调研分析：北京村镇中小型供水厂二氧化氯消毒现状
导 读：二氧化氯消毒是村镇中小型水厂主要的消毒方式，开展北京市176座村镇中小型供水厂调研分析，包括消毒方式、二氧化氯设备配置、消毒效果及消毒副产物等情况。结果表明，北京市村镇中小型供水厂有125座采用二氧化氯消毒，其中111座水厂使用纯二氧化氯消毒剂发生器，13座水厂使用电解法发生器，1座水厂采用投加消毒粉的方式；这些使用二氧化氯消毒的水厂消毒剂和微生物指标合格率分别为67%和86%；亚氯酸盐超标率1.6%，氯酸盐未检出超标情况。
引用本文：李洁，李红岩，郑蓓，等. 北京市村镇中小型供水厂二氧化氯消毒现状调研及问题分析［J］. 给水排水，2023，49（2）：30-36.
01、二氧化氯消毒工艺
1.1 二氧化氯消毒特点
二氧化氯是一种氧化剂，而非氯化剂，氧化能力是氯的2.5倍，不与有机物发生氯取代反应，产生有机卤化物较少，不与氨氮类物质反应，还可以除藻和去除嗅味，对耐氯菌的灭活效率明显优于氯消毒，在较宽的pH范围内消毒效果稳定，不受水硬度和盐份的影响，能维持长时间的杀菌作用。因此，二氧化氯消毒适用于原水水质CODMn、pH、氨氮等偏高且无法配置复杂处理工艺的中小规模供水工程。
1.2 二氧化氯消毒设备
由于二氧化氯性质不稳定，不易储存和运输，多采用二氧化氯消毒剂发生器现用现制的方式对饮用水进行消毒。二氧化氯消毒剂发生器主要包括电解法和化学法两种。
（1）电解法二氧化氯消毒剂发生器。电解法的原理是以氯酸盐、食盐或亚氯酸盐为原料，采用隔膜电解技术通过阴极还原或阳极氧化产生二氧化氯，其中阳极电解亚氯酸盐的理论产率和产品纯度较高。电解法的关键是电极，多采用铱、钛等稀有金属，很大程度上影响着电解效率。
有关电解法发生器及其进行饮用水消毒的文献报道很少。范丹丹等采用电解亚氯酸钠制备二氧化氯，以覆盖氧化钌、氧化钨、氧化铈的钛片为阳极，原料转化率分别达到92.3％、72%和68.8%。
（2）化学法二氧化氯消毒剂发生器。化学法的原理是通过氯酸钠、亚氯酸钠、氯化钠等主料和盐酸、硫酸、柠檬酸等活化剂的反应制得二氧化氯，分为二氧化氯纯度≥90%的纯二氧化氯消毒剂发生器（高纯型）和二氧化氯与氯混合消毒剂发生器（复合型）。原料转化率和二氧化氯收率越高，发生器的性能越好。
2007-2009年，一项对6 家生产企业的13 种二氧化氯发生器的调查表明，复合发生器的原料转化率为68%，二氧化氯收率为57%；高纯发生器的原料转化率均达到90%以上，二氧化氯收率均达到80%以上，在技术、性能以及环境的友好性等方面都优于复合发生器。
1.3 二氧化氯消毒成本
研究显示，在1mg/L投加量下，二氧化氯消毒的运行成本约为0.008~0.015元/m³，高于同剂量的次氯酸钠（0.0033元/m³）。但达到相同的消毒效果，二氧化氯投加量更低。对于生活饮用水消毒，《二氧化氯消毒剂发生器安全与卫生标准》（GB 28931）推荐的作用浓度为1~2 mg/L；《次氯酸钠发生器卫生要求》（GB 28233）规定的有效氯含量为2~4 mg/L。因此，实际应用中二氧化氯消毒仍具有较高的性价比。
02、二氧化氯消毒现状调研
2.1 消毒设备使用情况
村镇中小型供水厂通常只对原水进行简单的消毒处理即输送到用户，选择和使用适合的消毒设备是保障村镇供水安全的重要前提。
2.1.1 部分省市调查结果
表1为我国部分地区村镇供水二氧化氯消毒调查情况，总体上二氧化氯消毒在中小水厂具有较高的占比，如山西省和辽宁省调查结果分别为67.3%和44.14%，其中高纯型占比分别为44.4%和39.34%，复合型占比分别为22.9%和4.8%，相比较而言，调查中的高纯型二氧化氯发生设备多于复合型。
表1 部分地区村镇供水二氧化氯消毒情况调查
2.1.2 北京市调查结果
本研究2020年对北京市176座村镇供水厂（乡镇99座，农村77座）的消毒设备安装运行情况调研显示，二氧化氯消毒为主要消毒方式，共计有125座供水厂采用二氧化氯消毒（占比71.0%）。其中1座采用投加消毒粉的方式进行消毒；13座使用电解法发生器；111座采用化学法发生器（均为高纯型），无水厂使用复合型发生器，如图1a所示。本研究也同步开展了北京市城市公共供水厂的消毒工艺调研，相比较而言，63座城镇公共水厂中使用二氧化氯消毒的共11座（占比17.5%），这些水厂的供水能力占比2.4%，供水规模相对较小；其中电解法发生器1座，高纯型发生器9座，复合型发生器1座，如图1b所示。上述结果表明，北京市村镇供水厂以化学法发生器（高纯型）为主，另外有少量的电解法发生器。
图1 北京市村镇和城镇公共水厂二氧化氯消毒类型及占比
2.2 二氧化氯消毒效果
消毒的作用是消灭水中已知和未知的病原微生物，主要包括细菌、病毒和原生动物。目前，国标将总大肠菌群、大肠埃希氏菌和菌落总数3项细菌指标（常规指标）和隐孢子虫、贾第鞭毛虫2 项原生动物指标（扩展指标）列为饮用水中的指示性微生物指标，尚未纳入病毒指标。美国、加拿大等少数国家对病毒做了限制规定，对肠道病毒灭活率达到4个对数单位（即99.99%）。
2.2.1 部分省市调查结果
我国饮用水消毒效果调查中，多关注消毒剂和微生物常规指标，如表1所示。在消毒剂方面，不同区域两种类型发生器的消毒剂合格率有高有低，如云南省集中式供水工程中高纯型发生器的消毒剂合格率低于复合型，农村水厂调查结果为高纯型高于复合型，其应与消毒设备的操作运行有关。在微生物方面，辽宁省和云南省调查高纯型发生器的微生物合格率分别为98.47%和95.45%，复合型的分别为87.50%和66.67%，总体而言，采用高纯型发生器水厂的微生物合格率高于复合型，说明高纯二氧化氯对微生物消杀效果更好。
2.2.2 北京市调查结果
本研究中125座使用二氧化氯消毒的供水厂出厂水水质检测结果表明，消毒剂和微生物合格率分别为67%和86%，其中采用电解法发生器的供水厂，消毒剂和微生物合格率分别为100%和85%；采用高纯型发生器的供水厂，消毒剂和微生物合格率分别为63%和87%；投加消毒粉的1座供水厂消毒剂合格，微生物不合格。
表2 北京市村镇水厂二氧化氯消毒效果
本研究中，采用高纯型发生器的供水厂存在消毒剂不合格的情况，说明消毒设备未能有效运行。发生器的性能和原料的质量对实际二氧化氯的产出影响很大，如发生器的二氧化氯纯度和收率应符合GB 28931的要求，亚氯酸钠和盐酸需分别符合HG 3250和GB 320要求的规格、纯度和卫生安全要求。而市场上产品质量良莠不齐，采购后也缺乏有效验证；同时人员技术能力和管理水平不能适应要求，易出现操作不规范的情况，造成消毒剂余量不能满足要求。此外，调查结果也反映出水厂存在设备损坏不能及时维修的情况。但是采用高纯型发生器的供水厂微生物合格率高于消毒剂合格率，这可能与原水水质有关。北京市村镇水厂水源以地下水为主，微生物和有机物污染少，卫生安全风险相对较低，但指示微生物合格并不能排除原水中其他未知微生物风险。此外，采用高纯型和电解法发生器的水厂其消毒剂合格率不同，但微生物合格率相近，一方面说明供水水质目前很大程度上依赖于原水水质，同时也表明村镇水厂消毒技术能力和管理水平参差不齐。
采用电解法发生器的供水厂消毒剂均合格，该发生器原料仅为氯化钠，无需考虑原料配比，通过添加氯化钠较易控制消毒剂生成量。但微生物仍然存在不合格的情况，消毒剂余量合格不一定保证微生物达标，若消毒接触时间不足也会造成消毒不充分。
我国水质标准仅规定几种指示性微生物的限值，考虑到水中可能的未知病原微生物，实际中也存在卫生学指标达标但水质并不安全的可能，因此消灭水中未知病原体也同样重要。饮用水消毒的Ct（Concentration time）值，即消毒剂浓度和接触时间的乘积是微生物灭活效率的重要指标。表3列出了二氧化氯对不同微生物的灭活效果，除标准规定的微生物以外，二氧化氯对分枝杆菌、金黄色葡萄球菌等耐氯菌和诺如病毒、轮状病毒等肠道病毒也具有消毒能力。研究结果也表明，二氧化氯对耐氯微生物和多种病毒的消毒效率优于次氯酸钠。对于基本没有其他处理单元的村镇水厂，二氧化氯消毒具有防范微生物安全风险的优势，而只有保证指示微生物的去除效果，同时确保足够的消毒剂浓度和接触时间，才能尽可能地控制风险。
表3 二氧化氯对不同微生物的灭活效果
注：表中灭活率统一换算为对数表示。
2.3 二氧化氯消毒副产物
二氧化氯消毒能够明显减少三氯甲烷等氯化消毒副产物的产生，但会产生亚氯酸盐、氯酸盐等无机消毒副产物。现行标准对使用二氧化氯进行饮用水消毒时的消毒副产物做了规定，亚氯酸盐和氯酸盐限值均为0.7 mg/L。
2.3.1 部分省市调查结果
我国饮用水二氧化氯消毒调查中，消毒副产物超标的情况时有发生。表4为我国部分地区村镇供水二氧化氯消毒副产物调查情况，部分调查没有区分消毒发生器的类型和消毒副产物的种类，西南某地和南京市调查中复合型发生器的氯酸盐超标率分别为60%（出厂水）和12.3%，亚氯酸盐超标率分别为10%（出厂水）和0.5%，总体上复合型发生器的氯酸盐超标率高于亚氯酸盐。
表4 部分地区村镇供水二氧化氯消毒副产物情况调查
2.3.2 北京市调查结果
本研究中125座使用二氧化氯消毒的供水厂出厂水的消毒副产物检测结果显示，亚氯酸盐超标率为1.6%，氯酸盐未检出超标情况。已有研究显示，使用高纯型发生器时，约30%~70%的二氧化氯会转化为亚氯酸盐，易出现亚氯酸盐超标情况；复合型发生器由于转化率低，原料反应不完全，易出现氯酸盐超标，本次调查反映出一致的结果。
03、二氧化氯消毒存在的问题
化学法二氧化氯发生器是村镇水厂的主要消毒设备，通常采用双药现场制备，消毒效果与设备、原料、投加控制、运行管理等因素有关。
（1）设备和原料。发生器性能和原料质量是保证消毒效果的基本条件，采用廉价低质或储存不当的原料容易使反应低效或引发危险，发生器的反应温度和停留时间控制影响原料转化率和二氧化氯收率，发生器负荷与处理水量不匹配也会影响消毒效果。有调查显示，全国200余家二氧化氯发生器生产厂家中，多数产品质量难以达标；发生器技术指标标注不清，理论值与实际值相差较大；发生器显示温度与反应温度不一致；原料存在纯度不达标、杂质含量多（如氯酸钠中掺有食盐）等问题。
（2）消毒剂投加控制。消毒剂投加点位、投加量和原料配比不当会出现反应不彻底，影响转化率和收率，甚至原料直接进入水体造成污染，也增加了消毒副产物超标的风险。水厂通常更多关注出厂水二氧化氯浓度，较少考虑投加控制及消毒副产物的影响。本研究调查发现，小型水厂一般未建设清水池，而是发生器生成二氧化氯后直接投加到供水管道，不能根据水质、水量变化进行变量投加，不能结合出厂水二氧化氯余量设置投加量上限，保证消毒效果的同时控制副产物超标。
（3）运行管理。农村小型供水工程管理粗放，人员技术能力不足，水厂检测能力薄弱，不能保证消毒效果。本研究调查中发现，由于人员、技术和管理不到位，多数小型供水工程未对发生器和原材料进行评价和验收，且存在设备设施老化、运行不稳定、维护不及时、存储不规范导致药剂活性不足、未按照使用年限及发生器状况及时更新设备等问题，水质安全存在隐患。
04、结论与展望
二氧化氯作为一种高效消毒剂适用于村镇中小型水厂。北京市村镇中小型供水厂以高纯型发生器为主，另外有少量的电解法发生器。调查水厂的消毒剂、微生物指标合格率分别为67%和86%，亚氯酸盐超标率1.6%，氯酸盐未检出超标情况。实际应用中二氧化氯消毒效果与发生器性能、原料质量、消毒剂投加控制以及人员技术能力和运行管理有关。由于村镇水厂技术能力与管理水平参差不齐，供水水质目前很大程度上依赖于原水水质。
针对村镇中小型水厂二氧化氯消毒实际应用中的问题，在技术和管理方面仍需不断完善。技术方面，对现有消毒工艺的运行改造、消毒设备的优化升级是提升水质的重要途径。此外，新型环保消毒药剂、技术和设备的开发；消毒副产物的鉴别分析、生成机理和控制技术研究；消毒药剂、设备和检测评价体系的建立和完善等也是供水消毒领域关注的热点。管理方面，自动化和信息化技术的发展为中小型供水工程运行管理提供新的思路，如对水质、水量、压力等关键数据进行自动采集、实时监控、实时预警。近年来全国多地开始通过融合自动化技术探索加强村镇供水工程管理水平的举措，如福建省筛选试点水厂进行集约式信息化管理系统应用研究，实现了水质检测与工艺控制的自动化，解决了农村水厂水质管理人员专业缺乏的问题，有效提升了供水合格率。
随着农村现代化建设和城市化水平的提高，顺应村镇居民对美好生活的向往，提升供水标准、加强水厂自动化建设和信息化管理是村镇供水发展的趋势。
