農村用戶型飲水消毒裝置的應用研究

劉春洋

(彰武縣水利事務服務中心，遼寧 彰武 123200)

0 引 言

近年來，隨著水環境污染趨勢的加劇和農村生活水平的提升，農村飲水安全及微生物指標超標的問題越來越受到關注[1-2]。遼西地區的地表水保持困難、石漠化現象普遍且地貌結構獨特，加之水利工程資金投入有限及經濟社會發展相對滯后，使得工程性缺水、水資源開發利用程度低等問題普遍存在于農村地區，在礦業活動頻繁、人地系統復雜、生態環境脆弱的遼西低山丘陵區這種現象更加突出[3]。針對居民居住較為分散的遼西低山丘陵區，集中式供水的管道鋪設和設施建設存在較大難度，生產生活用水主要依靠分散供水，并且山泉水和雨水為主要供水水源[4-5]。在可運輸性、可維護性、普適性、成本控制等方面，現有分散供水消毒技術和設備面臨著巨大挑戰，將其用于遼西農村地區時難以有效的發揮作用，直接飲用未經消毒處理的分散供水，在一定程度上危害著人體健康[6]。因此，用戶型飲水消毒技術及裝置的研發成為農村分散供水水質消毒處理亟待解決的問題。

文章將自動控制單元、消毒槽、電解槽相組合形成一種用戶型飲水自動消毒裝置，有效實現了使用過程的可靠性與穩定性、消毒過程的連續性以及次氯酸鈉消毒液生產的自動化。通過對遼西低山丘陵區農村分散供水的水樣采集，研究了其消毒效果及運行參數，為解決現有消毒設備普遍存在的不適合單家獨戶使用、成本較高、工藝復雜等問題提供技術支持，并為用戶型飲水自動消毒裝置的應用提供示范。

1 消毒裝置工作原理

1.1 消毒裝置的組成

用戶型飲水自動消毒裝置主要包括顯示與報警單元、控制單元、原料添加口、消毒槽、傳感器、電解槽、裝置柜等部分，用戶型飲水消毒裝置圖，見圖1。其中，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-原料添加口、18-液位傳感器、1-裝置柜、2-觸摸監控屏、3-控制單元、12-陽極、10-陰極、9-次氯酸鈉溶液輸送線、11-第2進水電磁閥、8-消毒電磁閥、7-液位傳感器、6-消毒槽、4-報警裝置、5-水龍頭。

(a)總體結構圖 (b)控制原理圖

其中，腔體、液位傳感器及鈦電極板為組成電解槽的主要部分，容器和雙管混流器為組成消毒槽的主要部分，控制單元分別與監控屏、報警裝置、電極板、液壓傳感器及電磁閥相連接控制原理圖，見圖1(b)。該裝置使用時，將“電解”、“啟動”按鈕依次打開，電解槽內流入山泉水或屋面雨水原水，同時往電解槽中加入食鹽水溶液，開始電解并達到預設的時間，然后向消毒槽內排入生成的次氯酸鈉消毒溶液。根據控制單元設定的比例混合次氯酸鈉消毒溶液與山泉水或屋面雨水原水，原水與消毒液的快速混合利用消毒槽內的雙管混流器實現，待消毒時間達到設定值后，觸摸監控屏提示“飲用水消毒完成”的同時啟動報警裝置，此時完成消毒。

1.2 消毒系統工作原理

采用第3代微型可編程控制器作為用戶型飲水自動消毒裝置的控制單元，控制原理如圖1(b)。控制單元接受液位傳感器反饋的高電平液位變化信號，并以此為邏輯判斷實現控制對象、控制器與傳感器的自動化控制以及有效聯系功能，其中觸摸監控屏、報警器、電極和電磁閥控制對象。通過控制單元與串口通信接口連接觸摸顯示屏可實現數據的交換，由此達到運行參數在線調整與設置、消毒過程全程可視化及自動化的目的。由于遼西地區農村衛生條件、農戶飲用水水質特征和水源類型不同，運行參數可結合實際情況適當的調整。

2 實驗方法

2.1 樣品采集

為了滿足人畜飲水需求工程性缺水的遼西地區居民，普遍修建了蓄水設施(如集雨屋面、水窖等)蓄積山泉水和屋面雨水。考慮到遼西地區村鎮環境衛生條件、蓄水設施、水源類型存在較大差異的實際情況，選擇遼西低山丘陵區5處代表性飲水用于消毒實驗分析，由此檢驗消毒裝置的可靠性與適用性。實驗所用的5處飲水水質指標總硬度為40.81-212.46mg/L，CODMn為1.33-5.02mg/L，耐熱大腸菌落和總大腸菌落為0.02-0.24 CFU/mL，0.12-5.41 CFU/mL，在不同程度上3種微生物指標均出現超標現象。

2.2 實驗方法

該裝置的消毒效果利用消毒實驗與電解實驗來驗證，由此考察裝置在不同消毒時間和消毒液投加量2種工況下的消毒效果，以及電解槽在不同電解時間和食鹽水濃度2種工況下電解的有效氯產量。

1)試驗1：消毒試驗。設定裝置的消毒接觸時間30min，理論上投加的次氯酸鈉消毒液2-20mg/L[7]。為了能夠更加快速及時的獲取安全飲用水，在預試驗的基礎上設置飲用水消毒時間為30、10、5、1min，投加的消毒液為5、2、1mg/L，通過檢測常規微生物指標在消毒槽出水中的達標情況，探究裝置在不同消毒時間和消毒液投加量情況下的消毒效果。

2)試驗2：電解試驗。實踐表明，電解時間、鹽水濃度、電解電流等參數與電解槽的電解效果密切相關[8]。根據GB 28233-2011衛生標準規定確定次氯酸鈉發生器中食鹽水濃度為30-50g/L范圍，由此實現較低的食鹽用量和較高的有效氯濃度。例如，李曉琴等分析了次氯酸鈉發生器運行效果與電解參數之間的作用關系，并認為20-40g/L食鹽水濃度具有較好的效果。通過電解裝置預實驗設置食鹽水濃度為30、20、10g/L，設定電解實驗的電流為5A，然后對25、20、15、10、5min電解時間下的有效氯濃度檢測，以此探究電解槽在不同食鹽水濃度下的電解效率。

2.3 水質檢測方法

執行GB 5750-2006《生活飲用水標準檢驗方法》采集和保存水樣，利用消毒劑指標檢測消毒液有效氯，最終的檢測結果取3次平行測試的平均值；采用標準規定的微生物指標衡量水樣微生物達標情況，試驗裝置的食鹽消耗費和電費等運行成本依據《次氯酸鈉發生器》指標計算方法確定。

3 結果分析

3.1 電解效率分析

不同電解時間和鹽水濃度下有效氯濃度的變化情況，不同工況下有效氯產量變化特征，見圖2。從圖2可以看出，有效氯產量受電解時間與鹽水濃度的影響趨勢相同，隨著電解時間與鹽水濃度的增加有效氯產量呈不斷上升的變化趨勢。為了減少食鹽的用量以及能夠快速的獲取安全飲水，推薦裝置的電解時間為15-20min，電解鹽水濃度20g/L，從而達到182.75-258.60mg/L的有效氯產量。

圖2 不同工況下有效氯產量變化特征

3.2 微生物指標達標分析

1)菌落總數去除效果。在1、2、5mg/L消毒液投加量工況下連續運行30min消毒裝置，然后對消毒槽出水的菌落總數在1、5、10、30min時分別取樣測定，不同工況下菌落總數測定值，見表1。從表1可以看出：不同水樣的菌落總數存在較大的差異，總體處于300-26800CFU/mL范圍，較標準規定的菌落總數5處水樣超標268.0、3.0、9.1、9.5、64倍，裝置的出水菌落總數在消毒液投加后快速下降。在水解作用下次氯酸鈉生成的次氯酸具有較強的穿透性，所以能夠很快的穿過細胞膜對微生物的多種酶系統產生破壞，通過影響微生物代謝活動達到滅活微生物的目的。此外，菌落總數隨著消毒時間的延長下降不明顯。為了能夠更加快速的獲得安全飲水，消毒槽出水菌落在消毒時間5min、消毒液投加量2-5mg/L的條件下為7-86CFU/mL，該條件下滿足菌落總數不超過100CFU/mL的《生活飲用水衛生標準》限值。所以，該裝置在消毒時間5min、消毒液投加量2-5mg/L的條件下具有較好的菌落總數去除效果。

表1 不同工況下菌落總數測定值

2)總大腸菌落去除效果。在1、2、5mg/L消毒液投加量工況下連續運行30min消毒裝置，并對消毒槽出水的總大腸菌落數在1、5、10、30min時分別取樣測定，不同工況下總大腸菌落測定值，見表2。從表2可以看出，在消毒時間10min、消毒液投加量1mg/L條件下，以及消毒時間5min、消毒液投加量2mg/L和5mg/L情況下，5處水樣均未檢測出總大腸菌落。所以，為縮短裝置的運行時間，可認為消毒時間5min、消毒液投加量2-5mg/L條件下去除總大腸菌落的效果較好。

表2 不同工況下總大腸菌落測定值

3)耐熱大腸菌落去除效果。實踐表明，耐熱大腸菌落是衡量糞便對水質產生污染的重要參數，該菌落往往寄居于溫血動物和人的腸道，其數值的高低反映了受污染程度，由此可以判定人體健康受水源的危害作用[15-16]。在未實施有效保護措施的條件下，人畜糞便及外界環境極易對農村分散供水水源產生污染和影響。耐熱大腸菌落在遼西低山丘陵區5處代表性飲水中為0.02-0.21CFU/mL，在1、2、5mg/L消毒液投加量工況下連續運行30min消毒裝置，并對消毒槽出水的耐熱大腸菌落在1、5、10、30min時分別取樣測定。結果顯示，在消毒時間1min、消毒液投加量1、2、5mg/L條件下均為檢測出耐熱大腸菌落，由此表明消毒裝置能夠達到100%的耐熱大腸菌落滅活率。

次氯酸鈉的持續消毒時間較長且存在較強的微生物滅殺性，研究表明有效氯濃度達到0.70-1.60mg/L時能夠高效殺滅(20±1)℃、pH值7.0-8.5水中的大腸桿菌。根據不同消毒時間和消毒液投加量工況下的消毒效果，消毒液與消毒的水樣在投加2-5mg/L消毒液時充分接觸5min，消毒槽出水余氯超過0.05mg/L并且微生物指標能夠達到安全飲水要求。實際使用該裝置時，考慮微生物指標的變化情況設置消毒時間5-10min、投加消毒液2-5mg/L。

3.3 成本分析

采用多次消毒、消毒液自動投加、消毒液1次植被的方式運行用戶型飲水自動消毒裝置，設定1次制備的消毒液可消毒10次、消毒水單次用量18L，則總消毒水可達到180L。試制階段該裝置的制造成本為4000元，其中電磁閥和電極的使用壽命在很大程度上決定了設備的使用年限，由此可設定該裝置能夠使用5-8a，技術條件成熟的情況下批量生產成本減少至400-800元。根據以上分析結果，消毒裝置的推薦運行參數為電解時間15-20min、食鹽水濃度20g/L，綜合考慮電耗和食鹽消耗費，該裝置的單位運行成本不超過0.6元/m3，所以比較適用于遼西地區的農村經濟現狀。

4 結 論

為解決遼西地區飲水水質消毒裝置缺乏、農村分散供水微生物超標及農村工程性缺水嚴重的問題，系統分析了用戶型自動消毒裝置的工作原理、消毒效果及運行參數，主要結論如下：

1)為減少裝置的運行成本及快速的獲取安全飲水，該裝置推薦的運行參數為消毒時間5-10min、電解時間15-20min、食鹽水濃度20g/L，消毒槽出水余氯超過0.05mg/L并且微生物指標能夠達到安全飲水要求。

2)消毒劑原料為廉價的試驗，通過組合自動控制單元、消毒槽、電解槽形成了自動化、模塊化、小型化的消毒裝置，運用多次消毒、消毒液自動投加、消毒液一次制備的運行方式，實現了農村常用的山泉水、雨水等微生物超標原水的自動消毒。

3)集成應用的用戶型飲水自動消毒裝置適用于遼西地區農村經濟較為薄弱、農戶技術水平與文化程度不高、水質微生物超標及農村供水分散的現狀，尤其是偏遠的山區農村地區其推廣使用價值極為廣泛。