再生水技术研究

再生水技术研究

1 引言(Introduction)

目前, 我国的水资源现状不容乐观, 供需矛盾日益加剧.污水再生利用成本低, 见效快, 亦可减轻水体污染, 是缓解我国水资源短缺问题的有效途径.再生水的输送和储存是再生水利用过程的必要环节, 也是影响用户端再生水水质的重要环节.与传统水源相比, 再生水中所含微生物的种类和数量均较多, 对再生水进行氯消毒是保障再生水水质安全的重要手段.

然而, 有研究表明, 再生水经消毒后, 杀灭了大多数的微生物, 但并不能杜绝微生物的再次生长 .有机物是再生水中微生物生长的重要条件.研究者们引入生物稳定性的概念, 用以评价水中的营养物质所能支持异养微生物(主要是异养细菌)生长的最大可能性, 即水中异养细菌的最大生长潜力 .近年来, 氯消毒对饮用水生物稳定性的影响研究受到了较多关注, 而氯消毒对再生水生物稳定性的影响研究还有待开展.

本研究以可同化有机碳(AOC)作为生物稳定性的评价指标, 系统研究再生水在氯消毒过程中AOC的变化规律及其影响因素, 揭示AOC变化与氯消耗、水质变化的关系, 为优化污水再生工艺、保障再生水供水水质生物安全提供依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 水样及水质测定方法

实验用水样分别取自北京XJH污水处理厂二级处理工艺(缺氧-厌氧-好氧生物处理, anaerobic-anoxic-oxic, A2O)出水, QH污水处理厂深度处理工艺(超滤)出水, BXH污水处理厂二级处理工艺(膜生物反

应器, membrane bioreactor, MBR)出水和BXH污水处理厂深度处理

工艺(臭氧)出水.

水样储存在4 ℃冰箱并于24 h内测定水质指标, 随后进行消毒实验.本研究中考察的水样水质情况见表 1.

表 1 实验用水样的水质

2.2 氯消毒试验

氯消毒剂采用分析纯次氯酸钠(质量浓度不少于5%)溶液.测定有效氯含量后装在锡箔纸包裹的棕色容量瓶中4 ℃下储存待用.脱氯剂采用亚硫酸钠溶液.将水样置于500 mL锡箔纸包裹避光的蓝盖丝口试剂瓶中, 加氯后按事先确定的取样时间取样, 并立即测定总氯(胡洪营等, 2015) .

测定完总氯后, 取出100 mL消毒后水样用配置好的亚硫酸钠溶液中和余氯, 置于100 mL蓝盖丝口试剂瓶中, 放入4 ℃冰箱保存.经0.22 μm亲水性尼龙微滤孔膜过滤后消毒的水样脱氯后可直接用于AOC及其他水质指标的测定, 未经过滤直接进行消毒实验的水样, 需在脱氯后再用0.22 μm亲水性尼龙微滤孔膜过滤, 然后进行AOC及其他水质指标的测定.

2.3 水质常规指标测定方法

TOC由燃烧氧化非色散红外线吸收法测定, 采用仪器为TOC-VCPH型总有机碳分析仪, 日本岛津公司出品.

NH3-N浓度测定采用纳氏试剂比色法, 仪器为HI96715型氨氮浓度测定仪, 哈纳公司出品.

UV254测定采用紫外分光光度法, 仪器为UV-2401PC型紫外-可见分光光度计, 日本岛津公司出品.

氯浓度测定采用 EPA 330.5 DPD试剂法, 所用仪器为HI93711游离氯-总氯浓度测定仪, 哈纳公司出品.

2.4 生物稳定性评价方法及AOC的测定

选用AOC 作为再生水生物稳定性的评价指标.AOC指的是水中容易被异养细菌利用于合成细胞体, 形成自身繁殖生长的有机物, 其本质上是水中所有影响微生物生长与代谢的因素的综合评价指标.

本研究采用Zhao等建立的再生水AOC测定方法进行测定.AOC测试菌种为(Stenotrophomonas sp. ZJ2, Pseudomonas sp. G3, Enterobacter sp. G6), 采取混合接种的方法, 设置2个平行样品, 置于25 ℃条件下恒温培养3 d.

表 2 AOC测定中各测试菌种的空白对照细菌浓度及产率系数

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 再生水消毒过程中氯消耗特性

测定5种水样在消毒过程(30 min)中的余氯衰减曲线, 初始投加量为15 mg·L-1, 具体如图 1所示.可以发现, 5 min时余氯衰减均较为显著.但不同水样余氯衰减速率有所不同, 对照已测定的水质指标可以发现, 除O3出水外, 其他水样呈现出TOC越高, 余氯衰减速率越大的趋势.

图 1 不同水样在氯消毒过程中的余氯衰减曲线

对上述水样在氯消毒过程中0~5 min、5~10 min、10~20 min、20~30 min氯的消耗速率进行定量分析, 如表 3所示.可以发现5 min为氯消耗最快的阶段, 因此定义5 min为快速氯消耗阶段.该阶段内消耗的氯浓度可能与消毒后水质的变化有着较大的关系, 将在本文后续

章节中进一步探讨.

表 3 不同水样在氯消毒过程不同阶段中的氯消耗速率

3.2 氯消毒过程中水质变化特征

水样XJH-1经3、5 mg·L-1氯消毒, 水样中的TOC含量随时间变化如图 2所示.考虑到仪器测量误差, 可认为水样的TOC浓度随消毒时间几乎没有任何变化.因此, 氯消毒对再生水总有机物的含量基本没有影响, 说明氯氧化只是改变了有机物的化学性质.

图 2 氯消毒后水样TOC浓度随时间的变化(水样XJH-1)

UV254反映了水样中含有双键及苯环等结构的有机物含量(Musikavong et al., 2007) .不同再生水水样在同一氯投加量下(15 mg·L-1)氯消毒过程中UV254随消毒时间的变化趋势如图 3所示.由图可以发现, 虽然各水样消毒前的初始UV254不同, 但具有类似的

变化趋势, 即加氯后5 min, 紫外吸光度变化最明显, 5 min以后, 紫外吸光度没有显著变化.

图 3 不同水样氯消毒过程中UV254的变化

为了进一步考察消毒过程中再生水物质组成的变化, 本研究还考察了消毒对再生水三维荧光光谱特性的影响.三维荧光光谱是测定不同激发波长(Ex)和发射波长(Em)下水样的荧光强度(FI), 也称作激发-发射矩阵, 根据Chen等(2003) 的区域荧光强度积分理论, 三维荧光光谱可分为5个区(I~V), 分别代表酪氨酸类蛋白质、色氨酸类蛋白质、富里酸类腐殖质、芳香族蛋白质和腐殖酸类腐殖质.

以水样XJH-1在消毒过程中的三维荧光图谱(图 4) 为例, 可以发现经过氯消毒处理后, 荧光光谱上各区域的荧光强度都有所降低, 表明氯氧化对含苯环的结构有机物有普遍的去除作用.对比原水、加氯5 min、加氯10 min、加氯30 min的荧光光谱, 发现加氯后5 min, 荧光强度变化最明显.5 min以后, 荧光强度逐渐减弱, 但减弱幅度很小.