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实证数据:疫期污水厂强化消毒下的水环境次生风险研究!

北极星水处理网  来源:给水排水  作者:楚文海等  2020/4/7 16:44:41  我要投稿  

北极星水处理网讯:1 研究背景

城镇污水处理强化消毒,是防控新冠病毒经粪便和污水扩散传播的有效措施。次氯酸钠等含氯消毒剂因具有广谱和持久杀菌能力,在全国范围内使用规模巨大。然而消毒剂的过量使用会造成消毒后剩余消毒剂(即余氯)进入环境水体甚至水源地(图1)。考虑到“余氯”带来的环境风险,生态环境部迅速出台《应对新型冠状病毒感染肺炎疫情应急监测方案》,要求“疫情防控期间,在饮用水水源地常规监测的基础上,增加余氯和生物毒性等疫情防控特征指标的监测,发现异常情况时加密监测,并及时采取措施、查明原因、控制风险、消除影响,切实保障人民群众饮水安全”。

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图1 疫情防控期间含氯消毒剂的广泛使用与介水迁移

同时,“余氯”具有高反应活性,其会与受纳水体中的有机物和无机物发生化学反应,生成具有潜在毒性的副产物,部分消毒副产物具有细胞毒性、神经毒性、基因毒性以及致癌、致畸、致突变的潜在三致特性。为了获取重大疫情防控期间污水处理厂含氯消毒剂过量使用对受纳水体造成次生环境污染(图2)的相关科学数据,徐祖信团队开展了相关实证评估。

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图2 研究对象

2 水样采集

所调查污水处理厂执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准,采用次氯酸钠消毒。该厂依河而建,二沉池出水经次氯酸钠消毒后就近排入城市内河河道。所采水样包括污水处理厂消毒前的二沉池出水和消毒后的排放口尾水,以及受纳河流上游(距离排放口约1200 m)和下游水体(距离排放口约100 m、1200 m、2000 m和3000 m)。该河水水质满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅳ类标准,其流速缓慢,污水厂尾水排放量与河水流量之比约为1:5。

为更全面评估含氯尾水排放对受纳河流的影响,并避免排放尾水中余氯浓度波动的干扰,在实验室将二沉池出水消毒接触30 min后与上游河水按一定体积比混合(1:10和1:50),考察不同混合比例下受纳河水中余氯、微生物群落结构、消毒副产物等的变化规律。所有实测水样和模拟实验用水皆来自实际水体。

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图3 水样采集

3分析检测

氯含量(包括总氯和游离氯)通过HACH便携式余氯仪现场测定,测定原理基于DPD(N,N-二乙基-1,4-苯二胺)比色法。化合氯为总氯和游离氯的差值。

常规水质指标参照《水和废水监测分析方法(第四版)》测定;荧光类物质由三维荧光光谱仪测定。

微生物多样性测序分析,包括水样微DNA抽提、设计合成引物接头、PCR扩增与产物纯化、PCR产物定量与均一化、构建PE文库、Illumina高通量测序。

消毒副产物分析则由气相色谱/电子捕获检测器(GC/ECD)和气相色谱/质谱仪(GC/MS)配合检测,检测前经甲基叔丁基醚对水样液液萃取富集浓缩。

4分析讨论

(1)余氯在受纳河水中的衰减规律

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图4 余氯在受纳河水中的衰减趋势

下游河水中余氯检出如图4a所示,包括游离氯(次氯酸、次氯酸根等)和化合氯(氯胺、部分有机氯胺等)。游离氯浓度随着河水的输移急剧下降,主要有三个方面的原因(图5):一是游离氯会与水中的氨氮和有机胺类物质反应形成化合氯;二是游离氯会与水中的氨基酸、蛋白质等有机物以及Br-和I-反应,生成消毒副产物;三是游离氯在光照、温度、酸碱度等外在条件影响下会发生分解。化合氯浓度随着河水的输移呈现先升高后降低的趋势,这是由于一部分游离氯转化为化合氯,之后化合氯同游离氯一样,通过上述第二和第三种途径逐渐被消耗。图4b呈现了尾水排放量与河水流量比达到1:10和1:50时,余氯(游离氯)浓度变化趋势,发现余氯消耗速率与河水流量显著相关,河水流量越大,余氯衰减越快。当尾水排放量与河水流量比为1:50时,48 h后余氯(游离氯)和总余氯(游离氯+化合氯)皆降低至0.019 mg/L(EPA水质基准值)以下。可以推测,因地表水体中“余氯”总体衰减较快,加之水源地与市政污水排放口的距离较远,并受汇流影响,消毒尾水中的“余氯”基本不会对城市大型水源地造成影响。

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图5 余氯在受纳水体中的转化途径

疫情期间,许多污水厂连续滴加次氯酸钠消毒剂,并通过监测尾水游离氯来反馈调整消毒剂投加量。然而,这种反馈投加方式受水中氨氮浓度波动影响较大。1mg/LNH3-N理论上可消耗约7.6mg/L的游离氯,当二沉池出水中氨氮浓度波动到较高值时,需投加大量的次氯酸钠才能在末端尾水检出游离氯,然而当氨氮浓度降低后,所投加的消毒剂就会过量,从而导致含有大量余氯的尾水被排出,并一定程度上降低了河水中氨氮的浓度水平。美国EPA评估发现水中余氯对鱼类和无脊椎物种具有显著的急性伤害,在其水质基准金皮书中提出天然淡水中总余氯(游离氯+化合氯)浓度(时均值)不应超过0.019 mg/L。由图4a可知,虽然总氯持续降低,但在下游3000 m处的浓度(0.07 mg/L)依然大于0.019 mg/L。虽然,消毒尾水中的“余氯”基本不会对城市大型水源地造成影响,但是含氯尾水的排放可对受纳河流水生生物造成较大破坏。

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