分散戶用桶式紫外線消毒裝置的應用研究

李連香，劉文朝，李鐵光，孫瑞剛

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

消毒是提高水質達標率的有效手段，受限于自然環境、經濟水平、技術儲備、飲水習慣等多重因素，部分山丘區分散式供水工程缺乏消毒設施，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，不同消毒方式在實際應用中各有優缺點[1]。然而針對分散式供水工程消毒技術研究較少，尚未建立適宜的消毒技術模式。

部分農村供水受益戶用水意識淡薄和飲水習慣固化，對藥劑式消毒后飲用水味道接受程度低。為避免消毒設備和資源浪費， 針對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、不產生消毒副產物，在給水處理中有很好的前途[2]。但同時必須清醒地意識到，隨著科技發展，水源水質趨向復雜化、多樣化，僅采用消毒技術時并不能全面保證水質，需采用凈水與消毒相結合的處理方式。

以切實保障分散式供水的飲水水質為宗旨，按照經濟實用、運行管理簡單的原則，采用紫外線消毒與前置凈水相結合的方式，研發桶式紫外線消毒裝置。桶式紫外線消毒裝置以低壓高強度紫外燈為核心，以PP棉過濾器和活性炭過濾器為水質保障單元，充分利用UV-C(253.7 nm)的高效的殺菌能力。為進一步明確桶式紫外線消毒裝置的運行效果，本文選擇華北地區某山丘區1處分散戶為示范點，開展桶式紫外線消毒裝置的應用研究。

1 裝置組成及測試方法

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合的原則，桶式紫外線消毒裝置以PP棉過濾器和活性炭過濾器為水質保障單元，以低壓高強度紫外燈為核心，集過濾、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便性、經濟性和實用性，桶式紫外線消毒裝置組成主要包括原水桶、微型水泵、PP棉精密過濾器、活性炭過濾器、紫外線殺菌燈管、電控系統、不銹鋼反應腔體，具體配置參數如表1所示。

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

通過表1可知，桶式紫外線消毒裝置的組成部件PP棉過濾器和活性炭過濾器均是標準件，規格為10寸，便于購買和更換。為使得消毒裝置低能耗運行，微型水泵和紫外燈功率分別為20 W和15 W。為便于加工，不銹鋼反應腔體設計為圓柱形，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保障單元中，PP棉和活性炭過濾器主要對原水進行預處理，去除原水中的雜質、色度及異味，降低原水濁度，進一步保障紫外線消毒效果；原水經過過濾后進入紫外線消毒反應腔體，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。不銹鋼反應腔體設液位管、進水管和溢流管。為便于清洗和維修，不銹鋼腔體上部設頂蓋，頂蓋設計為嵌套式；為確保安全，電源接通時嚴禁開啟頂蓋。位于不銹鋼反應腔體底部的電控系統主要控制紫外線燈管的啟停，可按原水水質情況設定紫外線照射時間，間歇式消毒可照射5～10 min/h，必要時采用連續消毒，避免桶內飲用水微生物滋生。

1.2 運行方式

針對桶式紫外線消毒裝置的運行操作簡便。日常運行主要包括開機進水和紫外線消毒燈啟動。消毒設備安裝后，首先緩慢打開進水閥門，接通小型潛水泵電源，此時過濾器上排氣閥會自動排出管道空氣；進水過程中需觀察紫外線反應腔體液位，達到上液位時，及時關閉小型潛水泵電源。進水流程結束后，接通桶式紫外線消毒裝置的電源，控制系統通電后會自動控制紫外燈的啟停，紫外燈照射時間可根據原水水質情況進行設定。如日用水量小或長時間不使用時，可以直接關閉紫外線消毒裝置的電源。

針對紫外燈套管的清周期建議1～2周。清洗時務必切斷紫外燈電源，排空紫外線腔體內部飲用水，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。建議結合原水水質情況確定PP棉和活性炭濾芯的更換周期，通常情況下運行3～4個月更換PP棉和活性炭濾芯。濾芯更換時，需關閉過濾系統進水閥門，排空管道，采用專用扳手更換PP棉和活性炭濾芯。

1.3 測試指標和方法

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試指標以微生物指標(菌落總數、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指標(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(硝酸鹽)為輔，共檢測15項指標。其中pH值和渾濁度現場測定，pH值采用英國百靈達P600型pH計測定，濁度利用美國哈希DR2100濁度儀測定。水樣的采集、保存以及測試嚴格按照生活飲用水標準檢驗方法(GB/T 5750-2006)[3]進行。針對微生物指標測試需在4 h內完成，采用500 mL廣口瓶采集水樣，采樣瓶經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行消毒。所有水樣采集后放置在水樣冷藏箱中，盡快返回實驗室測定。

2 應用案例及運行效果

2.1 示范點介紹

示范點位于華北地區某山丘區的1處分散供水戶(譚家，簡寫為TJ)。由于分散戶TJ的住址地勢高、距離遠，集中供水工程沒有覆蓋。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，待出水清澈時放置在水缸(容積約150 L)中儲存使用，未經任何處理。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，未進行過清理和消毒，冬季水缸外部增設棉被等保暖設施，以免結冰影響用水。

通過對分散戶TJ的水源水進行檢測，檢測結果如表2所示。檢測結果表明分散戶TJ的水源水主要存在總大腸菌群和濁度超標的問題，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，便于取水；冬季室內有采暖設施，便于防凍。裝置兩側留有充足的空間，便于操作、測試和檢修。桶式紫外線消毒裝置僅用電即可維持運行，用電為交流電220 V±10 V，50 Hz，最大工作壓力不超過0.3 MPa，以免發生爆管。

為進一步明確帶有前置凈水系統的桶式紫外線消毒效果，桶式紫外線消毒裝置安裝后，開展現場試驗。針對桶式紫外線消毒裝置的運行參數，關鍵是確定紫外燈照射時間。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，紫外燈照射時間設為5、10 min/h和連續消毒，試驗周期均為3 h，每小時采集水樣進行測試，試驗周期內測試3次，測試結果求平均值。測試結果如表2所示。

表2 原水和消毒后出水水質檢測結果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，現場所選擇的紫外燈照射時間5、10 min/h和連續消毒3個試驗方案，出水總大腸菌群和菌落總數等微生物指標符合生活飲用水衛生標準(GB5749-2006)，表明桶式紫外線消毒設備有效保障了出水微生物安全性。結合分散戶TJ水源水質情況，紫外燈照射時間選擇5 min/h即可。

通過表2可知，前置凈水系統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，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，表明前置凈水系統對氯化物等沒有顯著去除效果。此外，值得一提的是不同紫外線照射時間后，出水指標氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽(以氮計)、溶解性總固體、總硬度(以CaCO3計)、耗氧量(CODMn法，以O2計)的含量有略微差別，主要由于測試誤差引起。

2.3 運行成本分析

針對桶式紫外線消毒裝置的運行成本主要包括電費和濾芯更換費用。其中電費主要包括紫外燈管電費和潛水泵電費，由于紫外燈管每小時照射5 min，全年運行時間730 h，紫外燈功率15 W，全年用電11 kWh，電費按照0.5 元/kWh計，紫外燈用電5.5 元/a；針對潛水泵電費，按照家庭用戶每天生活飲用水40 L計(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，全年累計用電0.12 kWh，電費為0.06 元/a；紫外燈管和潛水泵用電總費用為5.56元。針對每年更換PP棉和活性炭濾芯的費用，PP棉濾芯按照15 元/個計，活性炭濾芯按照20 元/個計，每年各需要3個，共計105元。綜上，桶式紫外線消毒裝置的年運行成本約為110.56元。

3 應用前景分析

受限于自然地理條件、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、無二次污染、運行維護簡單的特點。鑒于目前很多集中供水工程對消毒重視程度不夠，消毒劑投加不規范，消毒設施有效使用率低，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，有效緩解遠距離末梢水消毒劑余量不足的問題。

從經濟角度分析，桶式紫外線消毒裝置年運行成本低。從長遠角度而言，末端/分散戶用消毒裝置可以降低水處理成本。世界衛生組織、食品與營養協會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、外界環境、體質等各方面因素的影響[5-7]，但數據分析顯示人均日飲水量低于5 L/(人·d)。農村集中供水工程供水量為60 L/(人·d)計，飲水量5 L/(人·d)計，如采用帶有前置凈水系統的桶式紫外線消毒裝置，可以大幅降低水處理成本，因為烹飪用水和飲用水不足生活用水的10%，換句話說大部分生活用水沒有必要達到《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)，這一點是與陶濤[8]的報道是一致的。

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

從運行管理角度而言，桶式紫外線消毒裝置無須原料，無需專職管理人員，僅用電即可維持設備運行，運行維護簡單。運行維護內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個月，具體更換周期需結合原水水質情況而定；紫外燈管使用壽命為8 000 h，紫外燈照射時間5 min/h，全天24 h開啟設備情況下，更換周期為11 a。如桶式紫外線消毒裝置安裝數量多，可委托專業公司進行日常設備的運行維護。

4 結 論

桶式紫外線消毒裝置以低壓高強度紫外燈為核心，以PP棉和活性炭過濾器為水質保障單元，裝置組成和工藝流程簡單實用。結合華北地區某山丘區1處分散戶家的實際應用，桶式紫外線消毒設備紫外燈開啟時間5min/h情況下，可有效保障出水微生物安全性，年運行成本僅110.56元。通過消毒效果、經濟、運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用前景。

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[1] 賈燕南, 楊繼富, 趙 翠,等. 農村供水消毒技術及設備選擇方法與標準[J]. 中國水利, 2014,(13):47-50.

[2] 劉文君. 現代給水處理消毒技術的發展[J]. 給水排水動態, 2010,(1).20-23.

[3] GB/T 5750-2006，生活飲用水標準檢驗方法[S].

[4] GB/T 5749-2006，生活飲用水衛生標準[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.