分散户用桶式紫外线消毒装置的应用研究

李连香，刘文朝，李铁光，孙瑞刚

(1.中国灌溉排水发展中心，北京 100054；2.水利部农村饮水安全中心，北京 100054; 3.中国水利水电出版社, 北京 100038)

消毒是提高水质达标率的有效手段，受限于自然环境、经济水平、技术储备、饮水习惯等多重因素，部分山丘区分散式供水工程缺乏消毒设施，饮水存在不安全因素。目前集中供水工程采用的消毒方式以二氧化氯消毒为主，以次氯酸钠消毒、臭氧消毒和紫外线消毒为辅，不同消毒方式在实际应用中各有优缺点[1]。然而针对分散式供水工程消毒技术研究较少，尚未建立适宜的消毒技术模式。

部分农村供水受益户用水意识淡薄和饮水习惯固化，对药剂式消毒后饮用水味道接受程度低。为避免消毒设备和资源浪费， 针对分散式供水工程的消毒方式首选紫外线消毒。紫外线消毒效率高、不产生消毒副产物，在给水处理中有很好的前途[2]。但同时必须清醒地意识到，随着科技发展，水源水质趋向复杂化、多样化，仅采用消毒技术时并不能全面保证水质，需采用净水与消毒相结合的处理方式。

以切实保障分散式供水的饮水水质为宗旨，按照经济实用、运行管理简单的原则，采用紫外线消毒与前置净水相结合的方式，研发桶式紫外线消毒装置。桶式紫外线消毒装置以低压高强度紫外灯为核心，以PP棉过滤器和活性炭过滤器为水质保障单元，充分利用UV-C(253.7 nm)的高效的杀菌能力。为进一步明确桶式紫外线消毒装置的运行效果，本文选择华北地区某山丘区1处分散户为示范点，开展桶式紫外线消毒装置的应用研究。

1 装置组成及测试方法

1.1 装置组成及工艺流程

按照紫外线消毒与前置净水相结合的原则，桶式紫外线消毒装置以PP棉过滤器和活性炭过滤器为水质保障单元，以低压高强度紫外灯为核心，集过滤、吸附和消毒等功能于一体。为提高桶式紫外线消毒装置的简便性、经济性和实用性，桶式紫外线消毒装置组成主要包括原水桶、微型水泵、PP棉精密过滤器、活性炭过滤器、紫外线杀菌灯管、电控系统、不锈钢反应腔体，具体配置参数如表1所示。

表1 桶式紫外线消毒装置的配置参数Tab.1 Configuration parameters of barrel-typeultraviolet disinfection device

通过表1可知，桶式紫外线消毒装置的组成部件PP棉过滤器和活性炭过滤器均是标准件，规格为10寸，便于购买和更换。为使得消毒装置低能耗运行，微型水泵和紫外灯功率分别为20 W和15 W。为便于加工，不锈钢反应腔体设计为圆柱形，容积为40 L，有效容积约30～35 L，满足家用饮用水需求。消毒装置的示意图如图1所示。

图1 桶式紫外线消毒装置的示意图Fig.1 Schematic drawing of barrel-type ultraviolet disinfection device

通过图1可知，桶式紫外线消毒装置首先借助功率为20 W的微型水泵将原水输入至水质保障单元中，PP棉和活性炭过滤器主要对原水进行预处理，去除原水中的杂质、色度及异味，降低原水浊度，进一步保障紫外线消毒效果；原水经过过滤后进入紫外线消毒反应腔体，在UV-C(253.7 nm)的照射下，灭杀微生物；紫外灯安装在不锈钢腔体中间，便于紫外线均匀照射提高消毒效果。不锈钢反应腔体设液位管、进水管和溢流管。为便于清洗和维修，不锈钢腔体上部设顶盖，顶盖设计为嵌套式；为确保安全，电源接通时严禁开启顶盖。位于不锈钢反应腔体底部的电控系统主要控制紫外线灯管的启停，可按原水水质情况设定紫外线照射时间，间歇式消毒可照射5～10 min/h，必要时采用连续消毒，避免桶内饮用水微生物滋生。

1.2 运行方式

针对桶式紫外线消毒装置的运行操作简便。日常运行主要包括开机进水和紫外线消毒灯启动。消毒设备安装后，首先缓慢打开进水阀门，接通小型潜水泵电源，此时过滤器上排气阀会自动排出管道空气；进水过程中需观察紫外线反应腔体液位，达到上液位时，及时关闭小型潜水泵电源。进水流程结束后，接通桶式紫外线消毒装置的电源，控制系统通电后会自动控制紫外灯的启停，紫外灯照射时间可根据原水水质情况进行设定。如日用水量小或长时间不使用时，可以直接关闭紫外线消毒装置的电源。

针对紫外灯套管的清周期建议1～2周。清洗时务必切断紫外灯电源，排空紫外线腔体内部饮用水，打开紫外线腔体上盖，用酒精擦拭紫外灯套管上的水垢，然后用清水冲洗后排出。建议结合原水水质情况确定PP棉和活性炭滤芯的更换周期，通常情况下运行3～4个月更换PP棉和活性炭滤芯。滤芯更换时，需关闭过滤系统进水阀门，排空管道，采用专用扳手更换PP棉和活性炭滤芯。

1.3 测试指标和方法

为明确桶式紫外线消毒装置的消毒效果，原水和消毒后出水测试指标以微生物指标(菌落总数、总大肠菌群、耐热大肠群、大肠埃希氏群)为主，以感官性状和一般化学指标(色度、浑浊度、臭和味、肉眼可见物、pH、氯化物、硫酸盐、溶解性总固体、总硬度、耗氧量)和毒理指标(硝酸盐)为辅，共检测15项指标。其中pH值和浑浊度现场测定，pH值采用英国百灵达P600型pH计测定，浊度利用美国哈希DR2100浊度仪测定。水样的采集、保存以及测试严格按照生活饮用水标准检验方法(GB/T 5750-2006)[3]进行。针对微生物指标测试需在4 h内完成，采用500 mL广口瓶采集水样，采样瓶经160 ℃高温灭菌2 h后使用，水样采集前取水龙头需采用酒精棉擦拭进行消毒。所有水样采集后放置在水样冷藏箱中，尽快返回实验室测定。

2 应用案例及运行效果

2.1 示范点介绍

示范点位于华北地区某山丘区的1处分散供水户(谭家，简写为TJ)。由于分散户TJ的住址地势高、距离远，集中供水工程没有覆盖。住户TJ以浅层地下水为水源，采用潜水泵抽水，抽水初期水中泥沙含量大，待出水清澈时放置在水缸(容积约150 L)中储存使用，未经任何处理。住户TJ有4口人，夏季用水量大，每天需开启潜水泵一次，而冬季用水量少，平均3～4 d开启潜水泵一次。水缸已使用多年，未进行过清理和消毒，冬季水缸外部增设棉被等保暖设施，以免结冰影响用水。

通过对分散户TJ的水源水进行检测，检测结果如表2所示。检测结果表明分散户TJ的水源水主要存在总大肠菌群和浊度超标的问题，其中总大肠菌群90 CFU/100 mL，浊度为4.4 NTU。

2.2 消毒效果

桶式紫外线消毒装置安装在TJ的室内，便于取水；冬季室内有采暖设施，便于防冻。装置两侧留有充足的空间，便于操作、测试和检修。桶式紫外线消毒装置仅用电即可维持运行，用电为交流电220 V±10 V，50 Hz，最大工作压力不超过0.3 MPa，以免发生爆管。

为进一步明确带有前置净水系统的桶式紫外线消毒效果，桶式紫外线消毒装置安装后，开展现场试验。针对桶式紫外线消毒装置的运行参数，关键是确定紫外灯照射时间。由于分散户TJ的原水总大肠菌群90 CFU/100 mL，为确保灭菌效果，紫外灯照射时间设为5、10 min/h和连续消毒，试验周期均为3 h，每小时采集水样进行测试，试验周期内测试3次，测试结果求平均值。测试结果如表2所示。

表2 原水和消毒后出水水质检测结果Tab.2 Water quality results of raw water and water after disinfection

由表2可见，桶式紫外线消毒装置安装后，现场所选择的紫外灯照射时间5、10 min/h和连续消毒3个试验方案，出水总大肠菌群和菌落总数等微生物指标符合生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)，表明桶式紫外线消毒设备有效保障了出水微生物安全性。结合分散户TJ水源水质情况，紫外灯照射时间选择5 min/h即可。

通过表2可知，前置净水系统有效截留水源水中的泥沙、颗粒物等，原水浊度从4.4 NTU降低至0.4～0.5 NTU，显著降低了原水浊度，保障了紫外线杀菌效果。同时，原水中氯化物、硫酸盐、硝酸盐、溶解性总固体含量均有所降低，但降低幅度不大，表明前置净水系统对氯化物等没有显著去除效果。此外，值得一提的是不同紫外线照射时间后，出水指标氯化物、硫酸盐、硝酸盐(以氮计)、溶解性总固体、总硬度(以CaCO3计)、耗氧量(CODMn法，以O2计)的含量有略微差别，主要由于测试误差引起。

2.3 运行成本分析

针对桶式紫外线消毒装置的运行成本主要包括电费和滤芯更换费用。其中电费主要包括紫外灯管电费和潜水泵电费，由于紫外灯管每小时照射5 min，全年运行时间730 h，紫外灯功率15 W，全年用电11 kWh，电费按照0.5 元/kWh计，紫外灯用电5.5 元/a；针对潜水泵电费，按照家庭用户每天生活饮用水40 L计(饮水和做饭)，全年用水14 600 L，小型潜水泵流量为40 L/min，功率为20 W，全年累计用电0.12 kWh，电费为0.06 元/a；紫外灯管和潜水泵用电总费用为5.56元。针对每年更换PP棉和活性炭滤芯的费用，PP棉滤芯按照15 元/个计，活性炭滤芯按照20 元/个计，每年各需要3个，共计105元。综上，桶式紫外线消毒装置的年运行成本约为110.56元。

3 应用前景分析

受限于自然地理条件、水资源短缺等多种因素，分散式供水依然存在，保障分散用水户饮用水安全十分紧迫。从消毒角度分析，桶式紫外线消毒装置有效保障了出水微生物安全性，具有杀菌快、无二次污染、运行维护简单的特点。鉴于目前很多集中供水工程对消毒重视程度不够，消毒剂投加不规范，消毒设施有效使用率低，桶式紫外线消毒装置可作为集中式供水工程末梢水的消毒屏障，有效缓解远距离末梢水消毒剂余量不足的问题。

从经济角度分析，桶式紫外线消毒装置年运行成本低。从长远角度而言，末端/分散户用消毒装置可以降低水处理成本。世界卫生组织、食品与营养协会制定了日饮水量的建议值(表3)，由于人均日饮水量受温度、湿度、外界环境、体质等各方面因素的影响[5-7]，但数据分析显示人均日饮水量低于5 L/(人·d)。农村集中供水工程供水量为60 L/(人·d)计，饮水量5 L/(人·d)计，如采用带有前置净水系统的桶式紫外线消毒装置，可以大幅降低水处理成本，因为烹饪用水和饮用水不足生活用水的10%，换句话说大部分生活用水没有必要达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，这一点是与陶涛[8]的报道是一致的。

表3 关于人均日饮水量的建议值Tab.3 Recommended values of daily water consumption

从运行管理角度而言，桶式紫外线消毒装置无须原料，无需专职管理人员，仅用电即可维持设备运行，运行维护简单。运行维护内容主要涉及紫外灯套管清洗、PP棉滤芯和紫外灯管的更换，其中紫外灯套管清洗周期为1～2周；PP棉滤芯的更换周期为3～4个月，具体更换周期需结合原水水质情况而定；紫外灯管使用寿命为8 000 h，紫外灯照射时间5 min/h，全天24 h开启设备情况下，更换周期为11 a。如桶式紫外线消毒装置安装数量多，可委托专业公司进行日常设备的运行维护。

4 结 论

桶式紫外线消毒装置以低压高强度紫外灯为核心，以PP棉和活性炭过滤器为水质保障单元，装置组成和工艺流程简单实用。结合华北地区某山丘区1处分散户家的实际应用，桶式紫外线消毒设备紫外灯开启时间5min/h情况下，可有效保障出水微生物安全性，年运行成本仅110.56元。通过消毒效果、经济、运行管理等方面综合分析，桶式紫外线消毒装置具有广阔的应用前景。

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[1] 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.

[2] 刘文君. 现代给水处理消毒技术的发展[J]. 给水排水动态, 2010,(1).20-23.

[3] GB/T 5750-2006，生活饮用水标准检验方法[S].

[4] GB/T 5749-2006，生活饮用水卫生标准[S].

[5] Grandjean A. Water Requirements, Impinging Factors, and Recommended Intakes[M]. World Health Organization, 2004,(8):8-14.

[6] Howard, Jamie Bartram. Domestic Water Quantity, Service, Level and Health[M]. World Health Organization, 2003:6-7.

[7] Peter H, Gleick M. Requirements for human activities: meeting basic needs [J]. Water International, 1996,(21):83-92.

[8] Tao T, Xin K. Public health: A sustainable plan for China's drinking water [J]. Nature, 2014,511(7511):527-528.