農(nóng)村用戶型飲水消毒裝置的應(yīng)用研究

劉春洋

(彰武縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 彰武 123200)

0 引 言

近年來，隨著水環(huán)境污染趨勢的加劇和農(nóng)村生活水平的提升，農(nóng)村飲水安全及微生物指標(biāo)超標(biāo)的問題越來越受到關(guān)注[1-2]。遼西地區(qū)的地表水保持困難、石漠化現(xiàn)象普遍且地貌結(jié)構(gòu)獨(dú)特，加之水利工程資金投入有限及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相對(duì)滯后，使得工程性缺水、水資源開發(fā)利用程度低等問題普遍存在于農(nóng)村地區(qū)，在礦業(yè)活動(dòng)頻繁、人地系統(tǒng)復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境脆弱的遼西低山丘陵區(qū)這種現(xiàn)象更加突出[3]。針對(duì)居民居住較為分散的遼西低山丘陵區(qū)，集中式供水的管道鋪設(shè)和設(shè)施建設(shè)存在較大難度，生產(chǎn)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(yùn)輸性、可維護(hù)性、普適性、成本控制等方面，現(xiàn)有分散供水消毒技術(shù)和設(shè)備面臨著巨大挑戰(zhàn)，將其用于遼西農(nóng)村地區(qū)時(shí)難以有效的發(fā)揮作用，直接飲用未經(jīng)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(shù)及裝置的研發(fā)成為農(nóng)村分散供水水質(zhì)消毒處理亟待解決的問題。

文章將自動(dòng)控制單元、消毒槽、電解槽相組合形成一種用戶型飲水自動(dòng)消毒裝置，有效實(shí)現(xiàn)了使用過程的可靠性與穩(wěn)定性、消毒過程的連續(xù)性以及次氯酸鈉消毒液生產(chǎn)的自動(dòng)化。通過對(duì)遼西低山丘陵區(qū)農(nóng)村分散供水的水樣采集，研究了其消毒效果及運(yùn)行參數(shù)，為解決現(xiàn)有消毒設(shè)備普遍存在的不適合單家獨(dú)戶使用、成本較高、工藝復(fù)雜等問題提供技術(shù)支持，并為用戶型飲水自動(dòng)消毒裝置的應(yīng)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(dòng)消毒裝置主要包括顯示與報(bào)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(jìn)水電磁閥、17-原料添加口、18-液位傳感器、1-裝置柜、2-觸摸監(jiān)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(jìn)水電磁閥、8-消毒電磁閥、7-液位傳感器、6-消毒槽、4-報(bào)警裝置、5-水龍頭。

(a)總體結(jié)構(gòu)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(jiān)控屏、報(bào)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(shí)，將“電解”、“啟動(dòng)”按鈕依次打開，電解槽內(nèi)流入山泉水或屋面雨水原水，同時(shí)往電解槽中加入食鹽水溶液，開始電解并達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間，然后向消毒槽內(nèi)排入生成的次氯酸鈉消毒溶液。根據(jù)控制單元設(shè)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(nèi)的雙管混流器實(shí)現(xiàn)，待消毒時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后，觸摸監(jiān)控屏提示“飲用水消毒完成”的同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警裝置，此時(shí)完成消毒。

1.2 消毒系統(tǒng)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(dòng)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(hào)，并以此為邏輯判斷實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象、控制器與傳感器的自動(dòng)化控制以及有效聯(lián)系功能，其中觸摸監(jiān)控屏、報(bào)警器、電極和電磁閥控制對(duì)象。通過控制單元與串口通信接口連接觸摸顯示屏可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，由此達(dá)到運(yùn)行參數(shù)在線調(diào)整與設(shè)置、消毒過程全程可視化及自動(dòng)化的目的。由于遼西地區(qū)農(nóng)村衛(wèi)生條件、農(nóng)戶飲用水水質(zhì)特征和水源類型不同，運(yùn)行參數(shù)可結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2 實(shí)驗(yàn)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(qū)居民，普遍修建了蓄水設(shè)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(qū)村鎮(zhèn)環(huán)境衛(wèi)生條件、蓄水設(shè)施、水源類型存在較大差異的實(shí)際情況，選擇遼西低山丘陵區(qū)5處代表性飲水用于消毒實(shí)驗(yàn)分析，由此檢驗(yàn)消毒裝置的可靠性與適用性。實(shí)驗(yàn)所用的5處飲水水質(zhì)指標(biāo)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(biāo)均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

該裝置的消毒效果利用消毒實(shí)驗(yàn)與電解實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，由此考察裝置在不同消毒時(shí)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(shí)間和食鹽水濃度2種工況下電解的有效氯產(chǎn)量。

1)試驗(yàn)1：消毒試驗(yàn)。設(shè)定裝置的消毒接觸時(shí)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(shí)的獲取安全飲用水，在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)置飲用水消毒時(shí)間為30、10、5、1min，投加的消毒液為5、2、1mg/L，通過檢測常規(guī)微生物指標(biāo)在消毒槽出水中的達(dá)標(biāo)情況，探究裝置在不同消毒時(shí)間和消毒液投加量情況下的消毒效果。

2)試驗(yàn)2：電解試驗(yàn)。實(shí)踐表明，電解時(shí)間、鹽水濃度、電解電流等參數(shù)與電解槽的電解效果密切相關(guān)[8]。根據(jù)GB 28233-2011衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定確定次氯酸鈉發(fā)生器中食鹽水濃度為30-50g/L范圍，由此實(shí)現(xiàn)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(fā)生器運(yùn)行效果與電解參數(shù)之間的作用關(guān)系，并認(rèn)為20-40g/L食鹽水濃度具有較好的效果。通過電解裝置預(yù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置食鹽水濃度為30、20、10g/L，設(shè)定電解實(shí)驗(yàn)的電流為5A，然后對(duì)25、20、15、10、5min電解時(shí)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(zhì)檢測方法

執(zhí)行GB 5750-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》采集和保存水樣，利用消毒劑指標(biāo)檢測消毒液有效氯，最終的檢測結(jié)果取3次平行測試的平均值；采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的微生物指標(biāo)衡量水樣微生物達(dá)標(biāo)情況，試驗(yàn)裝置的食鹽消耗費(fèi)和電費(fèi)等運(yùn)行成本依據(jù)《次氯酸鈉發(fā)生器》指標(biāo)計(jì)算方法確定。

3 結(jié)果分析

3.1 電解效率分析

不同電解時(shí)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(chǎn)量變化特征，見圖2。從圖2可以看出，有效氯產(chǎn)量受電解時(shí)間與鹽水濃度的影響趨勢相同，隨著電解時(shí)間與鹽水濃度的增加有效氯產(chǎn)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(shí)間為15-20min，電解鹽水濃度20g/L，從而達(dá)到182.75-258.60mg/L的有效氯產(chǎn)量。

圖2 不同工況下有效氯產(chǎn)量變化特征

3.2 微生物指標(biāo)達(dá)標(biāo)分析

1)菌落總數(shù)去除效果。在1、2、5mg/L消毒液投加量工況下連續(xù)運(yùn)行30min消毒裝置，然后對(duì)消毒槽出水的菌落總數(shù)在1、5、10、30min時(shí)分別取樣測定，不同工況下菌落總數(shù)測定值，見表1。從表1可以看出：不同水樣的菌落總數(shù)存在較大的差異，總體處于300-26800CFU/mL范圍，較標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的菌落總數(shù)5處水樣超標(biāo)268.0、3.0、9.1、9.5、64倍，裝置的出水菌落總數(shù)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(qiáng)的穿透性，所以能夠很快的穿過細(xì)胞膜對(duì)微生物的多種酶系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，通過影響微生物代謝活動(dòng)達(dá)到滅活微生物的目的。此外，菌落總數(shù)隨著消毒時(shí)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(shí)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(shù)不超過100CFU/mL的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》限值。所以，該裝置在消毒時(shí)間5min、消毒液投加量2-5mg/L的條件下具有較好的菌落總數(shù)去除效果。

表1 不同工況下菌落總數(shù)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(xù)運(yùn)行30min消毒裝置，并對(duì)消毒槽出水的總大腸菌落數(shù)在1、5、10、30min時(shí)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(shí)間10min、消毒液投加量1mg/L條件下，以及消毒時(shí)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(yùn)行時(shí)間，可認(rèn)為消毒時(shí)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(shí)踐表明，耐熱大腸菌落是衡量糞便對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生污染的重要參數(shù)，該菌落往往寄居于溫血?jiǎng)游锖腿说哪c道，其數(shù)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(shí)施有效保護(hù)措施的條件下，人畜糞便及外界環(huán)境極易對(duì)農(nóng)村分散供水水源產(chǎn)生污染和影響。耐熱大腸菌落在遼西低山丘陵區(qū)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(xù)運(yùn)行30min消毒裝置，并對(duì)消毒槽出水的耐熱大腸菌落在1、5、10、30min時(shí)分別取樣測定。結(jié)果顯示，在消毒時(shí)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(dá)到100%的耐熱大腸菌落滅活率。

次氯酸鈉的持續(xù)消毒時(shí)間較長且存在較強(qiáng)的微生物滅殺性，研究表明有效氯濃度達(dá)到0.70-1.60mg/L時(shí)能夠高效殺滅(20±1)℃、pH值7.0-8.5水中的大腸桿菌。根據(jù)不同消毒時(shí)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(shí)充分接觸5min，消毒槽出水余氯超過0.05mg/L并且微生物指標(biāo)能夠達(dá)到安全飲水要求。實(shí)際使用該裝置時(shí)，考慮微生物指標(biāo)的變化情況設(shè)置消毒時(shí)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(dòng)投加、消毒液1次植被的方式運(yùn)行用戶型飲水自動(dòng)消毒裝置，設(shè)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(dá)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(shè)備的使用年限，由此可設(shè)定該裝置能夠使用5-8a，技術(shù)條件成熟的情況下批量生產(chǎn)成本減少至400-800元。根據(jù)以上分析結(jié)果，消毒裝置的推薦運(yùn)行參數(shù)為電解時(shí)間15-20min、食鹽水濃度20g/L，綜合考慮電耗和食鹽消耗費(fèi)，該裝置的單位運(yùn)行成本不超過0.6元/m3，所以比較適用于遼西地區(qū)的農(nóng)村經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀。

4 結(jié) 論

為解決遼西地區(qū)飲水水質(zhì)消毒裝置缺乏、農(nóng)村分散供水微生物超標(biāo)及農(nóng)村工程性缺水嚴(yán)重的問題，系統(tǒng)分析了用戶型自動(dòng)消毒裝置的工作原理、消毒效果及運(yùn)行參數(shù)，主要結(jié)論如下：

1)為減少裝置的運(yùn)行成本及快速的獲取安全飲水，該裝置推薦的運(yùn)行參數(shù)為消毒時(shí)間5-10min、電解時(shí)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(biāo)能夠達(dá)到安全飲水要求。

2)消毒劑原料為廉價(jià)的試驗(yàn)，通過組合自動(dòng)控制單元、消毒槽、電解槽形成了自動(dòng)化、模塊化、小型化的消毒裝置，運(yùn)用多次消毒、消毒液自動(dòng)投加、消毒液一次制備的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村常用的山泉水、雨水等微生物超標(biāo)原水的自動(dòng)消毒。

3)集成應(yīng)用的用戶型飲水自動(dòng)消毒裝置適用于遼西地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)較為薄弱、農(nóng)戶技術(shù)水平與文化程度不高、水質(zhì)微生物超標(biāo)及農(nóng)村供水分散的現(xiàn)狀，尤其是偏遠(yuǎn)的山區(qū)農(nóng)村地區(qū)其推廣使用價(jià)值極為廣泛。