喀斯特山區農村戶用型飲水自動消毒裝置構建及應用研究

孫夢陽，李 江,2，房 軍，吳永貴,2，唐濤濤，王海強

(1.貴州大學資源與環境工程學院，貴陽 550025；2.貴州省喀斯特環境生態工程研究中心，貴陽 550025；3.貴州省水利廳，貴陽 550002)

近年來，隨著我國農村生活水平的日益提高及環境污染趨勢的逐漸加重，農村人畜飲水水質安全保障日益受到關注，其中微生物指標超標問題尤為突出[1,2]。貴州喀斯特地區，地貌結構獨特、石漠化現象普遍、地表水保持困難，加之經濟條件的限制，水利工程方面資金投入有限，致使喀斯特山區農村水資源開發利用程度低，普遍存在著工程性缺水問題[3]。此種現象在生態環境脆弱、人地系統復雜、礦業活動頻繁的黔西北喀斯特山區尤為突出。黔西北喀斯特山區居民居住相對分散，集中式供水設施的建設和管道鋪設難度大，主要依靠分散供水滿足生產生活需要，供水水源主要是雨水和山泉水[4,5]。現有分散供水消毒設備和技術存在著成本、普適性、可維護性、可運輸性等多方面的挑戰[6]，難以有效應用于喀斯特山區農村地區，致使分散供水大多未經消毒處理直接飲用，對人體健康構成潛在危害。因此急需研發一種適用于農村分散供水水質消毒處理的戶用型飲水消毒技術及裝置。

本文介紹了一種戶用型飲水自動消毒裝置，將電解槽、消毒槽以及自動控制單元組合起來，有效實現了次氯酸鈉消毒液生產的自動化和消毒過程的連續性以及使用過程的穩定性和可靠性。通過采集黔西北典型喀斯特山區農村分散供水的水源水，進行消毒運行參數及消毒效果的研究，以期解決現有的消毒設備和技術普遍存在著結構和工藝復雜，成本較高，不適合單家獨戶使用的問題，并為該裝置的應用示范提供技術參考。

1 消毒裝置構建及其工作原理

1.1 消毒裝置構建及其組成

戶用型飲水自動消毒裝置的總體結構見圖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、報警裝置及監控屏分別與控制單元相連接(見圖2)。使用裝置時，依次打開控制單元上的“電解”按鈕和“啟動”按鈕，屋面雨水或山泉水原水進入到電解槽中，同時將食鹽水溶液加入到電解槽中，然后開始電解，電解時間達到設定值后，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控制單元設定的混合比例進行混合，通過消毒槽中的雙管混流器實現消毒液和原水的快速混合。達到設定的消毒時間后，報警裝置啟動同時觸摸監控屏出現“飲用水消毒完成”的提示信息，提示消毒完成。

1-裝置柜；2-觸摸監控屏；3-控制單元；4-報警裝置；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；10-陰極；11-第2進水電磁閥；12-陽極；13-電解槽；14-第2原水輸送管；15-第1原水輸送管；16-第1進水電磁閥；17-原料(食鹽水)添加口；18-液位傳感器圖1 戶用型飲用水自動消毒裝置結構Fig.1 The structural sketch map of householdautomatic disinfection device for drinking water

1.2 消毒裝置控制系統及其工作原理

本文所用戶用型飲水自動消毒裝置控制系統的原理見圖2。控制單元采用第3代微型可編程控制器。液位傳感器將液位變化產生的高電平信號反饋回控制單元中，后者以此為邏輯判斷實現傳感器與控制器及控制對象(電磁閥、電極、報警器及觸摸監控屏)有效聯系和自動化控制功能。觸摸顯示屏(顯示與操控面板)通過串口通信接口與控制單元連接進行數據交換，實現消毒過程的自動化和全程可視化以及運行參數的在線設置和調整。由于典型喀斯特山區農戶飲用水的水源類型和水質特征以及衛生條件不同，因此使用者可以根據實際情況調整運行參數。

圖2 戶用型飲水自動消毒裝置控制原理Fig.2 Control scheme of household automatic disinfection device for drinking water

2 樣品采集及實驗方法

2.1 樣品采集

在工程性缺水的喀斯特山區，居民為了滿足人畜飲水需要，普遍修建水窖、集雨屋面等蓄水設施，蓄積屋面雨水與山泉水。由于喀斯特山區農村分散供水的水源類型不同、蓄水設施不同、當地村鎮環境衛生條件不同，從貴州黔西北典型喀斯特山區選擇具有代表性的5處飲水作為試驗用水進行消毒實驗研究，以檢驗裝置的適用性和可靠性。5處飲水具有代表性的水質指標CODMn為1.36～4.96 mg/L，總硬度(以CaCO3計)為41.03～210.98 mg/L，菌落總數為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種微生物指標均存在不同程度的超標。

2.2 實驗方法

采用電解試驗和消毒試驗來驗證戶用型飲水自動消毒裝置的消毒效果，電解試驗考察不同食鹽水濃度和電解時間2種條件下電解槽電解的有效氯產量，消毒試驗考察不同消毒液投加量和消毒時間2種條件下裝置的消毒效果。

(1)電解試驗。研究表明電解槽的電解效果主要與電解電流、鹽水濃度、電解時間等電解參數有關[7]。次氯酸鈉發生器安全與衛生標準(GB28233-2011)規定，食鹽水濃度范圍應為30～50 g/L[8]，能達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對次氯酸鈉發生器運行效果影響，采用的食鹽水濃度為20～40 g/L[9]。在電解裝置預實驗的基礎上，電解實驗采用的食鹽水濃度設置為10、20、30 g/L，電解電流設定為5 A，分別在電解時間為5、10、15、20、25 min檢測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。飲用水衛生消毒時，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間為30 min[10]。為方便用戶及時快速獲得安全飲用水，在預試驗的基礎上，消毒液的投加量設置為1、2、5 mg/L，飲用水消毒時間設置為1、5、10、30 min，檢測消毒槽出水中常規微生物指標(菌落總數、總大腸菌群和耐熱大腸菌群)達標情況，以探究不同消毒液投加量和消毒時間下裝置的消毒效果。

2.3 水質檢測方法和運行成本計算方法

水樣的采集和保存依據《生活飲用水標準檢驗方法——水樣的采集與保存》(GB5750.2-2006)；消毒液有效氯的檢測采用《生活飲用水標準檢驗方法——消毒劑指標》(GB5750.11-2006)[11]，3次平行測試，取平均值；微生物指標的檢測依據《生活飲用水標準檢驗方法——微生物指標》(GB5750.12-2006)[12]。參考《次氯酸鈉發生器》(GB12176-1990)指標計算方法，試驗裝置運行成本包括電費和食鹽消耗費[8]。

3 結果與分析

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間下變化情況見圖3。由圖3可知鹽水濃度和電解時間對有效氯產量的影響趨勢一致，隨著鹽水濃度和電解時間的增加，有效氯產量不斷增加。為方便于用戶及時獲取所需安全飲水和減少食鹽的用量，裝置電解參數推薦鹽水濃度為20 g/L，電解時間15～20 min，有效氯的產量為182.64～255.81 mg/L。

圖3 不同鹽水濃度與電解時間對有效氯產量的影響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間下微生物指標達標分析

3.2.1不同消毒液投加量和消毒時間下對菌落總數的去除效果

在消毒液的投加量為1、2、5 mg/L的條件下，裝置消毒過程連續運行30 min，在1、5、10、30 min分別取樣測定消毒槽出水的菌落總數，結果見表1。

由表1可知，水樣的菌落總數為280～26 700 CFU/mL，5處水樣菌落總數超標倍數分別為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迅速下降。

表1 菌落總數隨消毒液投加量與消毒時間變化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穿透力的次氯酸，可以迅速穿過微生物的細胞膜，破壞其多種酶系統，影響微生物的代謝活動，從而達到對微生物的滅活[13]。隨著消毒時間的延長，菌落總數下降不明顯。為方便用戶及時獲取安全飲水，當消毒液的投加量為2～5 mg/L，消毒時間為5 min時，消毒槽出水的菌落總數為8～83 CFU/mL，低于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)規定菌落總數100 CFU/mL的限值[14]。因此消毒液的投加量為2～5 mg/L，消毒時間定為5 min即可滿足對菌落總數的去除效果。

3.2.2不同消毒液投加量和消毒時間對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，裝置消毒過程連續運行30 min，在1、5、10、30 min分別取樣檢測消毒槽出水的總大腸菌群。由表2可知，當消毒液的投加量為1 mg/L時，5處水樣在消毒時間為10 min時未檢測總大腸菌群。當消毒液的投加量為2和5 mg/L時，5處水樣在消毒時間為5 min時未檢測出總大腸菌群。因此，為節省裝置的運行時間，選取消毒液的投加量為2～5 mg/L，消毒時間為5 min即可滿足對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間變化Tab.2 The changes of total coliforms withdisinfectant dosage and time

注：“-”表示未測出。

3.2.3不同消毒液投加量和消毒時間下對耐熱大腸菌群的去除效果

耐熱大腸菌群是一類通常寄居于人和溫血動物腸道的菌群，是水質受到糞便污染的重要指標[15]，耐熱大腸菌群的高低，標志著糞便污染程度，可有效反映水源對人體健康危害的大小[16]。農村分散供水水源在保護措施不到位的情況下，極易受到外界環境的影響及人畜糞便的污染，。貴州黔西北典型喀斯特山區具有代表性的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，裝置消毒過程連續運行30 min，在1、5、10、30 min分別取樣測定消毒槽出水的耐熱大腸菌群。在3種消毒液投加量下，消毒時間為1 min時，消毒槽的出水耐熱大腸菌群均未檢測出，耐熱大腸菌群的殺滅率達到100%。

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

3.3 成本及設備使用壽命分析

戶用型飲水自動消毒裝置采用消毒液一次制備、消毒液自動投加、多次消毒的運行方式，設定單次消毒水量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，后期批量生產時制造成本會降至500～800 元。該裝置在實際應用中推薦運行參數為：食鹽水濃度為20 g/L、電解時間為15～20 min，考慮食鹽消耗和電耗，單位運行成本低于0.4 元/m3，適合喀斯特山區農村經濟現狀。

4 結 論

針對喀斯特山區農村工程性缺水嚴重、農村分散供水微生物超標問題突出、飲水水質消毒裝置及技術缺乏等現狀，研發了一種戶用型飲水自動消毒裝置，并進行了消毒運行參數及消毒效果研究。

(1)為方便用戶及時獲取安全飲水，同時節省裝置運行成本，該裝置運行參數推薦為：食鹽水濃度20 g/L，電解時間15～20 min，消毒時間5～10 min，裝置出水微生物指標完全滿足飲用水衛生標準。

(2)該裝置以廉價的食鹽為消毒劑的原料，將電解槽、消毒槽以及自動控制單元組合起來實現了消毒裝置的小型化、模塊化和自動化，采用消毒液一次制備、消毒液自動投加、多次消毒的運行方式，對山區農村常用的微生物超標的雨水和山泉水進行自動消毒。

(3)戶用型飲水自動消毒裝置的集成應用可適合喀斯特山區農村供水分散、水質微生物超標、農戶文化水平不高而技術水平相對較低及農村經濟相對薄弱等現狀，在喀斯特山區農村中具有較大推廣價值。

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