次氯酸鈣變量投加裝置在村鎮(zhèn)供水中的應(yīng)用

賈燕南，鄢元波，丁昆侖，孫文海

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100048； 2.國(guó)家節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心(北京)，北京 100048)

次氯酸鈣性質(zhì)較穩(wěn)定，不易潮解，是當(dāng)前國(guó)際上通用的水體消毒劑[1]。由于具有運(yùn)輸、儲(chǔ)存、操作方便，持續(xù)消毒效果好、檢測(cè)方便等優(yōu)點(diǎn)，適宜村鎮(zhèn)供水工程采用。但與液氯消毒相同，次氯酸鈣消毒會(huì)產(chǎn)生三鹵甲烷(THMs)和鹵乙酸(HAAs)等消毒副產(chǎn)物，且消毒副產(chǎn)物的生成量隨消毒劑投加量的增大而增大[2]。然而目前工程中普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)次氯酸鈣投加設(shè)備，投加量主要由人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，不能根據(jù)處理水量和水質(zhì)的變化隨時(shí)調(diào)整投加量。針對(duì)上述問題，筆者研發(fā)設(shè)計(jì)了次氯酸鈣自動(dòng)變量投加系統(tǒng)及裝置，可方便、有效地調(diào)整次氯酸鈣藥液投加量，保證消毒效果同時(shí)控制消毒副產(chǎn)物。

本文介紹了該裝置在西南地區(qū)某村鎮(zhèn)供水工程中的應(yīng)用情況，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了不同流量下待處理水體中余氯的穩(wěn)定性，試驗(yàn)研究了消毒劑投加量變化對(duì)待處理水體中余氯的影響，同時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)了其運(yùn)行效果，以期為該裝置的技術(shù)完善和推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成和工作原理

次氯酸鈣自動(dòng)變量投加設(shè)備是在原有次氯酸鈣加藥器的基礎(chǔ)上，通過自動(dòng)變量投加系統(tǒng)設(shè)計(jì)，組合加工而成。自動(dòng)變量投加系統(tǒng)通過自動(dòng)調(diào)整原有次氯酸鈣加藥器的溶藥箱中的次氯酸鈣溶液投加量來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變量投加，該系統(tǒng)包括次氯酸鈣加藥器，電磁流量計(jì)，控制箱和變頻計(jì)量投加泵(如圖1所示)。次氯酸鈣加藥器主體分為上下兩層，上層為儲(chǔ)藥籃(底部為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu))，由頂蓋處添加并儲(chǔ)存次氯酸鈣復(fù)配餅劑；下層為次氯酸鈣溶液儲(chǔ)存箱，可存儲(chǔ)12 kg次氯酸鈣溶液。進(jìn)水水流通過水波噴頭噴水溶解網(wǎng)格上部的次氯酸鈣復(fù)配餅劑，溶解后的含氯溶液通過網(wǎng)格側(cè)面出口進(jìn)入下層為次氯酸鈣溶液儲(chǔ)存箱[3]。

圖1 次氯酸鈣自動(dòng)變量投加設(shè)備工作原理圖Fig.1 Functional diagram of calcium hypochlorite automatic variable dosing equipment

自動(dòng)變量投加裝置工作原理：安裝在清水池進(jìn)水管道上的電磁流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)流量的變化，通過控制箱將流量信號(hào)傳送給變頻計(jì)量投加泵(該變頻泵有自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)模式，且可同時(shí)應(yīng)用)，計(jì)量投加泵根據(jù)流量信號(hào)輸入和調(diào)節(jié)模式，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制次氯酸鈣藥液儲(chǔ)存箱中的消毒液向清水池進(jìn)水管道中的投加量，保證清水池進(jìn)水中余氯的穩(wěn)定。

該裝置具有自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)兩種模式。自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，用戶通過控制器輸入設(shè)定值，以設(shè)定單位體積待處理水的次氯酸鈣溶液投加量(單位為L(zhǎng)/m3)；在手動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，用戶通過調(diào)整計(jì)量泵的行程，可設(shè)定控制器輸入的單位體積待處理水次氯酸鈣藥液投加量的百分比；最終次氯酸鈣溶液投加量即為：控制器設(shè)定投加量×計(jì)量泵設(shè)定行程。

2 試點(diǎn)工程及試驗(yàn)方法

2.1 試點(diǎn)工程介紹

試點(diǎn)工程位于西南山丘區(qū)，于2014年10月正式通水運(yùn)行，供水規(guī)模約為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(biāo)中濁度及總大腸菌群超標(biāo)，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(jìn)入清水池(體積為300 m3)。次氯酸鈣自動(dòng)變量投加設(shè)備安裝在清水池前，將次氯酸鈣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(jìn)入管網(wǎng)輸送至各用水戶，管網(wǎng)末梢距離水廠約10 km。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

自2014年7月完成次氯酸鈣自動(dòng)變量投加設(shè)備的安裝及調(diào)試以來，筆者一直長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況，本文所述監(jiān)測(cè)結(jié)果為2014年11月現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得。

(1)不同流量下待處理水體中余氯的穩(wěn)定性。設(shè)定控制器的自動(dòng)投加量為0.06 L/m3，設(shè)定計(jì)量泵行程為100%，即次氯酸鈣溶液投加量為0.06 L/m3。在固定次氯酸鈣溶液投加量的條件下，調(diào)整逐次調(diào)節(jié)清水池進(jìn)水流量，共4次，分別為27.0、21.6、16.0、8.2 m3/h，而后測(cè)定清水池進(jìn)水中的余氯值，以監(jiān)測(cè)不同流量下待處理水體中余氯的穩(wěn)定性。

(2)次氯酸鈣溶液投加量變化對(duì)待處理水體中余氯的影響。在清水池進(jìn)水流量約為30 m3/h時(shí)，設(shè)定控制器的自動(dòng)投加量為0.06 L/m3，逐次手動(dòng)調(diào)整計(jì)量泵行程為50%、60%、70%、80%、90%和100%，即次氯酸鈣溶液投加量分別為0.030、0.036、0.042、0.048、0.054、0.060 L/m3，而后測(cè)定清水池進(jìn)水中余氯含量，以試驗(yàn)次氯酸鈣溶液投加量變化對(duì)待處理水體中余氯的影響。

(3)裝置運(yùn)行效果連續(xù)監(jiān)測(cè)。通過控制器和計(jì)量泵行程調(diào)節(jié)旋鈕，分別設(shè)定次氯酸鈣藥液投加量分別為0.06和0.036 L/m3，在兩種投加量條件下，分別穩(wěn)定運(yùn)行1 d以上，而后開展連續(xù)32 h運(yùn)行效果連續(xù)監(jiān)測(cè)，即在32 h監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)的0、5、10、15、24、29、32 h分別測(cè)定清水池進(jìn)水、出廠水和管網(wǎng)末梢水的余氯，測(cè)定一體化凈水器出水、清水池進(jìn)水、出廠水和管網(wǎng)末梢水的總大腸菌群，在10、24、32 h分別測(cè)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)。

2.3 水質(zhì)檢測(cè)方法

采用便攜式多參數(shù)比色計(jì)通過DPD比色法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)余氯指標(biāo)。其他水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)所需水樣的采集依據(jù)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法-水樣的采集與保存》(GB/T 5750.2-2006)執(zhí)行。測(cè)定方法參照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB/T5750-2006)執(zhí)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同流量下待處理水體中余氯的穩(wěn)定性

在固定次氯酸鈣溶液投加量為0.06 L/m3的條件下，4種進(jìn)水流量情況下，清水池進(jìn)水中余氯含量的變化結(jié)果見表1。由表1可知，當(dāng)流量在8.2～27.0 m3/h之間時(shí)，清水池進(jìn)水中余氯含量在0.76～0.98 mg/L范圍內(nèi)，中值為0.87 mg/L，余氯的波動(dòng)范圍為±12.64%。由此可見次氯酸鈣自動(dòng)變量投加設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)流量變化而自動(dòng)投加相應(yīng)量的消毒劑，保證清水池進(jìn)水中余氯的含量相對(duì)穩(wěn)定。特別地，如僅考慮16.0～27.0 m3/h的流量變化，則余氯中值為0.79 mg/L，余氯的波動(dòng)范圍僅為±4.40%。但清水池進(jìn)水流量較小(8.2 m3/h)時(shí)，余氯值波動(dòng)較其他流量下更為顯著，可能是因?yàn)楫?dāng)清水池進(jìn)水流量較小時(shí)，進(jìn)清水池管線中水的流速度較慢，次氯酸鈣溶液和水流混合不均勻，導(dǎo)致檢測(cè)到的余氯濃度偏高。

表1 不同流量下清水池進(jìn)水中的余氯值Tab.1 Changes of residual chlorine concentration in influent of the clear water reservior with the flow rate

3.2 次氯酸鈣溶液投加量變化對(duì)待處理水體中余氯的影響

當(dāng)清水池進(jìn)水流量保持在30 m3/h時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)量泵行程分別為50%、60%、70%、80%、90%和100%，即次氯酸鈣溶液投加量分別為0.030、0.036、0.042、0.048、0.054和0.060 L/m3時(shí)，清水池進(jìn)水中余氯含量隨次氯酸鈣溶液投加量的變化結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著次氯酸鈣溶液投加量的增加，清水池進(jìn)水中余氯含量隨之增加，二者具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R約為0.90。這同時(shí)說明，計(jì)量泵行程在50%～100%范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)，次氯酸鈣溶液投加體積與計(jì)量泵行程之間具有良好的線性關(guān)系。

上述結(jié)果表明在清水池進(jìn)水流量一定時(shí)，可根據(jù)余氯-次氯酸鈣投加量關(guān)系曲線，估算出某一次氯酸鈣溶液投加量下的余氯值，也可根據(jù)需要的余氯值推算出所需的次氯酸鈣溶液投加量。

圖2 清水池進(jìn)水余氯-次氯酸鈣溶液投加量關(guān)系曲線Fig.2 Changes of residual chlorine concentration in the influent of the clear water reservior with the calcium hypochlorite solution dosing quantity

3.3 裝置運(yùn)行效果連續(xù)監(jiān)測(cè)

3.3.1余氯的變化

圖3給出了次氯酸鈣溶液投加量分別為0.06和0.036 L/m3兩種條件下，清水池進(jìn)水、出廠水和管網(wǎng)末梢水余氯值在32 h連續(xù)運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)的變化情況。

圖3 兩種次氯酸鈣投加量條件下各取樣口余氯隨時(shí)間的變化Fig.3 Changes of residual chlorine concentration of various sampling point with the time under the condition of two kinds of calcium hypochlorite dosing quantity

由圖3(a)可知，當(dāng)次氯酸鈣溶液投加量為0.06 L/m3時(shí)，清水池進(jìn)水中余氯含量在0.67～0.92 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，中值為0.79 mg/L，波動(dòng)范圍為±15.19%。出廠水余氯值在0～10 h時(shí)間段內(nèi)緩慢增加，在10～29 h時(shí)間段內(nèi)基本保持不變，在29～32 h時(shí)間段內(nèi)緩慢增加，總體來看，呈緩慢上升趨勢(shì)，波動(dòng)范圍在0.46～0.62 mg/L，中值為0.54 mg/L，波動(dòng)范圍為±14.81%；末梢水余氯總體呈緩慢上升趨勢(shì)，波動(dòng)范圍在0.36～0.47 mg/L，中值為0.41 mg/L，波動(dòng)范圍為±13.25%。分析出廠水余氯先緩慢上升而后保持穩(wěn)定的原因是，初期投加次氯酸鈣消毒劑后，水在清水池中停留期間與池壁的還原性物質(zhì)反應(yīng)，使得最初余氯消耗量較大，隨著池壁還原性物質(zhì)被逐漸氧化完畢，余氯消耗量逐漸減少，水中余氯出現(xiàn)值緩慢上升直至最終達(dá)到基本穩(wěn)定。而29～32 h時(shí)余氯值再次上升，則可能是由于次氯酸鈣溶液儲(chǔ)存箱中次氯酸鈣溶液濃度出現(xiàn)波動(dòng)造成的。

由圖3(b)可知，當(dāng)次氯酸鈣投加量由0.036 L/m3時(shí)，清水池進(jìn)水中余氯含量在0.45～0.61 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，中值為0.53 mg/L，波動(dòng)范圍為±15.09%；出廠水余氯總體呈緩慢上升趨勢(shì)，波動(dòng)范圍在0.35～0.45 mg/L，中值為0.40 mg/L，波動(dòng)范圍為±12.50%；末梢水余氯總體呈緩慢上升趨勢(shì)，波動(dòng)范圍在0.21～0.31 mg/L，中值為0.26 mg/L，波動(dòng)范圍為±19.23%。

總體來看，兩種次氯酸鈣溶液投加量條件下的監(jiān)測(cè)過程中，出廠水余氯含量均大于0.3 mg/L，管網(wǎng)末梢余氯含量均大于0.03 mg/L，符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求。兩次32 h的連續(xù)監(jiān)測(cè)過程中，清水池進(jìn)水、出廠水、管網(wǎng)末梢水的余氯值波動(dòng)范圍均在±20%以內(nèi)。上述結(jié)果說明，在次氯酸鈣溶液投加量一定的情況下，不僅清水池進(jìn)水余氯含量穩(wěn)定，出廠水和管網(wǎng)末梢水余氯也相對(duì)穩(wěn)定。

將兩種次氯酸鈣溶液投加量條件下，清水池進(jìn)水中余氯中值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：當(dāng)次氯酸鈣溶液投加量由0.06 L/m3降低至0.036 L/m3，下降率為40%，清水池進(jìn)水中余氯中值由0.79 mg/L下降至0.53 mg/L，下降率為32.91%，兩者較為接近，這也間接說明次氯酸鈣溶液投加量與清水池進(jìn)水余氯之間具有較好的線性正相關(guān)性，與3.2中得到的結(jié)果一致。

將兩種次氯酸鈣溶液投加量條件下，出廠水(即清水池出口水)余氯中值較清水池進(jìn)水余氯中值的衰減率進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：當(dāng)次氯酸鈣溶液投加量由0.06 L/m3降低至0.036 L/m3時(shí)，余氯衰減率由31.6%(由0.79 mg/L衰減至0.54 mg/L)降低至24.5%(由0.53 mg/L衰減至0.40 mg/L)。也就是說，高濃度余氯在清水池中衰減速度更快，這與曾正仁等的研究結(jié)果一致[4]。

3.3.2總大腸菌群的變化

在次氯酸鈣溶液投加量為0.06和0.036 L/m3兩種條件下連續(xù)運(yùn)行32 h時(shí)間段內(nèi)，在0、5、10、15、24、29、32 h分別取樣測(cè)定一體化凈水器出水、清水池進(jìn)水、出廠水和管網(wǎng)末梢水中的總大腸菌群，結(jié)果如表2所示。

表2 兩種次氯酸鈣投加量條件下各取樣口總大腸菌群隨時(shí)間的變化 CFU/mLTab.2 Changes of total coliform group indicator of various sampling point with the time under the condition of two kinds of calcium hypochlorite dosing quantity

注：“-”表示未檢出。

由表2可知，在本文所監(jiān)測(cè)的兩個(gè)32 h運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)，一體化凈水器出水中總大腸菌群在5.40～9.20 CFU/mL之間波動(dòng)。投加次氯酸鈣溶液后，在管道中短暫接觸后的清水池進(jìn)水水樣中，絕大多數(shù)都未檢出總大腸菌群。次氯酸鈣溶液投加量為0.06 L/m3時(shí)、運(yùn)行32 h時(shí)清水池進(jìn)水口水樣中總大腸菌群檢出結(jié)果為0.24 CFU/mL，可能是由于此時(shí)次氯酸鈣消毒劑與待處理水體接觸時(shí)間過短，原水中的總大腸菌群未被完全滅活。經(jīng)過在清水池中停留一段時(shí)間并充分接觸、消毒后，出廠水和管網(wǎng)末梢水在兩種次氯酸鈣溶液投加量條件下全部未檢出總大腸菌群，符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，說明次氯酸鈣消毒效果顯著，并且具有較好的持續(xù)消毒能力，能夠保證出廠水和管網(wǎng)末梢水的微生物安全。

3.3.3消毒副產(chǎn)物的變化

表3給出了次氯酸鈣溶液投加量分別為0.06、0.036 L/m3時(shí)，不同監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)的出廠水及管網(wǎng)末梢水中消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷、二氯乙酸和三氯乙酸的監(jiān)測(cè)結(jié)果。由表3可知，在兩種投加量條件下，出廠水和管網(wǎng)末梢水中二氯乙酸和三氯乙酸濃度均低于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的限值規(guī)定(限制分別為0.1和0.05 mg/L)，次氯酸鈣溶液投加量高時(shí)，二氯乙酸、三氯乙酸生成量也較高。當(dāng)次氯酸鈣投加量為0.06 L/m3時(shí)，出廠水和管網(wǎng)末梢用戶水中三鹵甲烷濃度分別在1.18～1.22和1.06～1.57 mg/L之間，超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值規(guī)定(限制為1)；而當(dāng)次氯酸鈣投加量降低為0.036 L/m3時(shí)，出廠水和管網(wǎng)末梢水中三鹵甲烷濃度也顯著降低，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 出廠水和管網(wǎng)末梢水中消毒副產(chǎn)物的變化Tab.3 Changes of disinfection by-products of various sampling point with the time under the condition of two kinds of calcium hypochlorite dosing quantity

注：表中a列表示次氯酸鈣投加量為0.06 L/m3時(shí)的消毒副產(chǎn)物生成量；b列表示次氯酸鈣投加量為0.036 L/m3時(shí)的消毒副產(chǎn)物生成量。

有文獻(xiàn)報(bào)道使用次氯酸鈉對(duì)飲用水消毒時(shí)，投加量越大，接觸時(shí)間越長(zhǎng)，生成的三氯甲烷和鹵乙酸也越多[2,4,5-7]，本文的試驗(yàn)研究結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道一致。另外，比較同一監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)出廠水和管網(wǎng)末梢水中的消毒副產(chǎn)物生成量可發(fā)現(xiàn)，三鹵甲烷，三氯乙酸和二氯乙酸均主要產(chǎn)生在清水池停留階段而非管道輸送階段。因此，為全面保障供水安全，應(yīng)將次氯酸鈣溶液投加量及其與在清水池中的停留時(shí)間控制在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

將次氯酸鈣自動(dòng)變量投加設(shè)備安裝應(yīng)用在某村鎮(zhèn)供水工程并連續(xù)運(yùn)行，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：①該裝置能夠?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，當(dāng)清水池進(jìn)水流量在8.2～27.0 m3/h變化時(shí)，其余氯波動(dòng)范圍為±12.64%；②當(dāng)調(diào)整單位水體中次氯酸鈣溶液的投加量時(shí)，清水池進(jìn)水中的余氯值也相應(yīng)改變，兩者呈現(xiàn)良好的線性正相關(guān)關(guān)系；③連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：該裝置投加穩(wěn)定性較好，清水池進(jìn)口、出廠水和管網(wǎng)末梢中余氯值波動(dòng)均在±20%以內(nèi)，且均符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求；④該裝置配合次氯酸鈣復(fù)配餅劑使用，消毒效果穩(wěn)定可靠，出廠水和管網(wǎng)末梢水微生物指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，但投加量較大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)副產(chǎn)物三鹵甲烷超標(biāo)。綜上所述，該裝置運(yùn)行效果穩(wěn)定可靠，消毒效果達(dá)標(biāo)，在村鎮(zhèn)供水工程中具有較大推廣價(jià)值。

根據(jù)筆者對(duì)加藥器下部次氯酸鈣溶液儲(chǔ)存箱中有效氯濃度的測(cè)定，可推算出在次氯酸鈣溶液投加量為0.036 m3/L時(shí)，以有效氯計(jì)的投加量約為0.4～0.6 mg/L，根據(jù)3.3中余氯、總大腸菌群和消毒副產(chǎn)物的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，該供水工程適宜的消毒劑投加量可能在比0.4～0.6 mg/L更低的一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)。建議可針對(duì)水處理后出水進(jìn)行燒杯試驗(yàn)得到需氯量值后，加上清水池出口需要控制的余氯量，計(jì)算得到清水池進(jìn)水需要控制的余氯量，利用本文3.2中的清水池進(jìn)水余氯-次氯酸鈣溶液投加量關(guān)系曲線，即可得到需在自動(dòng)變量投加裝置上設(shè)定的次氯酸鈣溶液投加量，實(shí)現(xiàn)在確保消毒效果的基礎(chǔ)上，保證消毒副產(chǎn)物達(dá)標(biāo)，全面保障飲水安全。

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