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美國給水凈水處理方面的動向

時間:2019-05-23 19:01??來源:未知 ??作者:BEYOKozone ??點擊:
      摘要:一般凈水設施的設計,直到十五年以前,還是由土木工程師按照現有基本的模式進行設計,沒看到有顯著的變化。由于對殺菌處理隨之而產生的副生成物致癌性的恐懼,美國的環境保護局在進行飲用水的水質容許標準大幅修正的同時,將殺菌劑、殺菌處理的標準、懷疑有致癌性物質的量的限制,濾后水濁度的降低,以及為防止給水管腐蝕的水質調整等,也規定為對公共給水系統應做的工作。因而滿足這些條件的凈水處理系統和與其相配合的計量儀表設備及凈水管理是必要的,也需要將化學、化學工程學、微生物學、計量儀表工程學等廣泛領域的專業知識加入到土木工程學系中去。
      主題詞:美國環境保護局、安全飲用水法、深度凈水處理、三鹵代甲烷、防止腐蝕
 
      在近二十年間,美國給水界關于凈水處理的想法和設計標準的變動,是相當頻繁的。成為這個動向直接動機的是美國環保局在1974年報告書中發表的關于新奧爾良市在凈水中發現66種致癌的有機物質的警告。
      從六十年代中期到七十年代后半期,直接過濾的凈水方式,在原水水質好的情況下很多被采用,美國供水協會在每年的年會中也有很多這方面的報告。但在各州的健康保健單位(Department of Health Service簡稱DHS)可以說幾乎不許可采用這種方式,其理由是因為在1989年頒布的地表水處理規則(SWTR),指定凈水處理的可靠性不足。水處理的可靠性必須由多段處理實現,才是美國在凈水處理法方面的基本方針。
       首要的問題是伴隨著殺菌處理產生有機和無機的致癌性的副生成物事件。從1980年初到中期,認為除臭氧處理外沒有解決這個問題的手段的想法強烈,到1990年后半期也有人在學會刊物上發表文章說將有90%以上的凈水廠進行臭氧處理。但是,其后因為在臭氧處理下檢出了致癌性物質,所以如不是在特別的條件下,對在原有凈水廠或新建凈水廠,增加臭氧處理問題猶疑不決。主要理由是臭氧處理產生致癌性的副產物,特別是溴酸鹽(Bromate)的容許濃度有極低的可能性。
      因此,在適應地表水處理規則的情況下選定凈水方式時,選擇既能充分的殺菌處理又要考慮致癌性的副產物為極少的殺菌法和氧化處理劑是重要的。
      美國環境保護局要求對給水處理至少有三個要點:凈水濁度為0.5NTU;消毒應滿足規定的CT值;(C—剩余消毒劑濃度:mg/l;T——消毒接觸時間:min)。而且消毒產生的致癌性副產物的限界值按如下值所示:
      關于副生成物的種類和數量,在目前只能規定三鹵代甲烷,在0.1mg/l下。三鹵甲烷含有三溴甲烷(溴仿)、二溴氯代甲烷、溴甲叉二氯、三氯甲烷(氯仿)等四類物質。目前,美國環境保護局將于1996年12月,對下列物質的容許值預定為:
      三鹵代甲烷:0.08mg/l
      溴乙酸:0.06mg/l
      溴酸鹽:0.01mg/l
      氯 酸:1.0mg/l
      作者得到參觀日本大城市凈水廠的機會,并學到很多東西,同時也知道了一些知之甚少的關于美國在凈水處理方面的動向。因此想介紹一下如題目所寫的內容。
 
1、地表水處理規程(SWTR)
      根據1986年生效的安全飲用水法,在1989年地表水處理規程建立了關于施工的公共給水設施的基本方針。
      其中首要的是,以地表水做水源的情況除特例外,必須進行過濾和殺菌處理。然而,地表水的定義是指流經地面的表流水和水面與大氣接觸的所有貯留水。因此,河流、湖泊、水庫全是地表水。即使是淺井水、泉水、伏流水那樣的地下水,但有可能因地表或地層內的病原菌而污染的水源,也被視為地表水。
      地表水處理規程的主要指針項目,在目前有下列五項:
      ①殺菌處理標準;
      ②殺菌處理產生的副產物規定;
      ③從配水系統采取水樣次數規定;
      ④配水系統考慮金屬管道防腐蝕措施;
      ⑤提高對凈水廠處理的可靠性。
      因美國國土廣大,故各州的地表水處理規程均有其地方特性,例如應考慮氣候條件、水源的水質特性等而決定通用于各州的凈水設施和飲用水的水質標準。因此各州的標準與美國環保局的地表水處理規程及水質標準多少有差別,只要是在這個州工作就必須服從這個州長的基準。
1.1 殺菌處理標準
      根據美國地表水處理規程,在凈水處理過程中,必須要殺死或除去99.9%(3Log)的腸蘭伯氏鞭毛蟲包囊及99.99%(4Log)的病毒。至于僅靠殺菌處理,能殺減百分之多少,那要根據凈水處理的型式而定。表-1所示為美國環保局的標準。此表上所謂快速過濾處理,是由混凝、沉淀、快濾構成的處理方式,所謂直接過濾是指,從快速過濾處理中減掉沉淀的處理方式。因此,在進行一般的快速過濾處理的凈水場,在殺菌處理階段,必需要殺減0.5log的腸蘭伯氏鞭毛蟲和2log的病毒那樣的凈水場設計和凈水管理。但是,如果因凈水廠的設計和管理不充分,而使過濾的前處理不充分,以其州的保健單位(DHS)評價的場合,在殺菌處理過程,需要殺減1.0log的腸蘭伯氏鞭毛蟲和3.0log的病毒。保健單位(DHS)是每年一次對各凈水場進行抽查。大腸菌和一般細菌沒有在表-1上列出是因為在能夠殺減腸蘭伯氏鞭毛蟲和病毒的條件下,這些細菌是不能存活的。然而隱子囊孢子(Cyptosporidium)對殺菌處理的抵抗力增強的情況引人注目。
表1   殺菌處理需要的除去率和凈水處理方式
凈水方式 由凈水處理的平均去率(Log) 用殺菌處理需要的除去率(Log)
腸蘭伯氏鞭毛蟲 病毒 腸蘭伯氏鞭毛蟲 病毒
快速過濾處理 2.5 2.0 0.5 2.0
直接過濾處理 2.0 1.0 1.0 3.0
慢速過濾處理 2.0 2.0 1.0 2.0
硅藻土過濾處理 2.0 1.0 1.0 3.0
      至于說用殺菌處理在哪種條件下可否達到必要的去除率,需要由消毒劑的水中剩余濃度C(mg/l)和其接觸時間T(min)的乘積CT值在一定的水溫和PH值的條件下保持某一定值以上。其值如表-2、3、4所示。
表2   0.5Log(68%)的腸蘭伯氏鞭毛蟲去除率的CT值
殺菌劑 PH 水       溫
0.5℃ 5℃ 10℃ 15℃ 20℃ 25℃
游離余氯* 6 25 18 13 9 7 4
7 35 25 19 13 9 6
8 51 36 27 18 14 9
9 73 52 39 26 20 13
臭 氧 6-9 0.48 0.32 0.23 0.16 0.12 0.08
二氧化氯 6-9 10 4.3 4 3.2 2.5 2
氯 胺 6-9 635 365 310 250 185 125
*此表僅為游離余氯為1.0mg/l時的CT值

表3   1.0Log(90%)的腸蘭伯氏鞭毛蟲去除率的CT值
殺菌劑 PH 水       溫
0.5℃ 5℃ 10℃ 15℃ 20℃ 25℃
游離余氯* 6 49 35 26 18 13 9
7 70 50 37 25 19 12
8 101 72 54 36 27 18
9 146 104 78 52 39 26
臭 氧 6-9 0.97 0.63 0.48 0.32 0.24 0.16
二氧化氯 6-9 21 8.7 7.7 6.3 5 3.7
氯 胺 6-9 1270 735 615 500 370 250
*此表僅為游離余氯為1.0mg/l時的CT值

表4   2.0-4.0Log的病毒除去率的CT值
殺菌劑 Log*
去除率
水       溫
0.5℃ 5℃ 10℃ 15℃ 20℃ 25℃
游離余氯* 2.0 6 4 3 2 1 1
3.0 9 6 4 3 2 1
4.0 12 8 6 4 3 2
臭 氧 2.0 0.9 0.6 0.5 0.3 0.25 0.15
3.0 1.4 0.9 0.8 0.5 0.4 0.25
4.0 1.8 1.2 1.0 0.6 0.5 0.3
二氧化氯 2.0 8.4 5.6 4.2 2.8 2.1 1.4
3.0 25.6 17.1 12.8 8.6 6.4 4.3
4.0 50.1 33.4 25.1 16.7 12.5 8.4
氯 胺 2.0 1243 857 643 428 321 214
3.0 2063 1423 1067 712 534 356
4.0 2883 1988 1491 994 746 496
紫外線
(mw·sec/cm)
2.0 21 紫外線的殺菌效果與水溫無關
3.0 36
*此表的log去除率適用于PH值在6~9的范圍內
      計算CT值必要的接觸時間T,在管路的場合,于幾乎沒有水流短路的情況下充許使用以大時間流量計算的停留時間??墒窃跊]有設置有效的阻流墻的清水池的情況,由于水流短路是顯著的,是否使用計算停留時間的10%的值,要進行示蹤物實驗,由實驗結果實際的流過時間決定。示蹤物實驗對決定設有導流壁水箱的設計,以防止水流短路的清水池等的停留時間T明顯的有利。在這種場合也是在壞條件下的停留時間,亦即清水池在水位低、大流量流進來的場合下必要作示蹤物實驗。
      示蹤物有氯化鋰和氟化鈉,特別是前者對人體沒有影響,在普通的水中幾乎不含有氯化鋰,而且示蹤物本身也難于形成短路,故美國環保局許可使用。
      隨著CT標準而規定的是凈水濁度和大腸菌(Coliform)。凈水濁度一個月間的連續濁度測定值的95%以上在0.5NTU以下,濁度不能超過5NTU的規定。這是基于不在此規定內對存在于構成濁度物質粒子中的微生物有殺菌劑不起作用的可能性。凈水濁度的測定,只要不是小規模的凈水廠連續測定是必要的。同時,各州多在各個過濾方法中的出水管上設置濁度計進行連續測定。對大腸菌,首先進行使用5支或10支試驗管的推定試驗之后,再進行和以前同樣方法的確定試驗。然而美國環保局指示從1992年9月實施推定試驗的結果,不以推定值(MPN)表示而只報告陽性或者陰性。與以前的細菌試驗相比,簡單的在24小時后判定結果的克里拉特法,美國環保廳從1992年6月正式認可。
      給出表-2,-3,-4的使用例,說明怎樣利用這些表。
      首先設定以下各條件:
      ①凈水處理方式:混凝、沉淀、過濾、消毒的標準快速過濾法;
      ②高和低水溫:25℃、5℃;
      ③凈水的PH:PH7.0;
      ④殺菌處理法:在清水池內進行的游離余氯殺菌法;
      ⑤清水池計算的停留時間(滿水時):3小時。(基于設計流量)
      問題:夏季和冬季必要的游離剩余氯的計算。
      美國環保局指示,在整個處理過程中,對腸蘭伯低鞭毛蟲要去除到3Log,對病毒要去除到4Log,然而用上述的標準快速過濾法的凈水場,充其量能完成的處理效果,可認為是腸蘭伯氏鞭毛蟲的去除率是2.5Log、病毒的去除率是2Log,因此,表1所示的殺菌處理過程中,必要去除腸蘭伯氏鞭毛蟲0.5Log和去除病毒2Log。
清水池的停留時間,如壞情況,假定水位下降三分之一,在夏季是1小時,在冬季,用水因是處理水量的一半為2小時。但是在表-2所示CT中的T(min),只要承認計算值的10%,在夏季是6min,在冬季為12min。對腸蘭伯氏鞭毛蟲的CT值,由于PH值為7,水溫為5℃情況下CT值是25,PH為7,水溫為25℃的情況下是6,所以剩余氯的必要量在冬季是25/12=2.1mg/l,在夏季是6/6=1mg/l。
同樣對于病毒表-4示出的CT值,冬季是4,夏季是1,所以剩余氯的必要量,在冬季是0.33mg/l,在夏季是0.17mg/l。
不言而喻殺滅腸蘭伯氏鞭毛蟲必要的和剩余氯濃度,就成為實際的殺菌處理條件。
冬季2.4mg/l的剩余氯是過多的,如擔心市民有不滿的意見,可在清水池內設導流
(責任編輯:BEYOKozone)
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