(qiáng)。但其產(chǎn)生的鹵代消毒副產(chǎn)物可能對(duì)水環(huán)境造成不良影響。
此外，處理尾水中含有一定數(shù)量氨氮，次氯酸與氨氮發(fā)生反應(yīng)生成氯胺。本次研究中處理尾水pH值長(zhǎng)期保持在6.1~7.1范圍內(nèi)，根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)pH處在上述范圍時(shí)，次氯酸與氨氮的反應(yīng)生成物主要為一氯胺(NH2Cl)和二氯胺(NHCl2)，其同樣具有消毒作用。
3.2 氯餅的投加方式
污水處理廠內(nèi)未單獨(dú)設(shè)置氯餅貯存間，直接采購(gòu)成品并由商家配備工人投加。投加點(diǎn)為二次沉淀池的出水廊道。
4、消毒效果
根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求，糞大腸菌群數(shù)最高允許排放濃度(日均值)為10000個(gè)/L，廠內(nèi)檢驗(yàn)方法為酶底物法。數(shù)據(jù)采集自2016年3月1日至6月30日，其中3月29日至5月17日投加氯餅，其余時(shí)間投加二氧化氯。
4.1 二氧化氯的消毒效果
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將二氧化氯發(fā)生器的產(chǎn)氣量與污水處理量之比設(shè)定為3g/m3，當(dāng)處理水量為20萬m3/d，即8333m3/h時(shí)，相應(yīng)的二氧化氯產(chǎn)氣量為25000g/h，運(yùn)行2臺(tái)二氧化氯發(fā)生器，每臺(tái)12500g/h。實(shí)際產(chǎn)氣量可隨污水瞬時(shí)流量進(jìn)行調(diào)整。
圖1中，時(shí)段處于春夏兩季，糞大腸菌群數(shù)最低292個(gè)/L，最高5794個(gè)/L，均低于10000個(gè)/L，處理尾水能夠達(dá)標(biāo)排放。并推測(cè)水溫較高時(shí)，糞大腸菌群生存能力較強(qiáng)，數(shù)量較多，此時(shí)可適當(dāng)提高二氧化氯投加量。
4.2 氯餅的消毒效果
3月29日至5月17日，污水處理廠投加氯餅對(duì)處理尾水進(jìn)行消毒，期間共購(gòu)置氯餅7000kg，日均投加量為140kg。
圖2中，時(shí)段處于春夏兩季，糞大腸菌群數(shù)最低275個(gè)/L，最高24196個(gè)/L(最大量程)，糞大腸菌群數(shù)多次超標(biāo)。推測(cè)為氯餅投加量不足或投加量難以隨污水瞬時(shí)流量進(jìn)行調(diào)整。
5、消毒運(yùn)行成本
5.1 二氧化氯消毒運(yùn)行成本
本次研究?jī)H包含鹽酸、氯酸鈉原料費(fèi)及電費(fèi)，不含土建及人工成本等。以某日為例，該日污水處理量為21萬m3，二氧化氯發(fā)生器的產(chǎn)氣量設(shè)定為26000g/h。當(dāng)日鹽酸用量約1409kg，氯酸鈉(固體)用量約514.6kg。鹽酸價(jià)格為0.8695元/kg，氯酸鈉價(jià)格為5.0982元/kg。計(jì)算得原料費(fèi)用與污水處理量之比為188.218元/萬m3。6月份總污水處理量為572.92萬m3，加氯間用電量為11640kW·h。電費(fèi)單價(jià)為0.6805元/kW·h，基本電費(fèi)115200元，功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)用約-5000元。計(jì)算得電費(fèi)與污水處理量之比為15.89元/萬m3。原料費(fèi)與電費(fèi)之和與污水處理量之比為204.108元/萬m3。
5.2 氯餅消毒運(yùn)行成本
3月29日至5月17日總污水處理量為916.396萬m3，共購(gòu)置并投加氯餅7000kg，氯餅單價(jià)13.8元/kg。計(jì)算得氯餅費(fèi)用與污水處理量之比為105.413元/萬m3。
6、結(jié)論
二氧化氯投加量(折合有效氯)與污水處理量之比設(shè)定為3g/m3時(shí)，處理尾水均達(dá)標(biāo)排放，消毒效果好，同時(shí)投加量可隨污水瞬時(shí)流量進(jìn)行調(diào)整。相關(guān)研究表明其幾乎不產(chǎn)生有害消毒副產(chǎn)物。但復(fù)合式發(fā)生器中二氧化氯氣體轉(zhuǎn)化率最高僅約50%，原料流失嚴(yán)重，運(yùn)行成本較高，且涉及危險(xiǎn)化學(xué)品的使用，管理水平要求較高。推測(cè)水溫高時(shí)，糞大腸菌群生存能力較強(qiáng)，夏季可將二氧化氯投加量與污水處理量之比提高至4g/m3。
氯餅消毒運(yùn)行成本較低，管理相對(duì)便利。但投加量140kg/d時(shí)，處理尾水多次超標(biāo)，消毒效果較差，同時(shí)投加量難以隨污水瞬時(shí)流量進(jìn)行調(diào)整。相關(guān)研究表明其產(chǎn)生的鹵代消毒副產(chǎn)物可能對(duì)水環(huán)境造成不良影響。本次研究中氯餅投加量無法滿足處理尾水達(dá)標(biāo)排放的要求，或需進(jìn)一步提高投加量進(jìn)行試驗(yàn)。( >
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