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 來源： 關(guān)注：332
以典型城鎮(zhèn)污水處理廠濾池出水為研究對象，對次氯酸鈉消毒主要影響因素進行了分析，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、接觸時間、混合條件和糞大腸菌群數(shù)對消毒效果影響顯著，氨氮濃度對消毒效果影響較小；靜置下溫度對消毒效果影響顯著，攪拌下溫度對消毒效果的影響可以忽略；當(dāng)攪拌接觸時間≥10min時，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)定達到一級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%；對于一級A及以上標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠，接觸時間≥10min時濾池出水消毒的有效氯投加量為1mg/L，接觸時間<10min時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，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)險明顯降低；同時，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時濾池出水不同接觸時間的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、不涉及危化品、運行管理簡單等優(yōu)點，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象開展一級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)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）規(guī)定，當(dāng)無試驗資料時，污水廠出水加氯量可采用5～15mg/L，其并未針對不同出水排放標(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)，檢測周期一般為48h，不能實時指導(dǎo)原水水質(zhì)水量波動下消毒系統(tǒng)的動態(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接觸時間較長時存在出水總余氯低于或接近余氯儀檢測下限問題。
基于此，筆者以典型城鎮(zhèn)污水處理廠濾池出水為研究對象，對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)計和運行提供指導(dǎo)，并為我國相關(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濾池出水消毒效果的影響。消毒前糞大腸菌群數(shù)為47000個/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，消毒后糞大腸菌群數(shù)分別為27500、13000、8850、1800、100、0個/L。可見，隨著有效氯投加量的增加，濾池出水消毒效果增強，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，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A標(biāo)準(zhǔn)限值（1000個/L）。
《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）規(guī)定“佛山次氯酸鈉消毒后應(yīng)進行混合和接觸”。實際工程中次氯酸鈉溶液一般投加在推流式接觸池前端，主要通過水力作用實現(xiàn)次氯酸鈉與濾池出水的充分混合。在常溫（27℃）和接觸時間為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/L）。可知，混合條件對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)于靜置時的消毒效果。根據(jù)實際情況，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)定達到一級A標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)靜置接觸30min時，確保濾池出水糞大腸菌群數(shù)穩(wěn)定達到一級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/L，接觸時間為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，常溫（27 ℃）環(huán)境下消毒后糞大腸菌群數(shù)分別為1100、50、0個/L；低溫（13℃）環(huán)境下該指標(biāo)分別為4900、1750、0個/L。攪拌條件下，消毒前糞大腸菌群數(shù)為34000個/L，接觸時間為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，常溫（24℃）和低溫（13℃）環(huán)境下消毒后糞大腸菌群數(shù)均為0?？梢姡o置條件下，溫度對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)定達到一級A標(biāo)準(zhǔn)，靜置時間為30min時，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，溫度對濾池出水次氯酸鈉消毒效果的影響可以忽略。在低溫攪拌30min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)定達到一級A標(biāo)準(zhǔn)。溫度對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動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動的綜合作用是主導(dǎo)因素，而攪拌條件下以機械混合作用為主。
在常溫（24℃）條件下，以攪拌進行混合，接觸時間對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?？芍佑|時間對濾池出水次氯酸鈉消毒效果的影響顯著，隨著接觸時間的增加，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)定達到一級A標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)有效氯投加量為0.5mg/L時，需要的接觸時間為20min；而有效氯投加量為0.75mg/L時，需要的接觸時間可降低至10 min，均明顯低于《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的“不應(yīng)小于30min”的要求。表2 接觸時間對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，次氯酸鈉會與氨氮反應(yīng)生成活性相對較低的氯胺。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/L的條件下，研究氨氮濃度對濾池出水消毒效果的影響，結(jié)果見表3?？芍?，初始氨氮濃度對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，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”并不一致。經(jīng)核算，當(dāng)氨氮濃度為0、1、2和3mg/L時，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 氨氮濃度對濾池出水消毒效果的影響
在常溫攪拌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/L時，消毒后糞大腸菌群數(shù)分別降至150、400和1480個/L?？梢?，初始糞大腸菌群數(shù)對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。初始糞大腸菌群數(shù)為48500個/L時，消毒后的糞大腸菌群數(shù)已超過一級A標(biāo)準(zhǔn)限值。
進一步對典型深度處理工藝（混凝—沉淀—過濾）沿程糞大腸菌群數(shù)變化特征進行了研究。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，二沉池出水糞大腸菌群數(shù)為（19.5～39）×104個/L，經(jīng)過深度處理后，濾池出水降至（2.05～5.4）×104個/L，平均降幅為23.04×104個/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優(yōu)化有效氯投加量是次氯酸鈉消毒的關(guān)鍵運行參數(shù)，不但會影響消毒藥劑的投加成本，而且會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)定達到一級A標(biāo)準(zhǔn)，明顯低于李激等調(diào)研的全國31座一級A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠單獨次氯酸鈉消毒系統(tǒng)的平均有效氯投加量（3.69mg/L），進一步表明當(dāng)前我國一級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大、出水生態(tài)安全風(fēng)險高等問題。結(jié)合城鎮(zhèn)污水處理廠水質(zhì)水量波動、部分時段二沉池跑泥、消毒系統(tǒng)改造受限時消毒劑投加點前移等不利因素，并考慮到工程安全系數(shù)，建議一級A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠接觸時間不低于10min下的有效氯投加量為1mg/L，接觸時間低于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象，在常溫攪拌接觸30min、有效氯投加量為1mg/L、初始糞大腸菌群數(shù)為25000個/L 的條件下，進一步驗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，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，結(jié)合當(dāng)前我國一級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際情況，分析了較高有效氯投加量（4mg/L）下消毒接觸時間對余氯的影響（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時接觸時間對余氯濃度的影響
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)定達到一級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），同時也低于李激等調(diào)研的全國56座一級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，一級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際儲存過程中受光照等因素的影響會出現(xiàn)有效氯含量衰減問題，進而影響有效氯的精準(zhǔn)投加和消毒效果 。針對上述問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)運行管理中的應(yīng)用以及其可作為游泳池水消毒效果的評價指標(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時指導(dǎo)低有效氯投加量下一級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象，開展了有效氯投加量為1mg/L時接觸時間對消毒后出水ORP的影響，結(jié)果如圖2所示?？芍诮佑|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隨接觸時間的延長呈下降趨勢，接觸60min后降至299.2mV。
圖2 有效氯投加量為1mg/L時接觸時間對消毒出水ORP的影響
考慮到濾池出水ORP會受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)運行的控制參數(shù)，并給出了優(yōu)化有效氯投加量為1mg/L時某典型城鎮(zhèn)污水處理廠濾池出水不同接觸時間（≥10min）的ΔORP參考值，見表4，可為水質(zhì)水量波動下一級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時濾池出水不同接觸時間的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)定達到一級A及以上標(biāo)準(zhǔn)，并實現(xiàn)節(jié)省消毒劑投加成本和降低出水生態(tài)安全風(fēng)險的目標(biāo)，佛山次氯酸鈉消毒工藝在設(shè)計和運行過程中應(yīng)把握如下技術(shù)要點：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間的ΔORP；③基于消毒系統(tǒng)進水流量實時核算實際接觸時間，并根據(jù)核算的實際接觸時間確定具體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，實時指導(dǎo)次氯酸鈉溶液的動態(tài)投加，進而合理控制尾水實時ORP。
① 有效氯投加量、混合條件、接觸時間和糞大腸菌群數(shù)對次氯酸鈉消毒效果的影響顯著，氨氮濃度對次氯酸鈉消毒效果的影響較小；靜置條件下溫度對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；攪拌接觸時間≥10min時，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)定達到一級A標(biāo)準(zhǔn)。
② 對于一級A及以上標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠，接觸時間≥10min時濾池出水消毒的優(yōu)化有效氯投加量為1mg/L，接觸時間<10 min時可增加至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，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)險均明顯降低，經(jīng)濟和環(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時濾池出水不同接觸時間的ΔORP參考值。
④ 對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)致進水為非濾池出水時，建議結(jié)合燒杯試驗確定有效氯投量。
⑤ 當(dāng)濾池出水水質(zhì)波動較大時，注意關(guān)注初始ORP的檢測和修正，在優(yōu)化的有效氯投加量下，結(jié)合燒杯試驗確定污水處理廠濾池出水不同接觸時間的ΔORP，并且條件允許時在濾池出水管道上設(shè)置在線流量計，根據(jù)接觸池實時進水流量核算接觸時間文章來源：佛山次氯酸鈉廠家 http://www.liveharddieyoung.com 提供的信息