农村饮水安全消毒集成技术研究及应用前景分析

贾燕南 杨继富 赵 翠

研究背景

《村镇供水工程技术规范》（SL 310—2004）等标准对生活饮用水必须消毒做出了强制性规定。截至“十一五”期末，全国建设了52.5万处集中式供水工程，“十二五”期间规划建设22.5万处集中式供水工程和为数更多的分散式供水工程。总体来看，由于观念、技术、设备、管理等方面的原因，消毒一直是农村供水的薄弱环节。当前农村饮水安全消毒存在的主要问题是：①认识不到位，部分工程无消毒设备，或有消毒设备不用；②现用消毒设备技术问题，如原料转化率低、性能不稳定、消毒剂投加量不准或难以控制等；③工程设计不合理，如清水池过大、投加方式有误、不能保证足够的接触时间等；④消毒设备运行环境条件不配套，水处理不合格，没有规范的消毒间和冬季保温设施，缺乏对消毒剂余量及微生物指标的日常检测；⑤运行管理与服务保障薄弱，操作人员不专业，行业监管和技术培训不到位，消毒原料采购渠道不畅等。根据卫生部门水质抽查检测结果，影响农村供水水质合格率的主要原因之一是微生物指标超标，迫切需要研发和推广应用适宜农村供水特点的消毒技术和设备。

农村供水常用消毒方法及其原理和特点

农村供水中最常用的消毒方法包括氯的化合物消毒、二氧化氯消毒、紫外线消毒及臭氧消毒等。

（1）氯的化合物消毒：目前主要采用次氯酸钠和漂白粉等，其有效消毒成分是水解形成的次氯酸，具有强氧化性，使菌体和病毒的蛋白质变性，使病原微生物致死。次氯酸钠消毒的特点：一般采用次氯酸钠发生器现场制备，其原料食盐安全易得，运行成本低，有持续消毒效果，检测容易，安全性较高，但运行操作相对复杂。如当地可购得次氯酸钠溶液，可采取直接投加次氯酸钠溶液的方式，更加简单可靠。以次氯酸钙为有效成分的消毒剂包括漂白粉、漂粉精等，特点是运输及储存方便，但溶解较困难，消毒后会留下一层白色沉淀物而影响观感，产生废渣多；需用人工方式进行投药，投加量不易控制。

（2）二氧化氯消毒：具有极强氧化性的分子态二氧化氯，使菌体和病毒的蛋白质变性，使病原微生物致死。二氧化氯消毒的特点：主要通过二氧化氯发生器现场制备，具有强氧化性和持续消毒效果，运行操作简便，但原料不易采购，运行成本（药剂费）较高，安全性相对较差，且其检测比氯的化合物消毒要复杂。

（3）紫外线及臭氧消毒：紫外线消毒原理为通过紫外线照射破坏水中病毒、细菌和其他微生物的遗传物质DNA，使其失去活性无法复制再生。臭氧消毒原理为臭氧能直接氧化各种酶和蛋白质，阻碍代谢过程，破坏有机体链状结构而导致细菌或病毒死亡。紫外线及臭氧消毒的特点：不需购置原料，运行操作简便，但对原水水质有较高要求，持续消毒效果差，仅适用于供水管网较短的小规模农村供水工程，且耗电较高，消毒效果不易检测。

科技支撑、科技推广等项目成果及创新情况

近年，中国水利水电科学研究院主持承担了“十一五”国家科技支撑计划课题“农村安全供水消毒技术与装置开发”和“十二五”国家科技支撑计划课题“村镇饮用水消毒及水质检测技术研究”、水利部科技推广计划重点项目“农村饮水安全消毒集成技术的推广应用”等相关课题，重点开展了次氯酸钠、二氧化氯、紫外线、臭氧和缓释消毒剂等实用性消毒技术研究、装置开发、示范工程建设与运行效果监测等工作。研究形成了适合农村供水特点的成套消毒技术，研发改进了多种具有较强创新性的成套消毒设备及投加装置，包括新型无隔膜法电解次氯酸钠发生器、离子膜法电解次氯酸钠发生器、新型二氧化氯消毒装置及其投加系统等。

（1）适合农村供水特点的成套消毒技术

研究编制了《农村供水消毒技术要点》《农村供水消毒技术培训教材》及《农村供水消毒装置操作管理规程》等；形成了适宜不同地区、不同类型农村供水工程的消毒技术模式，包括消毒方法、设备要求、设计要点、检测方法和管理措施等。

选择农村供水消毒技术，应综合考虑供水规模、水源水质、管理条件、运行成本等因素，并注意选择经卫生许可、认证机构评定合格的产品。具体建议：①次氯酸钠消毒是稳定成熟的消毒技术，建议在原水水质较好，特别是有机物含量不高的条件下优先采用，注意选购技术先进、性能质量可靠的次氯酸钠发生器；如当地可及时供应成品次氯酸钠溶液，可采用次氯酸钠溶液及其投加装置。②化学法二氧化氯发生器适用于中小型农村供水工程，其中高纯型二氧化氯发生器比复合型二氧化氯发生器更适合；为保证消毒效果，建议由设备厂家推荐或提供可靠的消毒剂原料采购渠道。③小规模单村供水工程或分散供水工程，可优先选购紫外线消毒设备；边远山区、管理条件差的水厂，可优先采用次氯酸钙消毒剂及其投加装置。④臭氧消毒适于原水溴离子浓度较低、pH较低、管网较短、采用塑料管材的单村供水工程，咸潮地区避免使用；选用臭氧消毒前，需对原水溴离子浓度进行检测。

（2）新型无隔膜法电解次氯酸钠发生器

通过对传统电解食盐水产次氯酸钠发生器的改进，形成了耐腐蚀、抗结垢、操作简单、维护工作量少的新型设备。主要创新点：①采用工程塑料降低成本，提高其耐腐蚀性能，延长使用寿命；②优化了电解槽阴极材料，有效解决了传统无隔膜法电解次氯酸钠电解槽腐蚀、出黑水的问题；③采用循环水冷却法降低电极温度，显著延长了电极使用寿命；④在进电解液管道上安装特殊除垢设备，减少结垢，提高发生器电解效率并延长了电极维护间隔；⑤优化了电解槽结构及极板连接方式，显著降低了盐耗及电耗，优化后发生器盐耗≤4.5kg/kg（有效氯），交流电耗≤6.5kWh/kg（有效氯）。该新型无隔膜法电解次氯酸钠发生器以食盐为原料，相比二氧化氯发生器以（亚）氯酸钠和盐酸为原料，更为安全和方便，且运行成本更低，更适宜农村供水工程采用。如图1所示，该设备由中国水利水电科学研究院和有关公司共同研发，已在四川、江西、重庆等地的农村供水工程中应用，效果良好。

（3）新型二氧化氯发生器及其变量自动投加系统

新型复合型二氧化氯消毒器，采用多级反应，使盐酸和氯酸钠在不同温度及酸度情况下分级反应；改进了换热，提高了热传导效率和曝气程度，有效降低副反应，原料转化率提高到80%以上，同时原料氯酸钠和盐酸消耗量分别降低12%以上，因此运行成本显著降低；采用纯化器进行残液分离，使进入水体的副产物氯酸盐及亚氯酸盐大幅度减少；通过气液分离，解决了气、水混输问题和多投加点分配问题，解决了二氧化氯浪费及散失造成的腐蚀问题；增加了气液分离器，使水射器吸收与投加分离，避免投加引起的设备不稳定。该设备由中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所和有关公司共同研制，已在山东等地的农村供水工程中应用。

针对高纯型二氧化氯发生器，结合单井供水系统中无调节池、有低位清水池和高位清水池的3种情况，中国水利水电科学研究院研发了3套变量自动投加系统，其工艺原理如图2所示。该系统由供水流量计、逆止阀、PLC控制箱和高纯型二氧化氯发生器组成，在供水系统无调节池的条件下，不需单设加药泵，选择扬程高于供水压力的计量泵即可。配备超声波流量计或远传机械表，根据流量信号控制计量泵频率，变量投加程序需根据现场实测确定。对于有低位清水池的水厂，变量自动投加系统中需增加水射器；对于有高位清水池的水厂，变量自动投加系统需增加扬程高于供水压力的计量泵。此外，建议规模较大的水厂在清水池的出水管上设二氧化氯在线检测仪及报警系统。该变量自动投加系统，可根据供水流量自动调节二氧化氯投加量，实现定比例投加，在保证消毒效果的同时确保副产物（氯酸盐、亚氯酸盐）不超标，实现安全供水，同时可降低原料消耗，节约运行成本。该项成果已在北京市郊区多处供水站中应用，运行稳定，效果良好。

应用前景展望

从世界范围看，饮水安全的首要风险是微生物。在我国农村饮水安全工作中，微生物指标不合格是制约供水水质合格率提高的首要因素，加强饮水安全消毒是改善农村饮用水卫生状况的有效措施。中国水利水电科学研究院牵头研发形成的农村饮水安全消毒成套技术及设备，实现了多项技术创新，相关成果已在水利部科技推广计划重点项目“农村饮水安全消毒集成技术的推广应用”中的6个示范县示范应用，具有技术先进、性能稳定、安全可靠、管理方便等特点，取得了良好示范效果，为当地选择和推广消毒技术及设备提供了可靠依据和方法，保证了安全供水。上述成果如在全国推广应用，将有效促进我国农村供水工程消毒技术水平的提升，有效提高农村供水水质合格率，加快实现农村安全供水。