喀斯特山區(qū)農(nóng)村戶(hù)用型飲水自動(dòng)消毒裝置構(gòu)建及應(yīng)用研究

孫夢(mèng)陽(yáng)，李 江,2，房 軍，吳永貴,2，唐濤濤，王海強(qiáng)

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴州省喀斯特環(huán)境生態(tài)工程研究中心，貴陽(yáng) 550025；3.貴州省水利廳，貴陽(yáng) 550002)

近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)村生活水平的日益提高及環(huán)境污染趨勢(shì)的逐漸加重，農(nóng)村人畜飲水水質(zhì)安全保障日益受到關(guān)注，其中微生物指標(biāo)超標(biāo)問(wèn)題尤為突出[1,2]。貴州喀斯特地區(qū)，地貌結(jié)構(gòu)獨(dú)特、石漠化現(xiàn)象普遍、地表水保持困難，加之經(jīng)濟(jì)條件的限制，水利工程方面資金投入有限，致使喀斯特山區(qū)農(nóng)村水資源開(kāi)發(fā)利用程度低，普遍存在著工程性缺水問(wèn)題[3]。此種現(xiàn)象在生態(tài)環(huán)境脆弱、人地系統(tǒng)復(fù)雜、礦業(yè)活動(dòng)頻繁的黔西北喀斯特山區(qū)尤為突出。黔西北喀斯特山區(qū)居民居住相對(duì)分散，集中式供水設(shè)施的建設(shè)和管道鋪設(shè)難度大，主要依靠分散供水滿(mǎn)足生產(chǎn)生活需要，供水水源主要是雨水和山泉水[4,5]?，F(xiàn)有分散供水消毒設(shè)備和技術(shù)存在著成本、普適性、可維護(hù)性、可運(yùn)輸性等多方面的挑戰(zhàn)[6]，難以有效應(yīng)用于喀斯特山區(qū)農(nóng)村地區(qū)，致使分散供水大多未經(jīng)消毒處理直接飲用，對(duì)人體健康構(gòu)成潛在危害。因此急需研發(fā)一種適用于農(nóng)村分散供水水質(zhì)消毒處理的戶(hù)用型飲水消毒技術(shù)及裝置。

本文介紹了一種戶(hù)用型飲水自動(dòng)消毒裝置，將電解槽、消毒槽以及自動(dòng)控制單元組合起來(lái)，有效實(shí)現(xiàn)了次氯酸鈉消毒液生產(chǎn)的自動(dòng)化和消毒過(guò)程的連續(xù)性以及使用過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)采集黔西北典型喀斯特山區(qū)農(nóng)村分散供水的水源水，進(jìn)行消毒運(yùn)行參數(shù)及消毒效果的研究，以期解決現(xiàn)有的消毒設(shè)備和技術(shù)普遍存在著結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，成本較高，不適合單家獨(dú)戶(hù)使用的問(wèn)題，并為該裝置的應(yīng)用示范提供技術(shù)參考。

1 消毒裝置構(gòu)建及其工作原理

1.1 消毒裝置構(gòu)建及其組成

戶(hù)用型飲水自動(dòng)消毒裝置的總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。消毒裝置包括裝置柜、電解槽、消毒槽、原料(食鹽水)添加口、傳感器、控制單元、報(bào)警與顯示單元等主要部分。電解槽由鈦電極板、液位 傳感器及腔體組成，消毒槽由雙管混流器及容器組成。電磁閥、液位傳感器、電極板、報(bào)警裝置及監(jiān)控屏分別與控制單元相連接(見(jiàn)圖2)。使用裝置時(shí)，依次打開(kāi)控制單元上的“電解”按鈕和“啟動(dòng)”按鈕，屋面雨水或山泉水原水進(jìn)入到電解槽中，同時(shí)將食鹽水溶液加入到電解槽中，然后開(kāi)始電解，電解時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后，生成的次氯酸鈉消毒溶液排入消毒槽中。屋面雨水或山泉水原水與次氯酸鈉消毒溶液根據(jù)控制單元設(shè)定的混合比例進(jìn)行混合，通過(guò)消毒槽中的雙管混流器實(shí)現(xiàn)消毒液和原水的快速混合。達(dá)到設(shè)定的消毒時(shí)間后，報(bào)警裝置啟動(dòng)同時(shí)觸摸監(jiān)控屏出現(xiàn)“飲用水消毒完成”的提示信息，提示消毒完成。

1-裝置柜；2-觸摸監(jiān)控屏；3-控制單元；4-報(bào)警裝置；5-水龍頭；6-消毒槽；7-液位傳感器；8-消毒電磁閥；9-次氯酸鈉溶液輸送線(xiàn)；10-陰極；11-第2進(jìn)水電磁閥；12-陽(yáng)極；13-電解槽；14-第2原水輸送管；15-第1原水輸送管；16-第1進(jìn)水電磁閥；17-原料(食鹽水)添加口；18-液位傳感器圖1 戶(hù)用型飲用水自動(dòng)消毒裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 The structural sketch map of householdautomatic disinfection device for drinking water

1.2 消毒裝置控制系統(tǒng)及其工作原理

本文所用戶(hù)用型飲水自動(dòng)消毒裝置控制系統(tǒng)的原理見(jiàn)圖2?？刂茊卧捎玫?代微型可編程控制器。液位傳感器將液位變化產(chǎn)生的高電平信號(hào)反饋回控制單元中，后者以此為邏輯判斷實(shí)現(xiàn)傳感器與控制器及控制對(duì)象(電磁閥、電極、報(bào)警器及觸摸監(jiān)控屏)有效聯(lián)系和自動(dòng)化控制功能。觸摸顯示屏(顯示與操控面板)通過(guò)串口通信接口與控制單元連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)消毒過(guò)程的自動(dòng)化和全程可視化以及運(yùn)行參數(shù)的在線(xiàn)設(shè)置和調(diào)整。由于典型喀斯特山區(qū)農(nóng)戶(hù)飲用水的水源類(lèi)型和水質(zhì)特征以及衛(wèi)生條件不同，因此使用者可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。

圖2 戶(hù)用型飲水自動(dòng)消毒裝置控制原理Fig.2 Control scheme of household automatic disinfection device for drinking water

2 樣品采集及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品采集

在工程性缺水的喀斯特山區(qū)，居民為了滿(mǎn)足人畜飲水需要，普遍修建水窖、集雨屋面等蓄水設(shè)施，蓄積屋面雨水與山泉水。由于喀斯特山區(qū)農(nóng)村分散供水的水源類(lèi)型不同、蓄水設(shè)施不同、當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)環(huán)境衛(wèi)生條件不同，從貴州黔西北典型喀斯特山區(qū)選擇具有代表性的5處飲水作為試驗(yàn)用水進(jìn)行消毒實(shí)驗(yàn)研究，以檢驗(yàn)裝置的適用性和可靠性。5處飲水具有代表性的水質(zhì)指標(biāo)CODMn為1.36～4.96 mg/L，總硬度(以CaCO3計(jì))為41.03～210.98 mg/L，菌落總數(shù)為280～26 700 CFU/mL，總大腸菌群為0.13～5.40 CFU/mL，耐熱大腸菌群為0.02～0.22 CFU/mL，3種微生物指標(biāo)均存在不同程度的超標(biāo)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用電解試驗(yàn)和消毒試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證戶(hù)用型飲水自動(dòng)消毒裝置的消毒效果，電解試驗(yàn)考察不同食鹽水濃度和電解時(shí)間2種條件下電解槽電解的有效氯產(chǎn)量，消毒試驗(yàn)考察不同消毒液投加量和消毒時(shí)間2種條件下裝置的消毒效果。

(1)電解試驗(yàn)。研究表明電解槽的電解效果主要與電解電流、鹽水濃度、電解時(shí)間等電解參數(shù)有關(guān)[7]。次氯酸鈉發(fā)生器安全與衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB28233-2011)規(guī)定，食鹽水濃度范圍應(yīng)為30～50 g/L[8]，能達(dá)到較高的有效氯濃度和較低的食鹽用量。李曉琴等研究了電解參數(shù)對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果影響，采用的食鹽水濃度為20～40 g/L[9]。在電解裝置預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，電解實(shí)驗(yàn)采用的食鹽水濃度設(shè)置為10、20、30 g/L，電解電流設(shè)定為5 A，分別在電解時(shí)間為5、10、15、20、25 min檢測(cè)電解槽中消毒液的有效氯濃度，探究不同食鹽水濃度下電解槽的電解效率。

(2)消毒試驗(yàn)。飲用水衛(wèi)生消毒時(shí)，每升水次氯酸鈉消毒液的理論投加量為2～20 mg/L，飲用水消毒的接觸時(shí)間為30 min[10]。為方便用戶(hù)及時(shí)快速獲得安全飲用水，在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，消毒液的投加量設(shè)置為1、2、5 mg/L，飲用水消毒時(shí)間設(shè)置為1、5、10、30 min，檢測(cè)消毒槽出水中常規(guī)微生物指標(biāo)(菌落總數(shù)、總大腸菌群和耐熱大腸菌群)達(dá)標(biāo)情況，以探究不同消毒液投加量和消毒時(shí)間下裝置的消毒效果。

2.3 水質(zhì)檢測(cè)方法和運(yùn)行成本計(jì)算方法

水樣的采集和保存依據(jù)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法——水樣的采集與保存》(GB5750.2-2006)；消毒液有效氯的檢測(cè)采用《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法——消毒劑指標(biāo)》(GB5750.11-2006)[11]，3次平行測(cè)試，取平均值；微生物指標(biāo)的檢測(cè)依據(jù)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法——微生物指標(biāo)》(GB5750.12-2006)[12]。參考《次氯酸鈉發(fā)生器》(GB12176-1990)指標(biāo)計(jì)算方法，試驗(yàn)裝置運(yùn)行成本包括電費(fèi)和食鹽消耗費(fèi)[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 消毒裝置電解效率分析

有效氯濃度在不同鹽水濃度與電解時(shí)間下變化情況見(jiàn)圖3。由圖3可知鹽水濃度和電解時(shí)間對(duì)有效氯產(chǎn)量的影響趨勢(shì)一致，隨著鹽水濃度和電解時(shí)間的增加，有效氯產(chǎn)量不斷增加。為方便于用戶(hù)及時(shí)獲取所需安全飲水和減少食鹽的用量，裝置電解參數(shù)推薦鹽水濃度為20 g/L，電解時(shí)間15～20 min，有效氯的產(chǎn)量為182.64～255.81 mg/L。

圖3 不同鹽水濃度與電解時(shí)間對(duì)有效氯產(chǎn)量的影響Fig.3 The concentration of effective chlorinevaries with different salt concentration and electrolysis time

3.2 不同消毒液投加量和消毒時(shí)間下微生物指標(biāo)達(dá)標(biāo)分析

3.2.1不同消毒液投加量和消毒時(shí)間下對(duì)菌落總數(shù)的去除效果

在消毒液的投加量為1、2、5 mg/L的條件下，裝置消毒過(guò)程連續(xù)運(yùn)行30 min，在1、5、10、30 min分別取樣測(cè)定消毒槽出水的菌落總數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，水樣的菌落總數(shù)為280～26 700 CFU/mL，5處水樣菌落總數(shù)超標(biāo)倍數(shù)分別為267.00倍、2.80倍、9.00倍、9.20倍和63倍。投加消毒液后，消毒槽出水的菌落總數(shù)迅速下降。

表1 菌落總數(shù)隨消毒液投加量與消毒時(shí)間變化Tab.1 The total number of colonies varies withdisinfectant dosage and time

次氯酸鈉大量水解生成具有較強(qiáng)穿透力的次氯酸，可以迅速穿過(guò)微生物的細(xì)胞膜，破壞其多種酶系統(tǒng)，影響微生物的代謝活動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)微生物的滅活[13]。隨著消毒時(shí)間的延長(zhǎng)，菌落總數(shù)下降不明顯。為方便用戶(hù)及時(shí)獲取安全飲水，當(dāng)消毒液的投加量為2～5 mg/L，消毒時(shí)間為5 min時(shí)，消毒槽出水的菌落總數(shù)為8～83 CFU/mL，低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)規(guī)定菌落總數(shù)100 CFU/mL的限值[14]。因此消毒液的投加量為2～5 mg/L，消毒時(shí)間定為5 min即可滿(mǎn)足對(duì)菌落總數(shù)的去除效果。

3.2.2不同消毒液投加量和消毒時(shí)間對(duì)總大腸菌群的去除效果

表2給出了消毒液的投加量分別為1、2、5 mg/L，裝置消毒過(guò)程連續(xù)運(yùn)行30 min，在1、5、10、30 min分別取樣檢測(cè)消毒槽出水的總大腸菌群。由表2可知，當(dāng)消毒液的投加量為1 mg/L時(shí)，5處水樣在消毒時(shí)間為10 min時(shí)未檢測(cè)總大腸菌群。當(dāng)消毒液的投加量為2和5 mg/L時(shí)，5處水樣在消毒時(shí)間為5 min時(shí)未檢測(cè)出總大腸菌群。因此，為節(jié)省裝置的運(yùn)行時(shí)間，選取消毒液的投加量為2～5 mg/L，消毒時(shí)間為5 min即可滿(mǎn)足對(duì)總大腸菌群的去除效果。

表2 總大腸菌群隨消毒液投加量與消毒時(shí)間變化Tab.2 The changes of total coliforms withdisinfectant dosage and time

注：“-”表示未測(cè)出。

3.2.3不同消毒液投加量和消毒時(shí)間下對(duì)耐熱大腸菌群的去除效果

耐熱大腸菌群是一類(lèi)通常寄居于人和溫血?jiǎng)游锬c道的菌群，是水質(zhì)受到糞便污染的重要指標(biāo)[15]，耐熱大腸菌群的高低，標(biāo)志著糞便污染程度，可有效反映水源對(duì)人體健康危害的大小[16]。農(nóng)村分散供水水源在保護(hù)措施不到位的情況下，極易受到外界環(huán)境的影響及人畜糞便的污染，。貴州黔西北典型喀斯特山區(qū)具有代表性的5處飲水的耐熱大腸菌群為0.02～0.22 CFU/mL。按照消毒液的投加量1、2、5 mg/L，裝置消毒過(guò)程連續(xù)運(yùn)行30 min，在1、5、10、30 min分別取樣測(cè)定消毒槽出水的耐熱大腸菌群。在3種消毒液投加量下，消毒時(shí)間為1 min時(shí)，消毒槽的出水耐熱大腸菌群均未檢測(cè)出，耐熱大腸菌群的殺滅率達(dá)到100%。

次氯酸鈉對(duì)微生物有較強(qiáng)的滅殺性，且持續(xù)消毒時(shí)間長(zhǎng)[17]。孫其家等研究表明，當(dāng)飲水的pH為7.0～8.5時(shí)，殺滅(20±1)℃水中的大腸桿菌，所需有效氯濃度需達(dá)到0.70～1.60 mg/L[18]。裝置在不同消毒液投加量和消毒時(shí)間下的消毒效果表明，當(dāng)消毒液的投加量為2～5 mg/L時(shí)，需要消毒的水樣與消毒液充分接觸5 min，菌落總數(shù)、總大腸菌群和耐熱大腸菌群等微生物指標(biāo)即可滿(mǎn)足飲用水安全飲用標(biāo)準(zhǔn)，且消毒槽出水余氯大于0.05 mg/L。該裝置在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到飲水水質(zhì)微生物指標(biāo)的波動(dòng)，消毒液的投加量為2～5 mg/L，消毒時(shí)間設(shè)置為5～10 min。

3.3 成本及設(shè)備使用壽命分析

戶(hù)用型飲水自動(dòng)消毒裝置采用消毒液一次制備、消毒液自動(dòng)投加、多次消毒的運(yùn)行方式，設(shè)定單次消毒水量17 L，消毒液一次制備可消毒10次，消毒總水量為170 L。該裝置目前處于試制階段，制作成本為3 000 元，設(shè)備的使用年限主要取決于電極和電磁閥使用壽命，正常使用年限為5～8 a，后期批量生產(chǎn)時(shí)制造成本會(huì)降至500～800 元。該裝置在實(shí)際應(yīng)用中推薦運(yùn)行參數(shù)為：食鹽水濃度為20 g/L、電解時(shí)間為15～20 min，考慮食鹽消耗和電耗，單位運(yùn)行成本低于0.4 元/m3，適合喀斯特山區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀。

4 結(jié) 論

針對(duì)喀斯特山區(qū)農(nóng)村工程性缺水嚴(yán)重、農(nóng)村分散供水微生物超標(biāo)問(wèn)題突出、飲水水質(zhì)消毒裝置及技術(shù)缺乏等現(xiàn)狀，研發(fā)了一種戶(hù)用型飲水自動(dòng)消毒裝置，并進(jìn)行了消毒運(yùn)行參數(shù)及消毒效果研究。

(1)為方便用戶(hù)及時(shí)獲取安全飲水，同時(shí)節(jié)省裝置運(yùn)行成本，該裝置運(yùn)行參數(shù)推薦為：食鹽水濃度20 g/L，電解時(shí)間15～20 min，消毒時(shí)間5～10 min，裝置出水微生物指標(biāo)完全滿(mǎn)足飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

(2)該裝置以廉價(jià)的食鹽為消毒劑的原料，將電解槽、消毒槽以及自動(dòng)控制單元組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)了消毒裝置的小型化、模塊化和自動(dòng)化，采用消毒液一次制備、消毒液自動(dòng)投加、多次消毒的運(yùn)行方式，對(duì)山區(qū)農(nóng)村常用的微生物超標(biāo)的雨水和山泉水進(jìn)行自動(dòng)消毒。

(3)戶(hù)用型飲水自動(dòng)消毒裝置的集成應(yīng)用可適合喀斯特山區(qū)農(nóng)村供水分散、水質(zhì)微生物超標(biāo)、農(nóng)戶(hù)文化水平不高而技術(shù)水平相對(duì)較低及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)相對(duì)薄弱等現(xiàn)狀，在喀斯特山區(qū)農(nóng)村中具有較大推廣價(jià)值。

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