适宜农村供水的次氯酸钙消毒技术及设备

鄢元波，贾燕南，丁昆仑，孙文海，沈煜康，谢 薇(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； .广西绿康环保有限公司，南宁 50001)

0 引 言

“十三五”农村饮水巩固提升建设对先进适宜的消毒技术及设备需求巨大。尽管近年来，二氧化氯发生器在农村供水中应用范围最广，但有关调研显示由于设备质量良莠不齐，多数工程中实际运行效果欠佳[1]。在各种常见消毒方法中，氯消毒仍然是技术最成熟、检测最容易、运行成本低且持续消毒效果好的消毒方法[2]。在氯消毒的多种应用形式中，液氯存储、运输安全性差，次氯酸钠发生器设备结构及管理相对复杂，成品次氯酸钠溶液运输不易[3]，而次氯酸钙固体消毒剂可能更适宜农村供水特别是农村中小型供水工程使用。但是，传统次氯酸钙即漂白粉的有效氯含量低、沉渣多，药剂配制及投加需要人工操作，使用不方便，在饮用水消毒中已逐渐被其他消毒方式替代[4]。

本文将介绍克服了上述缺点的2种不同固体形态的次氯酸钙消毒剂及其加药装置，包括其技术特点、工作原理、工程应用情况及运行效果，并对运行成本进行简要分析，以期为农村供水工程选择适宜的消毒技术及设备提供参考。

1 次氯酸钙消毒剂及投加设备

1.1 次氯酸钙消毒剂特点

次氯酸钙消毒剂是将固体次氯酸钙粉末与阻垢剂等其他物质混合后，黏结压制成片状、块状、饼状等不同固体形态的消毒剂，一般有效氯含量为55%～70%。其主要特点如下[5,6]：①对水体中常见致病菌都有灭活作用；②具有持续消毒效果，投加进水体后，余氯持续时间长，可防止由微生物在管网中繁殖造成的二次污染；③次氯酸钙是固体消毒剂，便于运输和储存，保存周期长，使用和操作安全性和方便程度更高；④次氯酸钙溶解进入水体后的发生水解反应，有效消毒成分是次氯酸，消毒剂余量检测容易；⑤消毒过程中可能会产生三卤甲烷和卤乙酸等有机卤代消毒副产物，需要控制适宜的投加量。

1.2 次氯酸钙片剂及比流式自动变量投加设备

次氯酸钙片剂外观为枕形，每片尺寸为3.75 cm×2.25 cm×1.5 cm，每片质量为7 g，有效氯为65%～70%，水厂消毒时可配合比流式自动变量投加系统使用。

比流式自动变量投加系统由次氯酸钙加药器、流量计、控制器和变频计量泵组成。其中次氯酸钙加药器分为上下2层：上层为储药篮，由顶盖处添加并储存次氯酸钙片剂，储药篮底部为网格；下层为次氯酸钙溶液储存箱。使用时将次氯酸钙片剂置于加药器上层，喷淋泵带动进水水流通过水波喷头喷水溶解网格上部的次氯酸钙片剂，溶解后的次氯酸钙溶液有效氯浓度稳定在1.1%～1.7%，并通过网格侧面出口进入下层次氯酸钙溶液储存箱[4]，工作原理如图1所示。比流式自动变量投加系统控制过程如图2所示：用户通过控制器设定单位体积待处理水的次氯酸钙溶液投加量，安装在清水池进水管道上的流量计在线监测流量的变化，并将信号传送给控制器，计量泵根据控制器输入信号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。

图1 次氯酸钙加药器工作原理Fig.1 Working principles of calcium hypochlorite dosing device

图2 比流式次氯酸钙自动变量投加设备控制过程Fig.2 Controlling process of the fixed-ratio automatic variable calcium hypochlorite dosing equipment

1.3 次氯酸钙饼剂及简易浸泡式变量投加装置

次氯酸钙饼剂外观为饼形，直径为60～75 mm，每片质量为160～200 g，有效氯为55%～65%，水厂消毒时可配合简易浸泡式次氯酸钙投加装置使用。

简易浸泡式次氯酸钙投加装置的外部和内部结构如图3所示。其工作原理为：装置配备有2个或多个带孔的溶药罐，当动力水从装置进水口流入后首先进入溶药罐，在压力作用下可进入溶药罐与内胆之间的气腔，因溶药罐内胆上有小孔，气腔中的水可与内胆中的次氯酸钙饼剂接触使其溶解，形成较高浓度的次氯酸钙溶液，而后依靠管道压力或重力投加进入水体。装置的工作过程如图4所示：装置安装在入清水池管线的动力水支路上，在进水水量增大时，气腔内水面升高，空气受压缩程度变大，溶药罐上与水接触的小孔数量增多，溶解进入水中的次氯酸钙更多，通过这一过程可粗略实现次氯酸钙投加量随处理水量变化而自动调整，即变量投加。装置后端的流量计可调节动力水支路的流量以控制装置进水的压力，单向阀可防止动力水停止时次氯酸钙溶液从出水口倒流进入装置[7]。

图3 简易浸泡式次氯酸钙投加设备外部及内部结构示意图Fig.3 Internal and external structure of the simple soaked variable dosing device 注：1-密封盖；2-投药口；3-流量计；4-进水口；5-出水口；6-次氯酸钙饼剂；7-溶药罐；8-溶药罐内胆；9-内胆上的小孔；10-气腔；11-连接管；12-直管；13-单向阀。

图4 简易浸泡式次氯酸钙变量投加装置工作过程Fig.4 Working process of the simple soaked variable dosing device

2 工程应用及效果

2.1 试点工程介绍

(1)比流式自动变量投加设备试点工程。比流式自动变量投加设备的试点工程位于西南山丘区。基本情况为：设计供水规模为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(容积为300 m3)。比流式次氯酸钙自动变量投加设备安装在清水池前，将次氯酸钙片剂溶解后形成的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)简易浸泡式变量投加装置试点工程。简易浸泡式变量投加装置的试点建于西南山丘区某单村供水工程，属于二次供水消毒。工程基本情况为：水源采用Ⅲ型供水工程出水，该Ⅲ型供水工程采用二氧化氯消毒，出厂水经约17 km管道重力传输至储水池中，经在储水池停留衰减，出水口二氧化氯已无法检出，之后再用泵传输至山顶水塔中，依靠重力自流进入管网输送至各用水户，管网末梢距离水塔约2 km；此二次供水设计供水规模为300 m3/d，用水人口约1 600人。简易浸泡式变量投加装置安装山顶水塔(容积为100 m3)前端，将次氯酸钙饼剂与水接触后形成的消毒液投加进入水塔，在水塔内接触消毒。

2.2 运行效果监测方法

通过前期调试，确定比流式自动变量投加设备的适宜次氯酸钙药液投加量为0.024 L/m3；通过调整简易浸泡式变量投加装置后端的流量计，使水塔出口的余氯浓度大致稳定在0.3～0.4 mg/L。2种投加设备各稳定运行1 d后，开展连续32 h运行效果连续监测，即在32 h监测时间段内每间隔若干小时，测定出厂水和管网末梢水的余氯，同时取样检测总大肠菌群，共7个取样检测时间点；在10、24、32 h这3个时间点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)。

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。

2.3 监测结果

(1)消毒剂余量。图5(a)和图5(b)分别给出了比流式次氯酸钙自动变量投加设备、简易浸泡式次氯酸钙变量投加装置试点工程，在连续32 h运行效果监测时间段内，出厂水和管网末梢水余氯值的变化情况。由图5(a)可看出，比流式投加设备试点工程出厂水余氯波动范围为0.26～0.38 mg/L，中值为0.32 mg/L，波动范围为±18.75%；末梢水波动范围为0.11～0.16 mg/L，中值为0.135 mg/L，波动范围为±18.52%。由图5(b)可看出，简易浸泡式投加装置试点工程出厂水余氯波动范围为0.28～0.42 mg/L，中值为0.35 mg/L，波动范围为±20.00%；末梢水波动范围为0.07～0.16 mg/L，中值为0.11 mg/L，波动范围为±39.13%。

图5 试点工程出厂水及管网末梢水余氯随时间的变化Fig.5 Changes of residual chlorine concentration of various sampling point with the time in the two pilot projects

由图5结果可知，在32 h连续监测时间内，2种次氯酸钙变量投加设备都基本能使试点工程出厂水和管网末梢水的余氯值符合生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)的要求。随供水时段不同，供水流量不断变化，比流式自动变量投加设备比简易浸泡式变量投加装置的出厂水和管网末梢水余氯值波动范围小，即前者投加次氯酸钙的稳定性好于后者。

(2)总大肠菌群。在32 h时间段内的0、5、10、15、24、29、32 h和0、4、10、14、24、28、32 h分别取样检测2处试点工程的出厂水和管网末梢水的总大肠菌群，结果全部为未检出。说明2种次氯酸钙消毒剂及投加设备对病原微生物的杀灭效果较好，能够保证出厂水和管网末梢水的微生物安全性。

(3)消毒副产物。在32 h时间段内的10、24、32 h分别取样检测2处试点工程的出厂水和管网末梢水的消毒副产物，结果如表1所示。由表1可知，2处试点工程出厂水和管网末梢水三卤甲烷含量均在1.00 mg/L以下，二氯乙酸浓度均远低于0.05 mg/L，三氯乙酸浓度均远低于0.1 mg/L，符合GB5749的要求。另外，相对于二氯乙酸和三氯乙酸，三卤甲烷离标准规定限制更近，即在消毒剂投加量控制不当情况下，三卤甲烷可能更易超标。

表1 试点工程出厂水和管网末梢水中消毒副产物的变化 mg/LTab.1 Changes of disinfection by-products of various sampling point with the time in the two pilot projects

注：“-”表示未检出；a列为比流式次氯酸钙自动变量投加设备试点工程的检测结果；b列为简易浸泡式次氯酸钙变量投加装置试点工程的检测结果。

3 运行成本

3.1 理论运行成本分析

(1)比流式自动变量投加设备运行成本核算。比流式自动变量投加设备的运行成本(R比)包括次氯酸钠片剂费用(R1)及电费(R2)，计算公式如下：

(1)

式中：R1为消毒单位体积水所花费的次氯酸钙剂费用，元/m3；R2为消毒单位体积饮用水所耗的电费，元/m3；y1为次氯酸钙片剂价格，根据市场调研为20元/kg；ρ为次氯酸钙溶液储存箱中溶液的质量浓度，取1.1 kg/L；q为单位水量的次氯酸钙溶液投加流量，在计算时取0.024 L/m3；W1为次氯酸钙消毒剂溶液中有效氯含量，取1.4%；W2为次氯酸钙片剂中有效氯含量，取65%；y2为电价，取0.5 元/kWh；P为喷淋泵、计量投加泵等电器的总功率，取0.5 kW；Q为比流式自动变量投加设备的水处理流量，为25 m3/h。

以600 m3/d的工程为例进行成本核算，根据式(1)可计算出R比为0.023 元/m3。

(2)简易浸泡式变量投加装置运行成本核算。简易浸泡式变量投加装置的运行成本(R浸)仅包括次氯酸钠饼剂的费用，计算公式如下：

(2)

式中：y3为次氯酸钙饼剂价格，根据市场调研为10 元/kg；A为单位处理水量的有效氯投加量，根据相关研究，取0.8×10-3kg/m3；W3为次氯酸钙饼剂中有效氯含量，取55%。

以300 m3/d的工程为例进行成本核算，根据式(2)可计算出R浸为0.015 元/m3。

3.2 试点工程实际运行成本

在2014年11月19日至2015年6月25的218 d内对2种变量投加设备试点工程的耗药量(M)、电耗(W)和实际供水量(G)进行了监测，根据上述数据计算出的试点工程实际运行成本(C)如表2所示。

表2 试点工程实际运行成本观测Tab.2 Operating costs observation of the two pilot projects

由表2可知，比流式自动变量投加设备试点工程的实际运行成本略低于理论计算运行成本，而简易浸泡式变量投加装置的实际运行成本与理论计算值基本一致。前者实际运行成本低的原因可能是次氯酸钙加药器的喷淋泵及投加计量泵并非24h连续工作，且由于原水水质较好，供水工程在实际运行过程中需要的次氯酸钙溶液投加量低于预估的0.024 L/m3。

4 结论与建议

本文介绍了适宜农村供水的次氯酸钙消毒技术及设备(装置)，包括次氯酸钙片剂及比流式次氯酸钙自动变量投加设备，次氯酸钙饼剂及简易浸泡式次氯酸钙变量投加装置。将2种设备(装置)分别安装在农村供水工程并运行，连续32 h监测结果表明：前者能够实现定比投加，确保在单位水体中投加设定体积的次氯酸钙溶液，出厂水和管网末梢水的余氯值波动范围在±20%以内；后者出厂水和末梢水的余氯值波动范围比前者大，但也可粗略实现次氯酸钙投加量随处理水量变化而自动调整。2处试点工程的总大肠菌群及三卤甲烷、二氯乙酸、三氯乙酸3种消毒副产物指标均符合GB5749的要求。经理论分析及试点工程实际观测，2种投加设备(装置)的运行成本都比较低，均在0.025元/m3以下。

综上所述，2种次氯酸钙投加设备(装置)运行效果稳定可靠，消毒效果达标，且运行成本低，在农村供水工程中具有较大推广价值。另外，根据2处试点工程的实际耗药量可反算出其实际有效氯投加量分别为0.37和0.77 mg/L，这可能是由于2处试点工程的供水规模、原水水质、供水管网条件不同造成的。

比流式次氯酸钙自动变量投加设备投加消毒剂稳定性好、自动化程度高，但设备一次性投资较高，维护相对复杂，适合管理条件较好的适度规模农村集中供水工程采用；简易浸泡式次氯酸钙变量投加装置投加消毒剂稳定性相对 较差，但设备一次性投资低，维护简便，适合管理条件相对较差的农村小型集中或分散供水工程采用。

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[1] 杨继富, 贾燕南, 赵 翠．农村供水消毒面临的主要问题与对策[J]．中国水利，2014,(13):44-46.

[2] 高占义, 胡 孟．农村安全供水工程技术与模式[M]．北京：中国水利水电出版社，2013.

[3] 贾燕南, 杨继富, 赵 翠, 等．农村供水消毒技术及设备选择方法与标准[J]．中国水利，2014,(13):47-50.

[4] 李连香, 孙瑞刚, 王智勇,等. 次氯酸钙饼剂在饮用水消毒中应用[J]. 中国农村水利水电, 2012,(11):125-128.

[5] 吴一蘩, 高乃云, 乐林生．饮用水消毒技术[M]．北京：化学工业出版社，2006.

[6] 张晓健, 李 爽. 消毒副产物总致癌风险的首要指标参数——卤乙酸[J]. 给水排水技术动态，2000,26(3):8-12.

[7] 贾燕南, 沈煜康, 丁昆仑, 等. 小型供水简易消毒装置:中国，201420177455.6[P]. 2014-04-13.