高層住宅二次供水消毒技術應用與優化

何建榮，柳葉瀟，劉志剛，水 永，徐 巧，王亞超

(寧波市水務環境集團有限公司，浙江寧波 315041)

隨著社會經濟的迅速發展與人民生活水平的提高，城市高層住宅日益增多，配建的二次供水設施也與居民的生活密不可分，二次供水水質的優劣已直接關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中發生污染，規范二次供水設施的建設與管理，已成為業界密切關注的問題。依照《二次供水設施衛生規范》(GB 17051—1997)的規定，二次供水設施須有安裝消毒器的位置，有條件的單位設施應設有消毒器。在高層住宅二次供水系統中增加二次消毒環節可以降低生活用水的污染風險，如何高效經濟地發揮二次供水消毒措施的應用效果尤為重要。

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

表1 3種飲用水消毒技術對比

目前，國內已有不同研究選取臭氧、紫外線等方式進行二次供水消毒案例分析[7-8]，但均未考慮實際水箱水質變化規律，二次消毒應用策略模糊，實用性較低。因此，本文結合主流的飲用水消毒技術，通過模擬測試與實際應用研究了二次消毒技術對高層住宅生活用水水質的影響，建立并優化了二次消毒應用策略，為泵房二次供水消毒技術改造提供理論依據與實踐經驗。

1 二次供水消毒技術模擬效果分析

考慮到氯化消毒需定量投放含氯消毒劑，后期管理與運維難度大，不適用于泵房環境。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 模擬試驗平臺

選取A小區泵房閑置水箱作為研究對象，水箱尺寸為3 m×2 m×2 m，總容積為12 m3。以該水箱為基礎進行附屬管路及消毒設備改造，增加了XN-WTS-20G型水箱臭氧消毒設備與XN-ZWX75-5型紫外線消毒設備，搭建了水箱模擬試驗平臺，整體系統框架如圖1所示。

圖1 水箱模擬試驗平臺系統框架

臭氧消毒設備與紫外線消毒設備基本參數如表2所示。

表2 消毒設備基本參數

1.2 水箱靜態水質變化規律

通過水箱模擬試驗平臺水箱進水取樣口采集并確定進水水質，初始進水水質參數如表3所示。

表3 進水水質參數

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

圖2 水箱水質變化

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，余氯質量濃度降低至限值(0.05 mg/L)，此時水體中的微生物逐步滋長繁殖，菌落總數逐漸增加；在120 h時，水體余氯無法檢出，此時水體菌落總數達到最大值。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

水箱貯水靜置120 h以后，水箱出水水質參數如表4所示。

表4 出水水質參數

針對該水質狀況的水箱飲用水進行快速臭氧消毒與紫外線消毒，在每種處理條件下分別采集3次水樣，取檢測均值，測試應用效果。消毒后溫度、渾濁度與余氯參數均未發生變化，微生物變化結果如表5所示。其中，總大腸桿菌與耐熱大腸大桿菌的標準為不得檢出，菌落總數的標準≤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水箱出水進行快速消毒，極大地降低了水箱出水的微生物菌落總數。其中，臭氧消毒方式能夠對水箱整體貯水進行快速消毒，并且隨著臭氧投放量的增加與消毒時間的延長，滅菌效果更為顯著；紫外線消毒直接對水箱出水進行快速消毒，極短時間內便能達到較好的消毒效果，消毒速率優于臭氧消毒方式，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，消毒裝置無法對水箱整體貯水進行消毒。

表5 經處理水樣的微生物測定結果

2 二次消毒應用實際案例分析

選取B小區與C小區泵房，分別安裝臭氧消毒裝置與紫外線消毒裝置，消毒設備的功能參數與水箱模擬試驗平臺使用的消毒設備相同，2個小區的設備及其安裝成本分別為3.5萬元與4.2萬元。B小區涉及水箱供水用戶約600戶，水箱有效容積約為80 m3，C小區水箱供水用戶約700戶，水箱有效容積約為95 m3，整體供水情況相近。

為避免管網水質的偶然性變化對水箱水質的影響，反映實際工況下水箱水質的常規狀態，分別在5:00、10:00、15:00、20:00和24:00進行5次不同時間段的取樣，樣品包括水箱進水、開啟消毒設備前的水箱出水及開啟消毒設備后的水箱出水。選取渾濁度、pH、余氯及微生物這4個參數作為水質評定指標。

2.1 渾濁度與pH變化分析

由圖3可知，臭氧消毒設備啟動與未啟動時的水箱進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；與之類似，紫外線設備啟動與未啟動時的水箱進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。

圖3 渾濁度與pH值測定結果

另一方面，臭氧消毒設備啟動與未啟動時的水箱進出水pH變化較小，5次取樣的pH值均在6.8～7.2；與之類似，紫外線設備啟動與未啟動時的水箱進出水pH變化也較小，5次取樣的pH值也均在6.8～7.2。

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

2.2 余氯變化分析

由圖4可知，在臭氧消毒設備未啟動時，水箱出水相對于水箱進水的余氯衰減量在0.07～0.10 mg/L，而在臭氧消毒設備啟動后，水箱出水相對于水箱進水的余氯衰減量增加到了0.15～0.19 mg/L，使用臭氧消毒設備會降低水箱貯水的余氯。在紫外線消毒設備未啟動時，水箱出水相對于水箱進水的余氯衰減量在0.08～0.12 mg/L，而紫外線消毒設備啟動后，水箱出水相對于水箱進水的余氯衰減量增加到了0.21～0.30 mg/L，使用紫外線消毒設備也會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)。

圖4 余氯測定結果

由此可見，臭氧可能與水中的部分游離氯發生了化學反應，導致出水余氯的衰減；而紫外線的光效應會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間較短，僅發現部分游離氯被分解，但余氯衰減幅度要大于臭氧消毒方式。

由上述試驗結果可知，臭氧消毒和紫外線消毒過程均會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龍頭水余氯衰減的影響，同步對B小區與C小區二次供水用戶末端龍頭水進行取樣分析，分別在8:00、14:00和20:00這3個時間段對水箱進水、水箱出水和用戶龍頭水進行取樣分析，記錄每個時間段3次取樣均值，結果如圖5所示。

圖5 水箱進出水與龍頭水水樣余氯測定結果

由圖5可知，未經臭氧消毒時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；未經紫外線消毒時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

對采集到的水箱進出水水樣進行微生物測定，測定項目包括總大腸菌群、耐熱大腸菌群及菌落總數3項，結果如表6所示。

表6 水箱水樣微生物測定結果

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

2.4 臭氧消毒與紫外線消毒應用優化

針對上述消毒過程對水體余氯衰減作用的不同規律，分別取未經臭氧消毒的水箱出水和經臭氧消毒后的水箱出水，在DN100水泥砂漿內襯管內進行余氯衰減試驗。余氯在貯存飲用水中發生的衰減變化，是一個與反應速率和反應物濃度有關的單一組分的一級反應[10]，如式(1)。

PA=PA0e-k

(1)

其中：PA——反應t時刻余氯的質量濃度，mg/L；

PA0——初始余氯質量濃度，mg/L；

k——衰減系數。

與低入住率小區水箱貯水停留時間較長的情況不同，生活用水在小區內部供水管道的停留時間往往較短，實際運行中停留時間始終不會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停留時間，采集水樣并測定余氯，并將數據代入式(1)，求出衰減系數k。其中，未經臭氧消毒水樣的余氯衰減系數為0.182，經過臭氧消毒后水樣的余氯衰減系數為0.130，得到衰減方程，繪制曲線如圖6所示。同理，在紫外線消毒設備啟動前后，分別采集3次水箱進水、水箱出水與二次供水用戶末端龍頭水水樣，進行余氯衰減小試。可求得未經紫外線消毒水樣的余氯衰減系數為0.214，經過紫外線消毒后水樣的余氯衰減系數為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，但水樣的后續余氯衰減速率有所降低。其中，經過臭氧消毒前后的水箱出水水樣在約2.5 h停留時間后，兩者余氯達到同一水平，此后經過臭氧消毒后的水樣中余氯要高于未經臭氧消毒的水樣余氯；經過紫外線消毒前后的水箱出水水樣在約4.0 h停留時間后，兩者余氯達到同一水平，此后經過紫外線消毒后的水樣中余氯要高于未經紫外線消毒的水樣余氯。

因此，針對小區生活用水在管道內停留時間較長的情況，臭氧消毒與紫外線消毒均可以應用于抑制生活用水在小區內管道中的余氯衰減速率，提高用戶末端龍頭水的余氯水平，優化與拓展臭氧消毒與紫外線消毒應用場景與策略。

3 結論與建議

高層住宅二次供水消毒的應用實踐是一項綜合性工作，臭氧消毒與紫外線消毒等二次消毒措施在模擬場景中確實能較好地發揮應急快速消毒滅菌的作用，但在實際工況中的應用效果與其運行策略密切相關，需要慎重考慮到高層住宅小區的入住率、周邊管網水質、用戶用水高峰低谷期等多方面因素，提出適合小區實際工況的應用策略，才能在保證高效經濟的基礎上，充分發揮二次消毒措施對二次供水系統水質的提升作用。

(1)臭氧消毒與紫外線消毒方式均能較好地起到水體應急快速消毒滅菌作用。臭氧消毒方式能夠對水箱整體貯水進行消毒，隨著水體臭氧濃度的提高，消毒效果有所提升，但消毒時間較長，且水體臭氧析出后對人體有刺激性；紫外線消毒方式消毒時間短，無異臭產生，但考慮成本與消毒效果，設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，消毒裝置無法對水箱整體貯水進行消毒。

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

(3)臭氧消毒與紫外線消毒措施會對生活飲用水在管道中的余氯衰減產生抑制作用。針對臭氧消毒與紫外線消毒措施的長期使用，應選取泵房進水余氯較高，但末端龍頭水余氯較低的小區進行，二次消毒措施可抑制生活用水在小區內管道中的余氯衰減速率，其中臭氧消毒比紫外線消毒的應用效果更為顯著。針對末端龍頭水余氯長期保持較高水平的小區，不適合采用臭氧消毒與紫外線消毒措施進行二次消毒。

(4)臭氧消毒與紫外線消毒措施的使用還可針對用戶用水的不同時間段進行調節。如在用戶用水低谷期時，如夜間0:00以后，生活用水在管道內停留時間相較用水高峰期較長，此時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，減少二次污染風險；而在用戶用水高峰期時，生活用水在管道內停留時間較短，不建議開啟二次消毒設備。

(5)目前，一整套臭氧消毒或紫外線消毒設備及其安裝成本約為4萬元，其中臭氧消毒設備成本相對較低，對存在中大型水箱的泵房而言，二次消毒設施成本可控制在二次供水設施總成本的5%以內，對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，結合有效的啟停控制策略，使用壽命長，維護成本低，整體二次供水消毒經濟性得以保證。