適宜農(nóng)村供水的次氯酸鈣消毒技術(shù)及設(shè)備

鄢元波，賈燕南，丁昆侖，孫文海，沈煜康，謝 薇(1.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100048； 2.國家節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心(北京)，北京 100048； .廣西綠康環(huán)保有限公司，南寧 50001)

0 引 言

“十三五”農(nóng)村飲水鞏固提升建設(shè)對先進適宜的消毒技術(shù)及設(shè)備需求巨大。盡管近年來，二氧化氯發(fā)生器在農(nóng)村供水中應用范圍最廣，但有關(guān)調(diào)研顯示由于設(shè)備質(zhì)量良莠不齊，多數(shù)工程中實際運行效果欠佳[1]。在各種常見消毒方法中，氯消毒仍然是技術(shù)最成熟、檢測最容易、運行成本低且持續(xù)消毒效果好的消毒方法[2]。在氯消毒的多種應用形式中，液氯存儲、運輸安全性差，次氯酸鈉發(fā)生器設(shè)備結(jié)構(gòu)及管理相對復雜，成品次氯酸鈉溶液運輸不易[3]，而次氯酸鈣固體消毒劑可能更適宜農(nóng)村供水特別是農(nóng)村中小型供水工程使用。但是，傳統(tǒng)次氯酸鈣即漂白粉的有效氯含量低、沉渣多，藥劑配制及投加需要人工操作，使用不方便，在飲用水消毒中已逐漸被其他消毒方式替代[4]。

本文將介紹克服了上述缺點的2種不同固體形態(tài)的次氯酸鈣消毒劑及其加藥裝置，包括其技術(shù)特點、工作原理、工程應用情況及運行效果，并對運行成本進行簡要分析，以期為農(nóng)村供水工程選擇適宜的消毒技術(shù)及設(shè)備提供參考。

1 次氯酸鈣消毒劑及投加設(shè)備

1.1 次氯酸鈣消毒劑特點

次氯酸鈣消毒劑是將固體次氯酸鈣粉末與阻垢劑等其他物質(zhì)混合后，黏結(jié)壓制成片狀、塊狀、餅狀等不同固體形態(tài)的消毒劑，一般有效氯含量為55%～70%。其主要特點如下[5,6]：①對水體中常見致病菌都有滅活作用；②具有持續(xù)消毒效果，投加進水體后，余氯持續(xù)時間長，可防止由微生物在管網(wǎng)中繁殖造成的二次污染；③次氯酸鈣是固體消毒劑，便于運輸和儲存，保存周期長，使用和操作安全性和方便程度更高；④次氯酸鈣溶解進入水體后的發(fā)生水解反應，有效消毒成分是次氯酸，消毒劑余量檢測容易；⑤消毒過程中可能會產(chǎn)生三鹵甲烷和鹵乙酸等有機鹵代消毒副產(chǎn)物，需要控制適宜的投加量。

1.2 次氯酸鈣片劑及比流式自動變量投加設(shè)備

次氯酸鈣片劑外觀為枕形，每片尺寸為3.75 cm×2.25 cm×1.5 cm，每片質(zhì)量為7 g，有效氯為65%～70%，水廠消毒時可配合比流式自動變量投加系統(tǒng)使用。

比流式自動變量投加系統(tǒng)由次氯酸鈣加藥器、流量計、控制器和變頻計量泵組成。其中次氯酸鈣加藥器分為上下2層：上層為儲藥籃，由頂蓋處添加并儲存次氯酸鈣片劑，儲藥籃底部為網(wǎng)格；下層為次氯酸鈣溶液儲存箱。使用時將次氯酸鈣片劑置于加藥器上層，噴淋泵帶動進水水流通過水波噴頭噴水溶解網(wǎng)格上部的次氯酸鈣片劑，溶解后的次氯酸鈣溶液有效氯濃度穩(wěn)定在1.1%～1.7%，并通過網(wǎng)格側(cè)面出口進入下層次氯酸鈣溶液儲存箱[4]，工作原理如圖1所示。比流式自動變量投加系統(tǒng)控制過程如圖2所示：用戶通過控制器設(shè)定單位體積待處理水的次氯酸鈣溶液投加量，安裝在清水池進水管道上的流量計在線監(jiān)測流量的變化，并將信號傳送給控制器，計量泵根據(jù)控制器輸入信號自動調(diào)節(jié)控制次氯酸鈣藥液儲存箱中的消毒液向清水池進水管道中的投加量，保證清水池進水中余氯的穩(wěn)定。

圖1 次氯酸鈣加藥器工作原理Fig.1 Working principles of calcium hypochlorite dosing device

圖2 比流式次氯酸鈣自動變量投加設(shè)備控制過程Fig.2 Controlling process of the fixed-ratio automatic variable calcium hypochlorite dosing equipment

1.3 次氯酸鈣餅劑及簡易浸泡式變量投加裝置

次氯酸鈣餅劑外觀為餅形，直徑為60～75 mm，每片質(zhì)量為160～200 g，有效氯為55%～65%，水廠消毒時可配合簡易浸泡式次氯酸鈣投加裝置使用。

簡易浸泡式次氯酸鈣投加裝置的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。其工作原理為：裝置配備有2個或多個帶孔的溶藥罐，當動力水從裝置進水口流入后首先進入溶藥罐，在壓力作用下可進入溶藥罐與內(nèi)膽之間的氣腔，因溶藥罐內(nèi)膽上有小孔，氣腔中的水可與內(nèi)膽中的次氯酸鈣餅劑接觸使其溶解，形成較高濃度的次氯酸鈣溶液，而后依靠管道壓力或重力投加進入水體。裝置的工作過程如圖4所示：裝置安裝在入清水池管線的動力水支路上，在進水水量增大時，氣腔內(nèi)水面升高，空氣受壓縮程度變大，溶藥罐上與水接觸的小孔數(shù)量增多，溶解進入水中的次氯酸鈣更多，通過這一過程可粗略實現(xiàn)次氯酸鈣投加量隨處理水量變化而自動調(diào)整，即變量投加。裝置后端的流量計可調(diào)節(jié)動力水支路的流量以控制裝置進水的壓力，單向閥可防止動力水停止時次氯酸鈣溶液從出水口倒流進入裝置[7]。

圖3 簡易浸泡式次氯酸鈣投加設(shè)備外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Internal and external structure of the simple soaked variable dosing device 注：1-密封蓋；2-投藥口；3-流量計；4-進水口；5-出水口；6-次氯酸鈣餅劑；7-溶藥罐；8-溶藥罐內(nèi)膽；9-內(nèi)膽上的小孔；10-氣腔；11-連接管；12-直管；13-單向閥。

圖4 簡易浸泡式次氯酸鈣變量投加裝置工作過程Fig.4 Working process of the simple soaked variable dosing device

2 工程應用及效果

2.1 試點工程介紹

(1)比流式自動變量投加設(shè)備試點工程。比流式自動變量投加設(shè)備的試點工程位于西南山丘區(qū)?；厩闆r為：設(shè)計供水規(guī)模為600 m3/d，用水人口約3 400人。水源為水廠10 km外山泉水，水源水質(zhì)指標中濁度及總大腸菌群超標，耗氧量CODMn為2.16 mg/L。水源水經(jīng)管道重力引流至水廠，經(jīng)一體化凈水器(最大處理量30 m3/h)處理后進入清水池(容積為300 m3)。比流式次氯酸鈣自動變量投加設(shè)備安裝在清水池前，將次氯酸鈣片劑溶解后形成的消毒液投加再入清水池前管線上，在清水池內(nèi)接觸消毒。消毒后的清水池出水依靠重力自流進入管網(wǎng)輸送至各用水戶，管網(wǎng)末梢距離水廠約10 km。

(2)簡易浸泡式變量投加裝置試點工程。簡易浸泡式變量投加裝置的試點建于西南山丘區(qū)某單村供水工程，屬于二次供水消毒。工程基本情況為：水源采用Ⅲ型供水工程出水，該Ⅲ型供水工程采用二氧化氯消毒，出廠水經(jīng)約17 km管道重力傳輸至儲水池中，經(jīng)在儲水池停留衰減，出水口二氧化氯已無法檢出，之后再用泵傳輸至山頂水塔中，依靠重力自流進入管網(wǎng)輸送至各用水戶，管網(wǎng)末梢距離水塔約2 km；此二次供水設(shè)計供水規(guī)模為300 m3/d，用水人口約1 600人。簡易浸泡式變量投加裝置安裝山頂水塔(容積為100 m3)前端，將次氯酸鈣餅劑與水接觸后形成的消毒液投加進入水塔，在水塔內(nèi)接觸消毒。

2.2 運行效果監(jiān)測方法

通過前期調(diào)試，確定比流式自動變量投加設(shè)備的適宜次氯酸鈣藥液投加量為0.024 L/m3；通過調(diào)整簡易浸泡式變量投加裝置后端的流量計，使水塔出口的余氯濃度大致穩(wěn)定在0.3～0.4 mg/L。2種投加設(shè)備各穩(wěn)定運行1 d后，開展連續(xù)32 h運行效果連續(xù)監(jiān)測，即在32 h監(jiān)測時間段內(nèi)每間隔若干小時，測定出廠水和管網(wǎng)末梢水的余氯，同時取樣檢測總大腸菌群，共7個取樣檢測時間點；在10、24、32 h這3個時間點分別測定出廠水和管網(wǎng)末梢水的消毒副產(chǎn)物(包括三鹵甲烷、二氯乙酸和三氯乙酸)。

采用便攜式多參數(shù)比色計通過DPD比色法現(xiàn)場檢測余氯指標，其他水質(zhì)指標檢測所需水樣的采集依據(jù)《生活飲用水標準檢驗方法——水樣的采集與保存》(GB/T 5750.2-2006)執(zhí)行，測定方法參照《生活飲用水標準檢驗方法》(GB/T5750-2006)執(zhí)行。

2.3 監(jiān)測結(jié)果

(1)消毒劑余量。圖5(a)和圖5(b)分別給出了比流式次氯酸鈣自動變量投加設(shè)備、簡易浸泡式次氯酸鈣變量投加裝置試點工程，在連續(xù)32 h運行效果監(jiān)測時間段內(nèi)，出廠水和管網(wǎng)末梢水余氯值的變化情況。由圖5(a)可看出，比流式投加設(shè)備試點工程出廠水余氯波動范圍為0.26～0.38 mg/L，中值為0.32 mg/L，波動范圍為±18.75%；末梢水波動范圍為0.11～0.16 mg/L，中值為0.135 mg/L，波動范圍為±18.52%。由圖5(b)可看出，簡易浸泡式投加裝置試點工程出廠水余氯波動范圍為0.28～0.42 mg/L，中值為0.35 mg/L，波動范圍為±20.00%；末梢水波動范圍為0.07～0.16 mg/L，中值為0.11 mg/L，波動范圍為±39.13%。

圖5 試點工程出廠水及管網(wǎng)末梢水余氯隨時間的變化Fig.5 Changes of residual chlorine concentration of various sampling point with the time in the two pilot projects

由圖5結(jié)果可知，在32 h連續(xù)監(jiān)測時間內(nèi)，2種次氯酸鈣變量投加設(shè)備都基本能使試點工程出廠水和管網(wǎng)末梢水的余氯值符合生活飲用水衛(wèi)生標準(GB5749-2006)的要求。隨供水時段不同，供水流量不斷變化，比流式自動變量投加設(shè)備比簡易浸泡式變量投加裝置的出廠水和管網(wǎng)末梢水余氯值波動范圍小，即前者投加次氯酸鈣的穩(wěn)定性好于后者。

(2)總大腸菌群。在32 h時間段內(nèi)的0、5、10、15、24、29、32 h和0、4、10、14、24、28、32 h分別取樣檢測2處試點工程的出廠水和管網(wǎng)末梢水的總大腸菌群，結(jié)果全部為未檢出。說明2種次氯酸鈣消毒劑及投加設(shè)備對病原微生物的殺滅效果較好，能夠保證出廠水和管網(wǎng)末梢水的微生物安全性。

(3)消毒副產(chǎn)物。在32 h時間段內(nèi)的10、24、32 h分別取樣檢測2處試點工程的出廠水和管網(wǎng)末梢水的消毒副產(chǎn)物，結(jié)果如表1所示。由表1可知，2處試點工程出廠水和管網(wǎng)末梢水三鹵甲烷含量均在1.00 mg/L以下，二氯乙酸濃度均遠低于0.05 mg/L，三氯乙酸濃度均遠低于0.1 mg/L，符合GB5749的要求。另外，相對于二氯乙酸和三氯乙酸，三鹵甲烷離標準規(guī)定限制更近，即在消毒劑投加量控制不當情況下，三鹵甲烷可能更易超標。

表1 試點工程出廠水和管網(wǎng)末梢水中消毒副產(chǎn)物的變化 mg/LTab.1 Changes of disinfection by-products of various sampling point with the time in the two pilot projects

注：“-”表示未檢出；a列為比流式次氯酸鈣自動變量投加設(shè)備試點工程的檢測結(jié)果；b列為簡易浸泡式次氯酸鈣變量投加裝置試點工程的檢測結(jié)果。

3 運行成本

3.1 理論運行成本分析

(1)比流式自動變量投加設(shè)備運行成本核算。比流式自動變量投加設(shè)備的運行成本(R比)包括次氯酸鈉片劑費用(R1)及電費(R2)，計算公式如下：

(1)

式中：R1為消毒單位體積水所花費的次氯酸鈣劑費用，元/m3；R2為消毒單位體積飲用水所耗的電費，元/m3；y1為次氯酸鈣片劑價格，根據(jù)市場調(diào)研為20元/kg；ρ為次氯酸鈣溶液儲存箱中溶液的質(zhì)量濃度，取1.1 kg/L；q為單位水量的次氯酸鈣溶液投加流量，在計算時取0.024 L/m3；W1為次氯酸鈣消毒劑溶液中有效氯含量，取1.4%；W2為次氯酸鈣片劑中有效氯含量，取65%；y2為電價，取0.5 元/kWh；P為噴淋泵、計量投加泵等電器的總功率，取0.5 kW；Q為比流式自動變量投加設(shè)備的水處理流量，為25 m3/h。

以600 m3/d的工程為例進行成本核算，根據(jù)式(1)可計算出R比為0.023 元/m3。

(2)簡易浸泡式變量投加裝置運行成本核算。簡易浸泡式變量投加裝置的運行成本(R浸)僅包括次氯酸鈉餅劑的費用，計算公式如下：

(2)

式中：y3為次氯酸鈣餅劑價格，根據(jù)市場調(diào)研為10 元/kg；A為單位處理水量的有效氯投加量，根據(jù)相關(guān)研究，取0.8×10-3kg/m3；W3為次氯酸鈣餅劑中有效氯含量，取55%。

以300 m3/d的工程為例進行成本核算，根據(jù)式(2)可計算出R浸為0.015 元/m3。

3.2 試點工程實際運行成本

在2014年11月19日至2015年6月25的218 d內(nèi)對2種變量投加設(shè)備試點工程的耗藥量(M)、電耗(W)和實際供水量(G)進行了監(jiān)測，根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算出的試點工程實際運行成本(C)如表2所示。

表2 試點工程實際運行成本觀測Tab.2 Operating costs observation of the two pilot projects

由表2可知，比流式自動變量投加設(shè)備試點工程的實際運行成本略低于理論計算運行成本，而簡易浸泡式變量投加裝置的實際運行成本與理論計算值基本一致。前者實際運行成本低的原因可能是次氯酸鈣加藥器的噴淋泵及投加計量泵并非24h連續(xù)工作，且由于原水水質(zhì)較好，供水工程在實際運行過程中需要的次氯酸鈣溶液投加量低于預估的0.024 L/m3。

4 結(jié)論與建議

本文介紹了適宜農(nóng)村供水的次氯酸鈣消毒技術(shù)及設(shè)備(裝置)，包括次氯酸鈣片劑及比流式次氯酸鈣自動變量投加設(shè)備，次氯酸鈣餅劑及簡易浸泡式次氯酸鈣變量投加裝置。將2種設(shè)備(裝置)分別安裝在農(nóng)村供水工程并運行，連續(xù)32 h監(jiān)測結(jié)果表明：前者能夠?qū)崿F(xiàn)定比投加，確保在單位水體中投加設(shè)定體積的次氯酸鈣溶液，出廠水和管網(wǎng)末梢水的余氯值波動范圍在±20%以內(nèi)；后者出廠水和末梢水的余氯值波動范圍比前者大，但也可粗略實現(xiàn)次氯酸鈣投加量隨處理水量變化而自動調(diào)整。2處試點工程的總大腸菌群及三鹵甲烷、二氯乙酸、三氯乙酸3種消毒副產(chǎn)物指標均符合GB5749的要求。經(jīng)理論分析及試點工程實際觀測，2種投加設(shè)備(裝置)的運行成本都比較低，均在0.025元/m3以下。

綜上所述，2種次氯酸鈣投加設(shè)備(裝置)運行效果穩(wěn)定可靠，消毒效果達標，且運行成本低，在農(nóng)村供水工程中具有較大推廣價值。另外，根據(jù)2處試點工程的實際耗藥量可反算出其實際有效氯投加量分別為0.37和0.77 mg/L，這可能是由于2處試點工程的供水規(guī)模、原水水質(zhì)、供水管網(wǎng)條件不同造成的。

比流式次氯酸鈣自動變量投加設(shè)備投加消毒劑穩(wěn)定性好、自動化程度高，但設(shè)備一次性投資較高，維護相對復雜，適合管理條件較好的適度規(guī)模農(nóng)村集中供水工程采用；簡易浸泡式次氯酸鈣變量投加裝置投加消毒劑穩(wěn)定性相對 較差，但設(shè)備一次性投資低，維護簡便，適合管理條件相對較差的農(nóng)村小型集中或分散供水工程采用。

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