疫情下农村污水处理设施的风险控制及消毒措施

2021-08-25赵迎新吴座栋

水资源与水工程学报 2021年3期

曾杰，赵迎新，季民，吴座栋

(1.天津大学环境科学与工程学院，天津 300350； 2.天津市水利工程有限公司，天津 300222)

1 研究背景

在新型冠状病毒肺炎患者的粪便中检测出新型冠状病毒核酸的事实，表明新型冠状病毒很可能通过粪—口进行传播，水作为病毒传播的一种重要媒介，不可避免地给农村生活污水处理带来了诸多风险。一方面疫情期间居家人数的增加使得农村污水处理设施保持长时间的高负荷状态，另一方面农村污水未经消毒排放至受纳水体会对农村居民的健康安全造成威胁。南北地区由于地理气候、人文因素的不同，使得农村污水水量以及水质特征存在差异性，在处理工艺的选择上也有所不同。南方地区的排水量普遍大于北方地区，而污染物浓度却低于北方地区[1]。因而南方地区适合采用人工快渗系统、厌氧生物处理+人工湿地等处理方法。宜昌市秭归县屈原村采用人工快渗一体化设备处理污水的主要出水指标，可以满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2019)中的一级A标准，同时在进水水质水量波动的状况下出水仍能保持稳定[2]。绵阳市北川县曲山镇石椅村的生活污水经过人工快渗系统处理后的尾水可直接供当地农民浇灌农田和厂区绿化[3]，类似的还有深圳市白花村生活污水处理工程和牛城河河道水环境修复工程。霍祥志等[4]以阳泉市郊区为例，对比分析各种工艺的优缺点及适用范围，最优处理模式为厌氧+人工湿地法。而北方地区为避免复杂的冬季保温工程，更适宜选择地埋式A/O活性污泥及生物膜法一体化工艺以及MBR工艺。赵芳[5]认为山东省农村生活污水在经过地埋式A/O组合处理后有较好的出水水质。北京市被调查的1 104座污水处理设施中，有641座设施是采用MBR工艺，占比为58.1%，而采用的其他工艺均小于10%[6]。考虑到疫情期间污水中的病毒经过这些传统污水处理工艺的一级、二级处理后排放，很难被完全去除或灭活[7]，因而尾水需增设消毒处理。消毒工艺的选择直接影响到出水的消毒效果及运行管理，表1为2020年2月江浙等省市56座污水处理厂消毒处理情况(部分污水处理厂采用2种消毒方式)[8]，由表1可看出，多种消毒方式均能够有效杀菌。因而本研究针对不同农村污水处理工艺可能存在的病毒污染风险问题，提出合适的消毒方式以及参数控制建议，为疫情期间农村小型污水处理设施的安全运行提供技术参考和保障。

表1 2020年2月疫情期间江浙等省市56座污水处理厂消毒处理概况

2 消毒工艺

在污水处理过程中，使病毒及其他病原体微生物减少的主要方式有两种，即分离和灭活[9]。传统的农村污水处理工艺首先经过预处理及一级处理可以去除一些吸附在大颗粒悬浮物上的病毒。文献[10]中报道一级处理工艺对肠道病毒的去除率约为0.1～0.5 log，效果不明显；然而二级处理按照不同处理工艺，病毒的对数削减率又不尽相同，肠道病毒的削减率在1.0～3.0 log之间[10]，相比一级处理其削减效果明显，但仍需进一步消毒灭活。农村小型污水处理设备一般不会专门设置接触消毒池，通常以处理水在清水池的停留时间来表示接触消毒时间，通常大于30 min，因此本文不对接触时间进行要求。综合现场条件、运行管理及成本等客观因素，目前农村污水常用的消毒方式主要有氯化和紫外两大类。臭氧消毒由于其设备化以及运行的复杂性，几乎不被考虑。

2.1 次氯酸钠

次氯酸钠消毒原理如化学方程(1)、(2)所示，主要是利用水解产生的次氯酸(HClO)中性小分子，它们能够快速地穿过带负电荷的病原微生物表面，进入细胞内破坏其多种酶系统而使其失去活性。另外，次氯酸还能形成具有极强氧化性的新生态氧[O]，能够使病毒和细菌的蛋白质变性[11]。对于病毒来说，次氯酸钠首先破坏病毒的衣壳蛋白，然后攻击其核酸[12]。而对于细菌来说，次氯酸钠的杀灭效果表现出层次递进的现象，次氯酸首先破坏细菌的细胞膜，其次攻击细胞的酶系统，最后导致其蛋白质和核酸的损伤[13-14]。因而在使用次氯酸钠消毒时，低剂量的氯浓度往往只破坏细菌的细胞膜和蛋白质，其双链核酸仍保持一定的完整性和复制能力。因而需要视情况适当加大剂量。农村污水的出水中往往含有一定浓度的氨氮，消毒过程中投加的NaClO与氨氮的反应是分段进行的[15]，加氯折点前氯被水中还原性物质消耗以及与氨氮形成化合氯，消毒只有越过了加氯折点才开始积累游离氯，此时的消毒效果最好。在疫情较为严重的农村地区，可以通过公式(3)来估算加药量[10]。对于二级出水中氨氮浓度较高水体的消毒，建议尽量采用二氧化氯或者紫外线消毒法。

(1)

(2)

M=K1·CNH3+K2·COrg

(3)

式中：M为投氯量；K1为氨氮被氯化的氯氮质量比，取值为10；CNH3为氨氮浓度；K2为有机氮被氯化的氯氮质量比，取值为16；COrg为有机氮浓度(实际操作中可以忽略其存在)。

农村小型污水处理设施运行中宜选用购买浓度10%以上的商品次氯酸钠溶液进行投加的方式，通过计量泵直接投加到清水池前管线上。次氯酸钠溶液存在有效氯的衰减问题，避光保存的同时每次购买量应在10 d内使用完。

2.2 二氧化氯

二氧化氯(ClO2)具有强氧化性，并且受水中pH以及氨氮浓度影响较小。二氧化氯溶于水后以分子形式直接破坏病毒的核酸或衣壳蛋白，它能够与蛋白质中某些特定氨基酸发生反应，导致氨基酸键断裂，从而使蛋白质失去原有功能[16]。另外有研究表明，灭活过程中对氨基酸起破坏作用的是ClO2中的氧原子，而非氯原子，因此避免了三氯甲烷(THMs)这一消毒中副产物的产生[17]，因此，ClO2是一种公认的安全、高效、环保的消毒剂。目前应用最多的是现场氯酸盐法制备二氧化氯，但其对技术设备要求较高显然不适合农村地区使用，可以选择一元稳定二氧化氯泡腾片，通常其有效ClO2含量在10%左右，储存、使用方便，即配即用。一般先将一定量的泡腾片溶解在水中，即活化，完全溶解需5～10 min，然后再根据具体的投加量调整隔膜计量泵进入清水池前端的流量。

2.3 紫外线

紫外线消毒作为新型物理消毒工艺，杀菌效果最佳的波长在253.7 nm附近[18]。核酸是紫外线最主要的作用位点，它可直接作用于病原体的DNA或RNA上，诱导胸腺嘧啶和胞嘧啶形成嘧啶二聚体，影响其复制、转录及蛋白质合成，同时也影响其他生物大分子的结构与功能[19-20]。有研究显示，紫外线消毒过程中病毒RNA的损伤比细菌DNA的损伤更严重[13]，这是因为紫外线更易侵入没有细胞结构的病毒，且RNA的磷酸二酯键更容易受到损伤，因此导致单链线性RNA对紫外线更加敏感[21]。紫外线的灭菌效率高，但不具备持续性消毒能力。紫外线消毒效果可以用紫外穿透率(UVT)来考量，它易受水中浊度、SS和一些无机离子(如Fe3+)的影响。紫外灯管的性能同样也影响着消毒效率，对于农村这种小规模污水处理设施，应选择紫外能利用效率较高的低压灯系统(LP)，建议每两天投加一些柠檬酸或者磷酸进行一次化学清洗，定期再进行人工清理。

3 不同污水处理工艺的消毒控制

3.1 人工快渗处理系统

人工快渗技术(constructed rapid infiltration, CRI)是农村常采用的一种生态处理工艺，它是用渗透性能较好的天然介质代替天然土层，以天然河砂最为典型，采用干湿交替方式加强系统复氧来净化水质。通常CRI系统的脱氮除磷效果较差，出水氨氮以及总氮浓度较高。适当的降低湿干比，一方面可提高系统落干时硝化过程的时间，有利于其脱氮效果，另一方面可加快好氧异养微生物的代谢，提高其对病原体的吸附、过滤与捕食作用。一般CRI系统可去除2～3个数量级的粪大肠杆菌，并且污水的迁移距离决定了其去除效果，迁移距离越长，则去除效果越好，甚至可超过90%[22]。鉴于CRI系统处理规模较小，工艺简单，通常被用在不发达且资金不足的农村地区，同时该工艺出水受高氨氮影响，综合考虑不宜采用常规的次氯酸钠和紫外线消毒，为方便操作、减少工程投资成本，采用二氧化氯最为合适。现场运行中投加浓度为8 mg/L的二氧化氯，能使得污水中粪大肠菌群和总大肠菌群均少于90个/L，脊髓灰质炎病毒、沙门氏菌及志贺氏菌不可检出[23]，而新型冠状病毒属于包膜病毒，研究表明无包膜肠道病毒抗氯性强于大肠杆菌，而有包膜病毒抗氯性弱于无包膜肠道病毒[24]，且其稳定性更易失活[25]，因而冠状病毒在污水中的传播比肠道病毒要少，在实际消毒过程中只要保持稳定的消毒就可确保新冠病毒的有效灭活。考虑人工快渗系统对病原体的去除效果并不明显，相应消毒工艺、参数以及风险防控措施如表2所示。二氧化氯受水温影响较大，温度较低时应提高二氧化氯投加量。

3.2 A/O活性污泥及生物膜法

A/O(anoxic/oxic)活性污泥或生物膜工艺通常用于农村污水的脱氮处理。两种工艺的出水一般能达到各地的农村污水排放要求。活性污泥法就病原体去除效果而言优于生物膜法，尤其在厌氧阶段，有研究表明，A/O活性污泥法对大肠杆菌、军团菌和沙门氏菌均具有较好的去除效果，对大肠杆菌的去除率高达99.88%。鉴于引起重症急性呼吸综合征(SARS)的SARS冠状病毒(SARS-CoV)在污水中的抗氯能力比大肠杆菌及f2噬菌体要弱，因而大肠杆菌可作为SARS病毒灭活的指示生物[26]，而新型冠状病毒与SARS病毒同属Beta冠状病毒，新冠期间仍可将大肠杆菌作为病原微生物的指示指标。A/O工艺通常是在清水池的前端投加铁、铝盐絮凝剂强化农村污水除磷作用，一方面Fe3+对于紫外线有强烈的吸收作用，另一方面铁、铝盐易形成絮体从而加速紫外灯结垢，且A/O法出水氨氮波动较大，因而活性污泥或生物膜法最好选用二氧化氯。含氯回流液进入生化系统将影响硝化作用，因而相应的注意措施在表2中给出。

3.3 厌氧生物处理+人工湿地

在土地资源较为充足的农村地区，往往可采用厌氧生物处理+人工湿地的处理模式，厌氧生物处理作为生物预处理，依靠附着在滤料上的生物膜来净化污水，人工湿地系统的吸附吸收、沉淀、微生物氧化分解进一步强化了污染物的去除，尤其在TP的去除上起到了较为显著的作用。在这种组合工艺下，氨氮平均去除率一般在80%以上，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标准以上[27]，生物填料及人工系统中的基质对于悬浮颗粒物也有较好的去除效果，出水SS浓度往往低于10 mg/L[28]。人工湿地作为一种自然生态技术，对水体病原体微生物(包括大肠杆菌、粪大肠菌群、肠道病毒等)的去除效果明显[29]。研究表明人工湿地对各类病原体的去除率常常达到95%以上[30]，有的甚至高达99%[31]，而不同填料对病原体的去除能力也有所差异，生物炭和无烟煤两种填料的病原微生物去除率较高。人工湿地对病原体的去除效果是物理、化学、生物因素共同作用的结果[30,32]，目前证实的主要去除途径有沉积、过滤、吸附、捕食以及失活[33]。尽管诸多研究表明了人工湿地对各种病原体的去除率都很高，实际上出水中病原体的数量仍不能满足环境卫生安全标准。

考虑到厌氧生物处理+人工湿地尾水中仍含一定量的氨氮，当采用次氯酸钠消毒时，就直接关系到其投加量问题，但目前关于氨氮浓度如何影响次氯酸钠加药量机理的研究较少。非典爆发期间，通过对不同水质的原水进行投氯试验，发现无论氨氮浓度多少，5 mg/L的投氯是一个相当安全的投加剂量[34]。赵琳等[35]研究发现，当氨氮≤15 mg/L、次氯酸钠投加量≤6 mg/L时，随着氨氮浓度的升高，次氯酸钠的消毒效果有所降低，当氨氮为8 mg/L时，5 mg/L的次氯酸钠投加量效果最佳。当次氯酸钠投加量较低时，消毒是主导作用，次氯酸钠浓度达到一定值才会表现出去除氨氮作用，此时若要达到4 log的大肠杆菌去除率，需要投氯1.35 mg/L，而脊髓灰质炎病毒对氯的耐受力更强，所需的有效氯浓度为2.56 mg/L。尽管如此，污水中大肠杆菌数和脊髓灰质炎病毒数相差几个数量级，所以现场投氯剂量仍可以杀灭大肠杆菌为依据，同时研究表明氯灭活脊髓灰质炎病毒的主要机理是破坏其核酸而不是衣壳蛋白，即损坏其基因组5′-NCR内的二级结构区域[36]。因而次氯酸钠投加量可依据氨氮浓度确定，相比之下由于二氧化氯消毒不受氨氮浓度的限制而更为合适，但其对病毒类的消杀效果要弱于氯，投加量则要高于次氯酸钠。

厌氧生物处理+人工湿地处理的出水悬浮物通常在20 mg/L以下[37]，因而出水可自流经集水渠进入紫外消毒渠进行消毒，但要注意脱落生物膜对其的影响。当紫外线照射剂量在36～51 mJ/cm2范围内时，出水粪大肠菌的对数削减率为3.2 log，数量小于104MPN/L，再继续增加紫外线照射剂量，类大肠菌群灭活率增加并不明显，尾水的颗粒物粒径以及浓度成为了限制因素，尤其是粒径5 μm以上的颗粒物[38]。23.2 mJ/cm2的紫外线照射剂量就能实现99.99%的戊型肝炎病毒(HEV)的失活率[39]。不同血清型的口蹄疫病毒(FMDV)，包括O189，A132，A-Sakol以及AS1的90%灭活剂量范围为19.66～31.31 mJ/cm2[40]，20 mJ/cm2的照射剂量能杀灭细菌繁殖体，100 mJ/cm2能灭活芽孢，而病毒对紫外线敏感性介于两者之间。研究表明柯萨奇病毒、A型肝炎病毒、脊髓灰质炎病毒、杯状病毒以及轮状病毒所需要的紫外线照射剂量为14～44 mJ/cm2，冠状病毒的核酸均为单链RNA，而RNA相对于DNA更易于受到紫外线的损伤，因而在实际厌氧生物处理+人工湿地的出水消毒过程中的灭活率更有把握。目前联合紫外线+氯的消毒方式在去除效果以及减少单一加药量的实际问题上已展现出明显优势，同时还能抑制光复活现象的发生，因而可采用UV+次氯酸钠顺序的组合工艺。

3.4 MBR法

MBR(membrane bio-reactor)工艺是一种传统的活性污泥生物处理与膜过滤相结合的新型处理技术，较高的污泥浓度使得出水中的有机物和氨氮浓度较低，MBR通常采用的是超滤膜或微滤膜，孔径一般为100～400 nm，新型冠状病毒直径在60～140 nm之间，一般孔径越小对病毒的去除率越高，据报道，单一的MBR工艺的病毒削减对数为3.4～6.8 log[41]。一方面MBR法可以直接截留住病毒粒子本身以及附着在颗粒上的病毒，另一方面由于膜上形成的泥饼层的截留吸附作用[42]，使得高活性的污泥对病毒也会进行吸附捕食，其分泌物也能破坏病毒衣壳蛋白酶结构，因而快速的排泥更有利于病毒去除。膜污染也是另一个影响MBR去除病毒的重要因素，研究发现Fe3+可以高效地缓解膜孔的阻塞[43]，但Fe3+的存在将会影响紫外线灭菌效率，因而疫情期间可采用聚合氯化铝或其他多核类絮凝剂，投加量一般为20～50 mg/L[44]。MBR工艺具有明显的优势，出水稳定，浊度在0.13～0.24 NTU范围内，对氨氮的平均去除率在98%以上，出水氨氮浓度小于1 mg/L。

针对农村污水，MBR处理后的出水具有低浊度、低氨氮的特征，而消毒工艺可多样性选择。张光辉[45]发现16 mJ/cm2的UV剂量就能实现MBR出水中细菌3 log的灭活率同时灭活所有的大肠菌群和粪大肠菌群。脊髓灰质炎病毒由于其优势的理化特性常被用作模拟病毒，紫外线对其灭活满足Chick-Watson动力学模型，达到4 log灭活所需剂量为25 mJ/cm2[46]，但污水中病毒含量通常在0～80 PFU/L，含量远低于人工模拟中采用的病毒剂量，且新型冠状病毒对紫外线尤为敏感，因而相应的实际照射剂量并不需要这么高，具体参数如表2所示。MBR出水病原微生物数量通常在3个数量级内，后续可不需再投氯，但MBR尾水直接排放在太阳光下会有明显的光活化现象，研究表明，若出水间隔时间大于120 min，一些病原微生物甚至会完全失去这种光修复能力[45]。

选择氯化消毒时，研究表明经过MBR处理后的出水能够有效减少次氯酸钠的使用量，投氯量为1.0 mg/L、消毒1.5 min以上，则细菌削减对数趋于稳定，粪大肠菌群及肠道病毒低于检测限。王科理等[47]通过探究消毒时间和消毒剂浓度对灭活效果的影响得出：有效氯2.0 mg/L在消毒0.5 min后就能使得类大肠杆菌不被检出；0.8 mg/L的有效氯在接触时间达到60 min时，也能保证类大肠杆菌低于检测限。这也表明，农村污水经过MBR工艺处理后的出水只需要较少量的次氯酸钠或者非常短的接触时间就能达到较好的病原体去除效率，这种工艺在一定程度上降低了运行费用。在实际运行中，MBR出水中投加1.76 mg/L有效氯就能达到较好的消毒效果[48]。冯晓翔[49]在分析研究二氧化氯对MBR工艺处理后的出水的消毒效果发现，保持二氧化氯浓度为4 mg/L，可在消毒20 min后使出水粪大肠菌群数降至零。对应的次氯酸钠和二氧化氯投加量也如表2所示。