次氯酸钙变量投加装置在村镇供水中的应用

贾燕南，鄢元波，丁昆仑，孙文海

(1.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048； 2.国家节水灌溉工程技术研究中心(北京)，北京 100048)

次氯酸钙性质较稳定，不易潮解，是当前国际上通用的水体消毒剂[1]。由于具有运输、储存、操作方便，持续消毒效果好、检测方便等优点，适宜村镇供水工程采用。但与液氯消毒相同，次氯酸钙消毒会产生三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)等消毒副产物，且消毒副产物的生成量随消毒剂投加量的增大而增大[2]。然而目前工程中普遍应用的传统次氯酸钙投加设备，投加量主要由人工手动调节，不能根据处理水量和水质的变化随时调整投加量。针对上述问题，笔者研发设计了次氯酸钙自动变量投加系统及装置，可方便、有效地调整次氯酸钙药液投加量，保证消毒效果同时控制消毒副产物。

本文介绍了该装置在西南地区某村镇供水工程中的应用情况，现场测试了不同流量下待处理水体中余氯的稳定性，试验研究了消毒剂投加量变化对待处理水体中余氯的影响，同时连续监测了其运行效果，以期为该装置的技术完善和推广应用提供依据。

1 设备结构组成和工作原理

次氯酸钙自动变量投加设备是在原有次氯酸钙加药器的基础上，通过自动变量投加系统设计，组合加工而成。自动变量投加系统通过自动调整原有次氯酸钙加药器的溶药箱中的次氯酸钙溶液投加量来实现自动变量投加，该系统包括次氯酸钙加药器，电磁流量计，控制箱和变频计量投加泵(如图1所示)。次氯酸钙加药器主体分为上下两层，上层为储药篮(底部为网格状结构)，由顶盖处添加并储存次氯酸钙复配饼剂；下层为次氯酸钙溶液储存箱，可存储12 kg次氯酸钙溶液。进水水流通过水波喷头喷水溶解网格上部的次氯酸钙复配饼剂，溶解后的含氯溶液通过网格侧面出口进入下层为次氯酸钙溶液储存箱[3]。

图1 次氯酸钙自动变量投加设备工作原理图Fig.1 Functional diagram of calcium hypochlorite automatic variable dosing equipment

自动变量投加装置工作原理：安装在清水池进水管道上的电磁流量计在线监测流量的变化，通过控制箱将流量信号传送给变频计量投加泵(该变频泵有自动调节和手动调节两种调节模式，且可同时应用)，计量投加泵根据流量信号输入和调节模式，自动调节控制次氯酸钙药液储存箱中的消毒液向清水池进水管道中的投加量，保证清水池进水中余氯的稳定。

该装置具有自动调节和手动调节两种模式。自动调节模式下，用户通过控制器输入设定值，以设定单位体积待处理水的次氯酸钙溶液投加量(单位为L/m3)；在手动调节模式下，用户通过调整计量泵的行程，可设定控制器输入的单位体积待处理水次氯酸钙药液投加量的百分比；最终次氯酸钙溶液投加量即为：控制器设定投加量×计量泵设定行程。

2 试点工程及试验方法

2.1 试点工程介绍

试点工程位于西南山丘区，于2014年10月正式通水运行，供水规模约为600 m3/d，用水人口约3 400人。水源为水厂10 km外山泉水，水源水质指标中浊度及总大肠菌群超标，耗氧量CODMn为2.16 mg/L。水源水经管道重力引流至水厂，经一体化净水器(最大处理量30 m3/h)处理后进入清水池(体积为300 m3)。次氯酸钙自动变量投加设备安装在清水池前，将次氯酸钙消毒液投加再入清水池前管线上，在清水池内接触消毒。消毒后的清水池出水依靠重力自流进入管网输送至各用水户，管网末梢距离水厂约10 km。

2.2 现场试验方案

自2014年7月完成次氯酸钙自动变量投加设备的安装及调试以来，笔者一直长期跟踪监测设备运行情况，本文所述监测结果为2014年11月现场测得。

(1)不同流量下待处理水体中余氯的稳定性。设定控制器的自动投加量为0.06 L/m3，设定计量泵行程为100%，即次氯酸钙溶液投加量为0.06 L/m3。在固定次氯酸钙溶液投加量的条件下，调整逐次调节清水池进水流量，共4次，分别为27.0、21.6、16.0、8.2 m3/h，而后测定清水池进水中的余氯值，以监测不同流量下待处理水体中余氯的稳定性。

(2)次氯酸钙溶液投加量变化对待处理水体中余氯的影响。在清水池进水流量约为30 m3/h时，设定控制器的自动投加量为0.06 L/m3，逐次手动调整计量泵行程为50%、60%、70%、80%、90%和100%，即次氯酸钙溶液投加量分别为0.030、0.036、0.042、0.048、0.054、0.060 L/m3，而后测定清水池进水中余氯含量，以试验次氯酸钙溶液投加量变化对待处理水体中余氯的影响。

(3)装置运行效果连续监测。通过控制器和计量泵行程调节旋钮，分别设定次氯酸钙药液投加量分别为0.06和0.036 L/m3，在两种投加量条件下，分别稳定运行1 d以上，而后开展连续32 h运行效果连续监测，即在32 h监测时间段内的0、5、10、15、24、29、32 h分别测定清水池进水、出厂水和管网末梢水的余氯，测定一体化净水器出水、清水池进水、出厂水和管网末梢水的总大肠菌群，在10、24、32 h分别测定出厂水和管网末梢水的消毒副产物(包括三卤甲烷、二氯乙酸和三氯乙酸)。

2.3 水质检测方法

采用便携式多参数比色计通过DPD比色法现场检测余氯指标。其他水质指标检测所需水样的采集依据《生活饮用水标准检验方法-水样的采集与保存》(GB/T 5750.2-2006)执行。测定方法参照《生活饮用水标准检验方法》(GB/T5750-2006)执行。

3 结果与分析

3.1 不同流量下待处理水体中余氯的稳定性

在固定次氯酸钙溶液投加量为0.06 L/m3的条件下，4种进水流量情况下，清水池进水中余氯含量的变化结果见表1。由表1可知，当流量在8.2～27.0 m3/h之间时，清水池进水中余氯含量在0.76～0.98 mg/L范围内，中值为0.87 mg/L，余氯的波动范围为±12.64%。由此可见次氯酸钙自动变量投加设备能够实现根据流量变化而自动投加相应量的消毒剂，保证清水池进水中余氯的含量相对稳定。特别地，如仅考虑16.0～27.0 m3/h的流量变化，则余氯中值为0.79 mg/L，余氯的波动范围仅为±4.40%。但清水池进水流量较小(8.2 m3/h)时，余氯值波动较其他流量下更为显著，可能是因为当清水池进水流量较小时，进清水池管线中水的流速度较慢，次氯酸钙溶液和水流混合不均匀，导致检测到的余氯浓度偏高。

表1 不同流量下清水池进水中的余氯值Tab.1 Changes of residual chlorine concentration in influent of the clear water reservior with the flow rate

3.2 次氯酸钙溶液投加量变化对待处理水体中余氯的影响

当清水池进水流量保持在30 m3/h时，手动调节计量泵行程分别为50%、60%、70%、80%、90%和100%，即次氯酸钙溶液投加量分别为0.030、0.036、0.042、0.048、0.054和0.060 L/m3时，清水池进水中余氯含量随次氯酸钙溶液投加量的变化结果如图2所示。由图2可知，随着次氯酸钙溶液投加量的增加，清水池进水中余氯含量随之增加，二者具有良好的线性相关关系，线性相关系数R约为0.90。这同时说明，计量泵行程在50%～100%范围内调整时，次氯酸钙溶液投加体积与计量泵行程之间具有良好的线性关系。

上述结果表明在清水池进水流量一定时，可根据余氯-次氯酸钙投加量关系曲线，估算出某一次氯酸钙溶液投加量下的余氯值，也可根据需要的余氯值推算出所需的次氯酸钙溶液投加量。

图2 清水池进水余氯-次氯酸钙溶液投加量关系曲线Fig.2 Changes of residual chlorine concentration in the influent of the clear water reservior with the calcium hypochlorite solution dosing quantity

3.3 装置运行效果连续监测

3.3.1余氯的变化

图3给出了次氯酸钙溶液投加量分别为0.06和0.036 L/m3两种条件下，清水池进水、出厂水和管网末梢水余氯值在32 h连续运行时间段内的变化情况。

图3 两种次氯酸钙投加量条件下各取样口余氯随时间的变化Fig.3 Changes of residual chlorine concentration of various sampling point with the time under the condition of two kinds of calcium hypochlorite dosing quantity

由图3(a)可知，当次氯酸钙溶液投加量为0.06 L/m3时，清水池进水中余氯含量在0.67～0.92 mg/L范围内波动，中值为0.79 mg/L，波动范围为±15.19%。出厂水余氯值在0～10 h时间段内缓慢增加，在10～29 h时间段内基本保持不变，在29～32 h时间段内缓慢增加，总体来看，呈缓慢上升趋势，波动范围在0.46～0.62 mg/L，中值为0.54 mg/L，波动范围为±14.81%；末梢水余氯总体呈缓慢上升趋势，波动范围在0.36～0.47 mg/L，中值为0.41 mg/L，波动范围为±13.25%。分析出厂水余氯先缓慢上升而后保持稳定的原因是，初期投加次氯酸钙消毒剂后，水在清水池中停留期间与池壁的还原性物质反应，使得最初余氯消耗量较大，随着池壁还原性物质被逐渐氧化完毕，余氯消耗量逐渐减少，水中余氯出现值缓慢上升直至最终达到基本稳定。而29～32 h时余氯值再次上升，则可能是由于次氯酸钙溶液储存箱中次氯酸钙溶液浓度出现波动造成的。

由图3(b)可知，当次氯酸钙投加量由0.036 L/m3时，清水池进水中余氯含量在0.45～0.61 mg/L范围内波动，中值为0.53 mg/L，波动范围为±15.09%；出厂水余氯总体呈缓慢上升趋势，波动范围在0.35～0.45 mg/L，中值为0.40 mg/L，波动范围为±12.50%；末梢水余氯总体呈缓慢上升趋势，波动范围在0.21～0.31 mg/L，中值为0.26 mg/L，波动范围为±19.23%。

总体来看，两种次氯酸钙溶液投加量条件下的监测过程中，出厂水余氯含量均大于0.3 mg/L，管网末梢余氯含量均大于0.03 mg/L，符合《生活饮用水卫生标准》的要求。两次32 h的连续监测过程中，清水池进水、出厂水、管网末梢水的余氯值波动范围均在±20%以内。上述结果说明，在次氯酸钙溶液投加量一定的情况下，不仅清水池进水余氯含量稳定，出厂水和管网末梢水余氯也相对稳定。

将两种次氯酸钙溶液投加量条件下，清水池进水中余氯中值进行比较发现：当次氯酸钙溶液投加量由0.06 L/m3降低至0.036 L/m3，下降率为40%，清水池进水中余氯中值由0.79 mg/L下降至0.53 mg/L，下降率为32.91%，两者较为接近，这也间接说明次氯酸钙溶液投加量与清水池进水余氯之间具有较好的线性正相关性，与3.2中得到的结果一致。

将两种次氯酸钙溶液投加量条件下，出厂水(即清水池出口水)余氯中值较清水池进水余氯中值的衰减率进行比较发现：当次氯酸钙溶液投加量由0.06 L/m3降低至0.036 L/m3时，余氯衰减率由31.6%(由0.79 mg/L衰减至0.54 mg/L)降低至24.5%(由0.53 mg/L衰减至0.40 mg/L)。也就是说，高浓度余氯在清水池中衰减速度更快，这与曾正仁等的研究结果一致[4]。

3.3.2总大肠菌群的变化

在次氯酸钙溶液投加量为0.06和0.036 L/m3两种条件下连续运行32 h时间段内，在0、5、10、15、24、29、32 h分别取样测定一体化净水器出水、清水池进水、出厂水和管网末梢水中的总大肠菌群，结果如表2所示。

表2 两种次氯酸钙投加量条件下各取样口总大肠菌群随时间的变化 CFU/mLTab.2 Changes of total coliform group indicator of various sampling point with the time under the condition of two kinds of calcium hypochlorite dosing quantity

注：“-”表示未检出。

由表2可知，在本文所监测的两个32 h运行时间段内，一体化净水器出水中总大肠菌群在5.40～9.20 CFU/mL之间波动。投加次氯酸钙溶液后，在管道中短暂接触后的清水池进水水样中，绝大多数都未检出总大肠菌群。次氯酸钙溶液投加量为0.06 L/m3时、运行32 h时清水池进水口水样中总大肠菌群检出结果为0.24 CFU/mL，可能是由于此时次氯酸钙消毒剂与待处理水体接触时间过短，原水中的总大肠菌群未被完全灭活。经过在清水池中停留一段时间并充分接触、消毒后，出厂水和管网末梢水在两种次氯酸钙溶液投加量条件下全部未检出总大肠菌群，符合生活饮用水卫生标准要求，说明次氯酸钙消毒效果显著，并且具有较好的持续消毒能力，能够保证出厂水和管网末梢水的微生物安全。

3.3.3消毒副产物的变化

表3给出了次氯酸钙溶液投加量分别为0.06、0.036 L/m3时，不同监测时间点的出厂水及管网末梢水中消毒副产物三卤甲烷、二氯乙酸和三氯乙酸的监测结果。由表3可知，在两种投加量条件下，出厂水和管网末梢水中二氯乙酸和三氯乙酸浓度均低于生活饮用水卫生标准的限值规定(限制分别为0.1和0.05 mg/L)，次氯酸钙溶液投加量高时，二氯乙酸、三氯乙酸生成量也较高。当次氯酸钙投加量为0.06 L/m3时，出厂水和管网末梢用户水中三卤甲烷浓度分别在1.18～1.22和1.06～1.57 mg/L之间，超过生活饮用水卫生标准限值规定(限制为1)；而当次氯酸钙投加量降低为0.036 L/m3时，出厂水和管网末梢水中三卤甲烷浓度也显著降低，符合标准要求。

表3 出厂水和管网末梢水中消毒副产物的变化Tab.3 Changes of disinfection by-products of various sampling point with the time under the condition of two kinds of calcium hypochlorite dosing quantity

注：表中a列表示次氯酸钙投加量为0.06 L/m3时的消毒副产物生成量；b列表示次氯酸钙投加量为0.036 L/m3时的消毒副产物生成量。

有文献报道使用次氯酸钠对饮用水消毒时，投加量越大，接触时间越长，生成的三氯甲烷和卤乙酸也越多[2,4,5-7]，本文的试验研究结果与文献报道一致。另外，比较同一监测时间点时出厂水和管网末梢水中的消毒副产物生成量可发现，三卤甲烷，三氯乙酸和二氯乙酸均主要产生在清水池停留阶段而非管道输送阶段。因此，为全面保障供水安全，应将次氯酸钙溶液投加量及其与在清水池中的停留时间控制在合理范围内。

4 结 语

将次氯酸钙自动变量投加设备安装应用在某村镇供水工程并连续运行，监测结果表明：①该装置能够实现定比投加，确保在单位水体中投加设定体积的次氯酸钙溶液，当清水池进水流量在8.2～27.0 m3/h变化时，其余氯波动范围为±12.64%；②当调整单位水体中次氯酸钙溶液的投加量时，清水池进水中的余氯值也相应改变，两者呈现良好的线性正相关关系；③连续监测结果表明：该装置投加稳定性较好，清水池进口、出厂水和管网末梢中余氯值波动均在±20%以内，且均符合生活饮用水卫生标准要求；④该装置配合次氯酸钙复配饼剂使用，消毒效果稳定可靠，出厂水和管网末梢水微生物指标均达标，但投加量较大时，可能会出现副产物三卤甲烷超标。综上所述，该装置运行效果稳定可靠，消毒效果达标，在村镇供水工程中具有较大推广价值。

根据笔者对加药器下部次氯酸钙溶液储存箱中有效氯浓度的测定，可推算出在次氯酸钙溶液投加量为0.036 m3/L时，以有效氯计的投加量约为0.4～0.6 mg/L，根据3.3中余氯、总大肠菌群和消毒副产物的监测结果可知，该供水工程适宜的消毒剂投加量可能在比0.4～0.6 mg/L更低的一个区间范围内。建议可针对水处理后出水进行烧杯试验得到需氯量值后，加上清水池出口需要控制的余氯量，计算得到清水池进水需要控制的余氯量，利用本文3.2中的清水池进水余氯-次氯酸钙溶液投加量关系曲线，即可得到需在自动变量投加装置上设定的次氯酸钙溶液投加量，实现在确保消毒效果的基础上，保证消毒副产物达标，全面保障饮水安全。

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