高層住宅二次供水消毒技術(shù)應(yīng)用與優(yōu)化

何建榮，柳葉瀟，劉志剛，水 永，徐 巧，王亞超

(寧波市水務(wù)環(huán)境集團(tuán)有限公司，浙江寧波 315041)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展與人民生活水平的提高，城市高層住宅日益增多，配建的二次供水設(shè)施也與居民的生活密不可分，二次供水水質(zhì)的優(yōu)劣已直接關(guān)系到居民的健康安全。如何有效避免生活用水在二次供水系統(tǒng)中發(fā)生污染，規(guī)范二次供水設(shè)施的建設(shè)與管理，已成為業(yè)界密切關(guān)注的問題。依照《二次供水設(shè)施衛(wèi)生規(guī)范》(GB 17051—1997)的規(guī)定，二次供水設(shè)施須有安裝消毒器的位置，有條件的單位設(shè)施應(yīng)設(shè)有消毒器。在高層住宅二次供水系統(tǒng)中增加二次消毒環(huán)節(jié)可以降低生活用水的污染風(fēng)險(xiǎn)，如何高效經(jīng)濟(jì)地發(fā)揮二次供水消毒措施的應(yīng)用效果尤為重要。

飲用水消毒技術(shù)主要包括物理法和化學(xué)法兩大類[1]。物理法是利用物理能破壞細(xì)菌或使菌體蛋白發(fā)生解體及變性，如紫外線消毒法[2-3]、超聲波消毒法[4]等；化學(xué)法則是利用液態(tài)或氣態(tài)的化學(xué)藥劑滲透到細(xì)菌體內(nèi)，通過劇烈的氧化反應(yīng)，使細(xì)菌發(fā)生破壞性的降解，如氯化消毒[5]、臭氧消毒[6]等。3種主流飲用水消毒技術(shù)，即氯化消毒、臭氧消毒以及紫外線消毒的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 3種飲用水消毒技術(shù)對(duì)比

目前，國內(nèi)已有不同研究選取臭氧、紫外線等方式進(jìn)行二次供水消毒案例分析[7-8]，但均未考慮實(shí)際水箱水質(zhì)變化規(guī)律，二次消毒應(yīng)用策略模糊，實(shí)用性較低。因此，本文結(jié)合主流的飲用水消毒技術(shù)，通過模擬測(cè)試與實(shí)際應(yīng)用研究了二次消毒技術(shù)對(duì)高層住宅生活用水水質(zhì)的影響，建立并優(yōu)化了二次消毒應(yīng)用策略，為泵房二次供水消毒技術(shù)改造提供理論依據(jù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 二次供水消毒技術(shù)模擬效果分析

考慮到氯化消毒需定量投放含氯消毒劑，后期管理與運(yùn)維難度大，不適用于泵房環(huán)境。相比之下，臭氧消毒與紫外線消毒無需投放消毒劑，后期管理與運(yùn)維更為便捷，且消毒速率較快。因此，本文主要研究臭氧消毒與紫外線消毒兩種消毒方式。

1.1 模擬試驗(yàn)平臺(tái)

選取A小區(qū)泵房閑置水箱作為研究對(duì)象，水箱尺寸為3 m×2 m×2 m，總?cè)莘e為12 m3。以該水箱為基礎(chǔ)進(jìn)行附屬管路及消毒設(shè)備改造，增加了XN-WTS-20G型水箱臭氧消毒設(shè)備與XN-ZWX75-5型紫外線消毒設(shè)備，搭建了水箱模擬試驗(yàn)平臺(tái)，整體系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 水箱模擬試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)框架

臭氧消毒設(shè)備與紫外線消毒設(shè)備基本參數(shù)如表2所示。

表2 消毒設(shè)備基本參數(shù)

1.2 水箱靜態(tài)水質(zhì)變化規(guī)律

通過水箱模擬試驗(yàn)平臺(tái)水箱進(jìn)水取樣口采集并確定進(jìn)水水質(zhì)，初始進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)如表3所示。

表3 進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)

取水箱高度的3/4作為水箱貯水高度，模擬水箱運(yùn)行時(shí)的普遍貯水高度，即水箱貯水體積為9 m3。水箱水質(zhì)變化如圖2所示。

圖2 水箱水質(zhì)變化

水箱貯水靜置過程中，水箱水體中余氯逐漸降低，在最初的72 h里，微生物菌落均未檢出；在約80 h時(shí)，余氯質(zhì)量濃度降低至限值(0.05 mg/L)，此時(shí)水體中的微生物逐步滋長繁殖，菌落總數(shù)逐漸增加；在120 h時(shí)，水體余氯無法檢出，此時(shí)水體菌落總數(shù)達(dá)到最大值。水箱貯水靜置過程中水體渾濁度變化不明顯。

1.3 臭氧消毒與紫外線消毒模擬試驗(yàn)

水箱貯水靜置120 h以后，水箱出水水質(zhì)參數(shù)如表4所示。

表4 出水水質(zhì)參數(shù)

針對(duì)該水質(zhì)狀況的水箱飲用水進(jìn)行快速臭氧消毒與紫外線消毒，在每種處理?xiàng)l件下分別采集3次水樣，取檢測(cè)均值，測(cè)試應(yīng)用效果。消毒后溫度、渾濁度與余氯參數(shù)均未發(fā)生變化，微生物變化結(jié)果如表5所示。其中，總大腸桿菌與耐熱大腸大桿菌的標(biāo)準(zhǔn)為不得檢出，菌落總數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)≤100 CFU/mL。

由表5可知，臭氧消毒與紫外線消毒措施均能較好地對(duì)水箱出水進(jìn)行快速消毒，極大地降低了水箱出水的微生物菌落總數(shù)。其中，臭氧消毒方式能夠?qū)λ湔w貯水進(jìn)行快速消毒，并且隨著臭氧投放量的增加與消毒時(shí)間的延長，滅菌效果更為顯著；紫外線消毒直接對(duì)水箱出水進(jìn)行快速消毒，極短時(shí)間內(nèi)便能達(dá)到較好的消毒效果，消毒速率優(yōu)于臭氧消毒方式，但由于其安裝在水箱出水管位置，紫外線消毒后的生活用水將直接流向加壓水泵，消毒裝置無法對(duì)水箱整體貯水進(jìn)行消毒。

表5 經(jīng)處理水樣的微生物測(cè)定結(jié)果

2 二次消毒應(yīng)用實(shí)際案例分析

選取B小區(qū)與C小區(qū)泵房，分別安裝臭氧消毒裝置與紫外線消毒裝置，消毒設(shè)備的功能參數(shù)與水箱模擬試驗(yàn)平臺(tái)使用的消毒設(shè)備相同，2個(gè)小區(qū)的設(shè)備及其安裝成本分別為3.5萬元與4.2萬元。B小區(qū)涉及水箱供水用戶約600戶，水箱有效容積約為80 m3，C小區(qū)水箱供水用戶約700戶，水箱有效容積約為95 m3，整體供水情況相近。

為避免管網(wǎng)水質(zhì)的偶然性變化對(duì)水箱水質(zhì)的影響，反映實(shí)際工況下水箱水質(zhì)的常規(guī)狀態(tài)，分別在5:00、10:00、15:00、20:00和24:00進(jìn)行5次不同時(shí)間段的取樣，樣品包括水箱進(jìn)水、開啟消毒設(shè)備前的水箱出水及開啟消毒設(shè)備后的水箱出水。選取渾濁度、pH、余氯及微生物這4個(gè)參數(shù)作為水質(zhì)評(píng)定指標(biāo)。

2.1 渾濁度與pH變化分析

由圖3可知，臭氧消毒設(shè)備啟動(dòng)與未啟動(dòng)時(shí)的水箱進(jìn)出水渾濁度變化較小，5次取樣的渾濁度變化均在0.1 NTU以內(nèi)；與之類似，紫外線設(shè)備啟動(dòng)與未啟動(dòng)時(shí)的水箱進(jìn)出水渾濁度變化也較小，5次取樣的渾濁度變化也均在0.1 NTU以內(nèi)。

圖3 渾濁度與pH值測(cè)定結(jié)果

另一方面，臭氧消毒設(shè)備啟動(dòng)與未啟動(dòng)時(shí)的水箱進(jìn)出水pH變化較小，5次取樣的pH值均在6.8～7.2；與之類似，紫外線設(shè)備啟動(dòng)與未啟動(dòng)時(shí)的水箱進(jìn)出水pH變化也較小，5次取樣的pH值也均在6.8～7.2。

以上分析結(jié)果可以說明，臭氧消毒和紫外線消毒對(duì)水箱出水渾濁度、pH影響均較小。

2.2 余氯變化分析

由圖4可知，在臭氧消毒設(shè)備未啟動(dòng)時(shí)，水箱出水相對(duì)于水箱進(jìn)水的余氯衰減量在0.07～0.10 mg/L，而在臭氧消毒設(shè)備啟動(dòng)后，水箱出水相對(duì)于水箱進(jìn)水的余氯衰減量增加到了0.15～0.19 mg/L，使用臭氧消毒設(shè)備會(huì)降低水箱貯水的余氯。在紫外線消毒設(shè)備未啟動(dòng)時(shí)，水箱出水相對(duì)于水箱進(jìn)水的余氯衰減量在0.08～0.12 mg/L，而紫外線消毒設(shè)備啟動(dòng)后，水箱出水相對(duì)于水箱進(jìn)水的余氯衰減量增加到了0.21～0.30 mg/L，使用紫外線消毒設(shè)備也會(huì)降低水箱出水的余氯(紫外線消毒裝置僅在水箱出水管起到滅菌消毒作用，不影響水箱貯水水質(zhì))。

圖4 余氯測(cè)定結(jié)果

由此可見，臭氧可能與水中的部分游離氯發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致出水余氯的衰減；而紫外線的光效應(yīng)會(huì)加速水中游離氯的分解，使余氯衰減速度加快，降低出水余氯水平[9]。由于紫外線消毒過程接觸時(shí)間較短，僅發(fā)現(xiàn)部分游離氯被分解，但余氯衰減幅度要大于臭氧消毒方式。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，臭氧消毒和紫外線消毒過程均會(huì)加快二次供水水體中余氯衰減。為綜合分析臭氧消毒和紫外線消毒過程對(duì)龍頭水余氯衰減的影響，同步對(duì)B小區(qū)與C小區(qū)二次供水用戶末端龍頭水進(jìn)行取樣分析，分別在8:00、14:00和20:00這3個(gè)時(shí)間段對(duì)水箱進(jìn)水、水箱出水和用戶龍頭水進(jìn)行取樣分析，記錄每個(gè)時(shí)間段3次取樣均值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 水箱進(jìn)出水與龍頭水水樣余氯測(cè)定結(jié)果

由圖5可知，未經(jīng)臭氧消毒時(shí)的水箱出水到用戶末端龍頭水的余氯衰減量在0.11～0.13 mg/L，經(jīng)過臭氧消毒后的水箱出水到用戶末端龍頭水的余氯衰減量在0.08～0.10 mg/L；未經(jīng)紫外線消毒時(shí)的水箱出水到用戶末端龍頭水的余氯衰減量在0.09～0.14 mg/L，經(jīng)過紫外線消毒后的水箱出水到用戶末端龍頭水的余氯衰減量在0.06～0.07 mg/L。這可以一定程度上說明經(jīng)過臭氧消毒或紫外線消毒后，在水箱與用戶末端龍頭之間的管道中，水中余氯的衰減速率有所降低。

2.3 微生物變化分析

對(duì)采集到的水箱進(jìn)出水水樣進(jìn)行微生物測(cè)定，測(cè)定項(xiàng)目包括總大腸菌群、耐熱大腸菌群及菌落總數(shù)3項(xiàng)，結(jié)果如表6所示。

表6 水箱水樣微生物測(cè)定結(jié)果

由表6可知，在水箱進(jìn)水微生物未檢出、水質(zhì)情況較好的情況下，臭氧消毒與紫外線消毒無論啟動(dòng)與否，水箱出水均能保證微生物基本未檢出的結(jié)果。

2.4 臭氧消毒與紫外線消毒應(yīng)用優(yōu)化

針對(duì)上述消毒過程對(duì)水體余氯衰減作用的不同規(guī)律，分別取未經(jīng)臭氧消毒的水箱出水和經(jīng)臭氧消毒后的水箱出水，在DN100水泥砂漿內(nèi)襯管內(nèi)進(jìn)行余氯衰減試驗(yàn)。余氯在貯存飲用水中發(fā)生的衰減變化，是一個(gè)與反應(yīng)速率和反應(yīng)物濃度有關(guān)的單一組分的一級(jí)反應(yīng)[10]，如式(1)。

PA=PA0e-k

(1)

其中：PA——反應(yīng)t時(shí)刻余氯的質(zhì)量濃度，mg/L；

PA0——初始余氯質(zhì)量濃度，mg/L；

k——衰減系數(shù)。

與低入住率小區(qū)水箱貯水停留時(shí)間較長的情況不同，生活用水在小區(qū)內(nèi)部供水管道的停留時(shí)間往往較短，實(shí)際運(yùn)行中停留時(shí)間始終不會(huì)超過用水早高峰與晚高峰之間的12.0 h。因此，采樣間隔選取1.0、1.0、2.0、2.0、4.0、6.0 h，即分別選取0.0、1.0、2.0、4.0、6.0、10.0、16.0 h停留時(shí)間，采集水樣并測(cè)定余氯，并將數(shù)據(jù)代入式(1)，求出衰減系數(shù)k。其中，未經(jīng)臭氧消毒水樣的余氯衰減系數(shù)為0.182，經(jīng)過臭氧消毒后水樣的余氯衰減系數(shù)為0.130，得到衰減方程，繪制曲線如圖6所示。同理，在紫外線消毒設(shè)備啟動(dòng)前后，分別采集3次水箱進(jìn)水、水箱出水與二次供水用戶末端龍頭水水樣，進(jìn)行余氯衰減小試?？汕蟮梦唇?jīng)紫外線消毒水樣的余氯衰減系數(shù)為0.214，經(jīng)過紫外線消毒后水樣的余氯衰減系數(shù)為0.130，得到衰減方程，繪制曲線如圖7所示。

圖6 臭氧消毒前后余氯衰減曲線

圖7 紫外線消毒前后余氯衰減曲線

由圖6、圖7可知，雖然經(jīng)過臭氧消毒與紫外線消毒后的水箱初始出水余氯要低于未經(jīng)臭氧消毒與紫外線消毒的水箱初始出水余氯，但水樣的后續(xù)余氯衰減速率有所降低。其中，經(jīng)過臭氧消毒前后的水箱出水水樣在約2.5 h停留時(shí)間后，兩者余氯達(dá)到同一水平，此后經(jīng)過臭氧消毒后的水樣中余氯要高于未經(jīng)臭氧消毒的水樣余氯；經(jīng)過紫外線消毒前后的水箱出水水樣在約4.0 h停留時(shí)間后，兩者余氯達(dá)到同一水平，此后經(jīng)過紫外線消毒后的水樣中余氯要高于未經(jīng)紫外線消毒的水樣余氯。

因此，針對(duì)小區(qū)生活用水在管道內(nèi)停留時(shí)間較長的情況，臭氧消毒與紫外線消毒均可以應(yīng)用于抑制生活用水在小區(qū)內(nèi)管道中的余氯衰減速率，提高用戶末端龍頭水的余氯水平，優(yōu)化與拓展臭氧消毒與紫外線消毒應(yīng)用場(chǎng)景與策略。

3 結(jié)論與建議

高層住宅二次供水消毒的應(yīng)用實(shí)踐是一項(xiàng)綜合性工作，臭氧消毒與紫外線消毒等二次消毒措施在模擬場(chǎng)景中確實(shí)能較好地發(fā)揮應(yīng)急快速消毒滅菌的作用，但在實(shí)際工況中的應(yīng)用效果與其運(yùn)行策略密切相關(guān)，需要慎重考慮到高層住宅小區(qū)的入住率、周邊管網(wǎng)水質(zhì)、用戶用水高峰低谷期等多方面因素，提出適合小區(qū)實(shí)際工況的應(yīng)用策略，才能在保證高效經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮二次消毒措施對(duì)二次供水系統(tǒng)水質(zhì)的提升作用。

(1)臭氧消毒與紫外線消毒方式均能較好地起到水體應(yīng)急快速消毒滅菌作用。臭氧消毒方式能夠?qū)λ湔w貯水進(jìn)行消毒，隨著水體臭氧濃度的提高，消毒效果有所提升，但消毒時(shí)間較長，且水體臭氧析出后對(duì)人體有刺激性；紫外線消毒方式消毒時(shí)間短，無異臭產(chǎn)生，但考慮成本與消毒效果，設(shè)備往往安裝在水箱出水管位置，紫外線消毒后的生活用水將直接流向加壓水泵，消毒裝置無法對(duì)水箱整體貯水進(jìn)行消毒。

(2)在實(shí)際工況下，二次供水水箱水質(zhì)情況往往較好，水箱進(jìn)水微生物未檢出，臭氧消毒與紫外線消毒無論啟動(dòng)與否，水箱出水均能保證微生物基本未檢出的結(jié)果，對(duì)渾濁度與pH影響極小。并且臭氧消毒與紫外線消毒均會(huì)在不同程度上降低水箱出水的余氯，影響短期內(nèi)生活用水中余氯的持續(xù)性抑菌作用。

(3)臭氧消毒與紫外線消毒措施會(huì)對(duì)生活飲用水在管道中的余氯衰減產(chǎn)生抑制作用。針對(duì)臭氧消毒與紫外線消毒措施的長期使用，應(yīng)選取泵房進(jìn)水余氯較高，但末端龍頭水余氯較低的小區(qū)進(jìn)行，二次消毒措施可抑制生活用水在小區(qū)內(nèi)管道中的余氯衰減速率，其中臭氧消毒比紫外線消毒的應(yīng)用效果更為顯著。針對(duì)末端龍頭水余氯長期保持較高水平的小區(qū)，不適合采用臭氧消毒與紫外線消毒措施進(jìn)行二次消毒。

(4)臭氧消毒與紫外線消毒措施的使用還可針對(duì)用戶用水的不同時(shí)間段進(jìn)行調(diào)節(jié)。如在用戶用水低谷期時(shí)，如夜間0:00以后，生活用水在管道內(nèi)停留時(shí)間相較用水高峰期較長，此時(shí)開啟二次消毒措施可抑制生活用水在夜間管道中的余氯衰減速率，提高清晨用戶“第一口水”的余氯水平，減少二次污染風(fēng)險(xiǎn)；而在用戶用水高峰期時(shí)，生活用水在管道內(nèi)停留時(shí)間較短，不建議開啟二次消毒設(shè)備。

(5)目前，一整套臭氧消毒或紫外線消毒設(shè)備及其安裝成本約為4萬元，其中臭氧消毒設(shè)備成本相對(duì)較低，對(duì)存在中大型水箱的泵房而言，二次消毒設(shè)施成本可控制在二次供水設(shè)施總成本的5%以內(nèi)，對(duì)整體泵房成本影響較小。臭氧消毒與紫外線消毒均無需額外加藥，結(jié)合有效的啟?？刂撇呗?，使用壽命長，維護(hù)成本低，整體二次供水消毒經(jīng)濟(jì)性得以保證。