污水处理几种消毒工艺技术经济比较

摘 要通过对单过硫酸氢钾复合粉为代表的新型活性氧、液氯、紫外、二氧化氯等消毒工艺的机理，分析了各种消毒工艺的优缺点以及投资及运行成本的分析比较，确定了适合江心洲污水处理厂的消毒工艺。

关键词消毒工艺；技术经济；污水处理

中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)091-0201-02

随着环境污染的日益严重，为更好地保护水环境，保护人类的生命健康 ，世界许多国家和地区（北美、欧盟、日本、韩国、台湾等）要求城市污水在排放前进行消毒处理。中国国家环境保护总局和国家质量检测检疫总局于2002年12月24日颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中也首次将微生物指标列为基本控制指标，要求城市污水必须进行消毒处理。部分国家和地区也制定了相应的消毒指标，详见表1。

从表1我们可以看出，污水处理消毒是为了降低出水的大肠菌群数，而选择什么样的消毒工艺对于每个城市污水处理厂都是很关键的。南京市江心洲污水处理厂原消毒工艺采用了液氯消毒，但是液氯消毒工艺在运行中存在很大的安全隐患，安全管理成本较高，且鉴于液氯消毒的副作用较大，对环境的二次污染较为明显，而江心洲污水处理厂所处的特殊地理环境，以及完善液氯消毒安全管理需要追加的投资，也制约了液氯消毒的投入使用。为此，我们对几种消毒工艺进行了技术经济比较，建议采取新型活性氧消毒工艺设计变更。

1污水消毒工艺的技术比较

消毒方法可分为物理消毒法和化学消毒法。物理消毒法主要利用加热、冷冻、辐照等方法对微生物的遗传物质核酸进行破坏而达到消毒目的，工程中常用的物理消毒方法主要有紫外线消毒法等。化学消毒法是利用消毒剂的强氧化性来破坏微生物的结构而达到消毒的目的，工程中常用的化学消毒方法有液氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒以及新型活性氧消毒（如单过硫酸氢钾）等。

1.1氯消毒

氯与水反应时，一般产生“歧化反应”，生成次氯酸（HOCl）和盐酸（HCl）。其反应式为：

Cl2+H2O＝HOCl+Cl-+H+

氯的灭菌作用主要是次氯酸，因为它是体积很小的中性分子，能扩散到带有负电荷的细菌表面，具有较强的渗透力，能穿透细胞壁进入细菌内部。氯对细菌的作用是破坏其酶系统，导致细菌死亡。而氯对病毒的作用，主要是对核酸破坏的致死性作用。

自从20世纪初，氯化法就广泛地应用于水消毒工艺。目前，氯化法消毒仍是应用最广的化学消毒方法，其主要特点是：

1）处理水量较大时，单位水体的处理费用较低。

2）水体氯消毒后能长时间地保持一定数量的余氯，从而具有持续消毒能力。

3）氯消毒历史较长，经验较多，是一种比较成熟的消毒方法。江心洲污水处理厂原先选择这样的消毒工艺肯定也是考虑到氯消毒的这些特点。

但据研究发现氯消毒至今已知的消毒副产物已经有500种以上，但是绝大多数的浓度只有微克/升（μg/L）级，且许多消毒副产物未作进一步的研究。在大量的消毒副产物中，目前集中研究的只有三卤甲烷、卤乙酸、卤乙腈、卤代酮、卤代醛、卤代酚等20余种，其中对于THMs的致癌性已有共识，其它大部分具有一般毒性，部分具有致突性。THMs等卤化有机物的产生主要是水体中的有机物与氯作用的结果，而城市生活污水中含有大量的有机物，经氯消毒后，会生成卤化有机物等消毒副产物，随污水进入地面水体，污染水源，并对鱼类等水生生物产生毒害作用。氯消毒的副产物已经引起了广泛的关注，我国新型颁布的水质指标中就明确增加对卤代产物的控制，新标准将在2012年7月1号之前全部实施，因此，改变江心洲污水处理厂目前的氯消毒工艺势在必行。

1.2二氧化氯消毒

二氧化氯也是一种强氧化剂，其氧化能力是氯的25倍，消毒能力仅次于臭氧，高于氯。试验表明，二氧化氯在控制THMs的形成和减少总有机卤方面，与氯相比具有优越性，二氧化氯与水中的腐殖酸和富里酸等腐殖质都不会生成THMs，即使在饮水消毒过程中，投加少量的二氧化氯，也能有效地抑制THMs的生成。二氧化氯是广谱型消毒剂，对水中的病原微生物包括：病毒、芽孢、真菌、致病菌及肉毒杆菌均有很高的灭活效果，有剩余消毒能力，二氧化氯对孢子和病毒的灭活作用均比氯有效，并且在高pH值与含氨的水中灭菌效果不受影响。另外，二氧化氯去除水中的色度、嗅、味的能力也较强。

制备二氧化氯的起始原料有氯酸钠和亚氯酸钠，因亚氯酸钠不能贮存，必须现场制取及时使用，且亚氯酸钠价格昂贵，成本较高，所以现在一般用氯酸纳制备二氧化氯的比较多。为了全面了解二氧化氯工艺，江心洲污水处理厂委托某环保公司专门设计了一整套的工程方案。工程方案中以二氧化氯发生器来制备二氧化氯，其反应式为：

2NaClO3＋4HCl = 2ClO2＋2NaCl＋Cl2＋2H2O

但在与该公司的技术沟通中，我们了解到不管是用亚氯酸钠还是氯酸钠制备二氧化氯，它们在消毒过程中都会产生消毒副产物，当反应不完全时，自由性氯同样会与有机物反应，有可能生成THMs，所以使用二氧化氯也要追加一定的安全管理成本。

1.3臭氧消毒

臭氧是强氧化剂，臭氧化和氯化一样，既起消毒的作用，也起氧化作用，但是臭氧的消毒能力和氧化性都比氯强，能氧化水中的有机物，并能杀死病毒、芽孢及细菌。臭氧都是在现场用空气或纯氧通过臭氧发生器制取，产率分别为1%-3%和2%-6%。

根据目前的研究可以发现：

1）臭氧消毒反应迅速，杀菌效率高，同时能有效地去除水中残留有机物、色、嗅、味等，受pH值、温度的影响很小。

2）臭氧能够减少水中THMs等卤代烷类消毒副产物的生成量。

3）臭氧消毒可以降低水中总有机卤化物的浓度。

由于臭氧消毒工艺目前在大型城市污水处理厂运用的较少，另外臭氧稳定性差容易分解为氧气，故不能瓶装贮存和运输，必须现场制备及时使用，设备投资大，电耗大，成本较高；运行管理比较复杂。所以江心洲污水处理厂在选择的替代消毒工艺中并没有考虑臭氧工艺。

1.4紫外线消毒

紫外线根据生物效应的不同，按照波长划分为A、B、C、D四个波段，水处理领域的消毒主要采用的是C波段紫外线。水的紫外线消毒，是一种光化学效应。研究表明，紫外线主要是通过对微生物（细菌、病毒、芽孢等病原体）的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死从而达到消毒的目的。微生物的核酸分子吸收光谱的范围是240 nm～280 nm，对波长260 nm的紫外线有最大吸收，而低压紫外线消毒灯所产生的光波波长其中心辐射波长是253.7 nm，正好与之相符合。

紫外线消毒是一种物理方法，相比于化学方法，它的优点也很多。它不向水中增加任何物质，没有副作用，不会产生消毒副产物，它的消毒速度快﹑效率高﹑占地面积小；设备操作简单，便于运行管理和实现自动化等。然而，紫外线的灭菌作用只在其辐照期间有效，所以被处理的水一旦离开消毒器就不具有残余的消毒能力，容易遭受二次污染，所以当细菌未被灭活而进入后续系统，就无法阻止其粘附在下游管道表面并繁衍后代；只有吸收紫外线的微生物才会被灭活，因此对于悬浮固体很多水质较差的水，例如污水，由于悬浮固体可以庇护微生物使其免遭伤害，消毒效果很难保证。尤其江心洲污水处理厂日处理为64万吨，如果其处理效果不理想的话，这么大量的出水势必会对接纳水体长江造成巨大的污染。另外，由于紫外线消毒采取的是明渠，而我厂为接触池，需要进行部分的土建改造。

1.5活性氧消毒剂（以单过硫酸氢钾为例）

单过硫酸氢钾复合物溶于水后，经过循环链式反应，连续持久产生新生态氧「O」：HSO5-→HSO4-＋「O」

HSO4- ＋ 2H2O→HSO5-＋2H+＋2e

复合物在水中释放出一定浓度的超氧自由基「ROO0」，反应活性大，氧化能力极强，可以使细胞中的单糖、多糖、蛋白质、DNA、RNA等发生氧化，遭受损伤与破坏。活性氧自由基在极低浓度时就能完全杀灭水中的原生动物、藻类、孢子细菌等微生物，剩余的基因及微生物尸体均可被分解成H2O、CO2、O2及无机盐类，没有药剂残留。

单过硫酸氢钾复合物溶于水后具有如下的特点：

1）氧化能力强，杀灭效率高，不但能杀灭水中的各种微生物，还能杀灭原虫和藻类。

2）可直接氧化水中的腐植物及三卤甲烷前体物，因此反应不产生三卤甲烷（THM）、卤乙酸和其它有害物质。

3）能破坏水中的酚类、硫化物类、氰化物类、亚硝酸类及其它有害化合物，特别是对酚类控制效果好，不产生有厌氧气味的氯酚，提高了水质和除臭作用，同时能和水中有色、味的有机物反应，脱去其色和味，改善水的味道。

4）在水中通过链式反应，维持微量新生态「O」氧和活性氧自由基「ROO0」使其氧化能力稳定，作用持久，可以防止水中的再次污染。通过它的特点我们可以看出其消毒剂的消毒能力是强于液氯的，而同时又不产生消毒副产物，还有它的作用持久以及氧化能力的稳定又是紫外线工艺所不能及的。

考虑采用此工艺设计变更，可以很好的利用现有的已经建成的管道、水泵等设备，另外，溶药罐也可以从一级加药处理的投资设备中调剂使用，不需要增加更多的投资。

2污水消毒工艺的经济比较

通过对比以上这些工艺的特点，单过硫酸氢钾为代表的活性氧消毒工艺显示出了超出其它工艺的优点。但是否适合投入到污水处理的消毒中还需要看他们的实际投资及运行成本，所以，下面我们又对其投资运行的经济性做了比较。

以江心洲污水处理厂64万吨/日处理量为例，设备投资按照10年使用寿命周期计算。

说明：从上表我们可以分析得出，紫外线消毒的投资成本最高，活性氧的投资成本最低；液氯的运行成本最低，活性氧的运行成本最高。

3结论

1）传统的化学消毒工艺消毒液氯和二氧化氯，但都比较容易产生副产物，安全管理成本较高。2）臭氧消毒工艺由于在大型污水处理厂使用的并不多，而且它的投入成本较大，运营管理成本也很高。3）物理的方法紫外线消毒由于它对水质要求比较高，设备投资和运行维护费用也较高，以及后续的消毒效果差也没有显示出优势来。4）新型的活性氧消毒剂在水处理过程中体现出了高效、安全等优势，同时操作简单，工艺也不复杂，适合大、中、小型污水处理厂。5）江心洲污水处理厂针对目前的设备设施现状，如果要完善液氯的所有设施及安全用具，其投资不会低于100万元；如果通过设计变更，采用活性氧消毒工艺，需要增加36万元的投资；采用二氧化氯消毒工艺；需要增加投资200多万元；采用紫外线消毒工艺，需要增加投资800～1000万元。经综合技术经济分析比较，以及今后消毒运行的实际情况，我们最终建议了江心洲污水处理厂采用活性氧消毒工艺的变更。

参考文献

[1]崔玉川,等.城市污水厂处理设施设计计算[M].化学工业出版社.

[2]张自杰,等.排水工程[M].中国建筑工业出版社.

[3]南京市江心洲污水处理厂初步设计说明[M].中国市政工程华北设计研究院.

[4]污水处理厂运营管理与考核及规章制度务实手册[M].河北音像出版社.

作者简介

严小明（1977—），男，南京市排水管理处江心洲污水处理厂，工程师，研究方向：市政污水处理。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文