水源突发微生物污染 水厂应急工艺如何选用？
导读：正常水源水中病原微生物的含量一般较少,通过水厂常规混凝、沉淀、过滤、消毒工艺即可将其有效灭活。突发性的地震、洪涝、流行病疫情、废水泄漏等事件可能导致水源水中微生物指标存在超标的临时性风险,这是引起水系(介水)传染病暴发和流行的主要原因。特别是水源受到病原微生物污染后,水中微生物含量剧增,在水中可能存在的其他物质影响消毒效果的情况下,如何采取应急水处理措施保证供水安全有待明确。
可能引起水系传染病的病原微生物包括细菌、病毒、原生动物3类:致病细菌包括军团菌、致病性大肠杆菌、霍乱弧菌等;致病病毒包括轮状病毒、脊髓灰质炎病毒、甲型肝炎病毒、腺病毒等;致病原生动物包括贾第鞭毛虫、隐孢子虫等。病原微生物经水进入人体,达到致病剂量时可导致疾病,如霍乱、痢疾、甲肝。水中病原微生物通常通过监测微生物替代指标来评估或指示,如总大肠菌群、大肠埃希氏菌、菌落总数等。
我国供水应急保障工作主要围绕水源系统、净水系统、配水系统的供水全流程展开,其中针对水源突发污染的应急和备用水源建设、应急处理工艺的研究较为普遍,技术也相对成熟。世界卫生组织(WHO)认为,饮用水的安全问题主要来自微生物,在新冠疫情中从新冠患者粪便中分离出活的冠状病毒,说明病毒会随患者排泄物进入排水系统,也可能随着溢流或径流冲刷进入水环境,对饮用水水源构成潜在威胁。不同病原微生物在不同处理工艺中的去除效果有所差异,通过工艺运行优化与应急工艺合理选择,可提高水厂安全供水保障水平,在水源受到病原微生物污染时,水厂采取何种措施保障安全和优质供水值得研究。地下水源受到微生物污染的风险很小,本文仅针对地表水源水厂,通过分析地表水源水厂常用水处理工艺流程和各工艺段对病原微生物去除及消毒副产物控制效果,指导3种典型工艺流程的地表水厂在水源受到病原微生物污染时采取有效水处理措施保证安全供水。
1、水源微生物污染与水厂水处理工艺概述
1.1水源微生物污染与饮用水水质标准
受水源地上游和周边工农业、洪涝等灾害的影响,水源污染时有发生,2004年—2013年全国突发性水污染事件119起,其中微生物污染事件56起,检出的致病菌包括致病性大肠菌群、致泻大肠菌群、产毒性大肠埃希氏菌、沙门氏菌、志贺菌、诺如病毒等。我国多地饮用水地表水源仍存在一定程度的微生物污染,2003年—2018年广东省某市水源水中粪大肠菌群合格率为27%(106/392);2010年12月—2011年10月,武汉市长江和汉江水源水中轮状病毒A组、人类腺病毒和人类腺病毒亚组均呈阳性(24/24),46%(11/24)样本中发现肠道病毒;杭州市区5大水源均有不同程度的微生物污染。水源离城市越近、人类活动越频繁,水源受微生物污染越严重、微生物群落结构越复杂、微生物含量越高、致病菌越多、微生物安全性越低。
病原微生物进入人体后可以借助人体宿主迅速繁殖,饮入经病原微生物污染的水后将存在健康风险,因此,饮用水中不允许存在任何病原微生物,供水系统必须保证消除水中病原微生物污染,防止水系传染病。水质标准中,微生物指标是衡量水质是否安全的首要指标,中国、WHO、美国、欧盟饮用水标准中微生物指标的要求如表1所示。美国的饮用水标准中微生物指标最多,其次是中国,另外美国还把浑浊度列在微生物指标中,表明其对浑浊度作为微生物载体属性的重视。浑浊度由悬浮的化学和生物颗粒构成,可以指示病原微生物的存在,是供水系统发生不安全事件的有效指标。控制浑浊度对保证饮用水安全具有重要意义,浑浊度升高的事件与几次疾病暴发有关,但是尚未证明去除浑浊度和去除病原微生物之间存在直接的比例关系。
表1 中国、WHO、美国、欧盟饮用水标准中微生物指标
注:*表示每月样品中总大肠菌群检出率不超过5%;若总大肠菌群检出,则必须检测粪大肠菌群且不得检出;**表示EPA认为如果贾第虫和病毒被灭活,军团菌也会被控制。
水厂采用氯化消毒控制水中病原微生物效果显著,然而氯与水中天然有机或者无机物反应会产生消毒副产物,具有致畸性或致癌性。随着人们对饮用水质量的要求提高,我国标准对消毒副产物的规定也更加严格。相对2006年版,新发布的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)将一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷等指标由非常规指标转变为常规指标,对水厂消毒副产物控制要求更加严格。此外,深圳、海南等地的地方标准,对消毒副产物限值要求比国标更严格,标准的提高对强化消毒工艺合理选择与运行优化提出了更高要求。
1.2水厂水处理工艺概述
我国绝大多数地表水厂采用“混凝-沉淀-过滤-氯消毒”的第一代净水工艺,即常规处理工艺,能有效控制饮用水中细菌、病毒等生物安全性问题。常规处理工艺是净水核心工艺,为提高常规处理工艺的净水效果,可在混凝、沉淀、消毒这3个子环节采取强化措施。保证微生物灭活效果和控制消毒副产物是消毒工艺的两大目标,而往往通过增加消毒剂量在保证消毒效果的同时会导致消毒副产物增加,因此,为同时实现消毒的两大目标,消毒环节的强化常采用紫外-氯组合消毒、多点加氯优化氯消毒等措施,可减少氯化消毒副产物的产生。原水病原微生物含量较高时,采用紫外-氯组合消毒,可以减少氯消毒剂的投加量,增强对不同病原微生物的灭活效果,降低消毒副产物生成量。
第二代净水工艺在第一代的基础上增加了“臭氧-活性炭”深度处理工艺,能有效去除水中有机污染物和控制氯化消毒副产物,提高供水水质。为保证优质供水,越来越多水厂采用“臭氧-活性炭”或“炭砂滤池”深度处理工艺,可提升水处理工艺对有机物、氨氮、嗅味、藻类及衍生产物等污染物的去除效能。
第三代净水工艺是以膜工艺为代表的净水工艺,能解决以细菌、病毒、两虫为代表的新的生物安全性问题。随着对饮用水要求的提高以及膜成本的降低,膜工艺的使用在增加,典型工艺流程为“常规处理+超滤”“常规处理+臭氧-活性炭+超滤”,还有少数水厂采用“常规处理+超滤+纳滤”的双膜法工艺。超滤膜可以有效截留水中的细菌、病毒、原生动物等,出水浑浊度低,出水微生物安全性高。
另外,很多水厂建设了预处理工艺以应对水源微污染。
综上,水厂工艺可归纳为以下3类:①常规处理;②预处理+常规处理;③预处理+常规处理+深度处理。工艺流程主要包括以下几种:①混凝-沉淀-砂滤-氯消毒;②预氧化-混凝-沉淀-砂滤-氯消毒;③预臭氧-混凝-沉淀-砂滤-臭氧接触池-活性炭池-氯消毒;④预氧化-混凝-沉淀-砂滤-超滤-氯消毒。
2、各工艺对病原微生物的去除效果及消毒副产物控制效果
2.1病原微生物的去除
水厂水处理工艺对微生物的削减一般通过物理分离和灭活完成,不同水处理工艺对微生物的去除效果如表2所示,细菌和病毒一般可通过常规处理工艺去除,而病原原生动物对常规消毒剂抵抗能力更强,需要紫外、臭氧、超滤才能实现更高的去除率。
表2 各类工艺对各类微生物的去除
注:表中所列为大致去除效果,效果还与水中其他物质、温度、pH以及具体微生物种类等有关;CT值为消毒剂剩余质量浓度与接触时间的乘积。
常规处理的“混凝-沉淀-过滤”工艺通过物理分离去除病原微生物,微生物在水中往往不是独立存在,而是附着在有机或悬浮颗粒上,黏附在颗粒物上的微生物对消毒剂具有很强的抵抗性,实践中通过出水浑浊度评估其处理效果,降低浑浊度可削减水中病原微生物,同时提高消毒剂消毒效率。美国环保局资料表明,采用“混凝-沉淀-过滤”工艺滤后水浑浊度低于0.3 NTU时,病毒的去除率为2log(即99%),隐孢子虫去除率为3log(即99.9%)。特殊时期可以通过强化混凝、沉淀、过滤实现更低的出水浑浊度,从而实现更好的病原微生物去除效果。
消毒是杀灭病原微生物的重要环节,水温是影响消毒效果的重要因素,常规氯系消毒可去除细菌和病毒,但是对隐孢子虫和贾第鞭毛虫灭活能力很差。病毒对消毒剂的抵抗力普遍强于细菌,实现2log病毒灭活率需要的游离氯消毒的CT值为2～30 mg/(L·min),我国现行标准规定的游离氯CT值不低于9 mg/(L·min)。二氧化氯消毒对细菌和病毒去除效果与氯消毒相当,但其能有效去除贾第鞭毛虫。水厂采用的紫外消毒对大多数细菌、病毒、原生动物都具有良好的灭活效果。
预氧化对病原微生物有一定的灭活效果,但是颗粒物的存在会大大降低微生物灭活效率,而增加预氧化剂用量会导致一些问题,如高锰酸钾投加过量可能导致出水红色,氯作为预氧化剂会迅速形成消毒副产物。
“臭氧-活性炭”工艺中臭氧氧化可灭活细菌、病毒、隐孢子虫和贾第鞭毛虫等,臭氧作为强氧化剂,能够直接作用于细菌的细胞壁,有极强的消毒效果,在同时达到2log的脊髓灰质炎病毒、轮状病毒灭活率下,氯消毒所需的CT值是臭氧消毒的10倍以上;对于贾第鞭毛虫和隐孢子虫,CT值甚至相差近100倍;而对于大肠埃希氏菌,二者相差不大,臭氧所需CT值略低于氯消毒。
膜工艺主要通过尺寸排阻去除病原微生物,可实现出水浑浊度低于0.1 NTU。微滤可去除原生动物和大多数细菌,超滤可去除原生动物、绝大多数细菌和大多数病毒,纳滤可去除原生动物、细菌和绝大多数病毒,具体去除效果取决于膜孔径。但是膜工艺并没有杀灭病原微生物,仅是物理分离,因此,浓水应该消毒后排放。
2.2消毒副产物的控制
提高微生物去除效果常增加消毒CT值,从而导致增加消毒副产物生成量,消毒副产物的生成受水源水质、净水工艺、消毒方法等条件的影响。消毒副产物的控制大致可分为前体物源头去除、副产物生成抑制、生成后去除。其中,前体物源头去除是在消毒剂投加前通过预处理、强化常规处理、深度处理等水处理工艺削减消毒副产物前体物的浓度,如采用粉末活性炭吸附、预氧化、“臭氧-活性炭”深度处理、超滤膜工艺等;副产物生成抑制是通过改变或优化消毒等方式减少消毒副产物的生成或改变生成种类,常用改变消毒剂、多点加氯、组合消毒方式;副产物生成后去除是通过采用物理或化学方法去除已生成的副产物,通常在饮用水用户端进行。
高锰酸钾、臭氧、二氧化氯等化学预氧化工艺在一定条件下可削减消毒副产物前体物,从而减少后续消毒的消毒副产物生成。但是,由于水中消毒副产物前体物种类繁多,预氧化剂的剂量、原水水质特征等均会产生影响,关于预氧化对消毒副产物的控制效果很难有统一的结论。
活性炭吸附具有很好的溶解性有机物去除效果,即能吸附去除消毒副产物前体物,从而控制消毒副产物的生成,研究表明,活性炭吸附具有很好的三卤甲烷类物质控制效果。臭氧-活性炭工艺对大分子和小分子有机物去除效果都很好,能明显降低三氯甲烷的生成,但是活性炭池产生的可溶性微生物产物和脱落的生物膜也是消毒副产物前体物的来源,应通过后设砂滤池等措施避免其进入后续消毒环节。
超滤膜工艺对有机物的去除效果与膜孔径有关,可有效去除相对分子质量较高的有机物,但对相对分子质量较小的有机物去除效果较差,能减少部分氯代消毒副产物的生成。
关于消毒方式,液氯和次氯酸钠消毒会生成较多的三卤甲烷和卤乙酸,而采用二氧化氯、氯胺消毒、臭氧消毒其生成量会大大降低。但氯胺消毒能力较差,二氧化氯消毒通常会产生氯酸盐和亚氯酸盐,臭氧消毒可能生成溴酸盐且不能在管网中产生持续消毒效果,每种常见消毒剂一般都会生成一些特定的消毒副产物。一些水厂采用臭氧-氯、氯-二氧化氯、紫外-氯等组合消毒方式减少消毒副产物的生成。相较于寻求一种不生成消毒副产物的消毒剂,通过优化消毒方式降低消毒副产物的生成是一种有效途径,通过多点加氯优化、加氯量精准控制,可减少氯消毒剂的总投加量,避免单点高浓度投加,从而减少消毒副产物生成量。
3、水源病原微生物污染下的应急水处理措施
3.1水源其他物质影响下应急水处理思路
应对水源病原微生物污染主要通过强化消毒,包括增加前置预氧化和加强主消毒灭活微生物,即增加消毒剂投加量和保持更长的消毒接触时间。强化消毒会增加消毒副产物生成量,水厂如何同时保证病原微生物和消毒副产物满足水质安全要求是重要课题。另外,控制浑浊度也是应对病原微生物污染的有效方法,降低浑浊度时去除了水中部分病原微生物,同时也能提高消毒剂消毒效率。
在水源受到病原微生物污染时,如地震、洪涝、流行病疫情时,水中有机物、氨氮、浑浊度可能也会升高,影响消毒灭活微生物效果。氨氮会迅速消耗氯生成消毒能力较差的氯胺;有机物也会消耗消毒剂,同时有机物与消毒剂反应还可能生成消毒副产物;浑浊度的存在会增强微生物对消毒剂的抵抗性。因此,在发生水源病原微生物污染时,水处理工艺要同时考虑氨氮、有机物、浑浊度等的去除。
水厂常规工艺对溶解性有机物处理效果有限,最有效的应急方法是投加粉末活性炭吸附去除有机物,最佳投加位置为取水口。另外,增加混凝剂投加量、投加助凝剂等强化混凝方式也能增加有机物的去除量。
目前常规水处理工艺不能有效去除氨氮,水源水氨氮较高的水厂一般建有生物预处理工艺或“臭氧-活性炭”深度处理工艺,能有效去除氨氮。水厂未建设该类工艺时,尚缺乏有效应急去除氨氮的技术,水厂只能采用折点加氯法增加氯的投加量,将氨氮氧化去除,必要时降低产水量以提高消毒剂浓度。
常规工艺可通过强化混凝、沉淀、过滤工艺实现更低的浑浊度,强化混凝沉淀可采用增加混凝剂投加量、投加助凝剂,有需要时还可降低沉淀池负荷,强化过滤可通过滤前水投加助凝剂、及时反冲洗。病原微生物污染期间,应停止滤后水回用。
应急供水需针对水源水质特征,分析污染物去除的效果,结合水厂已有工艺,寻求在水源突发病原微生物污染时保证供水安全的有效措施。
3.2几种典型工艺水厂应急措施
(1)“高锰酸钾和粉末活性炭预处理-混凝-沉淀-砂滤-氯消毒”工艺
水源突发病原细菌和病毒类微生物污染时,有效处理措施为强化消毒,但是首先需检测水源水中微生物指标和主要水质指标,若水源水有机物、浑浊度未大幅升高,可通过增加混凝剂和助凝剂用量加强混凝效果,提高常规处理工艺对天然有机物和浑浊度的去除效果,最大限度减少消毒副产物前体物。部分水厂设有预氧化工艺,采用主消毒工艺使用的消毒剂,即次氯酸钠或二氧化氯。消毒工艺适度增加氯消毒剂投加量,有条件时可在混凝前、沉淀后、滤后、出厂水多点加氯消毒,通过总余氯反馈控制加氯量。混凝前加氯消毒副产物生成量较大,在保证病原微生物去除的前提下应尽量减少混凝前加氯量。
部分水厂设有粉末活性炭投加工艺和高锰酸钾氧化工艺,有一定的水源突发污染应对能力。水源受到病原细菌和病毒类污染时,若水源水有机物浓度未大幅升高,可启用高锰酸钾投加系统,投加量可为0.5～1 mg/L,氧化去除部分有机物,同时强化混凝效果进一步降低出水有机物浓度,可降低后续消毒副产物生成量。高锰酸钾氧化也有一定的病原微生物灭活效果,后续消毒工艺适度增加消毒剂投加量保证病原微生物灭活效果,有条件时可在沉淀后、滤后、出厂水多点加氯。
若水源水中有机物浓度大幅升高,建议以下两点措施。①启用粉末活性炭投加系统,在取水口应急投加粉末活性炭,吸附有机物及消毒副产物前体物,再通过强化混凝沉淀从水中分离粉末活性炭。粉末活性炭可以消耗氯消毒剂,因此,经混凝沉淀去除粉末活性炭后再在沉淀后、滤后、出厂水多点加氯。粉末活性炭的投加量根据水源水有机物浓度确定,应急处理时可高达80 mg/L,若不能在取水口投加粉末活性炭时,可在水厂混合池投加粉末活性炭,吸附时间会变短,需适当增加粉末活性炭投加量,或降低生产负荷,延长吸附时间。②同时启用高锰酸钾和粉末活性炭投加系统,取水口投加高锰酸钾、混凝前投加粉末活性炭,两者联用比单独应用对有机物的去除效果更好。采取措施保证有机物的去除后,后续再强化消毒去除病原微生物,避免消毒副产物超标。
若水源水中氨氮浓度也较高时,需要使用折点加氯工艺,增加投氯量把氨氮氧化去除,对氯的投加浓度要求很高,氨氮浓度高时需降低产水量以达到需要的氯消毒剂浓度。
水源受到病原原生动物污染时,常规的氯消毒不能有效灭活两虫,而有效的方法如臭氧、紫外、膜在水厂应急事件中也难以采用。“混凝-沉淀-过滤”工艺正常运行能保证两虫的去除,对于常规工艺,应保证混凝、沉淀、过滤工艺稳定良好运行,可通过提高混凝剂用量、改善混凝反应条件降低沉淀出水浑浊度,采用滤前投加助滤剂、必要时降低滤池滤速等措施,控制滤后水浑浊度在0.2 NTU,保证不大于0.3 NTU。在最佳混凝条件下,“混凝-沉淀-过滤”可实现超过4log的隐孢子虫去除率。污染较严重时,常规工艺水厂应采用启用备用水源、降低供水量、调运成品水等更安全的方式。
(2)“预臭氧-混凝-沉淀-砂滤-臭氧-活性炭池-氯消毒”工艺
该工艺包括预处理和深度处理,具备良好的水源突发污染风险应对能力,活性炭表面形成生物膜后能发挥生物降解作用,对有机污染、氨氮污染都有较好的去除效果,也能控制消毒副产物。且臭氧有极强的消毒效果,能灭活各类微生物。水源受到病原细菌和病毒类污染伴随有机物和氨氮浓度较高时,该类水厂可增加预臭氧和后臭氧的臭氧投加量,具体投加量根据水质确定,但是应检测原水溴离子和出水溴酸盐浓度,保证溴酸盐不超标。溴酸盐超标风险较大时,相应降低臭氧投加量,增加氯消毒剂投加量,经过臭氧和活性炭工艺后,水中有机物类消毒副产物前体物大大减少,适度增加氯投加量不会导致相应的消毒副产物超标。
水源受到病原原生动物污染时,臭氧氧化能有效杀灭两虫,根据两虫的污染浓度确定合适的预臭氧和后臭氧的臭氧投加量即可。
(3)“预氧化-混凝-沉淀-砂滤-超滤-氯消毒”工艺
水源受到病原微生物污染时,超滤可去除原生动物、绝大多数细菌和大多数病毒,对浑浊度的去除效果也非常好,因此,会降低对消毒剂剂量的需求。若水源水有机物浓度未大幅升高,在砂滤后和超滤后多点投加消毒剂强化消毒去除病原微生物即可。
若水源水中有机物浓度较高,预氧化如高锰酸钾氧化是通过将大分子有机物氧化为小分子物质,减少膜孔内有机物积累从而减少膜污染,研究表明,高锰酸钾氧化破坏了水中天然有机物与氯反应生成消毒副产物的途径,减少三卤甲烷生成量,但是也有研究表明,高锰酸钾氧化生成的小分子有机物不容易被混凝沉淀去除,并能通过超滤膜孔进入后续消毒环节,与氯反应从而生成三卤甲烷类消毒副产物。高锰酸钾氧化对消毒副产物的控制效果与水源水中有机物种类有关,一般来说高锰酸钾氧化生成的脂肪酸、醚、醇等小分子有机物,不易发生卤代反应,从而降低三卤甲烷生成量;且经高锰酸钾氧化后,能减少水中有机物对氯的消耗,从而增强消毒剂对微生物的灭活效果。因此,水源受到病原微生物污染伴随有机物浓度较高时,可在原水投加高锰酸钾预氧化并强化混凝沉淀去除部分有机物,再在砂滤后和超滤后多点投加消毒剂强化消毒。有机物污染更严重时,可考虑在混凝前投加粉末活性炭或超滤膜池应急投加粉末活性炭,进一步增加有机物的去除。
上述3种典型工艺在水源其他物质影响下应对水源病原微生物污染时的应急措施总结如表3所示。
表3 3种典型工艺流程应对病原微生物污染的应急措施
4、结论
水源受到病原微生物污染时,多点加氯强化消毒是主要措施,同时需控制消毒副产物的浓度。若水源水中同时伴随有机物、氨氮、浑浊度等浓度的升高,会影响病原微生物消毒灭活效果及带来消毒副产物超标风险,需要采取相应措施降低其影响。采取应急措施需结合已有工艺且能快速建设或切换,实现在不利水质条件下的病原微生物去除效果和消毒副产物的控制效果。水源受到病原微生物污染同时伴随有机物浓度升高时,“臭氧-活性炭”工艺和超滤膜深度处理工艺水厂同时保证病原微生物去除和消毒副产物达标的能力较强,而对于未建设深度处理工艺的水厂,有机物浓度高时,强化混凝沉淀是提高有机物去除率的通用措施,粉末活性炭吸附是可快速建设的有效手段。对于伴随氨氮浓度升高时,常用的“臭氧-活性炭”工艺形成生物膜后能有效去除一定量的氨氮,其他工艺效果有限,只能采用折点加氯法,常需降低产水量以提高氯消毒剂浓度。对于伴随浑浊度升高时,常规工艺水厂可通过强化混凝、沉淀、过滤工艺实现更高的浑浊度去除率。
水源受到病原原生动物污染对常规工艺水厂的考验更大,水厂应加强“混凝-沉淀-过滤”工艺的运行管理,使其达到最佳条件实现最大的病原微生物去除率。
