二次供水系統中三種補充消毒工藝的比較

高 煒，朱慧峰，安 東

(1. 上海市自來水市北有限公司，上海 200086;2. 上海市供水調度監測中心，上海 200002;3. 復旦大學環境科學與工程系，上海 200433)

上海二次供水設施中存在管理不善及水箱、水池設計不合理等問題。如消防和生活用水合用導致水箱過大，水力停留時間過長，造成余氯衰減水質惡化，密封不嚴造成二次污染等。上海市自來水市北有限公司對所轄100 多個水箱采樣點水質監測表明至少10%的水箱供水余氯較低，居民小區水箱和地下水池不同程度存在細菌學指標(細菌總數和大腸桿菌)超標的風險，直接影響用戶水質［1，2］。改善二次供水消毒效果的手段主要有三個:優化水廠消毒劑投加量;改、擴建二次供水設施;采用二次供水補充消毒方式。對于二次供水局部存在的微生物風險問題，可以選擇提高水廠消毒劑投加量，或改、擴建管網，或二次供水設施改造三種方法。其中采用二次供水補充消毒是經濟且高效的方法，既可以單獨采用，也可以配合水廠提高消毒劑投加量或改擴建二次供水設施使用。二次供水補充消毒技術會提高飲用水安全性，具有很好的推廣應用價值。

以上海市二次供水水質保障為研究目的，探討了紫外、臭氧和微電解三種補充消毒方式對二次供水進行補充消毒的效果并開展示范應用研究。

1 試驗方法

1.1 試驗設計

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Experimental Apparatus

試驗裝置主要有循環水箱、靜置水箱和消毒設備組成，循環水箱設曝氣吹脫裝置，可根據試驗需要調節余氯量，靜置水箱可考察不同停留時間微生物的生長情況，消毒設備采用試驗選擇的三種消毒方式，紫外消毒設備為管道式，臭氧和微電解消毒為水箱投加方式。水箱體積均為1.2 m3，進水接上海市居民自來水，安裝出水循環和排放管路。

1.2 試驗儀器和測定方法

紫外消毒設備由杭州漢山環保有限公司生產，型號為HANSUV-3500，處理水量為2 t/h;臭氧設備由上海康特環保有限公司生產，型號為KT-OZ-20KG;微電解設備由上海艾晟特環保有限公司生產，型號為AST-400，處理水量為2 ～10 t/h;HACH公司PCII 便攜式余氯分析儀測定余氧濃度;測定采用平皿計數法測定細菌總數;其他儀器包括超凈操作臺蘇凈垂直式、恒溫培養箱BCD-50、冰箱HAIER-257SD 等。

2 結果與討論

2.1 二次供水紫外補充消毒

2.1.1 紫外照射時間

在低余氯水平(0.05 mg/L)時，紫外消毒前細菌總數為60 ～400 cfu/mL;水樣在零余氯時，細菌為1 ×103cfu/mL。這兩種情況下，均采用紫外照射進行消毒，控制反應器紫外劑量為60 mJ/cm2。由表1可知無論低余氯還是零余氯，紫外消毒時間控制在5 s 以上可保證全部去除細菌。經紫外照射消毒后，水中余氯依然存在。

表1 不同余氯水質所需紫外照射時間Tab.1 Required UV Irradiation Time of Different Residual Chlorine in Water

2.1.2 紫外照射功率

在零余氯的條件下，消毒前細菌總數控制為1 ×103cfu/mL 左右，紫外設備功率越大消毒效果越好，如圖2 所示。紫外功率為1 5 mJ/cm2時消毒效果不佳，在5 s 內無法全部去除細菌;紫外功率為30 mJ/cm2時消毒效果略好，經6 s 可全部去除細菌;45 ～60 mJ/cm2時功率紫外消毒效果接近，經3 ～4 s 即可全部去除細菌。由圖2 可知不同紫外照射功率經9 s接觸后，可以全部去除細菌。因此，可將消毒時間確定為9 s，紫外功率可控制在45 ～60 mJ/cm2。

圖2 紫外照射功率與消毒效果關系Fig. 2 Relationship between UV Irradiation Power and Disinfection Effect

2.1.3 紫外消毒設備安裝位置的選擇

圖3 為紫外消毒設備設置在二次供水水箱進口端時的消毒效果。前述試驗已經證實，紫外消毒設備放置在出口端，只要保證足夠的接觸時間(＞9 s)和功率(45 ～60 mJ/cm2)，即可保證全部去除二次供水過程中的細菌。

圖3 紫外消毒設備設置在水箱進口端的消毒效果Fig. 3 Disinfection Effect of UV Apparatus Installed in Inlet of Water Tank

紫外消毒設備放置若設置在二次供水水箱的進口端，控制紫外照射功率為60 mJ/cm2。設置余氯濃度分別為0.12、0.05 和0 mg/L 的條件。試驗結果證實在水箱進口端消毒，無論初始余氯濃度多少，水箱水可保持4 h，細菌總數保持在較低的水平，細菌總數低于100 cfu/mL;初始余氯濃度越高，水箱水細菌總數增長越緩慢;經紫外消毒后的水樣，放置在二次供水水箱中的時間超過4 h 后，細菌總數會有較快的增長;零余氯條件下，經過放置8 h 之后，細菌總數達1.2×103cfu/mL，存在較大的微生物風險。實際應用中，應在二次供水中保留一定的余氯量。

2.1.4 二次供水紫外設備的工藝參數選擇

二次供水紫外消毒以有效去除細菌為目的，可制定如表2 的工藝參數選擇范圍。

表2 二次供水紫外設備工藝參數選擇Tab.2 Parameters for Secondary Water Supply by UV Irradiation

2.2 二次供水臭氧消毒

2.2.1 臭氧接觸時間與投加量

試驗中將水箱水靜置12 h 以上，并吹脫余氯，保證余氯為零，細菌總數增殖至5 ×103cfu/mL 左右時開始試驗。圖4 為不同濃度臭氧(0.3 ～1.5 mg/L)的補充消毒效果，臭氧濃度越大，所需的消毒接觸時間越短。投加臭氧濃度為1.5 mg/L 時，接觸時間2 min，可保證全部去除細菌;投加臭氧濃度為0.3 mg/L時，接觸時間需延長至10 min，依然可保證全部去除細菌。臭氧消毒CT 只需控制在3 ～4 mg·min/L。實踐中，需考慮水箱所能提供的接觸時間，并最小化臭氧投加濃度，盡量降低嗅味和副產物產生的可能。實際應用中，二次供水應具有一定的余氯量。

圖4 不同濃度臭氧的補充消毒效果Fig.4 Effect of Disinfection by Ozone with Different Concentrations

2.2.2 溴酸鹽的生成

試驗中對投加不同濃度臭氧消毒后溴酸鹽產生情況進行了考查，如圖5 所示。臭氧消毒后，溴酸鹽濃度均有所增加，因此臭氧投加濃度不宜過大，應控制投加量小于0.5 mg/L。

圖5 不同濃度臭氧消毒產生溴酸鹽情況Fig.5 Bromate Formation during Disinfection by Ozone with Different Concentrations

2.2.3 二次供水臭氧設備的工藝參數選擇

二次供水臭氧消毒以有效去除細菌和減少溴酸鹽生成為目的，可制定如表3 的工藝參數選擇范圍。

表3 二次供水臭氧設備工藝參數選擇Tab.3 Parameters for Secondary Water Supply by Ozone

2.3 二次供水微電解消毒

2.3.1 微電解的滅菌效果

微電解電壓為10 V，投加30 和100 mg/L 的氯離子對細菌的去除效果相近，投加10 mg/L 氯離子消毒效果較差，如圖6 所示。如果原水中所含氯離子能夠達到30 mg/L 以上，不需再額外投加補充氯離子。

圖6 不同氯離子投加產生余氯的消毒效果Fig.6 Effect of Disinfection by Chlorine with Different Dosage

2.3.2 氯化副產物的生成

采用微電解消毒產生消毒副產物情況如表4 所示。當余氯為0.05 ～0.1 mg/L 時，接觸2 h，副產物濃度會增加。上海的二次供水水質經消毒接觸后，三氯甲烷有一定的超標風險。

表4 微電解產生副產物情況Tab.4 By-products Formation by Micro Electrolysis

2.4 示范應用

通過對三種常用消毒技術的試驗比較，選取了紫外補充消毒技術作為示范應用技術。在普陀區“馨越公寓”小區1 號樓屋頂水箱安裝了一臺紫外消毒設備，繼續跟蹤紫外消毒設備在示范應用過程中的效果和出現的問題。圖7 為紫外消毒示范裝置。

3 結論

(1)試驗選擇的紫外、臭氧、微電解均有一定的二次供水補充消毒能力，可以降低因二次供水余氯不足產生的微生物風險。

(2)紫外設備需保證接觸時間大于9 s，紫外照射功率為45 ～60 mJ/cm2;當臭氧投加量小于0.5 mg/L時，CT 應達到3 ～4 mg·min/L;微電解的氯離子濃度為30 mg/L 以上。

圖7 紫外消毒示范裝置Fig.7 Demonstration Apparatus for UV disinfection

(3)紫外消毒可不考慮副產物問題;臭氧采用的投加量需控制溴酸鹽的生成;微電解消毒需控制三氯甲烷濃度的增加。

(4)采用紫外光或臭氧消毒因無剩余消毒劑量，需注意細菌復蘇。

［1］陳寅，陳國光.上海城市供水管網水質的調查分析［J］. 中國給水排水，2002，18(7):58-62.

［2］高煒，陳國光.不同原水的氯化消毒工藝研究［J］. 凈水技術，2003，22(6):12-15.