二次供水系統(tǒng)中三種補(bǔ)充消毒工藝的比較

高 煒，朱慧峰，安 東

(1. 上海市自來(lái)水市北有限公司，上海 200086;2. 上海市供水調(diào)度監(jiān)測(cè)中心，上海 200002;3. 復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433)

上海二次供水設(shè)施中存在管理不善及水箱、水池設(shè)計(jì)不合理等問(wèn)題。如消防和生活用水合用導(dǎo)致水箱過(guò)大，水力停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成余氯衰減水質(zhì)惡化，密封不嚴(yán)造成二次污染等。上海市自來(lái)水市北有限公司對(duì)所轄100 多個(gè)水箱采樣點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)表明至少10%的水箱供水余氯較低，居民小區(qū)水箱和地下水池不同程度存在細(xì)菌學(xué)指標(biāo)(細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，直接影響用戶(hù)水質(zhì)［1，2］。改善二次供水消毒效果的手段主要有三個(gè):優(yōu)化水廠消毒劑投加量;改、擴(kuò)建二次供水設(shè)施;采用二次供水補(bǔ)充消毒方式。對(duì)于二次供水局部存在的微生物風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，可以選擇提高水廠消毒劑投加量，或改、擴(kuò)建管網(wǎng)，或二次供水設(shè)施改造三種方法。其中采用二次供水補(bǔ)充消毒是經(jīng)濟(jì)且高效的方法，既可以單獨(dú)采用，也可以配合水廠提高消毒劑投加量或改擴(kuò)建二次供水設(shè)施使用。二次供水補(bǔ)充消毒技術(shù)會(huì)提高飲用水安全性，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

以上海市二次供水水質(zhì)保障為研究目的，探討了紫外、臭氧和微電解三種補(bǔ)充消毒方式對(duì)二次供水進(jìn)行補(bǔ)充消毒的效果并開(kāi)展示范應(yīng)用研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Experimental Apparatus

試驗(yàn)裝置主要有循環(huán)水箱、靜置水箱和消毒設(shè)備組成，循環(huán)水箱設(shè)曝氣吹脫裝置，可根據(jù)試驗(yàn)需要調(diào)節(jié)余氯量，靜置水箱可考察不同停留時(shí)間微生物的生長(zhǎng)情況，消毒設(shè)備采用試驗(yàn)選擇的三種消毒方式，紫外消毒設(shè)備為管道式，臭氧和微電解消毒為水箱投加方式。水箱體積均為1.2 m3，進(jìn)水接上海市居民自來(lái)水，安裝出水循環(huán)和排放管路。

1.2 試驗(yàn)儀器和測(cè)定方法

紫外消毒設(shè)備由杭州漢山環(huán)保有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為HANSUV-3500，處理水量為2 t/h;臭氧設(shè)備由上?？堤丨h(huán)保有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為KT-OZ-20KG;微電解設(shè)備由上海艾晟特環(huán)保有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為AST-400，處理水量為2 ～10 t/h;HACH公司PCII 便攜式余氯分析儀測(cè)定余氧濃度;測(cè)定采用平皿計(jì)數(shù)法測(cè)定細(xì)菌總數(shù);其他儀器包括超凈操作臺(tái)蘇凈垂直式、恒溫培養(yǎng)箱BCD-50、冰箱HAIER-257SD 等。

2 結(jié)果與討論

2.1 二次供水紫外補(bǔ)充消毒

2.1.1 紫外照射時(shí)間

在低余氯水平(0.05 mg/L)時(shí)，紫外消毒前細(xì)菌總數(shù)為60 ～400 cfu/mL;水樣在零余氯時(shí)，細(xì)菌為1 ×103cfu/mL。這兩種情況下，均采用紫外照射進(jìn)行消毒，控制反應(yīng)器紫外劑量為60 mJ/cm2。由表1可知無(wú)論低余氯還是零余氯，紫外消毒時(shí)間控制在5 s 以上可保證全部去除細(xì)菌。經(jīng)紫外照射消毒后，水中余氯依然存在。

表1 不同余氯水質(zhì)所需紫外照射時(shí)間Tab.1 Required UV Irradiation Time of Different Residual Chlorine in Water

2.1.2 紫外照射功率

在零余氯的條件下，消毒前細(xì)菌總數(shù)控制為1 ×103cfu/mL 左右，紫外設(shè)備功率越大消毒效果越好，如圖2 所示。紫外功率為1 5 mJ/cm2時(shí)消毒效果不佳，在5 s 內(nèi)無(wú)法全部去除細(xì)菌;紫外功率為30 mJ/cm2時(shí)消毒效果略好，經(jīng)6 s 可全部去除細(xì)菌;45 ～60 mJ/cm2時(shí)功率紫外消毒效果接近，經(jīng)3 ～4 s 即可全部去除細(xì)菌。由圖2 可知不同紫外照射功率經(jīng)9 s接觸后，可以全部去除細(xì)菌。因此，可將消毒時(shí)間確定為9 s，紫外功率可控制在45 ～60 mJ/cm2。

圖2 紫外照射功率與消毒效果關(guān)系Fig. 2 Relationship between UV Irradiation Power and Disinfection Effect

2.1.3 紫外消毒設(shè)備安裝位置的選擇

圖3 為紫外消毒設(shè)備設(shè)置在二次供水水箱進(jìn)口端時(shí)的消毒效果。前述試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，紫外消毒設(shè)備放置在出口端，只要保證足夠的接觸時(shí)間(＞9 s)和功率(45 ～60 mJ/cm2)，即可保證全部去除二次供水過(guò)程中的細(xì)菌。

圖3 紫外消毒設(shè)備設(shè)置在水箱進(jìn)口端的消毒效果Fig. 3 Disinfection Effect of UV Apparatus Installed in Inlet of Water Tank

紫外消毒設(shè)備放置若設(shè)置在二次供水水箱的進(jìn)口端，控制紫外照射功率為60 mJ/cm2。設(shè)置余氯濃度分別為0.12、0.05 和0 mg/L 的條件。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)在水箱進(jìn)口端消毒，無(wú)論初始余氯濃度多少，水箱水可保持4 h，細(xì)菌總數(shù)保持在較低的水平，細(xì)菌總數(shù)低于100 cfu/mL;初始余氯濃度越高，水箱水細(xì)菌總數(shù)增長(zhǎng)越緩慢;經(jīng)紫外消毒后的水樣，放置在二次供水水箱中的時(shí)間超過(guò)4 h 后，細(xì)菌總數(shù)會(huì)有較快的增長(zhǎng);零余氯條件下，經(jīng)過(guò)放置8 h 之后，細(xì)菌總數(shù)達(dá)1.2×103cfu/mL，存在較大的微生物風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在二次供水中保留一定的余氯量。

2.1.4 二次供水紫外設(shè)備的工藝參數(shù)選擇

二次供水紫外消毒以有效去除細(xì)菌為目的，可制定如表2 的工藝參數(shù)選擇范圍。

表2 二次供水紫外設(shè)備工藝參數(shù)選擇Tab.2 Parameters for Secondary Water Supply by UV Irradiation

2.2 二次供水臭氧消毒

2.2.1 臭氧接觸時(shí)間與投加量

試驗(yàn)中將水箱水靜置12 h 以上，并吹脫余氯，保證余氯為零，細(xì)菌總數(shù)增殖至5 ×103cfu/mL 左右時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)。圖4 為不同濃度臭氧(0.3 ～1.5 mg/L)的補(bǔ)充消毒效果，臭氧濃度越大，所需的消毒接觸時(shí)間越短。投加臭氧濃度為1.5 mg/L 時(shí)，接觸時(shí)間2 min，可保證全部去除細(xì)菌;投加臭氧濃度為0.3 mg/L時(shí)，接觸時(shí)間需延長(zhǎng)至10 min，依然可保證全部去除細(xì)菌。臭氧消毒CT 只需控制在3 ～4 mg·min/L。實(shí)踐中，需考慮水箱所能提供的接觸時(shí)間，并最小化臭氧投加濃度，盡量降低嗅味和副產(chǎn)物產(chǎn)生的可能。實(shí)際應(yīng)用中，二次供水應(yīng)具有一定的余氯量。

圖4 不同濃度臭氧的補(bǔ)充消毒效果Fig.4 Effect of Disinfection by Ozone with Different Concentrations

2.2.2 溴酸鹽的生成

試驗(yàn)中對(duì)投加不同濃度臭氧消毒后溴酸鹽產(chǎn)生情況進(jìn)行了考查，如圖5 所示。臭氧消毒后，溴酸鹽濃度均有所增加，因此臭氧投加濃度不宜過(guò)大，應(yīng)控制投加量小于0.5 mg/L。

圖5 不同濃度臭氧消毒產(chǎn)生溴酸鹽情況Fig.5 Bromate Formation during Disinfection by Ozone with Different Concentrations

2.2.3 二次供水臭氧設(shè)備的工藝參數(shù)選擇

二次供水臭氧消毒以有效去除細(xì)菌和減少溴酸鹽生成為目的，可制定如表3 的工藝參數(shù)選擇范圍。

表3 二次供水臭氧設(shè)備工藝參數(shù)選擇Tab.3 Parameters for Secondary Water Supply by Ozone

2.3 二次供水微電解消毒

2.3.1 微電解的滅菌效果

微電解電壓為10 V，投加30 和100 mg/L 的氯離子對(duì)細(xì)菌的去除效果相近，投加10 mg/L 氯離子消毒效果較差，如圖6 所示。如果原水中所含氯離子能夠達(dá)到30 mg/L 以上，不需再額外投加補(bǔ)充氯離子。

圖6 不同氯離子投加產(chǎn)生余氯的消毒效果Fig.6 Effect of Disinfection by Chlorine with Different Dosage

2.3.2 氯化副產(chǎn)物的生成

采用微電解消毒產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物情況如表4 所示。當(dāng)余氯為0.05 ～0.1 mg/L 時(shí)，接觸2 h，副產(chǎn)物濃度會(huì)增加。上海的二次供水水質(zhì)經(jīng)消毒接觸后，三氯甲烷有一定的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

表4 微電解產(chǎn)生副產(chǎn)物情況Tab.4 By-products Formation by Micro Electrolysis

2.4 示范應(yīng)用

通過(guò)對(duì)三種常用消毒技術(shù)的試驗(yàn)比較，選取了紫外補(bǔ)充消毒技術(shù)作為示范應(yīng)用技術(shù)。在普陀區(qū)“馨越公寓”小區(qū)1 號(hào)樓屋頂水箱安裝了一臺(tái)紫外消毒設(shè)備，繼續(xù)跟蹤紫外消毒設(shè)備在示范應(yīng)用過(guò)程中的效果和出現(xiàn)的問(wèn)題。圖7 為紫外消毒示范裝置。

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)選擇的紫外、臭氧、微電解均有一定的二次供水補(bǔ)充消毒能力，可以降低因二次供水余氯不足產(chǎn)生的微生物風(fēng)險(xiǎn)。

(2)紫外設(shè)備需保證接觸時(shí)間大于9 s，紫外照射功率為45 ～60 mJ/cm2;當(dāng)臭氧投加量小于0.5 mg/L時(shí)，CT 應(yīng)達(dá)到3 ～4 mg·min/L;微電解的氯離子濃度為30 mg/L 以上。

圖7 紫外消毒示范裝置Fig.7 Demonstration Apparatus for UV disinfection

(3)紫外消毒可不考慮副產(chǎn)物問(wèn)題;臭氧采用的投加量需控制溴酸鹽的生成;微電解消毒需控制三氯甲烷濃度的增加。

(4)采用紫外光或臭氧消毒因無(wú)剩余消毒劑量，需注意細(xì)菌復(fù)蘇。

［1］陳寅，陳國(guó)光.上海城市供水管網(wǎng)水質(zhì)的調(diào)查分析［J］. 中國(guó)給水排水，2002，18(7):58-62.

［2］高煒，陳國(guó)光.不同原水的氯化消毒工藝研究［J］. 凈水技術(shù)，2003，22(6):12-15.