城镇污水处理工艺对紫外线消毒RED的影响

第25卷 第5期 2009年 3月 中 国 给 水 排 水 CHINA WATER ＆ WAsTEWA IER V01．25 No．5 Mar．2009 城镇污水处理工艺对紫外线消毒 RED的影响 李 东 ， 陈淑芬 ， 尹新哲 ， Karl G．Linden ， 张文品 ， 郝敦玲 (1．重庆大学 资源及环境科学学院，重庆 400044；2．科罗拉多大学波尔得分校 土木环境 与建筑工程系，美国；3．重庆大学 化学化工学院，重庆 400044) 摘 要： 使用准平行紫外光束仪测定了重庆市3个采用不同处理工艺的城镇污水处理厂终 沉池出水中粪大肠茵群(Fc)的紫外线响应曲线，考察了不同处理工艺对紫外线消毒等效生物验证 剂量(RED)的影响。结果明，在 15 mJ／cm 的紫外线辐照剂量下，3个污水处理厂终沉池出水中 的FC未发生光复活和暗复活现象；运用虚拟变量回归法对 3个水样的试验数据进行统计分 析，发现3个水样属于同一个样本空间，表明不同的二级污水处理工艺对紫外线消毒效果没有显著 影响；基于数据合并处理的结果，建议新建的城镇二级污水处理厂的紫外线消毒反应器的进水 Fc 浓度值取5．0×10 MPN／L，以对应 1．0×10 和 1．0×10。MPN／L的两个排放，REDMs2分 别为 25和 36 mJ／cm 。 关键词： 城镇污水； 紫外线消毒； 等效生物验证剂量； 粪大肠菌群 中图分类号：X703 文献标识码：C 文章编号：1000—4602(2009)05—0045一o4 Effect of M unicipal Sewage Treatment Process on Reduced Equivalent Dose of Ultraviolet Disinfection LI Dong ， CHEN Shu—fen ， YIN Xin—zhe ， Karl G．Linden ， ZHANG Wen—pin。 ， HA0 Dun．1ing~ (1．College ofResources and Environmental Science，Chongqing University，Chongqing 400044， China；2．Department ofCivil，Environmental and Architectural Engineering，University ofColorado at Boulder，USA；3．College of Chemistry and Chemical Engineering，Chongqing University， Chongqing 400044，China) Abstract： UV collimated beam device was used to determine UV response curve of fecal cohform (FC)in the effluent from the final sedimentation tank of three municipal wastewater treatment plants u— sing different treatment processes in Chongqing．The effect of different treatment processes on reduced e- quivalent dose(RED)of ultraviolet disinfection was investigated．The photoreactivation and dark repair of FC are not observed under dose of 15 mJ／cm ．Dummy vaIiable regression analysis shows that these three curves come from the same sample space and thereby the different secondary treatment processes do not make significant influence on UV disinfection efficiency．Based on the regression analysis results of combined curves，a design value of 5．0×1 0 MPN／L for the influent of UV reactor is recommended，and the resulting REDMs2 values respectively corresponding to two effluent standards of 1．0×10 MPN／L and 基金项 目：重庆市科委 自然科学基 金资助 项 目(CSTC2007BB7121)； 重庆大学研究生科技创新基金资助项 目 (200707AiA0210258) · 45· 第25卷 第5期 中 国 给 水 排 水 www．watergasheat．com 1．0×10 MPN／L are 25 mJ／cm and 36 mJ／cm ． Key words： municipal sewage； ultraviolet disinfection； reduced equivalent dose(RED)； fecal coliform (FC) 紫外线消毒技术应用于水处理时，等效生物验 证剂量(RED)是进行设备选型的首要参数，为此， 笔者针对国内城镇污水处理厂采用的3个主流二级 处理工艺进行紫外线消毒试验，研究等效生物验证 剂量的选择是否需要根据不同的处理工艺进行调 整 。 1 试验部分 1．1 试验材料 试验微生物：选用《城镇污水处理厂污染物排 放标准》(GB 18918--2002)指定的指示微生物—— 粪大肠菌群(FC)。 城镇污水处理厂：①唐家桥污水处理厂。采用 传统活性污泥法，预处理采用机械格栅、平流沉砂池 和初沉池；无消毒工艺；目前的处理能力为 6×10 in ／d。②唐家沱污水处理厂。采用 A ／0工艺，预 处理采用机械格栅和旋流沉砂池，并根据实际运行 情况辅以化学除磷；采用氯消毒工艺；近期处理规模 为30 x 10 m ／d，远期处理规模为 40×10 in ／d。 ③城北污水处理厂。采用奥贝尔氧化沟工艺，预处 理采用机械格栅和旋流沉砂池，根据实际运行情况 辅以化学除磷；采用二氧化氯消毒；处理规模为 8×10 in ／d。 试验水样：取自各厂的终沉池出水，取样位置为 终沉池出水堰，在消毒池之前。取样后立即放人装 有冷冻剂的保温袋冷藏保存，并迅速返回实验室进 行测定。 试验水样的水质见表 1。 表1 试验用水水质 Tab．1 Quality of experimental water 项 目 SS／(mg·L ) 温度／cc pH 透光率／％ 唐家桥 10．0 27 6．5 69．6 唐家沱 14．0 20 6．5 63．7 城北 14．3 23 6．5 57．5 1．2 分析方法 使用准平行紫外光束仪⋯对水样进行照射，光 源为3支紧密并排放置的40 w 医用石英低压紫外 线消毒灯管，整个装置的培养皿系数为0．94 。 紫外线强度：经 US NIST校正过的 IL 1400A SEL240紫外强度计(254 nm)；粪大肠菌群数：多管 发酵法(HJ／T 347_2007)；透光率(uVT25 )：752型 紫外可见光分光光度计；SS：重量法(GB 11901～ 89)。 1．3 试验方法 水样的紫外线响应曲线测定以及 RED的计算 方法见文献[2]；紫外线响应曲线合并的判断采用 虚拟变量回归法 ]，并使用 SPSS软件进行统计分 析。 光复活和暗复活试验：在 15 mJ／cm 辐照剂量 下，采用 194．7 mW／cm 的辐照强度，对3份相同的 水样进行对比辐照试验。其中，对照水样在辐照后 立即接种；光复活水样在辐照后置于室内自然光环 境下进行 1 h光复活，然后接种分析；暗复活水样在 辐照后使用锡箔纸包裹，放在柜子内进行 1 h暗复 活，之后再接种。 2 结果与讨论 2．1 光复活与暗复活试验 光复活和暗复活试验结果见表2。 表 2 光复活与暗复活试验结果 Tab ．2 Results of photoreacfivation and dark repair tests 辐照剂量 辐照前 FC 辐照、复活后 项 目 (D )／ 浓度(Ⅳ0)／ FC浓度(N)／ 对数灭活 (mJ·Clll ) (MPN·L ) (MPN·L ) 率(1g1) 对照 15 7．6×10 1．1×10 1．9 光复活 15 7．6×10 1．1×10 2．9 暗复活 15 7．6×10 2．6×10。 2．5 从表2可以看出，水样经过 15 mJ／cm 的剂量 辐照后，Fc浓度没有因可能存在的光复活和暗复 活 现象而出现浓度反弹，对这 3个污水处理 厂的终沉池出水而言，15 mJ／cm 的辐照剂量已经 足以抑制 Fc的光复活和暗复活现象的发生。 2．2 紫外线响应曲线 在不同的紫外线辐射剂量下，对3个污水处理 厂终沉池出水中FC的对数灭活率与紫外线辐照剂 量进行线性回归分析，结果见表 3。 由表 3可知，相关系数 尺 和修正 R 均大于 0．9，表明解释变量 lg，对被解释变量 D 的解释力度 · 46· 李 东，等：城镇污水处理工艺对紫外线消毒 RED的影响 第25卷 第5期 很好，紫外线辐照剂量与 Fc灭活率之间存在较好 的线性相关性。 表3 辐射剂量与 FC灭活率的线性回归分析 Tab．3 Linear regresflion analysis between irradiation dose and inactivation rate of FC 项 目 回归方程 一次项系数 R 修正 R F值 唐家桥 D =5．271gi 5．27 (14．9) 0．978 0．974 223．26 唐家沱 D =4．781g~ 4．78 (7．57) 0．920 0．9O4 57．30 城北 D =5．171gl 5．17 (9．28) 0．945 0．934 86．2O 注： 括号内为 t统计量；“ ”表示在 1％的置信度下显 著，下同。 假设这3个污水处理厂的处理工艺对紫外线消 毒效果没有显著影响，则从统计学意义上理解为上 述 3个水样来自同一样本空问，可采用虚拟变量回 归分析法进行判断，回归方程如下： D =A×lgl+Dl x B×lgI+D2×C×lgl (1) 式中 A、曰、C——系数 D 、D：——虚拟变量 当试验水样取 自唐家桥污水处理厂时，令 D，= D =0；当试验水样取自唐家沱污水处理厂时，令 D = 1，D =0；当试验水样取 自城北污水处理厂时，令 D =0，D2=1。相关参数见表4。 表4 辐照剂量与 FC灭活率的虚拟变量回归分析 Tab．4 Dummy variable regression analysis between irmdiafion dose and i~ etivadon rote of FC 项目 l D1×lgl D2 Xlgl 修正 R 回归 5．375 一0．62l 一0．256 0 ． 842 0．821 系数 (9 ． 83) (一0．841) (一0．336) 从表4可以看出，D 、D 两个虚拟变量的系数 在统计学上是不显著的，因此可以认为 3个水样来 自同一个样本空问，即表示传统活性污泥法、A ／O 工艺以及奥贝尔氧化沟 3种工艺的出水水质之间的 差异对紫外线消毒效果没有显著影响，可以将3个 污水处理厂的数据合并进行回归分析。 考虑到实际应用的紫外线辐照剂量范围及拟合 精度的提高，只对 0—20 mJ／em 范围内的数据进行 了回归分析，回归方程及相关参数见表5。 表5 辐照剂量与 FC灭活率的线性回归分析(合并后) Tab．5 Linear regres8ion analysis between irrMi~on dose and inactivation mte of FC after combination f回归方程I 一次项系数 修正R F值 D =4．511g]l4．507 (16．349) 0．95 0．947 267．3 由表 5可知，相关系数 和修正 均大于 0．9，表明紫外线辐照剂量与Fc灭活率之间的线性 相关性较好。另外发现，当紫外线辐照剂量 >12 mJ／era 后，辐照剂量与Fc灭活率的拟合曲线开始 出现明显的拖尾现象(即出现尾段平坦区域)，这主 要是受到 sS的影响，与 ss的浓度和粒径分布有 关 J，如果进一步降低水样的 ss浓度，则出现拖尾 现象的剂量点将后移。 2．3 lIED的确定 按照文献[2]中的讨论结果和计算方法，选择 MS2噬菌体为验证微生物，利用表 5中的回归方程 和文献[1]中的剂量换算系数( )取值表，针对 紫外线消毒反应器的两种设计进水 Fc浓度取值， 可得到不同的 RED 值(两个排放标准)，结果如表 6所示。 表 6 REDMs2预测结果 Tab．6 Predicg Il8 ofREDM＆ 设计进水 设计出水 D ／ REDMs2／ FC浓度／ FC浓度／ 对数 (MPN·L ) ：MPN·L ) 灭活率 (mJ· R皿 (mJ· cm ) cm一 ) 1．0×10 3 14 2．1 29 1．0 x10 1．0×10 4 18 2．1 38 1．0 X10 2．7 12 2．1 25 5．0 X10 1．0×10 3．7 17 2．1 36 从表6可以看出，紫外线辐照剂量取值受设计 进水 FC浓度的影响较大：在同样的设计出水 FC浓 度要求下，设计进水 FC浓度越高，则需要的紫外线 辐照剂量就越大。若再考虑到 。的取值，就会发 现最后计算出的 RED 过大。USEPA在紫外线消 毒手册(2006年)中推荐的 RED计算方法已考虑了 三层“保险”：一是进水 Fc浓度设计值略高于已监 测的绝大部分实测浓度值；二是在 RED的计算上已 选择了较保守的计算结果；三是工程实际应用中还 需要加上不确定度(Uv )。因此，根据我国的终沉 池出水实测情况，紫外线消毒反应器进水 FC浓度 取值不宜太保守。本研究建议，对于没有实际监测 的 FC浓度数据的新建二级城镇污水处理厂，进水 Fc浓度宜设计为 5．0 x 10。MPN／L，为使出水达到 国家要求的 1．0×10 和 1．0×10。MPN／L的两个标 准，对应的REDMs2分别为25和36 mJ／era 。 3 结论 ① 对于二级城镇污水处理厂的终沉池出水， (下转第51页) - 47· www．watergasheat．con 杨 旭，等：潜流人工湿地预处理给水厂原水的效能研究 第25卷 第5期 另外，出水pH低于进水的，可能是微生物的降解活 动产生了有机酸类，以及基质的离子交换、释放和植 物的生理活动等使系统的水体酸性增强所致。 3 结论 ① 采用人工湿地对给水厂原水进行预处理， 在进水流量为0．8 m ／d、水力停留时间为 1．5 d的 条件下，当进水浊度较高(10～50 NTU)时，出水浊 度为 1～3 NTU，对其平均去除率为93．7l％，对浊度 的预处理效果较好。 ② 人工湿地对原水 中 COD 的去除效果较 好，对其平均去除率为43．19％，但对原水中 uV 的去除率较低，说明 uV 代表的物质较难被生物降 解。 ③ 人工湿地对原水中TN、NH；一N的去除效 果明显，对 TN和 NH；一N的平均去除率分别为 49．15％和48．92％．，且进、出水的 pH值为 6～8，能 够保证硝化、反硝化反应的顺利进行，进而有利于对 水中氮的去除。 ④ 人工湿地对原水具有很好的预处理效果， 可以减轻给水厂后续常规处理单元的负担，但其在 冬季的运行效果及如何保温还有待于进一步研究。 参考文献： [1] Simi A L，Mitchell C A．Design and hydrulic performance of a constructed wetland treating oil refinery wastewater [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [J]．Water Sci Technol，1999，40(3)：301—307． Andrew M R．Richard S I．Development of vegetation in a constructed wetland receiving 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1．0×10 和 1．0×10。MPN／L的两 个排放标准，RED s：分别为 25和 36 mJ／cm 。 参考文献： [1] USEPA．Ultraviolet Disinfection Guidance Manual for the Final Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule[M]．Washington D C：USEPA，2006． [2] 李东，尹新哲，陈淑芬，等．城北污水处理厂紫外线消 [3] [4] [5] 毒等效生物验证剂量测定[J]．中国给水排水，2008， 24(5)：5—9，13． Damodar N Gujarati．经济计量学精要(第 3版)[M]． 张涛译．北京：机械工业出版社 ，2007． Johnson J D，Quails R G．Ultraviolet Disinfection of a Secondary Effluent：Measurement of Dose and Effects of Filtration[R]．Cincinnati：USEPA，1984． Emerick R W ，Loge F J，Thompson D，et a1．Factors influ— encing ultraviolet disinfection performance part II：associ- ation of coliform bacteria with wastewater particles[J]． Water Environ Res，1999，71(6)：1178—1187． · 5l· 电话 ：(023)65102423 E —mail：lidongbayan@cqu．edu．cn 收稿 日期：2008—08—06