受水源地上游和周邊工農(nóng)業(yè)、洪澇等災害的影響,水源污染時有發(fā)生,2004年—2013年全國突發(fā)性水污染事件119起,其中微生物污染事件56起,檢出的致病菌包括致病性大腸菌群、致瀉大腸菌群、產(chǎn)毒性大腸埃希氏菌、沙門氏菌、志賀菌、諾如病毒等。我國多地飲用水地表水源仍存在一定程度的微生物污染,2003年—2018年廣東省某市水源水中糞大腸菌群合格率為27%(106/392);2010年12月—2011年10月,武漢市長江和漢江水源水中輪狀病毒A組、人類腺病毒和人類腺病毒亞組均呈陽性(24/24),46%(11/24)樣本中發(fā)現(xiàn)腸道病毒;杭州市區(qū)5大水源均有不同程度的微生物污染。水源離城市越近、人類活動越頻繁,水源受微生物污染越嚴重、微生物群落結(jié)構越復雜、微生物含量越高、致病菌越多、微生物安全性越低。

病原微生物進入人體后可以借助人體宿主迅速繁殖,飲入經(jīng)病原微生物污染的水后將存在健康風險,因此,飲用水中不允許存在任何病原微生物,供水系統(tǒng)必須保證消除水中病原微生物污染,防止水系傳染病。水質(zhì)標準中,微生物指標是衡量水質(zhì)是否安全的首要指標,中國、WHO、美國、歐盟飲用水標準中微生物指標的要求如表1所示。美國的飲用水標準中微生物指標最多,其次是中國,另外美國還把渾濁度列在微生物指標中,表明其對渾濁度作為微生物載體屬性的重視。渾濁度由懸浮的化學和生物顆粒構成,可以指示病原微生物的存在,是供水系統(tǒng)發(fā)生不安全事件的有效指標?？刂茰啙岫葘ΡＷC飲用水安全具有重要意義,渾濁度升高的事件與幾次疾病暴發(fā)有關,但是尚未證明去除渾濁度和去除病原微生物之間存在直接的比例關系。

表1 中國、WHO、美國、歐盟飲用水標準中微生物指標

注:*表示每月樣品中總大腸菌群檢出率不超過5%;若總大腸菌群檢出,則必須檢測糞大腸菌群且不得檢出;**表示EPA認為如果賈第蟲和病毒被滅活,軍團菌也會被控制。

水廠采用氯化消毒控制水中病原微生物效果顯著,然而氯與水中天然有機或者無機物反應會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物,具有致畸性或致癌性。隨著人們對飲用水質(zhì)量的要求提高,我國標準對消毒副產(chǎn)物的規(guī)定也更加嚴格。相對2006年版,新發(fā)布的《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2022)將一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷等指標由非常規(guī)指標轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)指標,對水廠消毒副產(chǎn)物控制要求更加嚴格。此外,深圳、海南等地的地方標準,對消毒副產(chǎn)物限值要求比國標更嚴格,標準的提高對強化消毒工藝合理選擇與運行優(yōu)化提出了更高要求。

我國絕大多數(shù)地表水廠采用“混凝-沉淀-過濾-氯消毒”的第一代凈水工藝,即常規(guī)處理工藝,能有效控制飲用水中細菌、病毒等生物安全性問題。常規(guī)處理工藝是凈水核心工藝,為提高常規(guī)處理工藝的凈水效果,可在混凝、沉淀、消毒這3個子環(huán)節(jié)采取強化措施。保證微生物滅活效果和控制消毒副產(chǎn)物是消毒工藝的兩大目標,而往往通過增加消毒劑量在保證消毒效果的同時會導致消毒副產(chǎn)物增加,因此,為同時實現(xiàn)消毒的兩大目標,消毒環(huán)節(jié)的強化常采用紫外-氯組合消毒、多點加氯優(yōu)化氯消毒等措施,可減少氯化消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。原水病原微生物含量較高時,采用紫外-氯組合消毒,可以減少氯消毒劑的投加量,增強對不同病原微生物的滅活效果,降低消毒副產(chǎn)物生成量。

第二代凈水工藝在第一代的基礎上增加了“臭氧-活性炭”深度處理工藝,能有效去除水中有機污染物和控制氯化消毒副產(chǎn)物,提高供水水質(zhì)。為保證優(yōu)質(zhì)供水,越來越多水廠采用“臭氧-活性炭”或“炭砂濾池”深度處理工藝,可提升水處理工藝對有機物、氨氮、嗅味、藻類及衍生產(chǎn)物等污染物的去除效能。

第三代凈水工藝是以膜工藝為代表的凈水工藝,能解決以細菌、病毒、兩蟲為代表的新的生物安全性問題。隨著對飲用水要求的提高以及膜成本的降低,膜工藝的使用在增加,典型工藝流程為“常規(guī)處理+超濾”“常規(guī)處理+臭氧-活性炭+超濾”,還有少數(shù)水廠采用“常規(guī)處理+超濾+納濾”的雙膜法工藝。超濾膜可以有效截留水中的細菌、病毒、原生動物等,出水渾濁度低,出水微生物安全性高。

另外,很多水廠建設了預處理工藝以應對水源微污染。

綜上,水廠工藝可歸納為以下3類:①常規(guī)處理;②預處理+常規(guī)處理;③預處理+常規(guī)處理+深度處理。工藝流程主要包括以下幾種:①混凝-沉淀-砂濾-氯消毒;②預氧化-混凝-沉淀-砂濾-氯消毒;③預臭氧-混凝-沉淀-砂濾-臭氧接觸池-活性炭池-氯消毒;④預氧化-混凝-沉淀-砂濾-超濾-氯消毒。

水廠水處理工藝對微生物的削減一般通過物理分離和滅活完成,不同水處理工藝對微生物的去除效果如表2所示,細菌和病毒一般可通過常規(guī)處理工藝去除,而病原原生動物對常規(guī)消毒劑抵抗能力更強,需要紫外、臭氧、超濾才能實現(xiàn)更高的去除率。

表2 各類工藝對各類微生物的去除

注:表中所列為大致去除效果,效果還與水中其他物質(zhì)、溫度、pH以及具體微生物種類等有關;CT值為消毒劑剩余質(zhì)量濃度與接觸時間的乘積。

常規(guī)處理的“混凝-沉淀-過濾”工藝通過物理分離去除病原微生物,微生物在水中往往不是獨立存在,而是附著在有機或懸浮顆粒上,黏附在顆粒物上的微生物對消毒劑具有很強的抵抗性,實踐中通過出水渾濁度評估其處理效果,降低渾濁度可削減水中病原微生物,同時提高消毒劑消毒效率。美國環(huán)保局資料表明,采用“混凝-沉淀-過濾”工藝濾后水渾濁度低于0.3 NTU時,病毒的去除率為2log(即99%),隱孢子蟲去除率為3log(即99.9%)。特殊時期可以通過強化混凝、沉淀、過濾實現(xiàn)更低的出水渾濁度,從而實現(xiàn)更好的病原微生物去除效果。

消毒是殺滅病原微生物的重要環(huán)節(jié),水溫是影響消毒效果的重要因素,常規(guī)氯系消毒可去除細菌和病毒,但是對隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲滅活能力很差。病毒對消毒劑的抵抗力普遍強于細菌,實現(xiàn)2log病毒滅活率需要的游離氯消毒的CT值為2～30 mg/(L·min),我國現(xiàn)行標準規(guī)定的游離氯CT值不低于9 mg/(L·min)。二氧化氯消毒對細菌和病毒去除效果與氯消毒相當,但其能有效去除賈第鞭毛蟲。水廠采用的紫外消毒對大多數(shù)細菌、病毒、原生動物都具有良好的滅活效果。

預氧化對病原微生物有一定的滅活效果,但是顆粒物的存在會大大降低微生物滅活效率,而增加預氧化劑用量會導致一些問題,如高錳酸鉀投加過量可能導致出水紅色,氯作為預氧化劑會迅速形成消毒副產(chǎn)物。

“臭氧-活性炭”工藝中臭氧氧化可滅活細菌、病毒、隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲等,臭氧作為強氧化劑,能夠直接作用于細菌的細胞壁,有極強的消毒效果,在同時達到2log的脊髓灰質(zhì)炎病毒、輪狀病毒滅活率下,氯消毒所需的CT值是臭氧消毒的10倍以上;對于賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲,CT值甚至相差近100倍;而對于大腸埃希氏菌,二者相差不大,臭氧所需CT值略低于氯消毒。

膜工藝主要通過尺寸排阻去除病原微生物,可實現(xiàn)出水渾濁度低于0.1 NTU。微濾可去除原生動物和大多數(shù)細菌,超濾可去除原生動物、絕大多數(shù)細菌和大多數(shù)病毒,納濾可去除原生動物、細菌和絕大多數(shù)病毒,具體去除效果取決于膜孔徑。但是膜工藝并沒有殺滅病原微生物,僅是物理分離,因此,濃水應該消毒后排放。

提高微生物去除效果常增加消毒CT值,從而導致增加消毒副產(chǎn)物生成量,消毒副產(chǎn)物的生成受水源水質(zhì)、凈水工藝、消毒方法等條件的影響。消毒副產(chǎn)物的控制大致可分為前體物源頭去除、副產(chǎn)物生成抑制、生成后去除。其中,前體物源頭去除是在消毒劑投加前通過預處理、強化常規(guī)處理、深度處理等水處理工藝削減消毒副產(chǎn)物前體物的濃度,如采用粉末活性炭吸附、預氧化、“臭氧-活性炭”深度處理、超濾膜工藝等;副產(chǎn)物生成抑制是通過改變或優(yōu)化消毒等方式減少消毒副產(chǎn)物的生成或改變生成種類,常用改變消毒劑、多點加氯、組合消毒方式;副產(chǎn)物生成后去除是通過采用物理或化學方法去除已生成的副產(chǎn)物,通常在飲用水用戶端進行。

高錳酸鉀、臭氧、二氧化氯等化學預氧化工藝在一定條件下可削減消毒副產(chǎn)物前體物,從而減少后續(xù)消毒的消毒副產(chǎn)物生成。但是,由于水中消毒副產(chǎn)物前體物種類繁多,預氧化劑的劑量、原水水質(zhì)特征等均會產(chǎn)生影響,關于預氧化對消毒副產(chǎn)物的控制效果很難有統(tǒng)一的結(jié)論。

活性炭吸附具有很好的溶解性有機物去除效果,即能吸附去除消毒副產(chǎn)物前體物,從而控制消毒副產(chǎn)物的生成,研究表明,活性炭吸附具有很好的三鹵甲烷類物質(zhì)控制效果。臭氧-活性炭工藝對大分子和小分子有機物去除效果都很好,能明顯降低三氯甲烷的生成,但是活性炭池產(chǎn)生的可溶性微生物產(chǎn)物和脫落的生物膜也是消毒副產(chǎn)物前體物的來源,應通過后設砂濾池等措施避免其進入后續(xù)消毒環(huán)節(jié)。

超濾膜工藝對有機物的去除效果與膜孔徑有關,可有效去除相對分子質(zhì)量較高的有機物,但對相對分子質(zhì)量較小的有機物去除效果較差,能減少部分氯代消毒副產(chǎn)物的生成。

關于消毒方式,液氯和次氯酸鈉消毒會生成較多的三鹵甲烷和鹵乙酸,而采用二氧化氯、氯胺消毒、臭氧消毒其生成量會大大降低。但氯胺消毒能力較差,二氧化氯消毒通常會產(chǎn)生氯酸鹽和亞氯酸鹽,臭氧消毒可能生成溴酸鹽且不能在管網(wǎng)中產(chǎn)生持續(xù)消毒效果,每種常見消毒劑一般都會生成一些特定的消毒副產(chǎn)物。一些水廠采用臭氧-氯、氯-二氧化氯、紫外-氯等組合消毒方式減少消毒副產(chǎn)物的生成。相較于尋求一種不生成消毒副產(chǎn)物的消毒劑,通過優(yōu)化消毒方式降低消毒副產(chǎn)物的生成是一種有效途徑,通過多點加氯優(yōu)化、加氯量精準控制,可減少氯消毒劑的總投加量,避免單點高濃度投加,從而減少消毒副產(chǎn)物生成量。

應對水源病原微生物污染主要通過強化消毒,包括增加前置預氧化和加強主消毒滅活微生物,即增加消毒劑投加量和保持更長的消毒接觸時間。強化消毒會增加消毒副產(chǎn)物生成量,水廠如何同時保證病原微生物和消毒副產(chǎn)物滿足水質(zhì)安全要求是重要課題。另外,控制渾濁度也是應對病原微生物污染的有效方法,降低渾濁度時去除了水中部分病原微生物,同時也能提高消毒劑消毒效率。

在水源受到病原微生物污染時,如地震、洪澇、流行病疫情時,水中有機物、氨氮、渾濁度可能也會升高,影響消毒滅活微生物效果。氨氮會迅速消耗氯生成消毒能力較差的氯胺;有機物也會消耗消毒劑,同時有機物與消毒劑反應還可能生成消毒副產(chǎn)物;渾濁度的存在會增強微生物對消毒劑的抵抗性。因此,在發(fā)生水源病原微生物污染時,水處理工藝要同時考慮氨氮、有機物、渾濁度等的去除。

水廠常規(guī)工藝對溶解性有機物處理效果有限,最有效的應急方法是投加粉末活性炭吸附去除有機物,最佳投加位置為取水口。另外,增加混凝劑投加量、投加助凝劑等強化混凝方式也能增加有機物的去除量。

目前常規(guī)水處理工藝不能有效去除氨氮,水源水氨氮較高的水廠一般建有生物預處理工藝或“臭氧-活性炭”深度處理工藝,能有效去除氨氮。水廠未建設該類工藝時,尚缺乏有效應急去除氨氮的技術,水廠只能采用折點加氯法增加氯的投加量,將氨氮氧化去除,必要時降低產(chǎn)水量以提高消毒劑濃度。

常規(guī)工藝可通過強化混凝、沉淀、過濾工藝實現(xiàn)更低的渾濁度,強化混凝沉淀可采用增加混凝劑投加量、投加助凝劑,有需要時還可降低沉淀池負荷,強化過濾可通過濾前水投加助凝劑、及時反沖洗。病原微生物污染期間,應停止濾后水回用。

應急供水需針對水源水質(zhì)特征,分析污染物去除的效果,結(jié)合水廠已有工藝,尋求在水源突發(fā)病原微生物污染時保證供水安全的有效措施。

水源突發(fā)病原細菌和病毒類微生物污染時,有效處理措施為強化消毒,但是首先需檢測水源水中微生物指標和主要水質(zhì)指標,若水源水有機物、渾濁度未大幅升高,可通過增加混凝劑和助凝劑用量加強混凝效果,提高常規(guī)處理工藝對天然有機物和渾濁度的去除效果,最大限度減少消毒副產(chǎn)物前體物。部分水廠設有預氧化工藝,采用主消毒工藝使用的消毒劑,即次氯酸鈉或二氧化氯。消毒工藝適度增加氯消毒劑投加量,有條件時可在混凝前、沉淀后、濾后、出廠水多點加氯消毒,通過總余氯反饋控制加氯量?；炷凹勇认靖碑a(chǎn)物生成量較大,在保證病原微生物去除的前提下應盡量減少混凝前加氯量。

部分水廠設有粉末活性炭投加工藝和高錳酸鉀氧化工藝,有一定的水源突發(fā)污染應對能力。水源受到病原細菌和病毒類污染時,若水源水有機物濃度未大幅升高,可啟用高錳酸鉀投加系統(tǒng),投加量可為0.5～1 mg/L,氧化去除部分有機物,同時強化混凝效果進一步降低出水有機物濃度,可降低后續(xù)消毒副產(chǎn)物生成量。高錳酸鉀氧化也有一定的病原微生物滅活效果,后續(xù)消毒工藝適度增加消毒劑投加量保證病原微生物滅活效果,有條件時可在沉淀后、濾后、出廠水多點加氯。

若水源水中有機物濃度大幅升高,建議以下兩點措施。①啟用粉末活性炭投加系統(tǒng),在取水口應急投加粉末活性炭,吸附有機物及消毒副產(chǎn)物前體物,再通過強化混凝沉淀從水中分離粉末活性炭。粉末活性炭可以消耗氯消毒劑,因此,經(jīng)混凝沉淀去除粉末活性炭后再在沉淀后、濾后、出廠水多點加氯。粉末活性炭的投加量根據(jù)水源水有機物濃度確定,應急處理時可高達80 mg/L,若不能在取水口投加粉末活性炭時,可在水廠混合池投加粉末活性炭,吸附時間會變短,需適當增加粉末活性炭投加量,或降低生產(chǎn)負荷,延長吸附時間。②同時啟用高錳酸鉀和粉末活性炭投加系統(tǒng),取水口投加高錳酸鉀、混凝前投加粉末活性炭,兩者聯(lián)用比單獨應用對有機物的去除效果更好。采取措施保證有機物的去除后,后續(xù)再強化消毒去除病原微生物,避免消毒副產(chǎn)物超標。

若水源水中氨氮濃度也較高時,需要使用折點加氯工藝,增加投氯量把氨氮氧化去除,對氯的投加濃度要求很高,氨氮濃度高時需降低產(chǎn)水量以達到需要的氯消毒劑濃度。

水源受到病原原生動物污染時,常規(guī)的氯消毒不能有效滅活兩蟲,而有效的方法如臭氧、紫外、膜在水廠應急事件中也難以采用。“混凝-沉淀-過濾”工藝正常運行能保證兩蟲的去除,對于常規(guī)工藝,應保證混凝、沉淀、過濾工藝穩(wěn)定良好運行,可通過提高混凝劑用量、改善混凝反應條件降低沉淀出水渾濁度,采用濾前投加助濾劑、必要時降低濾池濾速等措施,控制濾后水渾濁度在0.2 NTU,保證不大于0.3 NTU。在最佳混凝條件下,“混凝-沉淀-過濾”可實現(xiàn)超過4log的隱孢子蟲去除率。污染較嚴重時,常規(guī)工藝水廠應采用啟用備用水源、降低供水量、調(diào)運成品水等更安全的方式。

(2)“預臭氧-混凝-沉淀-砂濾-臭氧-活性炭池-氯消毒”工藝

該工藝包括預處理和深度處理,具備良好的水源突發(fā)污染風險應對能力,活性炭表面形成生物膜后能發(fā)揮生物降解作用,對有機污染、氨氮污染都有較好的去除效果,也能控制消毒副產(chǎn)物。且臭氧有極強的消毒效果,能滅活各類微生物。水源受到病原細菌和病毒類污染伴隨有機物和氨氮濃度較高時,該類水廠可增加預臭氧和后臭氧的臭氧投加量,具體投加量根據(jù)水質(zhì)確定,但是應檢測原水溴離子和出水溴酸鹽濃度,保證溴酸鹽不超標。溴酸鹽超標風險較大時,相應降低臭氧投加量,增加氯消毒劑投加量,經(jīng)過臭氧和活性炭工藝后,水中有機物類消毒副產(chǎn)物前體物大大減少,適度增加氯投加量不會導致相應的消毒副產(chǎn)物超標。

水源受到病原原生動物污染時,臭氧氧化能有效殺滅兩蟲,根據(jù)兩蟲的污染濃度確定合適的預臭氧和后臭氧的臭氧投加量即可。

水源受到病原微生物污染時,超濾可去除原生動物、絕大多數(shù)細菌和大多數(shù)病毒,對渾濁度的去除效果也非常好,因此,會降低對消毒劑劑量的需求。若水源水有機物濃度未大幅升高,在砂濾后和超濾后多點投加消毒劑強化消毒去除病原微生物即可。

若水源水中有機物濃度較高,預氧化如高錳酸鉀氧化是通過將大分子有機物氧化為小分子物質(zhì),減少膜孔內(nèi)有機物積累從而減少膜污染,研究表明,高錳酸鉀氧化破壞了水中天然有機物與氯反應生成消毒副產(chǎn)物的途徑,減少三鹵甲烷生成量,但是也有研究表明,高錳酸鉀氧化生成的小分子有機物不容易被混凝沉淀去除,并能通過超濾膜孔進入后續(xù)消毒環(huán)節(jié),與氯反應從而生成三鹵甲烷類消毒副產(chǎn)物。高錳酸鉀氧化對消毒副產(chǎn)物的控制效果與水源水中有機物種類有關,一般來說高錳酸鉀氧化生成的脂肪酸、醚、醇等小分子有機物,不易發(fā)生鹵代反應,從而降低三鹵甲烷生成量;且經(jīng)高錳酸鉀氧化后,能減少水中有機物對氯的消耗,從而增強消毒劑對微生物的滅活效果。因此,水源受到病原微生物污染伴隨有機物濃度較高時,可在原水投加高錳酸鉀預氧化并強化混凝沉淀去除部分有機物,再在砂濾后和超濾后多點投加消毒劑強化消毒。有機物污染更嚴重時,可考慮在混凝前投加粉末活性炭或超濾膜池應急投加粉末活性炭,進一步增加有機物的去除。

上述3種典型工藝在水源其他物質(zhì)影響下應對水源病原微生物污染時的應急措施總結(jié)如表3所示。

表3 3種典型工藝流程應對病原微生物污染的應急措施

水源受到病原微生物污染時,多點加氯強化消毒是主要措施,同時需控制消毒副產(chǎn)物的濃度。若水源水中同時伴隨有機物、氨氮、渾濁度等濃度的升高,會影響病原微生物消毒滅活效果及帶來消毒副產(chǎn)物超標風險,需要采取相應措施降低其影響。采取應急措施需結(jié)合已有工藝且能快速建設或切換,實現(xiàn)在不利水質(zhì)條件下的病原微生物去除效果和消毒副產(chǎn)物的控制效果。水源受到病原微生物污染同時伴隨有機物濃度升高時,“臭氧-活性炭”工藝和超濾膜深度處理工藝水廠同時保證病原微生物去除和消毒副產(chǎn)物達標的能力較強,而對于未建設深度處理工藝的水廠,有機物濃度高時,強化混凝沉淀是提高有機物去除率的通用措施,粉末活性炭吸附是可快速建設的有效手段。對于伴隨氨氮濃度升高時,常用的“臭氧-活性炭”工藝形成生物膜后能有效去除一定量的氨氮,其他工藝效果有限,只能采用折點加氯法,常需降低產(chǎn)水量以提高氯消毒劑濃度。對于伴隨渾濁度升高時,常規(guī)工藝水廠可通過強化混凝、沉淀、過濾工藝實現(xiàn)更高的渾濁度去除率。

水源受到病原原生動物污染對常規(guī)工藝水廠的考驗更大,水廠應加強“混凝-沉淀-過濾”工藝的運行管理,使其達到最佳條件實現(xiàn)最大的病原微生物去除率。

本文來源于《凈水技術》2023年第7期“水源與飲用水保障”，原標題為《水源微生物污染下應急水處理工藝探討》，作者余琴芳,鄒磊*(中國市政工程中南設計研究總院有限公司, 湖北武漢 430010)，引用格式如下：

余琴芳, 鄒磊. 水源微生物污染下應急水處理工藝探討[J]. 凈水技術, 2023, 42(7):  58-65, 190.

YU Q F, ZOU L. Discussion on emergency water treatment processes under microbial contamination of drinking water sources[J]. Water Purification Technology, 2023, 42(7): 58-65, 190.