喀斯特山区农村户用型饮水自动消毒装置构建及应用研究

孙梦阳，李 江,2，房 军，吴永贵,2，唐涛涛，王海强

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025；2.贵州省喀斯特环境生态工程研究中心，贵阳 550025；3.贵州省水利厅，贵阳 550002)

近年来，随着我国农村生活水平的日益提高及环境污染趋势的逐渐加重，农村人畜饮水水质安全保障日益受到关注，其中微生物指标超标问题尤为突出[1,2]。贵州喀斯特地区，地貌结构独特、石漠化现象普遍、地表水保持困难，加之经济条件的限制，水利工程方面资金投入有限，致使喀斯特山区农村水资源开发利用程度低，普遍存在着工程性缺水问题[3]。此种现象在生态环境脆弱、人地系统复杂、矿业活动频繁的黔西北喀斯特山区尤为突出。黔西北喀斯特山区居民居住相对分散，集中式供水设施的建设和管道铺设难度大，主要依靠分散供水满足生产生活需要，供水水源主要是雨水和山泉水[4,5]。现有分散供水消毒设备和技术存在着成本、普适性、可维护性、可运输性等多方面的挑战[6]，难以有效应用于喀斯特山区农村地区，致使分散供水大多未经消毒处理直接饮用，对人体健康构成潜在危害。因此急需研发一种适用于农村分散供水水质消毒处理的户用型饮水消毒技术及装置。

本文介绍了一种户用型饮水自动消毒装置，将电解槽、消毒槽以及自动控制单元组合起来，有效实现了次氯酸钠消毒液生产的自动化和消毒过程的连续性以及使用过程的稳定性和可靠性。通过采集黔西北典型喀斯特山区农村分散供水的水源水，进行消毒运行参数及消毒效果的研究，以期解决现有的消毒设备和技术普遍存在着结构和工艺复杂，成本较高，不适合单家独户使用的问题，并为该装置的应用示范提供技术参考。

1 消毒装置构建及其工作原理

1.1 消毒装置构建及其组成

户用型饮水自动消毒装置的总体结构见图1。消毒装置包括装置柜、电解槽、消毒槽、原料(食盐水)添加口、传感器、控制单元、报警与显示单元等主要部分。电解槽由钛电极板、液位 传感器及腔体组成，消毒槽由双管混流器及容器组成。电磁阀、液位传感器、电极板、报警装置及监控屏分别与控制单元相连接(见图2)。使用装置时，依次打开控制单元上的“电解”按钮和“启动”按钮，屋面雨水或山泉水原水进入到电解槽中，同时将食盐水溶液加入到电解槽中，然后开始电解，电解时间达到设定值后，生成的次氯酸钠消毒溶液排入消毒槽中。屋面雨水或山泉水原水与次氯酸钠消毒溶液根据控制单元设定的混合比例进行混合，通过消毒槽中的双管混流器实现消毒液和原水的快速混合。达到设定的消毒时间后，报警装置启动同时触摸监控屏出现“饮用水消毒完成”的提示信息，提示消毒完成。

1-装置柜；2-触摸监控屏；3-控制单元；4-报警装置；5-水龙头；6-消毒槽；7-液位传感器；8-消毒电磁阀；9-次氯酸钠溶液输送线；10-阴极；11-第2进水电磁阀；12-阳极；13-电解槽；14-第2原水输送管；15-第1原水输送管；16-第1进水电磁阀；17-原料(食盐水)添加口；18-液位传感器图1 户用型饮用水自动消毒装置结构Fig.1 The structural sketch map of householdautomatic disinfection device for drinking water

1.2 消毒装置控制系统及其工作原理

本文所用户用型饮水自动消毒装置控制系统的原理见图2。控制单元采用第3代微型可编程控制器。液位传感器将液位变化产生的高电平信号反馈回控制单元中，后者以此为逻辑判断实现传感器与控制器及控制对象(电磁阀、电极、报警器及触摸监控屏)有效联系和自动化控制功能。触摸显示屏(显示与操控面板)通过串口通信接口与控制单元连接进行数据交换，实现消毒过程的自动化和全程可视化以及运行参数的在线设置和调整。由于典型喀斯特山区农户饮用水的水源类型和水质特征以及卫生条件不同，因此使用者可以根据实际情况调整运行参数。

图2 户用型饮水自动消毒装置控制原理Fig.2 Control scheme of household automatic disinfection device for drinking water

2 样品采集及实验方法

2.1 样品采集

在工程性缺水的喀斯特山区，居民为了满足人畜饮水需要，普遍修建水窖、集雨屋面等蓄水设施，蓄积屋面雨水与山泉水。由于喀斯特山区农村分散供水的水源类型不同、蓄水设施不同、当地村镇环境卫生条件不同，从贵州黔西北典型喀斯特山区选择具有代表性的5处饮水作为试验用水进行消毒实验研究，以检验装置的适用性和可靠性。5处饮水具有代表性的水质指标CODMn为1.36～4.96 mg/L，总硬度(以CaCO3计)为41.03～210.98 mg/L，菌落总数为280～26 700 CFU/mL，总大肠菌群为0.13～5.40 CFU/mL，耐热大肠菌群为0.02～0.22 CFU/mL，3种微生物指标均存在不同程度的超标。

2.2 实验方法

采用电解试验和消毒试验来验证户用型饮水自动消毒装置的消毒效果，电解试验考察不同食盐水浓度和电解时间2种条件下电解槽电解的有效氯产量，消毒试验考察不同消毒液投加量和消毒时间2种条件下装置的消毒效果。

(1)电解试验。研究表明电解槽的电解效果主要与电解电流、盐水浓度、电解时间等电解参数有关[7]。次氯酸钠发生器安全与卫生标准(GB28233-2011)规定，食盐水浓度范围应为30～50 g/L[8]，能达到较高的有效氯浓度和较低的食盐用量。李晓琴等研究了电解参数对次氯酸钠发生器运行效果影响，采用的食盐水浓度为20～40 g/L[9]。在电解装置预实验的基础上，电解实验采用的食盐水浓度设置为10、20、30 g/L，电解电流设定为5 A，分别在电解时间为5、10、15、20、25 min检测电解槽中消毒液的有效氯浓度，探究不同食盐水浓度下电解槽的电解效率。

(2)消毒试验。饮用水卫生消毒时，每升水次氯酸钠消毒液的理论投加量为2～20 mg/L，饮用水消毒的接触时间为30 min[10]。为方便用户及时快速获得安全饮用水，在预试验的基础上，消毒液的投加量设置为1、2、5 mg/L，饮用水消毒时间设置为1、5、10、30 min，检测消毒槽出水中常规微生物指标(菌落总数、总大肠菌群和耐热大肠菌群)达标情况，以探究不同消毒液投加量和消毒时间下装置的消毒效果。

2.3 水质检测方法和运行成本计算方法

水样的采集和保存依据《生活饮用水标准检验方法——水样的采集与保存》(GB5750.2-2006)；消毒液有效氯的检测采用《生活饮用水标准检验方法——消毒剂指标》(GB5750.11-2006)[11]，3次平行测试，取平均值；微生物指标的检测依据《生活饮用水标准检验方法——微生物指标》(GB5750.12-2006)[12]。参考《次氯酸钠发生器》(GB12176-1990)指标计算方法，试验装置运行成本包括电费和食盐消耗费[8]。

3 结果与分析

3.1 消毒装置电解效率分析

有效氯浓度在不同盐水浓度与电解时间下变化情况见图3。由图3可知盐水浓度和电解时间对有效氯产量的影响趋势一致，随着盐水浓度和电解时间的增加，有效氯产量不断增加。为方便于用户及时获取所需安全饮水和减少食盐的用量，装置电解参数推荐盐水浓度为20 g/L，电解时间15～20 min，有效氯的产量为182.64～255.81 mg/L。

图3 不同盐水浓度与电解时间对有效氯产量的影响Fig.3 The concentration of effective chlorinevaries with different salt concentration and electrolysis time

3.2 不同消毒液投加量和消毒时间下微生物指标达标分析

3.2.1不同消毒液投加量和消毒时间下对菌落总数的去除效果

在消毒液的投加量为1、2、5 mg/L的条件下，装置消毒过程连续运行30 min，在1、5、10、30 min分别取样测定消毒槽出水的菌落总数，结果见表1。

由表1可知，水样的菌落总数为280～26 700 CFU/mL，5处水样菌落总数超标倍数分别为267.00倍、2.80倍、9.00倍、9.20倍和63倍。投加消毒液后，消毒槽出水的菌落总数迅速下降。

表1 菌落总数随消毒液投加量与消毒时间变化Tab.1 The total number of colonies varies withdisinfectant dosage and time

次氯酸钠大量水解生成具有较强穿透力的次氯酸，可以迅速穿过微生物的细胞膜，破坏其多种酶系统，影响微生物的代谢活动，从而达到对微生物的灭活[13]。随着消毒时间的延长，菌落总数下降不明显。为方便用户及时获取安全饮水，当消毒液的投加量为2～5 mg/L，消毒时间为5 min时，消毒槽出水的菌落总数为8～83 CFU/mL，低于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定菌落总数100 CFU/mL的限值[14]。因此消毒液的投加量为2～5 mg/L，消毒时间定为5 min即可满足对菌落总数的去除效果。

3.2.2不同消毒液投加量和消毒时间对总大肠菌群的去除效果

表2给出了消毒液的投加量分别为1、2、5 mg/L，装置消毒过程连续运行30 min，在1、5、10、30 min分别取样检测消毒槽出水的总大肠菌群。由表2可知，当消毒液的投加量为1 mg/L时，5处水样在消毒时间为10 min时未检测总大肠菌群。当消毒液的投加量为2和5 mg/L时，5处水样在消毒时间为5 min时未检测出总大肠菌群。因此，为节省装置的运行时间，选取消毒液的投加量为2～5 mg/L，消毒时间为5 min即可满足对总大肠菌群的去除效果。

表2 总大肠菌群随消毒液投加量与消毒时间变化Tab.2 The changes of total coliforms withdisinfectant dosage and time

注：“-”表示未测出。

3.2.3不同消毒液投加量和消毒时间下对耐热大肠菌群的去除效果

耐热大肠菌群是一类通常寄居于人和温血动物肠道的菌群，是水质受到粪便污染的重要指标[15]，耐热大肠菌群的高低，标志着粪便污染程度，可有效反映水源对人体健康危害的大小[16]。农村分散供水水源在保护措施不到位的情况下，极易受到外界环境的影响及人畜粪便的污染，。贵州黔西北典型喀斯特山区具有代表性的5处饮水的耐热大肠菌群为0.02～0.22 CFU/mL。按照消毒液的投加量1、2、5 mg/L，装置消毒过程连续运行30 min，在1、5、10、30 min分别取样测定消毒槽出水的耐热大肠菌群。在3种消毒液投加量下，消毒时间为1 min时，消毒槽的出水耐热大肠菌群均未检测出，耐热大肠菌群的杀灭率达到100%。

次氯酸钠对微生物有较强的灭杀性，且持续消毒时间长[17]。孙其家等研究表明，当饮水的pH为7.0～8.5时，杀灭(20±1)℃水中的大肠杆菌，所需有效氯浓度需达到0.70～1.60 mg/L[18]。装置在不同消毒液投加量和消毒时间下的消毒效果表明，当消毒液的投加量为2～5 mg/L时，需要消毒的水样与消毒液充分接触5 min，菌落总数、总大肠菌群和耐热大肠菌群等微生物指标即可满足饮用水安全饮用标准，且消毒槽出水余氯大于0.05 mg/L。该装置在实际应用中，考虑到饮水水质微生物指标的波动，消毒液的投加量为2～5 mg/L，消毒时间设置为5～10 min。

3.3 成本及设备使用寿命分析

户用型饮水自动消毒装置采用消毒液一次制备、消毒液自动投加、多次消毒的运行方式，设定单次消毒水量17 L，消毒液一次制备可消毒10次，消毒总水量为170 L。该装置目前处于试制阶段，制作成本为3 000 元，设备的使用年限主要取决于电极和电磁阀使用寿命，正常使用年限为5～8 a，后期批量生产时制造成本会降至500～800 元。该装置在实际应用中推荐运行参数为：食盐水浓度为20 g/L、电解时间为15～20 min，考虑食盐消耗和电耗，单位运行成本低于0.4 元/m3，适合喀斯特山区农村经济现状。

4 结 论

针对喀斯特山区农村工程性缺水严重、农村分散供水微生物超标问题突出、饮水水质消毒装置及技术缺乏等现状，研发了一种户用型饮水自动消毒装置，并进行了消毒运行参数及消毒效果研究。

(1)为方便用户及时获取安全饮水，同时节省装置运行成本，该装置运行参数推荐为：食盐水浓度20 g/L，电解时间15～20 min，消毒时间5～10 min，装置出水微生物指标完全满足饮用水卫生标准。

(2)该装置以廉价的食盐为消毒剂的原料，将电解槽、消毒槽以及自动控制单元组合起来实现了消毒装置的小型化、模块化和自动化，采用消毒液一次制备、消毒液自动投加、多次消毒的运行方式，对山区农村常用的微生物超标的雨水和山泉水进行自动消毒。

(3)户用型饮水自动消毒装置的集成应用可适合喀斯特山区农村供水分散、水质微生物超标、农户文化水平不高而技术水平相对较低及农村经济相对薄弱等现状，在喀斯特山区农村中具有较大推广价值。

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