農(nóng)村飲水安全消毒集成技術(shù)研究及應(yīng)用前景分析

賈燕南 楊繼富 趙 翠

研究背景

《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》（SL 310—2004）等標(biāo)準(zhǔn)對生活飲用水必須消毒做出了強制性規(guī)定。截至“十一五”期末，全國建設(shè)了52.5萬處集中式供水工程，“十二五”期間規(guī)劃建設(shè)22.5萬處集中式供水工程和為數(shù)更多的分散式供水工程?？傮w來看，由于觀念、技術(shù)、設(shè)備、管理等方面的原因，消毒一直是農(nóng)村供水的薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)前農(nóng)村飲水安全消毒存在的主要問題是：①認(rèn)識不到位，部分工程無消毒設(shè)備，或有消毒設(shè)備不用；②現(xiàn)用消毒設(shè)備技術(shù)問題，如原料轉(zhuǎn)化率低、性能不穩(wěn)定、消毒劑投加量不準(zhǔn)或難以控制等；③工程設(shè)計不合理，如清水池過大、投加方式有誤、不能保證足夠的接觸時間等；④消毒設(shè)備運行環(huán)境條件不配套，水處理不合格，沒有規(guī)范的消毒間和冬季保溫設(shè)施，缺乏對消毒劑余量及微生物指標(biāo)的日常檢測；⑤運行管理與服務(wù)保障薄弱，操作人員不專業(yè)，行業(yè)監(jiān)管和技術(shù)培訓(xùn)不到位，消毒原料采購渠道不暢等。根據(jù)衛(wèi)生部門水質(zhì)抽查檢測結(jié)果，影響農(nóng)村供水水質(zhì)合格率的主要原因之一是微生物指標(biāo)超標(biāo)，迫切需要研發(fā)和推廣應(yīng)用適宜農(nóng)村供水特點的消毒技術(shù)和設(shè)備。

農(nóng)村供水常用消毒方法及其原理和特點

農(nóng)村供水中最常用的消毒方法包括氯的化合物消毒、二氧化氯消毒、紫外線消毒及臭氧消毒等。

（1）氯的化合物消毒：目前主要采用次氯酸鈉和漂白粉等，其有效消毒成分是水解形成的次氯酸，具有強氧化性，使菌體和病毒的蛋白質(zhì)變性，使病原微生物致死。次氯酸鈉消毒的特點：一般采用次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備，其原料食鹽安全易得，運行成本低，有持續(xù)消毒效果，檢測容易，安全性較高，但運行操作相對復(fù)雜。如當(dāng)?shù)乜少彽么温人徕c溶液，可采取直接投加次氯酸鈉溶液的方式，更加簡單可靠。以次氯酸鈣為有效成分的消毒劑包括漂白粉、漂粉精等，特點是運輸及儲存方便，但溶解較困難，消毒后會留下一層白色沉淀物而影響觀感，產(chǎn)生廢渣多；需用人工方式進(jìn)行投藥，投加量不易控制。

（2）二氧化氯消毒：具有極強氧化性的分子態(tài)二氧化氯，使菌體和病毒的蛋白質(zhì)變性，使病原微生物致死。二氧化氯消毒的特點：主要通過二氧化氯發(fā)生器現(xiàn)場制備，具有強氧化性和持續(xù)消毒效果，運行操作簡便，但原料不易采購，運行成本（藥劑費）較高，安全性相對較差，且其檢測比氯的化合物消毒要復(fù)雜。

（3）紫外線及臭氧消毒：紫外線消毒原理為通過紫外線照射破壞水中病毒、細(xì)菌和其他微生物的遺傳物質(zhì)DNA，使其失去活性無法復(fù)制再生。臭氧消毒原理為臭氧能直接氧化各種酶和蛋白質(zhì)，阻礙代謝過程，破壞有機體鏈狀結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致細(xì)菌或病毒死亡。紫外線及臭氧消毒的特點：不需購置原料，運行操作簡便，但對原水水質(zhì)有較高要求，持續(xù)消毒效果差，僅適用于供水管網(wǎng)較短的小規(guī)模農(nóng)村供水工程，且耗電較高，消毒效果不易檢測。

科技支撐、科技推廣等項目成果及創(chuàng)新情況

近年，中國水利水電科學(xué)研究院主持承擔(dān)了“十一五”國家科技支撐計劃課題“農(nóng)村安全供水消毒技術(shù)與裝置開發(fā)”和“十二五”國家科技支撐計劃課題“村鎮(zhèn)飲用水消毒及水質(zhì)檢測技術(shù)研究”、水利部科技推廣計劃重點項目“農(nóng)村飲水安全消毒集成技術(shù)的推廣應(yīng)用”等相關(guān)課題，重點開展了次氯酸鈉、二氧化氯、紫外線、臭氧和緩釋消毒劑等實用性消毒技術(shù)研究、裝置開發(fā)、示范工程建設(shè)與運行效果監(jiān)測等工作。研究形成了適合農(nóng)村供水特點的成套消毒技術(shù)，研發(fā)改進(jìn)了多種具有較強創(chuàng)新性的成套消毒設(shè)備及投加裝置，包括新型無隔膜法電解次氯酸鈉發(fā)生器、離子膜法電解次氯酸鈉發(fā)生器、新型二氧化氯消毒裝置及其投加系統(tǒng)等。

（1）適合農(nóng)村供水特點的成套消毒技術(shù)

研究編制了《農(nóng)村供水消毒技術(shù)要點》《農(nóng)村供水消毒技術(shù)培訓(xùn)教材》及《農(nóng)村供水消毒裝置操作管理規(guī)程》等；形成了適宜不同地區(qū)、不同類型農(nóng)村供水工程的消毒技術(shù)模式，包括消毒方法、設(shè)備要求、設(shè)計要點、檢測方法和管理措施等。

選擇農(nóng)村供水消毒技術(shù)，應(yīng)綜合考慮供水規(guī)模、水源水質(zhì)、管理條件、運行成本等因素，并注意選擇經(jīng)衛(wèi)生許可、認(rèn)證機構(gòu)評定合格的產(chǎn)品。具體建議：①次氯酸鈉消毒是穩(wěn)定成熟的消毒技術(shù)，建議在原水水質(zhì)較好，特別是有機物含量不高的條件下優(yōu)先采用，注意選購技術(shù)先進(jìn)、性能質(zhì)量可靠的次氯酸鈉發(fā)生器；如當(dāng)?shù)乜杉皶r供應(yīng)成品次氯酸鈉溶液，可采用次氯酸鈉溶液及其投加裝置。②化學(xué)法二氧化氯發(fā)生器適用于中小型農(nóng)村供水工程，其中高純型二氧化氯發(fā)生器比復(fù)合型二氧化氯發(fā)生器更適合；為保證消毒效果，建議由設(shè)備廠家推薦或提供可靠的消毒劑原料采購渠道。③小規(guī)模單村供水工程或分散供水工程，可優(yōu)先選購紫外線消毒設(shè)備；邊遠(yuǎn)山區(qū)、管理條件差的水廠，可優(yōu)先采用次氯酸鈣消毒劑及其投加裝置。④臭氧消毒適于原水溴離子濃度較低、pH較低、管網(wǎng)較短、采用塑料管材的單村供水工程，咸潮地區(qū)避免使用；選用臭氧消毒前，需對原水溴離子濃度進(jìn)行檢測。

（2）新型無隔膜法電解次氯酸鈉發(fā)生器

通過對傳統(tǒng)電解食鹽水產(chǎn)次氯酸鈉發(fā)生器的改進(jìn)，形成了耐腐蝕、抗結(jié)垢、操作簡單、維護(hù)工作量少的新型設(shè)備。主要創(chuàng)新點：①采用工程塑料降低成本，提高其耐腐蝕性能，延長使用壽命；②優(yōu)化了電解槽陰極材料，有效解決了傳統(tǒng)無隔膜法電解次氯酸鈉電解槽腐蝕、出黑水的問題；③采用循環(huán)水冷卻法降低電極溫度，顯著延長了電極使用壽命；④在進(jìn)電解液管道上安裝特殊除垢設(shè)備，減少結(jié)垢，提高發(fā)生器電解效率并延長了電極維護(hù)間隔；⑤優(yōu)化了電解槽結(jié)構(gòu)及極板連接方式，顯著降低了鹽耗及電耗，優(yōu)化后發(fā)生器鹽耗≤4.5kg/kg（有效氯），交流電耗≤6.5kWh/kg（有效氯）。該新型無隔膜法電解次氯酸鈉發(fā)生器以食鹽為原料，相比二氧化氯發(fā)生器以（亞）氯酸鈉和鹽酸為原料，更為安全和方便，且運行成本更低，更適宜農(nóng)村供水工程采用。如圖1所示，該設(shè)備由中國水利水電科學(xué)研究院和有關(guān)公司共同研發(fā)，已在四川、江西、重慶等地的農(nóng)村供水工程中應(yīng)用，效果良好。

（3）新型二氧化氯發(fā)生器及其變量自動投加系統(tǒng)

新型復(fù)合型二氧化氯消毒器，采用多級反應(yīng)，使鹽酸和氯酸鈉在不同溫度及酸度情況下分級反應(yīng)；改進(jìn)了換熱，提高了熱傳導(dǎo)效率和曝氣程度，有效降低副反應(yīng)，原料轉(zhuǎn)化率提高到80%以上，同時原料氯酸鈉和鹽酸消耗量分別降低12%以上，因此運行成本顯著降低；采用純化器進(jìn)行殘液分離，使進(jìn)入水體的副產(chǎn)物氯酸鹽及亞氯酸鹽大幅度減少；通過氣液分離，解決了氣、水混輸問題和多投加點分配問題，解決了二氧化氯浪費及散失造成的腐蝕問題；增加了氣液分離器，使水射器吸收與投加分離，避免投加引起的設(shè)備不穩(wěn)定。該設(shè)備由中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所和有關(guān)公司共同研制，已在山東等地的農(nóng)村供水工程中應(yīng)用。

針對高純型二氧化氯發(fā)生器，結(jié)合單井供水系統(tǒng)中無調(diào)節(jié)池、有低位清水池和高位清水池的3種情況，中國水利水電科學(xué)研究院研發(fā)了3套變量自動投加系統(tǒng)，其工藝原理如圖2所示。該系統(tǒng)由供水流量計、逆止閥、PLC控制箱和高純型二氧化氯發(fā)生器組成，在供水系統(tǒng)無調(diào)節(jié)池的條件下，不需單設(shè)加藥泵，選擇揚程高于供水壓力的計量泵即可。配備超聲波流量計或遠(yuǎn)傳機械表，根據(jù)流量信號控制計量泵頻率，變量投加程序需根據(jù)現(xiàn)場實測確定。對于有低位清水池的水廠，變量自動投加系統(tǒng)中需增加水射器；對于有高位清水池的水廠，變量自動投加系統(tǒng)需增加揚程高于供水壓力的計量泵。此外，建議規(guī)模較大的水廠在清水池的出水管上設(shè)二氧化氯在線檢測儀及報警系統(tǒng)。該變量自動投加系統(tǒng)，可根據(jù)供水流量自動調(diào)節(jié)二氧化氯投加量，實現(xiàn)定比例投加，在保證消毒效果的同時確保副產(chǎn)物（氯酸鹽、亞氯酸鹽）不超標(biāo)，實現(xiàn)安全供水，同時可降低原料消耗，節(jié)約運行成本。該項成果已在北京市郊區(qū)多處供水站中應(yīng)用，運行穩(wěn)定，效果良好。

應(yīng)用前景展望

從世界范圍看，飲水安全的首要風(fēng)險是微生物。在我國農(nóng)村飲水安全工作中，微生物指標(biāo)不合格是制約供水水質(zhì)合格率提高的首要因素，加強飲水安全消毒是改善農(nóng)村飲用水衛(wèi)生狀況的有效措施。中國水利水電科學(xué)研究院牽頭研發(fā)形成的農(nóng)村飲水安全消毒成套技術(shù)及設(shè)備，實現(xiàn)了多項技術(shù)創(chuàng)新，相關(guān)成果已在水利部科技推廣計劃重點項目“農(nóng)村飲水安全消毒集成技術(shù)的推廣應(yīng)用”中的6個示范縣示范應(yīng)用，具有技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定、安全可靠、管理方便等特點，取得了良好示范效果，為當(dāng)?shù)剡x擇和推廣消毒技術(shù)及設(shè)備提供了可靠依據(jù)和方法，保證了安全供水。上述成果如在全國推廣應(yīng)用，將有效促進(jìn)我國農(nóng)村供水工程消毒技術(shù)水平的提升，有效提高農(nóng)村供水水質(zhì)合格率，加快實現(xiàn)農(nóng)村安全供水。