生水用于地下回灌的加氯消毒研究
再生水地下回灌是解決地區性水資源短缺、緩解地下水位下降、防止地面沉降以及海水入侵等問題的有效手段。為防止污染地下水，污水廠二級處理出水需經過深度處理使回灌水達到一定的水質要求，消毒則是防止將病原菌帶入地下水的重要措施。加氯消毒是目前世界上應用最廣泛的水處理消毒方法，其特點是殺菌效果好，價格便宜，因此多年來一直在水處理消毒中占有主導地位。筆者對城市污水經深度處理回灌地下之前的加氯消毒進行了研究。
1 試驗方法
城市污水深度處理后用于人工地下回灌的中試以北京市某污水處理廠的二沉池出水為原水，采用兩種深度處理工藝，DGB吸附工藝(是一種新型吸附劑，吸附性能好，價格便宜)和DGB＋活性炭工藝(后文簡稱活性炭工藝)如圖1、2所示。
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兩種工藝出水的pH均為7左右，水溫則隨外界氣溫而有所變化。由于目前還沒有制定地下回灌的水質標準，只能遵照我國現行飲用水水質標準中對微生物指標的要求，即細菌總數≤100 個/mL，總大腸菌群數≤3 個/L。
氯消毒劑采用次氯酸鈉(分析純)溶液，試驗前將其稀釋到一定濃度作為儲備消毒液。試驗時首先取水樣分別投加不同劑量的消毒液進行消毒，然后測定原水樣及消毒水樣的細菌總數與總大腸菌群數，從而確定氯的合適投加量。同時測定水樣加氯后其他水質參數的變化情況，以確定加氯消毒在達到衛生學要求的同時對水質的影響，所測參數包括DOC、AOX、CHCl3、CCl4、UV254等。
2 試驗結果及分析
2.1 加氯消毒對微生物的影響
向DGB工藝的砂濾出水分別投加不同劑量的氯消毒劑(以當量有效氯表示)，測定消毒前后水樣中的細菌總數和總大腸菌群數。試驗結果見表1。
表1 DGB工藝出水的加氯消毒結果
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從表1可以看出，水樣消毒前細菌總數大約在104 個/mL的數量級，總大腸菌群數大約在104～105 個/L的數量級。加氯量為6～8 mg/L時，消毒效果可達我國飲用水的衛生要求，即細菌總數≤100 個/mL，總大腸菌群數≤3 個/L。
將活性炭工藝出水分別投加不同劑量的氯消毒劑，測定消毒前后水樣中的細菌總數和總大腸菌群數。試驗結果見表2。
表2 活性炭工藝出水的加氯消毒結果
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從表2可以看出，在DGB吸附與粒狀活性炭過濾聯用的活性炭工藝出水中，細菌總數和總大腸菌群數與DGB工藝大約在相同的數量級。在加氯量大約8 mg/L時，基本可以達到我國飲用水的衛生要求。
2.2加氯消毒對有機物去除的影響
①DOC。圖3是加氯對兩種工藝出水DOC值的影響曲線，其中DGB工藝出水1與DGB工藝出水2是在不同時間對DGB出水取樣所測的DOC值，因而水質有所不同。
從圖3可見，對兩種工藝出水，加氯量＜15 mg/L時，水的DOC值沒有明顯的變化趨勢，可以認為加氯量在此范圍內對兩種工藝出水的DOC值影響不大。由于氯的氧化性比較弱，所以對水中溶解性有機物濃度沒有明顯的影響。
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DGB工藝出水2與活性炭工藝出水兩條曲線所代表的取樣時間相同，二者的原水水質相同，后者相當于前者再經過活性炭過濾后的出水。比較兩條曲線可以看出，活性炭床對DOC有一定的去除效果。粒狀活性炭是一種很好的吸附劑，可以通過吸附作用去除水中的部分非極性和弱極性有機物。
②AOX。圖4為兩種工藝出水加氯前后的AOX變化情況。從圖4中可以看出，兩種水樣在加氯后AOX值都有明顯的增大趨勢，加氯量越大，AOX值增大得越多。
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DGB工藝出水在加氯后AOX值顯著增大，加氯量為8 mg/L時，使AOX由25.6 μg/L增加到136 μg/L，增加了4倍多。據報道［1］，城市污水有很強的AOX生成勢，對某一污水廠的城市污水投加1.34 mmol/L的NaClO(相當于有效氯93 mg/L)，在0.5 h后AOX即達到其最大值1 500 μg/L，比原水增加了20多倍。不同水質的AOX生成速度和生成勢是不同的，并且受pH的影響。參照發達國家的有關規定和研究成果，研究者認為，我國以土壤滲濾方式進行人工回灌的回灌水中AOX濃度應≤30 μg/L。因此，DGB工藝的砂濾出水因為在加氯消毒后AOX含量太高而不能直接用于地下回灌。活性炭工藝出水加氯后AOX值也有所增大，但即使加氯量達到10 mg/L，AOX值也只有13.4 μg/L，也就是說，活性炭出水在加氯消毒后的AOX值能滿足地下回灌的要求。
對比兩種工藝出水加氯前后的AOX值可以看出，粒狀活性炭對AOX及其前驅物有很好的去除效果。試驗時，活性炭大約運行了750個床體積后還比較新，隨著運行時間的增加，對AOX的去除效果會逐漸下降，當出水達到4 500個床體積時，活性炭出水的AOX約為10 μg/L。為了研究活性炭對加氯后水中AOX的去除效果，將活性炭工藝的加氯消毒放在砂濾之后，活性炭床之前，亦即先消毒，后活性炭吸附。當加氯量為8 mg/L時，砂濾出水的AOX值為173 μg/L，經過活性炭之后AOX降為5.9 μg/L，可見在AOX值較高時，活性炭對其去除效果也很好(此時活性炭大約運行了800個床體積)。對活性炭工藝來說，將加氯消毒放在活性炭之前和之后都能使AOX值滿足地下回灌的要求。但是如果將加氯消毒放在活性炭之前，經過活性炭之后水中的微生物數量又會上升，因此應該將加氯消毒放在活性炭之后，利用活性炭對AOX前驅物的去除效果控制AOX。
③CHCl3、CCl4。圖5表示了兩種工藝出水在加氯前后的CHCl3濃度變化情況。
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從圖5可以看出，加氯后水中CHCl3濃度略有增加，并且DGB工藝出水比活性炭工藝出水的增幅略大，可見加氯消毒能形成少量的CHCl3。
對比兩種處理工藝可以發現，CHCl3濃度在加氯前后都相差不大，可見活性炭對CHCl3及其前驅物的去除作用不明顯。CHCl3是極性有機物，而粒狀活性炭優先吸附非極性和弱極性的有機物，對極性有機物的吸附作用則較弱，所以對CHCl3幾乎沒有去除作用。兩種工藝出水在加氯消毒前后CHCl3濃度都能達到我國飲用水的要求。
圖6是兩種工藝出水在加氯前后水中CCl4濃度的變化情況圖。
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從圖6中可以看出，加氯后兩種工藝水的CCl4濃度略有波動，但變化不明顯，可以認為這種數值上的波動在測量誤差范圍內，也就是說，加氯對兩種工藝出水的CCl4值沒有明顯影響。活性炭工藝出水的CCl4值較DGB工藝出水有所降低，亦即粒狀活性炭對CCl4及其前驅物有一定的去除作用，此時活性炭大約運行了3 000個床體積。
兩種工藝出水在加氯消毒前后的CCl4濃度都低于我國飲用水標準中規定的3 μg/L。
④UV254。圖7是加氯前后兩種工藝出水的UV254值的變化情況圖。
可以看出，兩種工藝出水的UV254值在加氯后都有所增大，DGB工藝出水比活性炭工藝出水的UV254值大約高一倍，加氯后的增大量也大約高一倍。UV254值反映的是水中天然存在的腐殖質類大分子有機物以及含C=C雙鍵和C=O雙鍵的芳香族化合物的多少。Reckhow和Singer等人研究發現UV254值可以表征有機鹵化物前驅物的多少，它與CHCl3的生成勢之間有很好的相關性。加氯后水的UV254值增大說明水中含C=C雙鍵和C=O雙鍵的芳香族化合物增多，可能的解釋是，氯將水中的某些大分子有機物氧化為可表現為UV254值的物質，即含C=C雙鍵和C=O雙鍵的芳香族化合物。活性炭吸附去除的有機物中包含了一部分含C=C雙鍵和C=O雙鍵的芳香族化合物以及加氯形成的該類化合物，因而在加氯前后活性炭工藝出水比DGB工藝出水的UV254值都要小。這進一步證實了活性炭可以降低有機鹵化物的生成勢，從而降低消毒副產物的產量。
3 結論
從以上試驗結果可以得出如下結論：
①對于DGB工藝和活性炭工藝，加氯量在8 mg/L時，水中的細菌總數和總大腸菌群數可以達到我國飲用水的衛生標準。
②對于兩種處理工藝來說，加氯消毒對水的DOC值影響不大。
③兩種處理工藝中加氯消毒都會使水中AOX的濃度增大，DGB工藝出水中AOX濃度的增大更為突出。活性炭對AOX及其前驅物有較好的去除作用。
④加氯消毒會使水中CHCl3量略有增加，而對CCl4濃度沒有明顯的影響。粒狀活性炭能去除少量的CCl4，但對CHCl3幾乎沒有去除作用。
⑤兩種工藝出水在加氯消毒后UV254值都有所增大。粒狀活性炭過濾能降低水的UV254值，能部分去除水中含C=C雙鍵和C=O雙鍵的芳香族化合物以及加氯后能形成該類物質的有機物。
⑥粒狀活性炭對控制消毒副產物的形成有很好的作用。
參考文獻：
［1］Stefanie Schulz,Hermann H Hahn.Generation of Halogenated Organic Compounds in Municipal Wastewater［J］.Water Science & Technology,1998,37(1):303-309.
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