次氯酸鈣變量投加裝置在村鎮供水中的應用

賈燕南，鄢元波，丁昆侖，孫文海

(1.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100048； 2.國家節水灌溉工程技術研究中心(北京)，北京 100048)

次氯酸鈣性質較穩定，不易潮解，是當前國際上通用的水體消毒劑[1]。由于具有運輸、儲存、操作方便，持續消毒效果好、檢測方便等優點，適宜村鎮供水工程采用。但與液氯消毒相同，次氯酸鈣消毒會產生三鹵甲烷(THMs)和鹵乙酸(HAAs)等消毒副產物，且消毒副產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用的傳統次氯酸鈣投加設備，投加量主要由人工手動調節，不能根據處理水量和水質的變化隨時調整投加量。針對上述問題，筆者研發設計了次氯酸鈣自動變量投加系統及裝置，可方便、有效地調整次氯酸鈣藥液投加量，保證消毒效果同時控制消毒副產物。

本文介紹了該裝置在西南地區某村鎮供水工程中的應用情況，現場測試了不同流量下待處理水體中余氯的穩定性，試驗研究了消毒劑投加量變化對待處理水體中余氯的影響，同時連續監測了其運行效果，以期為該裝置的技術完善和推廣應用提供依據。

1 設備結構組成和工作原理

次氯酸鈣自動變量投加設備是在原有次氯酸鈣加藥器的基礎上，通過自動變量投加系統設計，組合加工而成。自動變量投加系統通過自動調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現自動變量投加，該系統包括次氯酸鈣加藥器，電磁流量計，控制箱和變頻計量投加泵(如圖1所示)。次氯酸鈣加藥器主體分為上下兩層，上層為儲藥籃(底部為網格狀結構)，由頂蓋處添加并儲存次氯酸鈣復配餅劑；下層為次氯酸鈣溶液儲存箱，可存儲12 kg次氯酸鈣溶液。進水水流通過水波噴頭噴水溶解網格上部的次氯酸鈣復配餅劑，溶解后的含氯溶液通過網格側面出口進入下層為次氯酸鈣溶液儲存箱[3]。

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

自動變量投加裝置工作原理：安裝在清水池進水管道上的電磁流量計在線監測流量的變化，通過控制箱將流量信號傳送給變頻計量投加泵(該變頻泵有自動調節和手動調節兩種調節模式，且可同時應用)，計量投加泵根據流量信號輸入和調節模式，自動調節控制次氯酸鈣藥液儲存箱中的消毒液向清水池進水管道中的投加量，保證清水池進水中余氯的穩定。

該裝置具有自動調節和手動調節兩種模式。自動調節模式下，用戶通過控制器輸入設定值，以設定單位體積待處理水的次氯酸鈣溶液投加量(單位為L/m3)；在手動調節模式下，用戶通過調整計量泵的行程，可設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：控制器設定投加量×計量泵設定行程。

2 試點工程及試驗方法

2.1 試點工程介紹

試點工程位于西南山丘區，于2014年10月正式通水運行，供水規模約為600 m3/d，用水人口約3 400人。水源為水廠10 km外山泉水，水源水質指標中濁度及總大腸菌群超標，耗氧量CODMn為2.16 mg/L。水源水經管道重力引流至水廠，經一體化凈水器(最大處理量30 m3/h)處理后進入清水池(體積為300 m3)。次氯酸鈣自動變量投加設備安裝在清水池前，將次氯酸鈣消毒液投加再入清水池前管線上，在清水池內接觸消毒。消毒后的清水池出水依靠重力自流進入管網輸送至各用水戶，管網末梢距離水廠約10 km。

2.2 現場試驗方案

自2014年7月完成次氯酸鈣自動變量投加設備的安裝及調試以來，筆者一直長期跟蹤監測設備運行情況，本文所述監測結果為2014年11月現場測得。

(1)不同流量下待處理水體中余氯的穩定性。設定控制器的自動投加量為0.06 L/m3，設定計量泵行程為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，調整逐次調節清水池進水流量，共4次，分別為27.0、21.6、16.0、8.2 m3/h，而后測定清水池進水中的余氯值，以監測不同流量下待處理水體中余氯的穩定性。

(2)次氯酸鈣溶液投加量變化對待處理水體中余氯的影響。在清水池進水流量約為30 m3/h時，設定控制器的自動投加量為0.06 L/m3，逐次手動調整計量泵行程為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，而后測定清水池進水中余氯含量，以試驗次氯酸鈣溶液投加量變化對待處理水體中余氯的影響。

(3)裝置運行效果連續監測。通過控制器和計量泵行程調節旋鈕，分別設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，分別穩定運行1 d以上，而后開展連續32 h運行效果連續監測，即在32 h監測時間段內的0、5、10、15、24、29、32 h分別測定清水池進水、出廠水和管網末梢水的余氯，測定一體化凈水器出水、清水池進水、出廠水和管網末梢水的總大腸菌群，在10、24、32 h分別測定出廠水和管網末梢水的消毒副產物(包括三鹵甲烷、二氯乙酸和三氯乙酸)。

2.3 水質檢測方法

采用便攜式多參數比色計通過DPD比色法現場檢測余氯指標。其他水質指標檢測所需水樣的采集依據《生活飲用水標準檢驗方法-水樣的采集與保存》(GB/T 5750.2-2006)執行。測定方法參照《生活飲用水標準檢驗方法》(GB/T5750-2006)執行。

3 結果與分析

3.1 不同流量下待處理水體中余氯的穩定性

在固定次氯酸鈣溶液投加量為0.06 L/m3的條件下，4種進水流量情況下，清水池進水中余氯含量的變化結果見表1。由表1可知，當流量在8.2～27.0 m3/h之間時，清水池進水中余氯含量在0.76～0.98 mg/L范圍內，中值為0.87 mg/L，余氯的波動范圍為±12.64%。由此可見次氯酸鈣自動變量投加設備能夠實現根據流量變化而自動投加相應量的消毒劑，保證清水池進水中余氯的含量相對穩定。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，余氯的波動范圍僅為±4.40%。但清水池進水流量較小(8.2 m3/h)時，余氯值波動較其他流量下更為顯著，可能是因為當清水池進水流量較小時，進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，導致檢測到的余氯濃度偏高。

表1 不同流量下清水池進水中的余氯值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待處理水體中余氯的影響

當清水池進水流量保持在30 m3/h時，手動調節計量泵行程分別為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，清水池進水中余氯含量隨次氯酸鈣溶液投加量的變化結果如圖2所示。由圖2可知，隨著次氯酸鈣溶液投加量的增加，清水池進水中余氯含量隨之增加，二者具有良好的線性相關關系，線性相關系數R約為0.90。這同時說明，計量泵行程在50%～100%范圍內調整時，次氯酸鈣溶液投加體積與計量泵行程之間具有良好的線性關系。

上述結果表明在清水池進水流量一定時，可根據余氯-次氯酸鈣投加量關系曲線，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 清水池進水余氯-次氯酸鈣溶液投加量關系曲線Fig.2 Changes of residual chlorine concentration in the influent of the clear water reservior with the calcium hypochlorite solution dosing quantity

3.3 裝置運行效果連續監測

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，清水池進水、出廠水和管網末梢水余氯值在32 h連續運行時間段內的變化情況。

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，當次氯酸鈣溶液投加量為0.06 L/m3時，清水池進水中余氯含量在0.67～0.92 mg/L范圍內波動，中值為0.79 mg/L，波動范圍為±15.19%。出廠水余氯值在0～10 h時間段內緩慢增加，在10～29 h時間段內基本保持不變，在29～32 h時間段內緩慢增加，總體來看，呈緩慢上升趨勢，波動范圍在0.46～0.62 mg/L，中值為0.54 mg/L，波動范圍為±14.81%；末梢水余氯總體呈緩慢上升趨勢，波動范圍在0.36～0.47 mg/L，中值為0.41 mg/L，波動范圍為±13.25%。分析出廠水余氯先緩慢上升而后保持穩定的原因是，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反應，使得最初余氯消耗量較大，隨著池壁還原性物質被逐漸氧化完畢，余氯消耗量逐漸減少，水中余氯出現值緩慢上升直至最終達到基本穩定。而29～32 h時余氯值再次上升，則可能是由于次氯酸鈣溶液儲存箱中次氯酸鈣溶液濃度出現波動造成的。

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

總體來看，兩種次氯酸鈣溶液投加量條件下的監測過程中，出廠水余氯含量均大于0.3 mg/L，管網末梢余氯含量均大于0.03 mg/L，符合《生活飲用水衛生標準》的要求。兩次32 h的連續監測過程中，清水池進水、出廠水、管網末梢水的余氯值波動范圍均在±20%以內。上述結果說明，在次氯酸鈣溶液投加量一定的情況下，不僅清水池進水余氯含量穩定，出廠水和管網末梢水余氯也相對穩定。

將兩種次氯酸鈣溶液投加量條件下，清水池進水中余氯中值進行比較發現：當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水余氯之間具有較好的線性正相關性，與3.2中得到的結果一致。

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水余氯中值的衰減率進行比較發現：當次氯酸鈣溶液投加量由0.06 L/m3降低至0.036 L/m3時，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/m3兩種條件下連續運行32 h時間段內，在0、5、10、15、24、29、32 h分別取樣測定一體化凈水器出水、清水池進水、出廠水和管網末梢水中的總大腸菌群，結果如表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，在本文所監測的兩個32 h運行時間段內，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。投加次氯酸鈣溶液后，在管道中短暫接觸后的清水池進水水樣中，絕大多數都未檢出總大腸菌群。次氯酸鈣溶液投加量為0.06 L/m3時、運行32 h時清水池進水口水樣中總大腸菌群檢出結果為0.24 CFU/mL，可能是由于此時次氯酸鈣消毒劑與待處理水體接觸時間過短，原水中的總大腸菌群未被完全滅活。經過在清水池中停留一段時間并充分接觸、消毒后，出廠水和管網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，符合生活飲用水衛生標準要求，說明次氯酸鈣消毒效果顯著，并且具有較好的持續消毒能力，能夠保證出廠水和管網末梢水的微生物安全。

3.3.3消毒副產物的變化

表3給出了次氯酸鈣溶液投加量分別為0.06、0.036 L/m3時，不同監測時間點的出廠水及管網末梢水中消毒副產物三鹵甲烷、二氯乙酸和三氯乙酸的監測結果。由表3可知，在兩種投加量條件下，出廠水和管網末梢水中二氯乙酸和三氯乙酸濃度均低于生活飲用水衛生標準的限值規定(限制分別為0.1和0.05 mg/L)，次氯酸鈣溶液投加量高時，二氯乙酸、三氯乙酸生成量也較高。當次氯酸鈣投加量為0.06 L/m3時，出廠水和管網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，超過生活飲用水衛生標準限值規定(限制為1)；而當次氯酸鈣投加量降低為0.036 L/m3時，出廠水和管網末梢水中三鹵甲烷濃度也顯著降低，符合標準要求。

表3 出廠水和管網末梢水中消毒副產物的變化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時的消毒副產物生成量；b列表示次氯酸鈣投加量為0.036 L/m3時的消毒副產物生成量。

有文獻報道使用次氯酸鈉對飲用水消毒時，投加量越大，接觸時間越長，生成的三氯甲烷和鹵乙酸也越多[2,4,5-7]，本文的試驗研究結果與文獻報道一致。另外，比較同一監測時間點時出廠水和管網末梢水中的消毒副產物生成量可發現，三鹵甲烷，三氯乙酸和二氯乙酸均主要產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，應將次氯酸鈣溶液投加量及其與在清水池中的停留時間控制在合理范圍內。

4 結 語

將次氯酸鈣自動變量投加設備安裝應用在某村鎮供水工程并連續運行，監測結果表明：①該裝置能夠實現定比投加，確保在單位水體中投加設定體積的次氯酸鈣溶液，當清水池進水流量在8.2～27.0 m3/h變化時，其余氯波動范圍為±12.64%；②當調整單位水體中次氯酸鈣溶液的投加量時，清水池進水中的余氯值也相應改變，兩者呈現良好的線性正相關關系；③連續監測結果表明：該裝置投加穩定性較好，清水池進口、出廠水和管網末梢中余氯值波動均在±20%以內，且均符合生活飲用水衛生標準要求；④該裝置配合次氯酸鈣復配餅劑使用，消毒效果穩定可靠，出廠水和管網末梢水微生物指標均達標，但投加量較大時，可能會出現副產物三鹵甲烷超標。綜上所述，該裝置運行效果穩定可靠，消毒效果達標，在村鎮供水工程中具有較大推廣價值。

根據筆者對加藥器下部次氯酸鈣溶液儲存箱中有效氯濃度的測定，可推算出在次氯酸鈣溶液投加量為0.036 m3/L時，以有效氯計的投加量約為0.4～0.6 mg/L，根據3.3中余氯、總大腸菌群和消毒副產物的監測結果可知，該供水工程適宜的消毒劑投加量可能在比0.4～0.6 mg/L更低的一個區間范圍內。建議可針對水處理后出水進行燒杯試驗得到需氯量值后，加上清水池出口需要控制的余氯量，計算得到清水池進水需要控制的余氯量，利用本文3.2中的清水池進水余氯-次氯酸鈣溶液投加量關系曲線，即可得到需在自動變量投加裝置上設定的次氯酸鈣溶液投加量，實現在確保消毒效果的基礎上，保證消毒副產物達標，全面保障飲水安全。

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