目前，國內(nèi)已有不同研究選取臭氧、紫外線等方式進(jìn)行二次供水消毒案例分析，但均未考慮實際水箱水質(zhì)變化規(guī)律，二次消毒應(yīng)用策略模糊，實用性較低。因此，本文結(jié)合主流的飲用水消毒技術(shù)，通過模擬測試與實際應(yīng)用研究了二次消毒技術(shù)對高層住宅生活用水水質(zhì)的影響，建立并優(yōu)化了二次消毒應(yīng)用策略，為泵房二次供水消毒技術(shù)改造提供理論依據(jù)與實踐經(jīng)驗。

臭氧消毒設(shè)備與紫外線消毒設(shè)備基本參數(shù)如表2所示。

選取B小區(qū)與C小區(qū)泵房，分別安裝臭氧消毒裝置與紫外線消毒裝置，消毒設(shè)備的功能參數(shù)與水箱模擬試驗平臺使用的消毒設(shè)備相同，2個小區(qū)的設(shè)備及其安裝成本分別為3.5萬元與4.2萬元。B小區(qū)涉及水箱供水用戶約600戶，水箱有效容積約為80 m3，C小區(qū)水箱供水用戶約700戶，水箱有效容積約為95 m3，整體供水情況相近。

為避免管網(wǎng)水質(zhì)的偶然性變化對水箱水質(zhì)的影響，反映實際工況下水箱水質(zhì)的常規(guī)狀態(tài)，分別在5:00、10:00、15:00、20:00和24:00進(jìn)行5次不同時間段的取樣，樣品包括水箱進(jìn)水、開啟消毒設(shè)備前的水箱出水及開啟消毒設(shè)備后的水箱出水。選取渾濁度、pH、余氯及微生物這4個參數(shù)作為水質(zhì)評定指標(biāo)。

由圖3可知，臭氧消毒設(shè)備啟動與未啟動時的水箱進(jìn)出水渾濁度變化較小，5次取樣的渾濁度變化均在0.1 NTU以內(nèi)；與之類似，紫外線設(shè)備啟動與未啟動時的水箱進(jìn)出水渾濁度變化也較小，5次取樣的渾濁度變化也均在0.1 NTU以內(nèi)。

圖3 渾濁度與pH值測定結(jié)果

另一方面，臭氧消毒設(shè)備啟動與未啟動時的水箱進(jìn)出水pH變化較小，5次取樣的pH值均在6.8～7.2；與之類似，紫外線設(shè)備啟動與未啟動時的水箱進(jìn)出水pH變化也較小，5次取樣的pH值也均在6.8～7.2。

以上分析結(jié)果可以說明，臭氧消毒和紫外線消毒對水箱出水渾濁度、pH影響均較小。

由圖4可知，在臭氧消毒設(shè)備未啟動時，水箱出水相對于水箱進(jìn)水的余氯衰減量在0.07～0.10 mg/L，而在臭氧消毒設(shè)備啟動后，水箱出水相對于水箱進(jìn)水的余氯衰減量增加到了0.15～0.19 mg/L，使用臭氧消毒設(shè)備會降低水箱貯水的余氯。在紫外線消毒設(shè)備未啟動時，水箱出水相對于水箱進(jìn)水的余氯衰減量在0.08～0.12 mg/L，而紫外線消毒設(shè)備啟動后，水箱出水相對于水箱進(jìn)水的余氯衰減量增加到了0.21～0.30 mg/L，使用紫外線消毒設(shè)備也會降低水箱出水的余氯(紫外線消毒裝置僅在水箱出水管起到滅菌消毒作用，不影響水箱貯水水質(zhì))。

圖4 余氯測定結(jié)果

由此可見，臭氧可能與水中的部分游離氯發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致出水余氯的衰減；而紫外線的光效應(yīng)會加速水中游離氯的分解，使余氯衰減速度加快，降低出水余氯水平。由于紫外線消毒過程接觸時間較短，僅發(fā)現(xiàn)部分游離氯被分解，但余氯衰減幅度要大于臭氧消毒方式。

由上述試驗結(jié)果可知，臭氧消毒和紫外線消毒過程均會加快二次供水水體中余氯衰減。為綜合分析臭氧消毒和紫外線消毒過程對龍頭水余氯衰減的影響，同步對B小區(qū)與C小區(qū)二次供水用戶末端龍頭水進(jìn)行取樣分析，分別在8:00、14:00和20:00這3個時間段對水箱進(jìn)水、水箱出水和用戶龍頭水進(jìn)行取樣分析，記錄每個時間段3次取樣均值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 水箱進(jìn)出水與龍頭水水樣余氯測定結(jié)果

由圖5可知，未經(jīng)臭氧消毒時的水箱出水到用戶末端龍頭水的余氯衰減量在0.11～0.13 mg/L，經(jīng)過臭氧消毒后的水箱出水到用戶末端龍頭水的余氯衰減量在0.08～0.10 mg/L；未經(jīng)紫外線消毒時的水箱出水到用戶末端龍頭水的余氯衰減量在0.09～0.14 mg/L，經(jīng)過紫外線消毒后的水箱出水到用戶末端龍頭水的余氯衰減量在0.06～0.07 mg/L。這可以一定程度上說明經(jīng)過臭氧消毒或紫外線消毒后，在水箱與用戶末端龍頭之間的管道中，水中余氯的衰減速率有所降低。

對采集到的水箱進(jìn)出水水樣進(jìn)行微生物測定，測定項目包括總大腸菌群、耐熱大腸菌群及菌落總數(shù)3項，結(jié)果如表6所示。

表6 水箱水樣微生物測定結(jié)果

由表6可知，在水箱進(jìn)水微生物未檢出、水質(zhì)情況較好的情況下，臭氧消毒與紫外線消毒無論啟動與否，水箱出水均能保證微生物基本未檢出的結(jié)果。

針對上述消毒過程對水體余氯衰減作用的不同規(guī)律，分別取未經(jīng)臭氧消毒的水箱出水和經(jīng)臭氧消毒后的水箱出水，在DN100水泥砂漿內(nèi)襯管內(nèi)進(jìn)行余氯衰減試驗。余氯在貯存飲用水中發(fā)生的衰減變化，是一個與反應(yīng)速率和反應(yīng)物濃度有關(guān)的單一組分的一級反應(yīng)，如式(1)。

PA=P_A0 e^-k 

(1)

其中：PA——反應(yīng)t時刻余氯的質(zhì)量濃度，mg/L；

P_A0——初始余氯質(zhì)量濃度，mg/L；

k——衰減系數(shù)。

與低入住率小區(qū)水箱貯水停留時間較長的情況不同，生活用水在小區(qū)內(nèi)部供水管道的停留時間往往較短，實際運(yùn)行中停留時間始終不會超過用水早高峰與晚高峰之間的12.0 h。因此，采樣間隔選取1.0、1.0、2.0、2.0、4.0、6.0 h，即分別選取0.0、1.0、2.0、4.0、6.0、10.0、16.0 h停留時間，采集水樣并測定余氯，并將數(shù)據(jù)代入式(1)，求出衰減系數(shù)k。其中，未經(jīng)臭氧消毒水樣的余氯衰減系數(shù)為0.182，經(jīng)過臭氧消毒后水樣的余氯衰減系數(shù)為0.130，得到衰減方程，繪制曲線如圖6所示。同理，在紫外線消毒設(shè)備啟動前后，分別采集3次水箱進(jìn)水、水箱出水與二次供水用戶末端龍頭水水樣，進(jìn)行余氯衰減小試?？汕蟮梦唇?jīng)紫外線消毒水樣的余氯衰減系數(shù)為0.214，經(jīng)過紫外線消毒后水樣的余氯衰減系數(shù)為0.130，得到衰減方程，繪制曲線如圖7所示。

圖6 臭氧消毒前后余氯衰減曲線

圖7 紫外線消毒前后余氯衰減曲線

由圖6、圖7可知，雖然經(jīng)過臭氧消毒與紫外線消毒后的水箱初始出水余氯要低于未經(jīng)臭氧消毒與紫外線消毒的水箱初始出水余氯，但水樣的后續(xù)余氯衰減速率有所降低。其中，經(jīng)過臭氧消毒前后的水箱出水水樣在約2.5 h停留時間后，兩者余氯達(dá)到同一水平，此后經(jīng)過臭氧消毒后的水樣中余氯要高于未經(jīng)臭氧消毒的水樣余氯；經(jīng)過紫外線消毒前后的水箱出水水樣在約4.0 h停留時間后，兩者余氯達(dá)到同一水平，此后經(jīng)過紫外線消毒后的水樣中余氯要高于未經(jīng)紫外線消毒的水樣余氯。

因此，針對小區(qū)生活用水在管道內(nèi)停留時間較長的情況，臭氧消毒與紫外線消毒均可以應(yīng)用于抑制生活用水在小區(qū)內(nèi)管道中的余氯衰減速率，提高用戶末端龍頭水的余氯水平，優(yōu)化與拓展臭氧消毒與紫外線消毒應(yīng)用場景與策略。

高層住宅二次供水消毒的應(yīng)用實踐是一項綜合性工作，臭氧消毒與紫外線消毒等二次消毒措施在模擬場景中確實能較好地發(fā)揮應(yīng)急快速消毒滅菌的作用，但在實際工況中的應(yīng)用效果與其運(yùn)行策略密切相關(guān)，需要慎重考慮到高層住宅小區(qū)的入住率、周邊管網(wǎng)水質(zhì)、用戶用水高峰低谷期等多方面因素，提出適合小區(qū)實際工況的應(yīng)用策略，才能在保證高效經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮二次消毒措施對二次供水系統(tǒng)水質(zhì)的提升作用。

(1)臭氧消毒與紫外線消毒方式均能較好地起到水體應(yīng)急快速消毒滅菌作用。臭氧消毒方式能夠?qū)λ湔w貯水進(jìn)行消毒，隨著水體臭氧濃度的提高，消毒效果有所提升，但消毒時間較長，且水體臭氧析出后對人體有刺激性；紫外線消毒方式消毒時間短，無異臭產(chǎn)生，但考慮成本與消毒效果，設(shè)備往往安裝在水箱出水管位置，紫外線消毒后的生活用水將直接流向加壓水泵，消毒裝置無法對水箱整體貯水進(jìn)行消毒。

(2)在實際工況下，二次供水水箱水質(zhì)情況往往較好，水箱進(jìn)水微生物未檢出，臭氧消毒與紫外線消毒無論啟動與否，水箱出水均能保證微生物基本未檢出的結(jié)果，對渾濁度與pH影響極小。并且臭氧消毒與紫外線消毒均會在不同程度上降低水箱出水的余氯，影響短期內(nèi)生活用水中余氯的持續(xù)性抑菌作用。

(3)臭氧消毒與紫外線消毒措施會對生活飲用水在管道中的余氯衰減產(chǎn)生抑制作用。針對臭氧消毒與紫外線消毒措施的長期使用，應(yīng)選取泵房進(jìn)水余氯較高，但末端龍頭水余氯較低的小區(qū)進(jìn)行，二次消毒措施可抑制生活用水在小區(qū)內(nèi)管道中的余氯衰減速率，其中臭氧消毒比紫外線消毒的應(yīng)用效果更為顯著。針對末端龍頭水余氯長期保持較高水平的小區(qū)，不適合采用臭氧消毒與紫外線消毒措施進(jìn)行二次消毒。

(4)臭氧消毒與紫外線消毒措施的使用還可針對用戶用水的不同時間段進(jìn)行調(diào)節(jié)。如在用戶用水低谷期時，如夜間0:00以后，生活用水在管道內(nèi)停留時間相較用水高峰期較長，此時開啟二次消毒措施可抑制生活用水在夜間管道中的余氯衰減速率，提高清晨用戶“第一口水”的余氯水平，減少二次污染風(fēng)險；而在用戶用水高峰期時，生活用水在管道內(nèi)停留時間較短，不建議開啟二次消毒設(shè)備。

(5)目前，一整套臭氧消毒或紫外線消毒設(shè)備及其安裝成本約為4萬元，其中臭氧消毒設(shè)備成本相對較低，對存在中大型水箱的泵房而言，二次消毒設(shè)施成本可控制在二次供水設(shè)施總成本的5%以內(nèi)，對整體泵房成本影響較小。臭氧消毒與紫外線消毒均無需額外加藥，結(jié)合有效的啟?？刂撇呗裕褂脡勖L，維護(hù)成本低，整體二次供水消毒經(jīng)濟(jì)性得以保證。