紫外/氯消毒在饮用水处理中的应用

黄慧婷，张明明，王 敏，顾军农

(1.北京市自来水集团有限责任公司技术研究院，北京 100012； 2.北京市供水水质工程技术研究中心，北京 100012；3.北京市自来水集团有限责任公司水质监测中心，北京 100012)

近年来，饮用水突发污染事件频发，饮用水源的水质安全问题已成为全民关注的焦点。当饮用水受到污染后，对人类健康的最大威胁之一是微生物。因此，饮用水的微生物安全及采用何种消毒方式备受关注。饮用水处理中常用的消毒方式是氯消毒。但氯消毒在控制微生物量的同时会增加消毒副产物产生的风险。为了降低这种风险，紫外技术以其高效、广谱性好、无消毒副产物等优势逐渐成为物理消毒技术的代表。目前，全世界应用紫外消毒技术的饮用水处理量已超过3×106m3/d[1]。在国内，紫外消毒技术在饮用水处理中还处于起步阶段。

试验以北京某水厂内搭建在炭滤池出水后的低压紫外消毒装置为研究对象，考察了紫外线对炭滤池出水微生物的灭活效果和添加不同浓度消毒剂(次氯酸钠)后的微生物灭活效果，以及消毒副产物的生成情况。同时，对某水厂实际运行的紫外消毒装置出水微生物的灭活效果及消毒副产物的生成情况进行分析，以期为紫外消毒技术在饮用水处理的应用提供技术支持。

1 试验部分

1.1 试验装置及其运行条件

低压紫外消毒系统(中试设备)连接在某水厂的炭滤池出水后，选用的消毒系统是特洁安公司的PRO10，该系统外部是一个不锈钢的筒体，内部是紫外灯管外套石英套管。这个消毒系统设计的最大处理量是2.2 m3/h,设计的紫外线消毒剂量是40 mJ/cm2。系统运行期间，水温保持在5～27 ℃，常规指标每周进行一次取样，微生物及消毒副产物指标每月取样一次。

某水厂实际运行的紫外消毒系统连接在其炭滤池出水后，其设计处理的总水量是50万m3/d， 分由8套紫外装置与进水管相连接，每套紫外装置内有6根紫外灯管，每台紫外设备的功率为21 kW，每台设备的紫外线消毒剂量为40 mJ/cm2，每台紫外设备内的水流流速为1.3 m/s，过流时间约为1 s。试验期间每月对该厂的紫外消毒系统出水进行取样，试验期间的水温在2～31 ℃。

1.2 微生物总量及灭活效果的测定方法

1.2.1 基于流式细胞仪对微生物总量的测定方法

常规的微生物检测方法是基于平板培养的计数方法，Siebel等[2]发现待测自来水中的微生物仅有0.001%～2%的细菌可以通过平板培养得出。同时，研究表明，当细菌的生长环境,如温度、营养物组成发生改变时,一些细菌即会进入一种“活的但不可培养”的状态,在此状态下,即使使用适合的培养基,也无法对细菌数量作出精确的计数[3]。因此，本试验采用的微生物检测方法是基于流式细胞仪的计数方法：将待测样品置于C6流式细胞仪[美国BD(Becton,Dickinson and Company)公司]的样品管内进行检测，检测过程中设置流式细胞仪进样量为100 μL，检测速度为SLOW，通过检测样品在(533±15)nm、>670 nm的荧光强度值，即检测水样在C6流式细胞仪的FL1(533 nm±15 nm)荧光通道和FL3(>670 nm)荧光通道的荧光强度值，通过细胞荧光标记染料与水体中DNA结合，计算获得水样中微生物的数量，完成对水体中微生物的计数。细胞荧光标记染料为TO和PI，TO可以标记水中所有微生物，包括死的、受损伤的和活性良好的，可以透过各种状态微生物的细胞膜并与DNA进行结合，其替代染料为SYBR GREEN，通过测定(533±15)nm荧光进行检测；PI只可以标记水中死的或受损伤的微生物，不能标记活性良好的微生物，只可以透过受损伤或死亡的微生物的细胞膜，与DNA进行结合，不能透过活性良好微生物的细胞膜，其替代染料为7-AAD，通过测定>670 nm荧光进行检测。

1.2.2 微生物灭活效果的试验及测定方法

将待测水样转移至已高温灭菌后的取样瓶中，加入不同浓度的次氯酸钠消毒剂(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/L)，接触反应30 min，之后转移至一次性微生物瓶中，考察脱氯后总停留时间48 h内氯常规消毒方式和紫外/氯消毒方式对微生物的灭活效果。对微生物总量的测试方法采用流式细胞仪进行检测。

1.3 消毒副产物中三卤甲烷的测定方法

在待测水样中加入抗坏血酸固定(取样瓶为40 mL，抗坏血酸加入0.1～0.2 g)，取7 mL加入到顶空瓶中，顶空-气相色谱法测定。顶空进样器型号为安捷伦7694，进样器条件:加热温度为45 ℃，平衡35 min。气相色谱仪型号为6 890 N，其操作条件：柱温为80 ℃，进样口为150 ℃，检测器为250 ℃，分流比为1∶1。

2 结果和讨论

2.1 氯消毒及紫外/氯消毒工艺对活性炭出水微生物的灭活效果(中试系统)

本试验微生物总数的原液取自某水厂的炭滤池出水和经中试紫外系统后的出水，该紫外消毒系统的设定流量为2.2 m3/h，设定紫外剂量为40 mJ/cm2。将取自某水厂的炭滤池出水和经中试紫外系统后的出水水样转移至已高温灭菌后的取样瓶中，加入不同浓度的次氯酸钠消毒剂(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/L)，接触反应30 min，之后转移至一次性微生物瓶中进行脱氯，考察脱氯后总停留时间48 h内的氯常规消毒方式和紫外/氯消毒方式对微生物的灭活效果。

图1 氯消毒对微生物的灭活效果(中试系统)Fig.1 Inactivation Effect of Microorganisms by Chlorine Disinfection (Pilot System)

图2 紫外-氯消毒方式对微生物的灭活效果(中试系统)Fig.2 Inactivation Effect of Microorganisms by UV/Chlorine Disinfection (Pilot System)

由图1可知，氯常规消毒工艺对微生物具有很好的杀灭作用。然而，当加氯量发生变化时，0 h时检测出的存活的微生物数量存在差异，存活的微生物数量随着停留时间的延长呈现不同的增长趋势。同时，随着加入的氯消毒剂浓度的升高，微生物数量增长幅度逐渐趋于缓慢。氯消毒剂浓度的高低对微生物数量的控制起到决定性作用。为了将微生物的数量维持在较低的水平，试验用水的氯消毒剂投加浓度应达到1.0 mg/L。

由图2可知，单独紫外消毒后的水在停留24 h内，随放置时间的延长，水中存活的微生物数量逐渐降低，数量下降幅度超过50%。待停留48 h后，存活的微生物数量仅有少量的增长，增幅仅为6.8%，可认为经过紫外消毒后，微生物的活性在一定的停留时间内会不断降低直至衰亡。若采用紫外/氯联合消毒工艺，氯消毒剂浓度的高低均不影响水中存活的微生物总量在停留的24 h内保持下降的趋势。当消毒剂的投加量不小于0.8 mg/L时，水中存活的微生物总数量在48 h内均维持在同一水平。

将图1和图2结合来看，在同样的停留时间内，水中存活的微生物数量出现了一定程度的差异。这主要与前序工艺的紫外消毒有关。紫外消毒的原理主要是紫外线使微生物体内的核酸突变、 阻碍其复制、 转录封锁及蛋白质的合成[4]。因此，微生物的衰亡是需要一定时间的，可认为采用紫外/氯消毒的这种方式是具有一定时效性的。

2.2 氯消毒及紫外/氯消毒工艺对活性炭出水微生物的灭活效果(实际生产工艺)

为了更全面地考察紫外/氯消毒工艺对活性炭出水微生物的灭活效果，对实际运行水厂的炭滤池出水和后续中压紫外系统的出水进行取样并进行如下试验：将水样转移至已高温灭菌的取样瓶中，加入不同浓度的次氯酸钠消毒剂(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/L)，接触反应30 min，之后转移至一次性微生物瓶中进行脱氯，考察脱氯后总停留时间48 h内采用氯常规消毒方式对微生物的灭活效果和采用紫外/氯消毒方式对微生物的灭活效果。

实际生产工艺的试验结果与中试试验系统得出的结果基本一致。由图3可知，常规氯消毒方式下，投加的氯消毒剂浓度对微生物数量的控制起决定性的作用。只有将试验用水的氯投加量控制在1.0 mg/L以上，才能较有效地控制水中的微生物数量。

图3 氯常规消毒对微生物的灭活效果(现有生产工艺)Fig.3 Inactivation Effect of Microorganisms by Chlorine Disinfection (Existing Production Process)

由图4可知，停留24 h内，不论是否有氯消毒剂参与，水中存活的微生物数量均呈现逐渐降低的趋势。待停留24 h后，存活的微生物数量出现不同幅度的增长，但均低于初始测量值。由此，可证实采用紫外/氯消毒的这种方式是具有一定的时效性的。

图4 紫外/氯消毒方式对微生物的灭活效果(现有生产工艺)Fig.4 Inactivation Effect of Microorganisms by UV/Chlorine Disinfection (Existing Production Process)

2.3 氯消毒工艺及紫外/氯消毒工艺对消毒副产物的控制(中试系统)

三卤甲烷具有三致性，对人类的健康危害甚大，且是现行氯消毒工艺的主要副产物[5]，因此，该中试试验特以此作为消毒副产物主要控制对象，紫外/氯消毒工艺与氯消毒工艺进行对比。试验选取中试紫外系统和实际生产中的紫外消毒系统的出水作为试验水样，分别向试验水样中加入不同浓度的次氯酸钠溶液，分析其水中的三卤甲烷变化结果。首先，对比中试紫外/氯消毒工艺与氯消毒工艺出水的三卤甲烷检测数据，如表1和表2所示。

表1 氯消毒工艺在不同消毒剂浓度下三卤甲烷生成值(中试系统)Tab.1 Generated Value of THMs Formation under Different Disinfectant Concentration by Chlorine Disinfection (Pilot System)

表2 低压紫外/氯消毒工艺在不同消毒剂浓度下三卤甲烷生成值(中试系统)Tab.2 Generated Value of THMs Formation under Different Disinfectant Concentration by UV/Chlorine Disinfection (Pilot System)

注：“三卤甲烷指数”是4个消毒副产物各自实测浓度与其国标GB 5749—2006规定的各自限值比之和图5 两种消毒工艺在不同消毒剂浓度下三卤甲烷指数(中试系统)Fig.5 THMs Index under Different Disinfectants Concentration by Two Disinfection Processes (Pilot System)

由表1和表2的两组数据可知：三氯甲烷是三卤甲烷的主要贡献者，随着消毒剂浓度的增加，三氯甲烷的值上升明显；而一溴二氯甲烷和二溴一氯甲烷的生成值随着消毒剂浓度的增加仅有小幅度上升。由图5的两种工艺条件下三卤甲烷指数的对比分析可知，在采用氯消毒工艺的条件下，三卤甲烷指数随着氯消毒剂浓度的升高而增长，其增长趋势与在紫外/氯消毒条件下三卤甲烷指数的增长相比相对平缓。推测认为，经紫外消毒后，可能会生成更多易于加氯后形成消毒副产物的前体物质。

2.4 氯消毒工艺及紫外/氯消毒工艺对消毒副产物的控制(实际生产工艺)

对实际生产中某一水厂的紫外/氯消毒工艺及氯消毒工艺出水的三卤甲烷检测数据进行分析比对，结果如表3和表4所示。

由表3和表4两组数据可知，实际生产工艺系统对三卤甲烷的检测结果与中试试验系统对该值的检测结果基本一致。三氯甲烷是三卤甲烷的主要贡献者，随着消毒剂浓度的增加，三氯甲烷的值上升明显。由图6的两种工艺条件下的三卤甲烷指数的对比分析可知，不论采用哪种工艺，三卤甲烷指数均随着氯消毒剂浓度的升高而增长，对比两种工艺条件下三卤甲烷的增长趋势，可看出在同一消毒剂浓度下，采用紫外/氯消毒时的三卤甲烷指数明显高于氯消毒条件下的三卤甲烷指数。

表3 氯消毒工艺在不同消毒剂浓度下三卤甲烷生成值(现有生产工艺)Tab.3 Generated Value of THMs Formation under Different Disinfectant Concentration by Chlorine Disinfection (Existing Production Process)

表4 紫外/氯消毒工艺在不同消毒剂浓度下三卤甲烷生成值(现有生产工艺)Tab.4 Generated Value of THMs under Different Disinfectant Concentration by UV/Chlorine Disinfection (Existing Production Process)

图6 两种消毒工艺在不同消毒剂浓度下三卤甲烷指数(现有生产工艺)Fig.6 THMs Index under Different Disinfectants Concentration byTwo Disinfection Processes (Existing Production Process)

将氯消毒工艺和紫外/氯联合消毒工艺对微生物的灭活效果及该工艺下的三卤甲烷生成情况结合来看，若想保持水中微生物数量在8 h(一般水厂内清水池停留时间不超过8 h)内不增长，采用氯消毒方式时需要加入浓度为0.8 mg/L的消毒剂，而采用紫外/氯消毒时，可不添加任何浓度的氯消毒剂，但为了满足《生活饮用水卫生标准》的出厂水余氯最低为0.3 mg/L的要求，可加入满足此要求的消毒剂浓度对应的投加量。由此可知，若采用紫外/氯消毒方式，可大幅降低消毒剂的投加量。不仅如此，消毒剂投加浓度的降低，也可降低氯代消毒副产物的生成量。

3 结论

(1) 在紫外/氯消毒工艺的条件下停留24 h内，水中微生物的数量有明显的减少。氯消毒剂浓度的高低都不影响水中存活的微生物总量在停留的24 h内保持下降的趋势。

(2) 氯常规消毒技术对微生物具有很好的杀灭作用。投加的氯消毒剂浓度对微生物数量的控制起决定性的作用，当氯消毒剂的投加浓度未达到1.0 mg/L时，随着停留时间的延长，水中的微生物数量呈现增长的趋势。

(3) 紫外/氯消毒与氯消毒相比，可大幅降低消毒剂的投加量，进而降低运营成本，也可降低氯代消毒副产物的生成量。