污水厂出水消毒的现状:基于自然水体微生态协调的消毒方式建议

2019-11-19 17:11:46     来源:张显忠,戴晓虎净水技术

现行标准要求下,环保部门对污水处理厂排放的微生物指标要求较高。为了保证出水达标,污水处理厂普遍采用消毒方式进行处置。但是,部分消毒剂跟随出水进入水体,对自然水体的微生态造成了破坏,并不利于水环境质量的提升。本文结合上海城建设计研究总院/上海雨洪工程研究中心张显忠常务副主任的工程经验和同济大学环境学院戴晓虎院长的研究成果,对如何平衡水厂出水达标和水生态之间的问题进行分析和思考。


城镇污水处理排放中,为了防止病原微生物对人畜健康及生态环境带来危害,往往会对出水进行消毒处理,以减少废水中的病原微生物数量。目前,废水中的病原微生物主要以(粪)大肠菌群数为标志来评价。大肠菌群一般指与粪便污染有关的肠杆菌科细菌,包括大肠埃希氏菌(俗称“大肠杆菌”)、沙门氏菌、阴沟肠杆菌及产气克雷伯氏菌等,它们绝大多数为致病菌或条件致病菌,若其在生活用水中含量较高,则可能造成伤口感染、食物中毒等危害,对于体弱者、免疫缺陷者等特殊人群,还会引起一些严重的并发症。


我国规定的城镇污水处理厂一级A排放标准对大肠菌群数限值为103个/L,一级B和二级排放标准限值为104个/L,三级标准则对其不作限值要求。然而,德国、芬兰、瑞典、丹麦等欧洲国家对出水中的大肠菌群数并不作统一限制,在不同区域实行不同标准,而且部分区域还禁止对出水进行消毒。


针对新一轮污水提标改造,如何处理未被消除的大肠菌群与环境及人畜健康之间的矛盾,我国标准规范针对大肠杆菌等消毒指标是否可以调整,本文对此进行探讨。


污水厂出水消毒的现状


目前城镇污水处理厂多采用以下方式进行出水消毒。


(1)紫外线


采用UV-C波段的紫外线对水体进行过流照射,可使水体中大部分微生物的核酸遭到不可逆破坏、酶变性或钝化,从而达到杀菌目的。此种方法简便快捷,无需额外投加药剂,但其杀菌效果受出水流速、出水浊度等因素影响较大。


(2)液氯


氯溶于水后可生成具有强氧化性的次氯酸,对病原微生物的杀灭作用较直接,但与其他消毒措施在同等浓度下相比,效果欠佳,尤其是对寄生虫孢子的杀灭作用不甚理想。且液氯具有较大的毒性与腐蚀性,不便于运输及管理等。


(3)臭氧


臭氧也是一种强氧化剂,其氧化性强大程度、杀菌效果及杀菌广谱性远超常见消毒剂,对病原微生物的杀灭作用是其他各种消毒剂的数百倍。但目前其制备效率不甚高,且能耗较大。


(4)其他方法及效果评价


除了上述方法外,还有二氧化氯、次氯酸钠、光催化等消毒方法。这些众多的方法各有优缺点,在不少废水处理厂也取得了良好的应用效果,但根据污水厂出水消毒指标普查来看,总体效果仍欠佳。


有害菌群自我消亡机制


大肠菌群本身难以在自然水体中成为优势菌种甚至难以存活,本身对自然水体的影响有限,主要是由于以下原因。


(1)环境胁迫


大肠菌群的主要来源为人畜粪物,其原有的生活环境为人畜消化道。但大肠菌群到了自然水体中,各种环境因素与原有生活环境及污水处理厂的设施环境相差甚远,大肠菌群的繁殖会受到抑制;即使有一些菌株在环境压力下得以生存,也难以在环境中形成优势菌群,其主要原因在于“净菌力”的压制。另一方面,从微生态学的角度,大肠菌群的大量繁殖及形成优势菌群需要依赖宿主即人畜消化道所分泌的一些特殊物质,而在自然水体中,此条件也是极难满足的。


(2)净菌压制


某种微生物与其他微生物之间可能存在拮抗抑制作用,但目前对其的了解程度还不高。比嘉照夫提出的“净菌力”用于描述有益微生物对病原微生物的抑制能力并衡量其强弱,大肠菌群被排入自然水体后,其会遭到来自环境微生物的净菌力的抑制,其机制主要有以下几种。


①占位与营养竞争


环境中固有的或人工接种的有益微生物群大量繁殖,尽占水体中的微生物可附着场所,如水草、石碑、底泥等,使包括大肠菌群的有害菌群无立足之地,从而无法繁殖,最终因饥饿自溶。


②直接触杀


某些芽孢杆菌属的细菌可以使接触到自身的某些其他细菌裂解,其原因在于有害菌群给予其刺激而使其释放溶菌物质。蛭弧菌属的细菌有类似噬菌体的作用,但其对宿主菌体的特异性不明显,能够寄生并裂解绝大多数有害微生物,对大肠埃希氏菌、沙门氏菌等的消灭作用尤为显著。除此之外,很多原、后生动物即草履虫、轮虫、水虱等可直接摄食有害微生物。


③化感作用


化感作用是指不同种的植物或微生物之间的抑制作用,俗称“相生相克”,其机制主要在于有益微生物所产生的一些抑菌代谢产物,这些产物包括有机酸、细菌素(抗生素)等。例如乳杆菌属的细菌能够产生乳酸、乳酸菌素、过氧化氢等产物;枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等能够产生杆菌肽、多黏菌素等产物,对底泥等环境中的有害微生物具有抑制作用。


(3)转归被食


除了原、后生动物外,螺蛳、河蚌、河蚬、水蚯蚓等底栖动物也可摄食、滤食包括大肠菌群在内的有害菌群,从而使其在环境中的数量大为减少。


出水消毒的负面影响


为满足污水厂消毒指标限值要求,现有消毒方式存在一定的弊端,具体原因如下。


(1)能耗较大,资源浪费


大中型污水处理厂采用氯、紫外线或臭氧等进行出水消毒所使用的设备能耗高达几十甚至几百千瓦,电能消耗较大,且以上设备使用寿命普遍不长,若废弃设备得不到合理处置,则还可能造成以重金属污染为主的二次污染。

污水厂出水消毒的现状:基于自然水体微生态协调的消毒方式建议

图源网络

(2)次生产物,致癌后患


投加消毒剂进行消毒可能会产生一些有害的、难降解的次生产物或一些危害不明显但环境友好性不明确的物质,通称“消毒副产物”。如使用液氯消毒可能产生卤代烃、卤代呋喃;使用臭氧消毒可能产生溴酸盐等。除此之外,还有很多可能产生的、具有潜在或直接危害的消毒副产物,目前已报道有600多种。


(3)看似卫生,实则不然


污水中以大肠菌群为代表的病原微生物大多与自然水体的兼容性欠佳,当其进入自然水体后会自然地消亡。一般情况下,市政供水的取水点与废水处理厂的排放点相距甚远,且自来水厂亦会对出厂水进行可靠的消毒,故污水厂出水执行严格消毒的必要性存在争议。


(4)有益菌群,同归于尽


污水中除了大肠菌群外,还有占更大比例的众多的环境友好性极佳的微生物群,如动胶菌属、短杆菌属、芽孢杆菌属、红螺菌属、红假单胞菌属、红球菌属及一些原、后生动物等具有净水功能且功能较为强大的微生物。在出水消毒过程中,为了杀灭大肠菌群却误杀了众多的有益微生物,与当前自然水体的微生态失调、生态系统失衡继而自净力下降的现状息息相关。换言之,消毒越彻底,可能局部水体生态系统越差。


基于自然水体微生态协调的消毒方式建议


综上所述,目前污水处理厂消毒时同步破坏了微生态平衡,又增加了污水厂建设与运行成本,对城镇污水处理厂出水消毒的做法需要进一步探讨。从微生态学的角度来说,最好的做法是采取能够促进有益菌群而抑制大肠菌群及其他有害菌群的措施,具体有以下方法。


(1)增加曝气面积


能够吞食有害菌群的原、后生动物及能够寄生于有害菌群的蛭弧菌属细菌皆为专性好氧型微生物,具有高净菌力的芽孢杆菌属细菌在好氧环境下繁殖旺盛;增加曝气面积可直接增加以上微生物的量,尤其是能够直接吞食大肠菌群及其他有害菌群的原生动物。例如小囗钟虫和梨形四膜虫可有效降低大肠埃希氏菌的数量,当这两种纤毛虫存在时,污水中大肠埃希氏菌的减少量达95%,且某些纤毛虫和鞭毛虫代谢产物还能促进有益菌群生长。


(2)投加微生态制剂


向污水处理厂进水处或主体设施如水解酸化池、生物反应池等处投加具有高净菌力的发酵合成型复合微生态制剂如典型的EM(有效微生物群)制剂,可显著减少出水中的大肠菌群及其他有害菌群的数量,且能够降低出水CODCr、氨氮、减少污泥产生量,并消除恶臭等,对污水处理厂的提标也有很大帮助。更可贵的是,EM制剂或其他具有高净菌力的发酵合成型微生态制剂是具有显著环境友好性的有益菌群的强大集合,它们随出水排放至自然水体中,对自然水体的自净力恢复也有显著的促进作用。


(3)采用选择性杀菌措施


在出水处设置电气石滤料或强磁水处理器,可对出水中的大肠菌群等有害菌群起到选择性的杀伤作用,而对绝大多数有益菌群是安全的。这种做法对恢复环境微生态平衡有很大的积极作用。


(4)强化深度处理


在污水处理过程中,水中的致病微生物大多数粘附在悬浮颗粒上,因此,如混凝、沉淀和过滤一类的过程也可去除相当部分的致病微生物。


(5)加强生态建设


加强生态建设在于恢复自然水体的自净力,与此同时也恢复其生物多样性,让大肠菌群等有害菌群能够更快地自然消亡,从而减小对人畜的危害。


结论与建议


随着“厂网河湖”一体化的推进,配套的污水处理厂规模和数量会逐步增加,统筹污水收集管网、泵站、污水处理厂等设施建设、运行,连同污水处理设施服务范围内的河、湖等地表水体的运维、调度等相关工作,使“厂网河湖”形成良性循环的运行系统,以再生水补充河道,构建成人、水和谐相处的城市生态“海绵体”。


总之,城镇污水厂消毒问题是个很重要的话题,可通过充分科学研究与全国区域调查,下一步进行分区域与分季节标准制定。充分考虑城镇污水厂节能降耗和消毒的科学性,可对排入全身接触、公共游泳区域、非全身接触等分不同区域与不同季节考核消毒标准,配套有合流制溢流或雨水净化设施,可制定相对弹性的净化标准及消毒指标。


作者介绍


张显忠,上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司/上海城市雨洪管理工程技术研究中心常务副主任,同济大学在读博士。长期从事污水处理、水环境治理、海绵城市及雨洪管理设计与研究领域。曾获2017年度上海土木工程科技英才奖、2018年度上海水务局首届青年才俊奖、“第一届上海市水务海洋青年拔尖人才”称号、“水业杰出青年”称号等多项荣誉。完成工程设计百余项,重要课题20余项,参编专著2项,负责规范、导则编制与审查7项,发表论文20余篇。以第一发明人获授权专利70余项,荣获优秀专利及论文奖7项、省部级科技进步奖5项、相关协会奖项20余项。兼任住建部环保督察专家、长江环保集团专家、上海科委专家库专家、同济大学海绵城市与河道治理培训专家等。


戴晓虎,男,同济大学环境科学与工程学院院长、城市污染控制国家工程研究中心主任、“十二五”863计划资源环境领域专家、污染控制主题专家组组长、住建部国家重大水专项“城市水污染控制”和“饮用水安全保障”主题咨询专家委员会委员、国家重大水专项滇池流域专家组副组长、中国土木工程学会水工业分会排水委员会第五届委员会委员、《净水技术》杂志编委员会副主任委员。在环境工程、污染控制、固体废弃物资源化、节能减排等领域做出了诸多开创性成果。


随着我国水环境治理的目标逐渐从消黑除劣向水功能恢复转变,水生态自净功能和生物多样性问题逐渐成为了水环境治理方面的重点。但是在现行指标考核的要求下,污水厂通过消毒控制出水微生物指标的做法,无益于水生态功能的恢复,该观点在近年来各大学术交流场合均被反复提及,值得我们重视。从根源上,我们需要考虑如何通过完善考核指标体系来实现正确的引导;另一方面,也需要通过技术手段,实现对污水厂出水微生物的控制目标。


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