曾 杰， 趙迎新， 季 民， 吳座棟

(1.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300350； 2.天津市水利工程有限公司， 天津 300222)

1 研究背景

在新型冠狀病毒肺炎患者的糞便中檢測出新型冠狀病毒核酸的事實，表明新型冠狀病毒很可能通過糞—口進行傳播，水作為病毒傳播的一種重要媒介，不可避免地給農(nóng)村生活污水處理帶來了諸多風(fēng)險。一方面疫情期間居家人數(shù)的增加使得農(nóng)村污水處理設(shè)施保持長時間的高負荷狀態(tài)，另一方面農(nóng)村污水未經(jīng)消毒排放至受納水體會對農(nóng)村居民的健康安全造成威脅。南北地區(qū)由于地理氣候、人文因素的不同，使得農(nóng)村污水水量以及水質(zhì)特征存在差異性，在處理工藝的選擇上也有所不同。南方地區(qū)的排水量普遍大于北方地區(qū)，而污染物濃度卻低于北方地區(qū)[1]。因而南方地區(qū)適合采用人工快滲系統(tǒng)、厭氧生物處理+人工濕地等處理方法。宜昌市秭歸縣屈原村采用人工快滲一體化設(shè)備處理污水的主要出水指標，可以滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2019)中的一級A標準，同時在進水水質(zhì)水量波動的狀況下出水仍能保持穩(wěn)定[2]。綿陽市北川縣曲山鎮(zhèn)石椅村的生活污水經(jīng)過人工快滲系統(tǒng)處理后的尾水可直接供當?shù)剞r(nóng)民澆灌農(nóng)田和廠區(qū)綠化[3]，類似的還有深圳市白花村生活污水處理工程和牛城河河道水環(huán)境修復(fù)工程。霍祥志等[4]以陽泉市郊區(qū)為例，對比分析各種工藝的優(yōu)缺點及適用范圍，最優(yōu)處理模式為厭氧+人工濕地法。而北方地區(qū)為避免復(fù)雜的冬季保溫工程，更適宜選擇地埋式A/O活性污泥及生物膜法一體化工藝以及MBR工藝。趙芳[5]認為山東省農(nóng)村生活污水在經(jīng)過地埋式A/O組合處理后有較好的出水水質(zhì)。北京市被調(diào)查的1 104座污水處理設(shè)施中，有641座設(shè)施是采用MBR工藝，占比為58.1%，而采用的其他工藝均小于10%[6]?？紤]到疫情期間污水中的病毒經(jīng)過這些傳統(tǒng)污水處理工藝的一級、二級處理后排放，很難被完全去除或滅活[7]，因而尾水需增設(shè)消毒處理。消毒工藝的選擇直接影響到出水的消毒效果及運行管理，表1為2020年2月江浙等省市56座污水處理廠消毒處理情況(部分污水處理廠采用2種消毒方式)[8]，由表1可看出，多種消毒方式均能夠有效殺菌。因而本研究針對不同農(nóng)村污水處理工藝可能存在的病毒污染風(fēng)險問題，提出合適的消毒方式以及參數(shù)控制建議，為疫情期間農(nóng)村小型污水處理設(shè)施的安全運行提供技術(shù)參考和保障。

表1 2020年2月疫情期間江浙等省市56座污水處理廠消毒處理概況

2 消毒工藝

在污水處理過程中，使病毒及其他病原體微生物減少的主要方式有兩種，即分離和滅活[9]。傳統(tǒng)的農(nóng)村污水處理工藝首先經(jīng)過預(yù)處理及一級處理可以去除一些吸附在大顆粒懸浮物上的病毒。文獻[10]中報道一級處理工藝對腸道病毒的去除率約為0.1～0.5 log，效果不明顯；然而二級處理按照不同處理工藝，病毒的對數(shù)削減率又不盡相同，腸道病毒的削減率在1.0～3.0 log之間[10]，相比一級處理其削減效果明顯，但仍需進一步消毒滅活。農(nóng)村小型污水處理設(shè)備一般不會專門設(shè)置接觸消毒池，通常以處理水在清水池的停留時間來表示接觸消毒時間，通常大于30 min，因此本文不對接觸時間進行要求。綜合現(xiàn)場條件、運行管理及成本等客觀因素，目前農(nóng)村污水常用的消毒方式主要有氯化和紫外兩大類。臭氧消毒由于其設(shè)備化以及運行的復(fù)雜性，幾乎不被考慮。

2.1 次氯酸鈉

次氯酸鈉消毒原理如化學(xué)方程(1)、(2)所示，主要是利用水解產(chǎn)生的次氯酸(HClO)中性小分子，它們能夠快速地穿過帶負電荷的病原微生物表面，進入細胞內(nèi)破壞其多種酶系統(tǒng)而使其失去活性。另外，次氯酸還能形成具有極強氧化性的新生態(tài)氧[O]，能夠使病毒和細菌的蛋白質(zhì)變性[11]。對于病毒來說，次氯酸鈉首先破壞病毒的衣殼蛋白，然后攻擊其核酸[12]。而對于細菌來說，次氯酸鈉的殺滅效果表現(xiàn)出層次遞進的現(xiàn)象，次氯酸首先破壞細菌的細胞膜，其次攻擊細胞的酶系統(tǒng)，最后導(dǎo)致其蛋白質(zhì)和核酸的損傷[13-14]。因而在使用次氯酸鈉消毒時，低劑量的氯濃度往往只破壞細菌的細胞膜和蛋白質(zhì)，其雙鏈核酸仍保持一定的完整性和復(fù)制能力。因而需要視情況適當加大劑量。農(nóng)村污水的出水中往往含有一定濃度的氨氮，消毒過程中投加的NaClO與氨氮的反應(yīng)是分段進行的[15]，加氯折點前氯被水中還原性物質(zhì)消耗以及與氨氮形成化合氯，消毒只有越過了加氯折點才開始積累游離氯，此時的消毒效果最好。在疫情較為嚴重的農(nóng)村地區(qū)，可以通過公式(3)來估算加藥量[10]。對于二級出水中氨氮濃度較高水體的消毒，建議盡量采用二氧化氯或者紫外線消毒法。

(1)

(2)

M=K1·CNH3+K2·COrg

(3)

式中：M為投氯量；K1為氨氮被氯化的氯氮質(zhì)量比，取值為10；CNH3為氨氮濃度；K2為有機氮被氯化的氯氮質(zhì)量比，取值為16；COrg為有機氮濃度(實際操作中可以忽略其存在)。

農(nóng)村小型污水處理設(shè)施運行中宜選用購買濃度10%以上的商品次氯酸鈉溶液進行投加的方式，通過計量泵直接投加到清水池前管線上。次氯酸鈉溶液存在有效氯的衰減問題，避光保存的同時每次購買量應(yīng)在10 d內(nèi)使用完。

2.2 二氧化氯

二氧化氯(ClO2)具有強氧化性，并且受水中pH以及氨氮濃度影響較小。二氧化氯溶于水后以分子形式直接破壞病毒的核酸或衣殼蛋白，它能夠與蛋白質(zhì)中某些特定氨基酸發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氨基酸鍵斷裂，從而使蛋白質(zhì)失去原有功能[16]。另外有研究表明，滅活過程中對氨基酸起破壞作用的是ClO2中的氧原子，而非氯原子，因此避免了三氯甲烷(THMs)這一消毒中副產(chǎn)物的產(chǎn)生[17]，因此，ClO2是一種公認的安全、高效、環(huán)保的消毒劑。目前應(yīng)用最多的是現(xiàn)場氯酸鹽法制備二氧化氯，但其對技術(shù)設(shè)備要求較高顯然不適合農(nóng)村地區(qū)使用，可以選擇一元穩(wěn)定二氧化氯泡騰片，通常其有效ClO2含量在10%左右，儲存、使用方便，即配即用。一般先將一定量的泡騰片溶解在水中，即活化，完全溶解需5～10 min，然后再根據(jù)具體的投加量調(diào)整隔膜計量泵進入清水池前端的流量。

2.3 紫外線

紫外線消毒作為新型物理消毒工藝，殺菌效果最佳的波長在253.7 nm附近[18]。核酸是紫外線最主要的作用位點，它可直接作用于病原體的DNA或RNA上，誘導(dǎo)胸腺嘧啶和胞嘧啶形成嘧啶二聚體，影響其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)合成，同時也影響其他生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能[19-20]。有研究顯示，紫外線消毒過程中病毒RNA的損傷比細菌DNA的損傷更嚴重[13]，這是因為紫外線更易侵入沒有細胞結(jié)構(gòu)的病毒，且RNA的磷酸二酯鍵更容易受到損傷，因此導(dǎo)致單鏈線性RNA對紫外線更加敏感[21]。紫外線的滅菌效率高，但不具備持續(xù)性消毒能力。紫外線消毒效果可以用紫外穿透率(UVT)來考量，它易受水中濁度、SS和一些無機離子(如Fe3+)的影響。紫外燈管的性能同樣也影響著消毒效率，對于農(nóng)村這種小規(guī)模污水處理設(shè)施，應(yīng)選擇紫外能利用效率較高的低壓燈系統(tǒng)(LP)，建議每兩天投加一些檸檬酸或者磷酸進行一次化學(xué)清洗，定期再進行人工清理。

3 不同污水處理工藝的消毒控制

3.1 人工快滲處理系統(tǒng)

人工快滲技術(shù)(constructed rapid infiltration, CRI)是農(nóng)村常采用的一種生態(tài)處理工藝，它是用滲透性能較好的天然介質(zhì)代替天然土層，以天然河砂最為典型，采用干濕交替方式加強系統(tǒng)復(fù)氧來凈化水質(zhì)。通常CRI系統(tǒng)的脫氮除磷效果較差，出水氨氮以及總氮濃度較高。適當?shù)慕档蜐窀杀?，一方面可提高系統(tǒng)落干時硝化過程的時間，有利于其脫氮效果，另一方面可加快好氧異養(yǎng)微生物的代謝，提高其對病原體的吸附、過濾與捕食作用。一般CRI系統(tǒng)可去除2～3個數(shù)量級的糞大腸桿菌，并且污水的遷移距離決定了其去除效果，遷移距離越長，則去除效果越好，甚至可超過90%[22]。鑒于CRI系統(tǒng)處理規(guī)模較小，工藝簡單，通常被用在不發(fā)達且資金不足的農(nóng)村地區(qū)，同時該工藝出水受高氨氮影響，綜合考慮不宜采用常規(guī)的次氯酸鈉和紫外線消毒，為方便操作、減少工程投資成本，采用二氧化氯最為合適?，F(xiàn)場運行中投加濃度為8 mg/L的二氧化氯，能使得污水中糞大腸菌群和總大腸菌群均少于90個/L，脊髓灰質(zhì)炎病毒、沙門氏菌及志賀氏菌不可檢出[23]，而新型冠狀病毒屬于包膜病毒，研究表明無包膜腸道病毒抗氯性強于大腸桿菌，而有包膜病毒抗氯性弱于無包膜腸道病毒[24]，且其穩(wěn)定性更易失活[25]，因而冠狀病毒在污水中的傳播比腸道病毒要少，在實際消毒過程中只要保持穩(wěn)定的消毒就可確保新冠病毒的有效滅活?？紤]人工快滲系統(tǒng)對病原體的去除效果并不明顯，相應(yīng)消毒工藝、參數(shù)以及風(fēng)險防控措施如表2所示。二氧化氯受水溫影響較大，溫度較低時應(yīng)提高二氧化氯投加量。

3.2 A/O活性污泥及生物膜法

A/O(anoxic/oxic)活性污泥或生物膜工藝通常用于農(nóng)村污水的脫氮處理。兩種工藝的出水一般能達到各地的農(nóng)村污水排放要求。活性污泥法就病原體去除效果而言優(yōu)于生物膜法，尤其在厭氧階段，有研究表明，A/O活性污泥法對大腸桿菌、軍團菌和沙門氏菌均具有較好的去除效果，對大腸桿菌的去除率高達99.88%。鑒于引起重癥急性呼吸綜合征(SARS)的SARS冠狀病毒(SARS-CoV)在污水中的抗氯能力比大腸桿菌及f2噬菌體要弱，因而大腸桿菌可作為SARS病毒滅活的指示生物[26]，而新型冠狀病毒與SARS病毒同屬Beta冠狀病毒，新冠期間仍可將大腸桿菌作為病原微生物的指示指標。A/O工藝通常是在清水池的前端投加鐵、鋁鹽絮凝劑強化農(nóng)村污水除磷作用，一方面Fe3+對于紫外線有強烈的吸收作用，另一方面鐵、鋁鹽易形成絮體從而加速紫外燈結(jié)垢，且A/O法出水氨氮波動較大，因而活性污泥或生物膜法最好選用二氧化氯。含氯回流液進入生化系統(tǒng)將影響硝化作用，因而相應(yīng)的注意措施在表2中給出。

3.3 厭氧生物處理+人工濕地

在土地資源較為充足的農(nóng)村地區(qū)，往往可采用厭氧生物處理+人工濕地的處理模式，厭氧生物處理作為生物預(yù)處理，依靠附著在濾料上的生物膜來凈化污水，人工濕地系統(tǒng)的吸附吸收、沉淀、微生物氧化分解進一步強化了污染物的去除，尤其在TP的去除上起到了較為顯著的作用。在這種組合工藝下，氨氮平均去除率一般在80%以上，出水達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的一級B標準以上[27]，生物填料及人工系統(tǒng)中的基質(zhì)對于懸浮顆粒物也有較好的去除效果，出水SS濃度往往低于10 mg/L[28]。人工濕地作為一種自然生態(tài)技術(shù)，對水體病原體微生物(包括大腸桿菌、糞大腸菌群、腸道病毒等)的去除效果明顯[29]。研究表明人工濕地對各類病原體的去除率常常達到95%以上[30]，有的甚至高達99%[31]，而不同填料對病原體的去除能力也有所差異，生物炭和無煙煤兩種填料的病原微生物去除率較高。人工濕地對病原體的去除效果是物理、化學(xué)、生物因素共同作用的結(jié)果[30,32]，目前證實的主要去除途徑有沉積、過濾、吸附、捕食以及失活[33]。盡管諸多研究表明了人工濕地對各種病原體的去除率都很高，實際上出水中病原體的數(shù)量仍不能滿足環(huán)境衛(wèi)生安全標準。

考慮到厭氧生物處理+人工濕地尾水中仍含一定量的氨氮，當采用次氯酸鈉消毒時，就直接關(guān)系到其投加量問題，但目前關(guān)于氨氮濃度如何影響次氯酸鈉加藥量機理的研究較少。非典爆發(fā)期間，通過對不同水質(zhì)的原水進行投氯試驗，發(fā)現(xiàn)無論氨氮濃度多少，5 mg/L的投氯是一個相當安全的投加劑量[34]。趙琳等[35]研究發(fā)現(xiàn)，當氨氮≤15 mg/L、次氯酸鈉投加量≤6 mg/L時，隨著氨氮濃度的升高，次氯酸鈉的消毒效果有所降低，當氨氮為8 mg/L時，5 mg/L的次氯酸鈉投加量效果最佳。當次氯酸鈉投加量較低時，消毒是主導(dǎo)作用，次氯酸鈉濃度達到一定值才會表現(xiàn)出去除氨氮作用，此時若要達到4 log的大腸桿菌去除率，需要投氯1.35 mg/L，而脊髓灰質(zhì)炎病毒對氯的耐受力更強，所需的有效氯濃度為2.56 mg/L。盡管如此，污水中大腸桿菌數(shù)和脊髓灰質(zhì)炎病毒數(shù)相差幾個數(shù)量級，所以現(xiàn)場投氯劑量仍可以殺滅大腸桿菌為依據(jù)，同時研究表明氯滅活脊髓灰質(zhì)炎病毒的主要機理是破壞其核酸而不是衣殼蛋白，即損壞其基因組5′-NCR內(nèi)的二級結(jié)構(gòu)區(qū)域[36]。因而次氯酸鈉投加量可依據(jù)氨氮濃度確定，相比之下由于二氧化氯消毒不受氨氮濃度的限制而更為合適，但其對病毒類的消殺效果要弱于氯，投加量則要高于次氯酸鈉。

厭氧生物處理+人工濕地處理的出水懸浮物通常在20 mg/L以下[37]，因而出水可自流經(jīng)集水渠進入紫外消毒渠進行消毒，但要注意脫落生物膜對其的影響。當紫外線照射劑量在36～51 mJ/cm2范圍內(nèi)時，出水糞大腸菌的對數(shù)削減率為3.2 log，數(shù)量小于104MPN/L，再繼續(xù)增加紫外線照射劑量，類大腸菌群滅活率增加并不明顯，尾水的顆粒物粒徑以及濃度成為了限制因素，尤其是粒徑5 μm以上的顆粒物[38]。23.2 mJ/cm2的紫外線照射劑量就能實現(xiàn)99.99%的戊型肝炎病毒(HEV)的失活率[39]。不同血清型的口蹄疫病毒(FMDV)，包括O189，A132，A-Sakol以及AS1的90%滅活劑量范圍為19.66～31.31 mJ/cm2[40]，20 mJ/cm2的照射劑量能殺滅細菌繁殖體，100 mJ/cm2能滅活芽孢，而病毒對紫外線敏感性介于兩者之間。研究表明柯薩奇病毒、A型肝炎病毒、脊髓灰質(zhì)炎病毒、杯狀病毒以及輪狀病毒所需要的紫外線照射劑量為14～44 mJ/cm2，冠狀病毒的核酸均為單鏈RNA，而RNA相對于DNA更易于受到紫外線的損傷，因而在實際厭氧生物處理+人工濕地的出水消毒過程中的滅活率更有把握。目前聯(lián)合紫外線+氯的消毒方式在去除效果以及減少單一加藥量的實際問題上已展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，同時還能抑制光復(fù)活現(xiàn)象的發(fā)生，因而可采用UV+次氯酸鈉順序的組合工藝。

3.4 MBR法

MBR(membrane bio-reactor)工藝是一種傳統(tǒng)的活性污泥生物處理與膜過濾相結(jié)合的新型處理技術(shù)，較高的污泥濃度使得出水中的有機物和氨氮濃度較低，MBR通常采用的是超濾膜或微濾膜，孔徑一般為100～400 nm，新型冠狀病毒直徑在60～140 nm之間，一般孔徑越小對病毒的去除率越高，據(jù)報道，單一的MBR工藝的病毒削減對數(shù)為3.4～6.8 log[41]。一方面MBR法可以直接截留住病毒粒子本身以及附著在顆粒上的病毒，另一方面由于膜上形成的泥餅層的截留吸附作用[42]，使得高活性的污泥對病毒也會進行吸附捕食，其分泌物也能破壞病毒衣殼蛋白酶結(jié)構(gòu)，因而快速的排泥更有利于病毒去除。膜污染也是另一個影響MBR去除病毒的重要因素，研究發(fā)現(xiàn)Fe3+可以高效地緩解膜孔的阻塞[43]，但Fe3+的存在將會影響紫外線滅菌效率，因而疫情期間可采用聚合氯化鋁或其他多核類絮凝劑，投加量一般為20～50 mg/L[44]。MBR工藝具有明顯的優(yōu)勢，出水穩(wěn)定，濁度在0.13～0.24 NTU范圍內(nèi)，對氨氮的平均去除率在98%以上，出水氨氮濃度小于1 mg/L。

針對農(nóng)村污水，MBR處理后的出水具有低濁度、低氨氮的特征，而消毒工藝可多樣性選擇。張光輝[45]發(fā)現(xiàn)16 mJ/cm2的UV劑量就能實現(xiàn)MBR出水中細菌3 log的滅活率同時滅活所有的大腸菌群和糞大腸菌群。脊髓灰質(zhì)炎病毒由于其優(yōu)勢的理化特性常被用作模擬病毒，紫外線對其滅活滿足Chick-Watson動力學(xué)模型，達到4 log滅活所需劑量為25 mJ/cm2[46]，但污水中病毒含量通常在0～80 PFU/L，含量遠低于人工模擬中采用的病毒劑量，且新型冠狀病毒對紫外線尤為敏感，因而相應(yīng)的實際照射劑量并不需要這么高，具體參數(shù)如表2所示。MBR出水病原微生物數(shù)量通常在3個數(shù)量級內(nèi)，后續(xù)可不需再投氯，但MBR尾水直接排放在太陽光下會有明顯的光活化現(xiàn)象，研究表明，若出水間隔時間大于120 min，一些病原微生物甚至?xí)耆ミ@種光修復(fù)能力[45]。

選擇氯化消毒時，研究表明經(jīng)過MBR處理后的出水能夠有效減少次氯酸鈉的使用量，投氯量為1.0 mg/L、消毒1.5 min以上，則細菌削減對數(shù)趨于穩(wěn)定，糞大腸菌群及腸道病毒低于檢測限。王科理等[47]通過探究消毒時間和消毒劑濃度對滅活效果的影響得出：有效氯2.0 mg/L在消毒0.5 min后就能使得類大腸桿菌不被檢出；0.8 mg/L的有效氯在接觸時間達到60 min時，也能保證類大腸桿菌低于檢測限。這也表明，農(nóng)村污水經(jīng)過MBR工藝處理后的出水只需要較少量的次氯酸鈉或者非常短的接觸時間就能達到較好的病原體去除效率，這種工藝在一定程度上降低了運行費用。在實際運行中，MBR出水中投加1.76 mg/L有效氯就能達到較好的消毒效果[48]。馮曉翔[49]在分析研究二氧化氯對MBR工藝處理后的出水的消毒效果發(fā)現(xiàn)，保持二氧化氯濃度為4 mg/L，可在消毒20 min后使出水糞大腸菌群數(shù)降至零。對應(yīng)的次氯酸鈉和二氧化氯投加量也如表2所示。

表2 不同污水處理工藝的消毒措施和風(fēng)險防控

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

(1)對于目前農(nóng)村常用的處理工藝，包括人工快滲、A/O法、厭氧生物處理+人工濕地以及MBR法，二氧化氯消毒均可適用。其中MBR法可選擇的消毒工藝最多，出水的氨氮濃度會直接影響次氯酸鈉的投加量。

(2)新冠疫情期間仍可將大腸桿菌作為指示病原細菌，有包膜的新冠病毒抗氯性能較弱，只要維持農(nóng)村污水處理設(shè)施的正常消毒過程，不需要額外投加消毒劑，即可有效消滅新冠病毒。

(3)新冠疫情期間開放的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)臨時封堵，以防止病毒進入生態(tài)系統(tǒng)污染地下水，且盡可能減少曝氣裝置的開啟。所產(chǎn)生的剩余污泥以及更換的填料應(yīng)當集中密封消毒。減小氯進入生化系統(tǒng)對脫氮除磷效果的影響，必要時可外加碳源和除磷劑。

4.2 展 望

(1)新冠疫情發(fā)生以來，農(nóng)村污水處理暴露出嚴重不足，應(yīng)當逐漸完善農(nóng)村居民的生活、生產(chǎn)以及養(yǎng)殖的功能分區(qū)，從而有效隔離生活與非生活區(qū)，減小居民與新冠病毒接觸的機會。

(2)應(yīng)針對新冠疫情期間農(nóng)村污水處理的短板設(shè)立配套的消毒設(shè)施，條件有限的區(qū)域應(yīng)配有臨時消毒裝置。農(nóng)村污水處理設(shè)施應(yīng)盡可能趨于一體化，形成獨立封閉的處理單元，減少污水與管理人員的接觸，同時出臺相關(guān)的污水應(yīng)急方案和污泥處置應(yīng)急政策，加強農(nóng)民對防控處理措施的認識。

(3)新冠疫情期間，居民大量使用含氯消毒劑，必然會對污水處理的生化系統(tǒng)造成影響，因而今后應(yīng)對氯是如何影響污泥或生物膜的物化指標以及微生物的群落分布等問題進行深入研究。采用次氯酸鈉消毒，如何根據(jù)出水氨氮濃度確定其投加量也是今后的研究重點之一。