分散戶用桶式紫外線消毒裝置的應(yīng)用研究

李連香，劉文朝，李鐵光，孫瑞剛

(1.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；2.水利部農(nóng)村飲水安全中心，北京 100054; 3.中國(guó)水利水電出版社, 北京 100038)

消毒是提高水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的有效手段，受限于自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)水平、技術(shù)儲(chǔ)備、飲水習(xí)慣等多重因素，部分山丘區(qū)分散式供水工程缺乏消毒設(shè)施，飲水存在不安全因素。目前集中供水工程采用的消毒方式以二氧化氯消毒為主，以次氯酸鈉消毒、臭氧消毒和紫外線消毒為輔，不同消毒方式在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)[1]。然而針對(duì)分散式供水工程消毒技術(shù)研究較少，尚未建立適宜的消毒技術(shù)模式。

部分農(nóng)村供水受益戶用水意識(shí)淡薄和飲水習(xí)慣固化，對(duì)藥劑式消毒后飲用水味道接受程度低。為避免消毒設(shè)備和資源浪費(fèi)， 針對(duì)分散式供水工程的消毒方式首選紫外線消毒。紫外線消毒效率高、不產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，在給水處理中有很好的前途[2]。但同時(shí)必須清醒地意識(shí)到，隨著科技發(fā)展，水源水質(zhì)趨向復(fù)雜化、多樣化，僅采用消毒技術(shù)時(shí)并不能全面保證水質(zhì)，需采用凈水與消毒相結(jié)合的處理方式。

以切實(shí)保障分散式供水的飲水水質(zhì)為宗旨，按照經(jīng)濟(jì)實(shí)用、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單的原則，采用紫外線消毒與前置凈水相結(jié)合的方式，研發(fā)桶式紫外線消毒裝置。桶式紫外線消毒裝置以低壓高強(qiáng)度紫外燈為核心，以PP棉過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器為水質(zhì)保障單元，充分利用UV-C(253.7 nm)的高效的殺菌能力。為進(jìn)一步明確桶式紫外線消毒裝置的運(yùn)行效果，本文選擇華北地區(qū)某山丘區(qū)1處分散戶為示范點(diǎn)，開展桶式紫外線消毒裝置的應(yīng)用研究。

1 裝置組成及測(cè)試方法

1.1 裝置組成及工藝流程

按照紫外線消毒與前置凈水相結(jié)合的原則，桶式紫外線消毒裝置以PP棉過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器為水質(zhì)保障單元，以低壓高強(qiáng)度紫外燈為核心，集過(guò)濾、吸附和消毒等功能于一體。為提高桶式紫外線消毒裝置的簡(jiǎn)便性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，桶式紫外線消毒裝置組成主要包括原水桶、微型水泵、PP棉精密過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器、紫外線殺菌燈管、電控系統(tǒng)、不銹鋼反應(yīng)腔體，具體配置參數(shù)如表1所示。

表1 桶式紫外線消毒裝置的配置參數(shù)Tab.1 Configuration parameters of barrel-typeultraviolet disinfection device

通過(guò)表1可知，桶式紫外線消毒裝置的組成部件PP棉過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器均是標(biāo)準(zhǔn)件，規(guī)格為10寸，便于購(gòu)買和更換。為使得消毒裝置低能耗運(yùn)行，微型水泵和紫外燈功率分別為20 W和15 W。為便于加工，不銹鋼反應(yīng)腔體設(shè)計(jì)為圓柱形，容積為40 L，有效容積約30～35 L，滿足家用飲用水需求。消毒裝置的示意圖如圖1所示。

圖1 桶式紫外線消毒裝置的示意圖Fig.1 Schematic drawing of barrel-type ultraviolet disinfection device

通過(guò)圖1可知，桶式紫外線消毒裝置首先借助功率為20 W的微型水泵將原水輸入至水質(zhì)保障單元中，PP棉和活性炭過(guò)濾器主要對(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理，去除原水中的雜質(zhì)、色度及異味，降低原水濁度，進(jìn)一步保障紫外線消毒效果；原水經(jīng)過(guò)過(guò)濾后進(jìn)入紫外線消毒反應(yīng)腔體，在UV-C(253.7 nm)的照射下，滅殺微生物；紫外燈安裝在不銹鋼腔體中間，便于紫外線均勻照射提高消毒效果。不銹鋼反應(yīng)腔體設(shè)液位管、進(jìn)水管和溢流管。為便于清洗和維修，不銹鋼腔體上部設(shè)頂蓋，頂蓋設(shè)計(jì)為嵌套式；為確保安全，電源接通時(shí)嚴(yán)禁開啟頂蓋。位于不銹鋼反應(yīng)腔體底部的電控系統(tǒng)主要控制紫外線燈管的啟停，可按原水水質(zhì)情況設(shè)定紫外線照射時(shí)間，間歇式消毒可照射5～10 min/h，必要時(shí)采用連續(xù)消毒，避免桶內(nèi)飲用水微生物滋生。

1.2 運(yùn)行方式

針對(duì)桶式紫外線消毒裝置的運(yùn)行操作簡(jiǎn)便。日常運(yùn)行主要包括開機(jī)進(jìn)水和紫外線消毒燈啟動(dòng)。消毒設(shè)備安裝后，首先緩慢打開進(jìn)水閥門，接通小型潛水泵電源，此時(shí)過(guò)濾器上排氣閥會(huì)自動(dòng)排出管道空氣；進(jìn)水過(guò)程中需觀察紫外線反應(yīng)腔體液位，達(dá)到上液位時(shí)，及時(shí)關(guān)閉小型潛水泵電源。進(jìn)水流程結(jié)束后，接通桶式紫外線消毒裝置的電源，控制系統(tǒng)通電后會(huì)自動(dòng)控制紫外燈的啟停，紫外燈照射時(shí)間可根據(jù)原水水質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)定。如日用水量小或長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，可以直接關(guān)閉紫外線消毒裝置的電源。

針對(duì)紫外燈套管的清周期建議1～2周。清洗時(shí)務(wù)必切斷紫外燈電源，排空紫外線腔體內(nèi)部飲用水，打開紫外線腔體上蓋，用酒精擦拭紫外燈套管上的水垢，然后用清水沖洗后排出。建議結(jié)合原水水質(zhì)情況確定PP棉和活性炭濾芯的更換周期，通常情況下運(yùn)行3～4個(gè)月更換PP棉和活性炭濾芯。濾芯更換時(shí)，需關(guān)閉過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)水閥門，排空管道，采用專用扳手更換PP棉和活性炭濾芯。

1.3 測(cè)試指標(biāo)和方法

為明確桶式紫外線消毒裝置的消毒效果，原水和消毒后出水測(cè)試指標(biāo)以微生物指標(biāo)(菌落總數(shù)、總大腸菌群、耐熱大腸群、大腸埃希氏群)為主，以感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)(色度、渾濁度、臭和味、肉眼可見物、pH、氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體、總硬度、耗氧量)和毒理指標(biāo)(硝酸鹽)為輔，共檢測(cè)15項(xiàng)指標(biāo)。其中pH值和渾濁度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，pH值采用英國(guó)百靈達(dá)P600型pH計(jì)測(cè)定，濁度利用美國(guó)哈希DR2100濁度儀測(cè)定。水樣的采集、保存以及測(cè)試嚴(yán)格按照生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法(GB/T 5750-2006)[3]進(jìn)行。針對(duì)微生物指標(biāo)測(cè)試需在4 h內(nèi)完成，采用500 mL廣口瓶采集水樣，采樣瓶經(jīng)160 ℃高溫滅菌2 h后使用，水樣采集前取水龍頭需采用酒精棉擦拭進(jìn)行消毒。所有水樣采集后放置在水樣冷藏箱中，盡快返回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

2 應(yīng)用案例及運(yùn)行效果

2.1 示范點(diǎn)介紹

示范點(diǎn)位于華北地區(qū)某山丘區(qū)的1處分散供水戶(譚家，簡(jiǎn)寫為TJ)。由于分散戶TJ的住址地勢(shì)高、距離遠(yuǎn)，集中供水工程沒(méi)有覆蓋。住戶TJ以淺層地下水為水源，采用潛水泵抽水，抽水初期水中泥沙含量大，待出水清澈時(shí)放置在水缸(容積約150 L)中儲(chǔ)存使用，未經(jīng)任何處理。住戶TJ有4口人，夏季用水量大，每天需開啟潛水泵一次，而冬季用水量少，平均3～4 d開啟潛水泵一次。水缸已使用多年，未進(jìn)行過(guò)清理和消毒，冬季水缸外部增設(shè)棉被等保暖設(shè)施，以免結(jié)冰影響用水。

通過(guò)對(duì)分散戶TJ的水源水進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。檢測(cè)結(jié)果表明分散戶TJ的水源水主要存在總大腸菌群和濁度超標(biāo)的問(wèn)題，其中總大腸菌群90 CFU/100 mL，濁度為4.4 NTU。

2.2 消毒效果

桶式紫外線消毒裝置安裝在TJ的室內(nèi)，便于取水；冬季室內(nèi)有采暖設(shè)施，便于防凍。裝置兩側(cè)留有充足的空間，便于操作、測(cè)試和檢修。桶式紫外線消毒裝置僅用電即可維持運(yùn)行，用電為交流電220 V±10 V，50 Hz，最大工作壓力不超過(guò)0.3 MPa，以免發(fā)生爆管。

為進(jìn)一步明確帶有前置凈水系統(tǒng)的桶式紫外線消毒效果，桶式紫外線消毒裝置安裝后，開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。針對(duì)桶式紫外線消毒裝置的運(yùn)行參數(shù)，關(guān)鍵是確定紫外燈照射時(shí)間。由于分散戶TJ的原水總大腸菌群90 CFU/100 mL，為確保滅菌效果，紫外燈照射時(shí)間設(shè)為5、10 min/h和連續(xù)消毒，試驗(yàn)周期均為3 h，每小時(shí)采集水樣進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)周期內(nèi)測(cè)試3次，測(cè)試結(jié)果求平均值。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 原水和消毒后出水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Water quality results of raw water and water after disinfection

由表2可見，桶式紫外線消毒裝置安裝后，現(xiàn)場(chǎng)所選擇的紫外燈照射時(shí)間5、10 min/h和連續(xù)消毒3個(gè)試驗(yàn)方案，出水總大腸菌群和菌落總數(shù)等微生物指標(biāo)符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)，表明桶式紫外線消毒設(shè)備有效保障了出水微生物安全性。結(jié)合分散戶TJ水源水質(zhì)情況，紫外燈照射時(shí)間選擇5 min/h即可。

通過(guò)表2可知，前置凈水系統(tǒng)有效截留水源水中的泥沙、顆粒物等，原水濁度從4.4 NTU降低至0.4～0.5 NTU，顯著降低了原水濁度，保障了紫外線殺菌效果。同時(shí)，原水中氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、溶解性總固體含量均有所降低，但降低幅度不大，表明前置凈水系統(tǒng)對(duì)氯化物等沒(méi)有顯著去除效果。此外，值得一提的是不同紫外線照射時(shí)間后，出水指標(biāo)氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽(以氮計(jì))、溶解性總固體、總硬度(以CaCO3計(jì))、耗氧量(CODMn法，以O(shè)2計(jì))的含量有略微差別，主要由于測(cè)試誤差引起。

2.3 運(yùn)行成本分析

針對(duì)桶式紫外線消毒裝置的運(yùn)行成本主要包括電費(fèi)和濾芯更換費(fèi)用。其中電費(fèi)主要包括紫外燈管電費(fèi)和潛水泵電費(fèi)，由于紫外燈管每小時(shí)照射5 min，全年運(yùn)行時(shí)間730 h，紫外燈功率15 W，全年用電11 kWh，電費(fèi)按照0.5 元/kWh計(jì)，紫外燈用電5.5 元/a；針對(duì)潛水泵電費(fèi)，按照家庭用戶每天生活飲用水40 L計(jì)(飲水和做飯)，全年用水14 600 L，小型潛水泵流量為40 L/min，功率為20 W，全年累計(jì)用電0.12 kWh，電費(fèi)為0.06 元/a；紫外燈管和潛水泵用電總費(fèi)用為5.56元。針對(duì)每年更換PP棉和活性炭濾芯的費(fèi)用，PP棉濾芯按照15 元/個(gè)計(jì)，活性炭濾芯按照20 元/個(gè)計(jì)，每年各需要3個(gè)，共計(jì)105元。綜上，桶式紫外線消毒裝置的年運(yùn)行成本約為110.56元。

3 應(yīng)用前景分析

受限于自然地理?xiàng)l件、水資源短缺等多種因素，分散式供水依然存在，保障分散用水戶飲用水安全十分緊迫。從消毒角度分析，桶式紫外線消毒裝置有效保障了出水微生物安全性，具有殺菌快、無(wú)二次污染、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。鑒于目前很多集中供水工程對(duì)消毒重視程度不夠，消毒劑投加不規(guī)范，消毒設(shè)施有效使用率低，桶式紫外線消毒裝置可作為集中式供水工程末梢水的消毒屏障，有效緩解遠(yuǎn)距離末梢水消毒劑余量不足的問(wèn)題。

從經(jīng)濟(jì)角度分析，桶式紫外線消毒裝置年運(yùn)行成本低。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度而言，末端/分散戶用消毒裝置可以降低水處理成本。世界衛(wèi)生組織、食品與營(yíng)養(yǎng)協(xié)會(huì)制定了日飲水量的建議值(表3)，由于人均日飲水量受溫度、濕度、外界環(huán)境、體質(zhì)等各方面因素的影響[5-7]，但數(shù)據(jù)分析顯示人均日飲水量低于5 L/(人·d)。農(nóng)村集中供水工程供水量為60 L/(人·d)計(jì)，飲水量5 L/(人·d)計(jì)，如采用帶有前置凈水系統(tǒng)的桶式紫外線消毒裝置，可以大幅降低水處理成本，因?yàn)榕腼冇盟惋嬘盟蛔闵钣盟?0%，換句話說(shuō)大部分生活用水沒(méi)有必要達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)，這一點(diǎn)是與陶濤[8]的報(bào)道是一致的。

表3 關(guān)于人均日飲水量的建議值Tab.3 Recommended values of daily water consumption

從運(yùn)行管理角度而言，桶式紫外線消毒裝置無(wú)須原料，無(wú)需專職管理人員，僅用電即可維持設(shè)備運(yùn)行，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。運(yùn)行維護(hù)內(nèi)容主要涉及紫外燈套管清洗、PP棉濾芯和紫外燈管的更換，其中紫外燈套管清洗周期為1～2周；PP棉濾芯的更換周期為3～4個(gè)月，具體更換周期需結(jié)合原水水質(zhì)情況而定；紫外燈管使用壽命為8 000 h，紫外燈照射時(shí)間5 min/h，全天24 h開啟設(shè)備情況下，更換周期為11 a。如桶式紫外線消毒裝置安裝數(shù)量多，可委托專業(yè)公司進(jìn)行日常設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)。

4 結(jié) 論

桶式紫外線消毒裝置以低壓高強(qiáng)度紫外燈為核心，以PP棉和活性炭過(guò)濾器為水質(zhì)保障單元，裝置組成和工藝流程簡(jiǎn)單實(shí)用。結(jié)合華北地區(qū)某山丘區(qū)1處分散戶家的實(shí)際應(yīng)用，桶式紫外線消毒設(shè)備紫外燈開啟時(shí)間5min/h情況下，可有效保障出水微生物安全性，年運(yùn)行成本僅110.56元。通過(guò)消毒效果、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行管理等方面綜合分析，桶式紫外線消毒裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。

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[1] 賈燕南, 楊繼富, 趙 翠,等. 農(nóng)村供水消毒技術(shù)及設(shè)備選擇方法與標(biāo)準(zhǔn)[J]. 中國(guó)水利, 2014,(13):47-50.

[2] 劉文君. 現(xiàn)代給水處理消毒技術(shù)的發(fā)展[J]. 給水排水動(dòng)態(tài), 2010,(1).20-23.

[3] GB/T 5750-2006，生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法[S].

[4] GB/T 5749-2006，生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] Grandjean A. Water Requirements, Impinging Factors, and Recommended Intakes[M]. World Health Organization, 2004,(8):8-14.

[6] Howard, Jamie Bartram. Domestic Water Quantity, Service, Level and Health[M]. World Health Organization, 2003:6-7.

[7] Peter H, Gleick M. Requirements for human activities: meeting basic needs [J]. Water International, 1996,(21):83-92.

[8] Tao T, Xin K. Public health: A sustainable plan for China's drinking water [J]. Nature, 2014,511(7511):527-528.