北排案例：再生水廠協(xié)同消毒的實戰(zhàn)經(jīng)驗！

2019年底，我國發(fā)生了新型冠狀病毒（COVID-19）感染的肺炎疫情。2020年3月11日，世界衛(wèi)生組織宣布COVID-19已構(gòu)成全球性大流行。國內(nèi)外相關(guān)專家相繼在新冠肺炎確診患者的糞便中檢測出COVID-19病毒核酸，尿液中分離出新型冠狀病毒。新冠肺炎診療方案（試行第七版）明確指出由于在糞便及尿中可分離到新型冠狀病毒，應(yīng)注意糞便及尿?qū)Νh(huán)境污染造成氣溶膠或接觸傳播。生態(tài)環(huán)境部于2020年2月1日印發(fā)《關(guān)于做好新型冠狀病毒感染的肺炎疫情醫(yī)療污水和城鎮(zhèn)污水監(jiān)管工作的通知》，要求進一步加強醫(yī)療污水和城鎮(zhèn)污水監(jiān)管工作，防止新型冠狀病毒通過污水傳播擴散?，F(xiàn)代城市排水系統(tǒng)是在應(yīng)對致病微生物導(dǎo)致的傳染性疾病的基礎(chǔ)上建立起來的，作為保障社會正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)性公共服務(wù)，也是病原微生物源頭控制的重要環(huán)節(jié)。盡管不同類型的致病微生物對污水處理工藝的耐受性有所差異，通過處理工藝的選擇優(yōu)化，城市排水系統(tǒng)完全可以保障人類健康安全。

為提升污水再生處理能力，保障污水再生利用的安全，2013年起，北京市連續(xù)啟動實施污水治理和再生水利用三年行動計劃。截至2015年底，北京中心城區(qū)11座再生水廠完成升級改造，均采用協(xié)同消毒工藝。針對此次疫情，從管網(wǎng)運維、污水再生處理尤其是預(yù)處理段、再生水供水及污泥處理處置等各個風(fēng)險點均采取了相應(yīng)的人員防護與運行保障措施。本文重點介紹了疫情期間城鎮(zhèn)再生水廠協(xié)同消毒工藝的生產(chǎn)運行情況及其對病原微生物的控制效果。

1 北京城鎮(zhèn)再生水廠消毒工藝

1.1 城鎮(zhèn)再生水廠常用消毒技術(shù)

城鎮(zhèn)污水常用消毒方式有氯化物、紫外和臭氧等。次氯酸鈉主要依靠其水解產(chǎn)生的中性次氯酸分子發(fā)揮消毒作用，因其經(jīng)濟性與消毒持續(xù)性，為目前廣泛應(yīng)用的消毒方式，然而次氯酸鈉消毒會生成“三致特性”的鹵代消毒副產(chǎn)物，出水余氯過高還會影響水環(huán)境生態(tài)安全。紫外消毒主要由病原微生物的遺傳物質(zhì)吸收紫外線能量后引發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)所導(dǎo)致，以250nm-275nm附近紫外波段最為有效。紫外系統(tǒng)集成化程度高、節(jié)省占地，消毒快速，可在數(shù)秒內(nèi)滅活病原微生物，且不會引入副產(chǎn)物，但無持續(xù)性。臭氧具有高效去除有機污染物，改善色度、嗅味感官指標(biāo)等多重效果，隨著其劑量的增加對病原微生物也具有很好的殺滅作用，但由于建設(shè)與運維成本較高限制了臭氧的應(yīng)用。

1.2 北京城市污水再生處理系統(tǒng)協(xié)同消毒工藝

北京已建成了423萬m3/日的全球最大規(guī)模再生水系統(tǒng)，再生水廠出水水質(zhì)全部達到北京市地方標(biāo)準(zhǔn)（DB11/890-2012）要求。為了進一步保障再生水安全，北京城市排水集團與清華大學(xué)共同承擔(dān)了國家水專項“北京城市再生水水質(zhì)提高關(guān)鍵技術(shù)研究與集成示范”，研究構(gòu)建了“城市集中式再生水系統(tǒng)水質(zhì)安全協(xié)同保障集成技術(shù)體系”。其中再生水消毒研究結(jié)果表明，臭氧氧化對有機物的轉(zhuǎn)化作用可提升20-30%紫外線透射率，且可有效降低次氯酸鈉投加量。通過臭氧、紫外與次氯酸鈉優(yōu)化組合，能夠充分發(fā)揮各單元技術(shù)特點與優(yōu)勢，實現(xiàn)病原微生物控制目標(biāo)的同時，降低次氯酸鈉消毒帶來的副作用。根據(jù)不同消毒技術(shù)特點，結(jié)合實際應(yīng)用需求，提出了協(xié)同消毒技術(shù)，進一步強化再生水生物安全系統(tǒng)保障程度。目前，北京中心城區(qū)的11座再生水廠均采用由臭氧、紫外、次氯酸鈉兩種或三種消毒方式組合的協(xié)同消毒工藝，如表1所示。協(xié)同消毒技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)病原微生物的高效控制，且針對不同水質(zhì)、水量的變化提供靈活性調(diào)控策略，實現(xiàn)消毒工藝穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟運行。

2 指示微生物與新冠病毒滅活效果相關(guān)性分析

2.1 消毒指示微生物及控制要求

城市污水中病原微生物主要包括病毒、細菌、原生動物以及蠕蟲寄生蟲類等。種類繁多，但含量較低，分析檢測流程較為復(fù)雜，通常監(jiān)測與病原微生物密切相關(guān)的指示微生物來說明水體病原微生物污染情況。目前應(yīng)用最廣泛的指示微生物為總大腸菌群與糞大腸菌群。

國家環(huán)境保護總局在《GB18918-2002 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中將指示微生物糞大腸菌群列為基本控制項目，其在一級A標(biāo)準(zhǔn)中的最高允許排放濃度為不超過1000 個/L。北京市目前主要采用2012年頒布的地方標(biāo)準(zhǔn)《DB11/890-2012 城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，其中現(xiàn)階段執(zhí)行的B標(biāo)準(zhǔn)要求糞大腸菌群數(shù)最高允許排放濃度不超過1000 MPN/L。針對常規(guī)再生水回用方式，普通接觸暴露場景下，該限值能夠保障再生水利用的安全性。

2.2 糞大腸菌群指示新冠病毒滅活效果可行性

此次引發(fā)新型冠狀病毒肺炎疫情的病毒經(jīng)鑒定屬于包膜病毒，與SARS冠狀病毒（SARS-CoV）同屬冠狀病毒家族β屬，具有超過82％的同源性。根據(jù)Patricia等對病毒在水體中存活率的研究可知，冠狀病毒的滅活速度比脊髓灰質(zhì)炎病毒快，在水環(huán)境中的傳播幾率低于腸道病毒。王新為等在對大腸桿菌和噬菌體f2的消毒研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌和噬菌體f2的滅活劑量需達到游離余氯0.50mg/L和0.82mg/L以上，高于SARS冠狀病毒被完全殺滅所需的0.40mg/L游離余氯。

由于冠狀病毒比大腸桿菌更易于被滅活，對消毒劑的抵抗力低于目前常見的脊髓灰質(zhì)炎病毒、大腸桿菌以及噬菌體f2等指示微生物。因此，可以基本判定目前再生水廠消毒工藝控制糞大腸菌群或總大腸菌群達標(biāo)，即可用于參考指示對新冠病毒的有效滅活。

3 疫情期間北京再生水廠系統(tǒng)運行調(diào)控

污水再生處理系統(tǒng)各工藝環(huán)節(jié)對病原微生物的控制均發(fā)揮著相應(yīng)的作用。Schmitz等對比了活性污泥法等常規(guī)生化處理工藝與多級AO工藝（Bardenpho 技術(shù)）對污水中不同類型病毒的去除效果，結(jié)果表明單純二級處理對病毒的去除能力可達到3.6 log10拷貝數(shù)/L。Wigginton等也發(fā)現(xiàn)二級處理對病毒的去除能力在1-4 log10拷貝數(shù)/L。新冠肺炎疫情期間，北京中心城區(qū)11座再生水廠積極開展廠網(wǎng)、廠間、廠與用戶間的聯(lián)調(diào)聯(lián)動，各廠在做好預(yù)處理、生物處理、深度處理等前序工藝單元運行保障的基礎(chǔ)上，強化末端協(xié)同消毒工藝的優(yōu)化運行。

3.1 二級處理單元的低水量運行調(diào)控

疫情發(fā)生時間與春節(jié)假期重疊，人員密集離京后推遲返京造成水廠長時期低水量運行，如圖1所示，北京中心城區(qū)各再生水廠春節(jié)假期至今的日均處理水量（1月25日-3月15日）較冬季平日處理水量（1月01日至1月10日）的平均降幅為15.9%-39.5%。為應(yīng)對疫情期間進水持續(xù)低水量，各廠通過降低初沉池投運比例，精準(zhǔn)曝氣、精準(zhǔn)碳源投加及精準(zhǔn)排泥系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控保障了二級處理單元運行效果。針對反硝化生物濾池，則采取了適當(dāng)減少運行濾池數(shù)量，濾池編組交替運行的方式，將濾池濾速控制在8~10 m/h正常范圍，同時對碳源投加量進行動態(tài)調(diào)整。如表2所示為疫情期間高碑店再生水廠進、出水主要水質(zhì)指標(biāo)。

3.2 過濾單元運行情況

水中的懸浮顆粒物影響水中病原微生物含量，不同處理工藝出水懸浮物濃度與糞大腸菌群數(shù)如表3所示。同時懸浮顆粒物還能夠?qū)ο拘Чa(chǎn)生直接影響。通過協(xié)同消毒工藝前端砂濾、膜過濾等處理單元的設(shè)置，提高水中懸浮顆粒物的截留效果。可有效提升臭氧、紫外與次氯酸鈉對直接暴露在水中的病原微生物的滅活效率，過濾工藝在對致濁顆粒物去除的同時伴隨著部分病原微生物的截留。

疫情期間，北京城區(qū)各再生水廠以出水濁度調(diào)控砂濾與膜過濾等處理單元的清洗頻率，嚴(yán)格控制其出水懸浮物濃度<5 mg/L。如表3所示，再生水處理工藝出水SS均低于5 mg/l，砂濾出水濁度0.53~1.64 NTU，微濾/超濾出水濁度0.35~0.82 NTU。低懸浮物濃度保障了后端協(xié)同消毒工藝對病原微生物的滅活效果。

3.3 協(xié)同消毒工藝運行策略

作為協(xié)同消毒技術(shù)體系的首個工藝單元，臭氧在氧化有機物污染物的同時，可以部分滅活病原微生物，實現(xiàn)與下游紫外、次氯酸鈉的協(xié)同消毒作用。臭氧氧化能夠顯著降低色度與UV254（圖2a）。2 mg/L的臭氧預(yù)氧化能夠?qū)⒊鏊瓤刂圃?0°以下，且紫外光透射率提升30%。在此基礎(chǔ)上，2 mg/L的臭氧預(yù)氧化則可將糞大腸菌群數(shù)降至3 CFU/L，且所需次氯酸鈉投加量較單獨次氯酸鈉消毒可降低近50%（圖2b）。

（b）臭氧預(yù)氧化對次氯酸鈉消毒的影響

“臭氧-氯”兩協(xié)同消毒工藝中，次氯酸鈉為主消毒單元，根據(jù)Water Val、Rachmadi等研究結(jié)果，維持一定的CT值是保障病原微生物的滅活效率的關(guān)鍵因子，如圖3所示，根據(jù)水量變化，調(diào)整次氯酸鈉投加量，次氯酸鈉CT值在8.4 mg·min/L-13.2 mg·min/L之間變化，糞大腸菌群滅活率達到99.99%，出水糞大腸菌群<2 CFU/L(圖4a)。

“臭氧-紫外-氯”三協(xié)同消毒工藝中，紫外為主消毒單元，根據(jù)臭氧運行情況，調(diào)整臭氧投加劑量維持1-3 mg/L。在紫外消毒單元中，景觀用再生水紫外劑量為25-40 mJ/cm2，城市雜用再生水紫外劑量為70-80 mJ/cm2，而紫外后端投加次氯酸鈉的主要目的是維持適當(dāng)?shù)挠嗦缺３窒镜某掷m(xù)性。針對不同協(xié)同消毒組合工藝，其運行參數(shù)見表4。

3.4 協(xié)同消毒工藝水質(zhì)監(jiān)測與出水水質(zhì)分析

疫情期間，各再生水廠強化出水水質(zhì)監(jiān)測工作。由于游離氯與總氯不穩(wěn)定，為了更準(zhǔn)確的實時掌握出水余氯情況，各再生水廠均采用現(xiàn)場快速測定分析出水余氯，每天上午、下午各測1次；總大腸菌群數(shù)與糞大腸菌群數(shù)每天測1次。為保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性對各消毒單元進、出水起銜接作用的關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)進行補充監(jiān)測。對臭氧單元進、出水色度與UV254進行快速測定，并將水質(zhì)監(jiān)測與協(xié)同消毒工藝運行調(diào)控相結(jié)合，以保障協(xié)同消毒工藝體系對病原微生物的控制效果。

如圖4（a）所示，無論是“臭氧-次氯酸鈉”兩協(xié)同消毒工藝，還是“臭氧-紫外-次氯酸鈉”三協(xié)同消毒工藝均能夠保證各再生水廠出水糞大腸菌群數(shù)低于2 CFU/L。

2018年北京市再生水利用量為10.8億m3，超過80%用于補充河、湖等景觀水體。為避免再生水余氯過高可能對受納水體水生生物造成的損傷，疫情期間各廠在確保再生水衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)達標(biāo)的同時，均加大了再生水余氯監(jiān)測頻次，將廠區(qū)清水池余氯日常監(jiān)測與河、湖補水口余氯監(jiān)測相結(jié)合，并強化開展河岸巡查工作，確保以再生水為補給水源的水環(huán)境的生態(tài)安全性。圖4（b）為采用“臭氧-氯”兩協(xié)同消毒工藝再生水廠退水中總氯與游離余氯變化情況，由圖中可以看出，疫情期間再生水廠出水游離余氯基本維持在0.05-0.1 mg/L之間，在衛(wèi)生學(xué)達標(biāo)基礎(chǔ)上充分保障了后續(xù)受納水環(huán)境的生態(tài)安全。

4 結(jié)論與建議

1）根據(jù)已有研究結(jié)果，新冠病毒在水環(huán)境中的存活能力及對消毒劑耐受力均弱于糞大腸菌群，可采用糞大腸菌群滅活率參考指示水廠消毒工藝對新冠病毒的滅活效果。

2）二級處理及深度處理單元的穩(wěn)定運行是保障系統(tǒng)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，砂濾與膜過濾出水SS穩(wěn)定低于5 mg/L，有效保障了后續(xù)消毒單元的消毒效果。

3）“O3-NaClO”協(xié)同消毒工藝，臭氧劑量維持3-5 mg/L，NaClO劑量根據(jù)水量與接觸池（清水池）容積維持CT值不低于8 mg·min/L可以較穩(wěn)定的實現(xiàn)糞大腸菌群<2 CFU/L的消毒效果，同時節(jié)省NaClO投加量?！癘3-UV-NaClO”協(xié)同消毒工藝，臭氧1-3 mg/L的投加量能夠提升30%紫外透射率，在紫外消毒單元設(shè)計劑量下（景觀用水30 mJ/cm2，城市雜用水80 mJ/cm2），紫外出水能夠?qū)崿F(xiàn)糞大腸菌群<2 CFU/L；后續(xù)根據(jù)再生水用途及管網(wǎng)輸配要求進行適當(dāng)補氯，保障出水余氯達到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

4）協(xié)同消毒工藝通過不同消毒技術(shù)的合理組合與運行優(yōu)化，可以實現(xiàn)99.99%的糞大腸菌群滅活率，出水糞大腸菌群<2 CFU/L，且出水余氯濃度穩(wěn)定，保障再生水與受納水體生態(tài)安全。

本文為轉(zhuǎn)摘。