城市给水管网水质研究与进展

发布时间：2022-01-05

　　摘要：从管网水的水质稳定性、有关消毒剂和消毒副产物的研究、给水管网材质对管网水质的影响、建立管网水质监控数学模型及仿真系统的研究等四个方面系统的介绍了目前给水管网水质研究的国内外现状，提出了今后城市给水管网水质研究的重点和发展趋势.

　　关键词：给水管网;水质

　　自来水厂的水从出厂到用户水龙头水质呈降低趋势，甚至超过国家标准…，其原因是水在给水管网内流经时间很长，发生一系列的物理、化学、电化学和微生物学的作用，使水受到二次污染的结果【2].所以，在大量研究水处理工艺的同时，管网水质研究也开始逐渐受到重视.

　　目前国内外对管网水质研究主要涉及的问题是：管网水的水质稳定性;有关消毒剂和消毒副产物的研究;给水管网材质对管网水质的影响;建立管网水质监控数学模型及仿真系统的研究.

　　1 管网水的水质稳定性

　　1.1化学稳定性

　　在国内，通常采用饱和指数和稳定指数配合使用，判断水质的稳定性.这种判断标准仅以单一碳酸钙的溶解平衡作为判断依据，没有考虑电化学过程，更没有考虑水中胶体的影响，而且把碳酸钙既作为缓冲剂，又作为水垢来考虑.所以水质的腐蚀与结垢问题，不能仅按上述指数来区分.近年美国、德国、瑞典、丹麦、挪威等国家联合研讨了这一问题，主张要与管网所用材质结合起来考虑.实际上水质的化学稳定性与饱和指数、管材、PH值、 AOC(Assi硒l出e O孵mic ca南on)都有关，而目前国内外对这方面研究的却不多，因此应从饱和性指数、管材、PH值、AOC等多方面出发，综合研究、评价水质的化学稳定性问题.

　　1.2生物稳定性

　　所谓饮用水的生物稳定性是指饮用水中有机营养物质能支持异养细菌生长的潜力，即细菌生长的最大可能性.可同化有机碳AOC是指可生物降解有机碳BDOc中被转化成细胞物质的那部分.AOc与异养细菌在管网中的繁殖密切相关，是异样细菌直接用以新陈代谢的物质和能量来源，一般作为异养细菌在给水管网中再生长潜力的评价指标.自1982年荷兰Van der K00“博士创建了测定水中可同化有机碳试验以来，该方法在国外被广泛用来评价水的生物稳定性[4].

　　近20年来，国外通过一些中试或小型试验对处理水的生物稳定性进行了大量研究.主要有三个研究方向：判断生物稳定性的指标问题、各种水处理工艺对生物稳定性的去除作用、不同水源对处理水的生物稳定性的影响问题.但对管网中生物稳定性变化情况的研究还未见报道.

　　国内目前对AOc的主要研究成果有bj：1)水源水质较好的水厂出厂水和管网水中AOc含量相对较低，反之则高.2)在饮用水中AOC和BDOC 之比变化较大，但大量数据统计结果表明平均值约为30%～40%，因此也可以用BD()C来评价饮用水的生物稳定性.3)常规水处理工艺对AOc的去除效果波动较大，而活性炭一纳滤膜工艺可以达到较好的效果。4)AOc在管网中的变化受氯的氧化和细菌活动的双重影响，氯氧化使AOC增加，细菌活动使Aoc减小.

　　尽管目前国外对生物稳定性做了大量、深入研究，但还未从给水管网方面做过深入研究;国内虽然曾研究了管网中AOC的变化情况，但只是一些比较简单的定性研究.所以，还需要进一步深入研究生物稳定性在配水管网中的各种影响因素，如消毒剂种类和浓度、BDOC、温度、管材、PH值、细菌、水的停留时间等.通过实验，探求Aoc在管网中的变化规律，研究出AOC在管网内的动态变化模型，将会弥补国内外在这方面的研究. 2 消毒剂和消毒副产物的研究进展

　　2.1氯消毒剂的研究进展

　　最初主要研究投氯量、余氯在水中的存在形式及消毒机理、影响余氯消耗的各种因素、消毒效果等.当前的研究重点逐渐集中在管网中余氯变化的动力学机制和衰减规律等方面.J锄es.c怕1 从多种水源中抽取200个水样，通过这些水样研究了6种游离性余氯衰减的动力学模型，并通过对游离性余氯沿管线衰减和在管网纵剖面上衰减的研究认为余氯在主体水中的衰减和总体衰减规律都符合一级反应动力学.Robert M.cⅢ等从微生物安全和化学安全两方面考虑，认为余氯的消耗可用二级模型来描述.ste胁H.M[81等引用一套新的用于测定水中含氯量的误差校正程序，利用非线性最优化参数估计值程序确定含有单因子或双因子参数模型的氯衰减系数，确定氯的衰减系数，并进一步研究流量、流人管网的氯的浓度和温度的关系.

　　这些一级或二级的模型大部分都是直接用数学方法推导而来，并未从化学角度研究余氯在管网中衰减的动力学机制，因此不能完全反映出余氯在管网中消耗的本质.

　　在国内，从管网中影响余氯消耗的多种因素出发，把余氯在管网中的消耗分为四部分【9]：1)与管道水中有机物和无机物的反应;2)与管壁附着的生物膜的反应;3)在管壁腐蚀过程中的消耗;4) 在管壁与水流之间余氯的质量传输.经研究认为余氯在管网中的衰减是一级反应，其消耗动力学模型考虑了影响余氯消耗的管长、管径、管材、流速、管道的敷设年代、管壁粗糙度、温度、反应活化能等因素，所以较全面地反映了余氯在配水管网中的衰减过程.

　　由此可见，现在对氯消毒剂的研究已经达到了相当的深度，提出了多种确定余氯衰减系数的方法和余氯衰减模型.但这些模型都未能有效的应用于实际生产中，因而不能发挥其指导生产的作用，所以今后余氯衰减模型研究应向其实用性方面发展.

　　20世纪70年代中期，认识到氯气作为消毒剂会产生对人体有害的消毒副产物以后，氯化反应的反应机理、影响条件、动力学特征和副产物的分离与鉴定、环境毒理和以及母体物质的研究等，都是为阐明饮用水氯化消毒过程的重要基础性研究课题，并取得了相当的成果.目前，关于饮用氯化消毒的“氯化化学”、“氯氨化学”、“氯及氧化剂化学”等，已开拓成了新的研究领域，尚需对其进行深一步的研究u0|.

　　2.2消毒副产物的研究进展

　　消毒主要用于防止水中致病微生物引起的水传播疾病.但氯是较不稳定的物质，具有强氧化性，极易与水中含有的许多天然有机物(主要以腐殖质的形式存在)反应.因此，在加氯过程中会产生对人体有害的消毒副产物，这些消毒副产物主 要有三卤甲烷(删s)、卤乙酸(HAAs)、卤代氰 (Cyanogen Mides)等十几种.目前对消毒副产物的研究是管网水质研究的热点之一，主要研究的消毒副产物是三卤甲烷和卤乙酸.

　　为了描述三卤甲烷的形成动力学机理，人们先后提出过几种经验模型.舢ny等人对各种模型曾作过经典的回顾和评论H1|.除了对三卤甲烷生成潜能影响很大的溴化物外，在不同条件下这些模型的反应级数是完全不同的.而且，三卤甲烷的含量随着溴化物浓度的增加而增加.目前已经提出了包括细菌学参数的三卤甲烷经验模型。Hoehn 等曾报导过藻类产量与三卤甲烷生成潜能有关¨2|.ch印m和canale等人提出了一个以总磷的负荷量为函数的经验模型，认为三卤甲烷生成潜能与叶绿素、浮游动物、溶解氧、总磷等有关n 3|.

　　国内外对于三卤甲烷的研究绝大多数集中在卤仿形成机理、卤仿形成的预测模式及分析检出方法等研究方面.文献[14]曾对三卤甲烷进行了较深入的研究，研究中以腐殖酸为三卤甲烷形成的前驱物质，确定n蹦生成的反应级数为二级，引入了rIHM生成能(7mMFP)的概念，将rIHM的生成作为rIHMFP、余氯浓度、滞留时间及温度的函数，提出了三卤甲烷浓度分布的水质模型。利用此模型结合配水管网的水力分析与计算可以求出 配水管网中任一节点的删浓度.国内对消毒副产物的研究与国外相比还较少.而且这些对消毒副产物的研究主要集中在三卤甲烷测定和生成机理、影响因素上，对给水管网中卤乙酸等其他消毒副产物的研究以及控制消毒副产物的研究均处于刚刚起步阶段，亟待深入展开¨引.

　　3 给水管网材质对管网水质的影响

　　管网材质对水质的影响主要有两方面：管材与管网水发生的腐蚀反应(电化学反应)和管材对水中微生物的影响(生物反应).

　　Fmteur[161等对铸铁管的腐蚀进行了研究，认为铸铁管的腐蚀仅仅导致了氯与管道溶出的亚铁离子反应，由腐蚀引起氯的消耗速率可由腐蚀电流密度得出.Pa哺ck Niquetten71等研究了配水管网中不同管材对生物膜的影响，认为铸铁管对管壁生物膜的影响最大，塑料管对管壁生物膜的影响最小.文献[18]结合实验室和现场测试研究了供水水质在管道输送过程中所发生的一系列的变化，指出采用经过严格毒理学及微生物学测试的管材才是解决管网水质污染的有效途径.

　　目前，国内外在管材方面的研究主要从化学和电化学角度进行的，还没有从微生物学方面和毒理学方面对管材和水质关系作过深入探讨，因此对这方面的研究还是一个全新的领域，有待寻找最合适的环保型管材，提高饮用水水质.

　　4建立管网水质监控数学模型及仿真系统的研究

　　4.1管网水质监控数学模型的研究进展

　　4.1.1稳态模型

　　稳态模型将管网水力条件视为不变，最终管网中的各种物质均能达到平衡分布而不再变化，输出的即是平衡状态下的水质分布(19|.第一个水质模型即从稳态水力模型发展而来伽】，该模型求解了一系列节点质量平衡模拟方程，除此模型外， Males等怛11提出了在稳态系统下混合问题的一个算法，MuIphy为管网中的稳定流提出了一个模型，可用来决定氯浓度的空间分布.20世纪80年代中期赵洪宾教授通过现场试验推导了余氯在配水管网中的衰减模型旧J，吴文燕博士∞】也对余氯在配水管网中的变化规律进行了模拟和校核.

　　管网稳态水质模型为管网的一般性研究和敏感性分析提供了有效工具，普遍用于在管网系统水质分析。由于即使在管网运行状态接近恒定时，管网中的物质也没有足够的时间传播和达到某种均衡分布，因此，稳态水质模型仅能够提供周期性的评估能力，对管网水质预测缺乏灵活性㈨J.

　　4.1.2动态模型

　　动态模型是模拟各种水力条件随时间变化的管网中，指标物质在不同的时间和空间分布中的变化情况.

　　WalidE.E等研究了完全动态的rIHMs水质模型.该模型可模拟配水系统在不同负荷状态 下的氯、总删s、以及四种，IHM物质在配水系统中的变化状态.此模型已经在阿联酋阿布扎比配水系统中的部分管网中进行了实验验证.

　　因为通常都认为配水管网及其内部的变化都是连续的系统，因此动态模型对于水质和水力工况随时间的相互作用提供了一个更为准确合理的表达方式.现有的动态模型除了各自的优点外，还有一些局限性.动态模型是建立在所模拟的配水系统的结构(比如管段长度)和水力特征(比如流速)以及模拟的系统附件之上的，所以现有动态模型的计算时间及其内部存储容量变化非常大，不但对于台式机，即使是大型机都有可能是不兼容的.在对长管段小流量的管网进行模拟时，这种问题会更加突出.虽然可以利用一定的技术来解决这一问题，但是将不可避免地损失精度.所以希望能寻找出一种稳固高效的而且在数学上表达明确的方法.巧妙解决上述问题的一种方法是建立一个更为严格的系统模拟方法.Boulos等人嘶3的事件驱动模拟算法(EDM)就是一个很好的例子.

　　提出了一个明确的关于时间的水质模型算法，采用的是追踪管网管道中物质的瞬时浓度，即在给定时间内的浓度可从以前已知的浓度界限上直接得出.物质的传输现象用离散体积元素法在模型中直接模拟，它建立在符合对流传输和反应动力学的质量平衡方程的基础上，可根据部分水质的有效数据推测出管网中其他各处的水质情况，从而评估出给水管网系统的水质状况.

　　以上的各种稳态或动态水质模型都单纯的用数学公式推导而来，而没有结合污染物在水中的变化机理，所以不能完全反映出物质在管网中的动态变化情况.近几年来，从化学角度建立了余氯衰减模型和三卤甲烷生成模型(如前所述)，比较全面真实地反映了物质在管网中的变化.但对于其他水质参数从化学角度研究物质在管网中的动力学机制，建立数学模型的文献几乎没有，所以今后建立水质模型的研究不应仅从数学角度推导建屯，而应结合其化学变化机理进行研究.因为只有从化学机理角度出发建立的水质模型才有可能适用于生产.

　　4.2绘水管网仿真系统的研究

　　美国环境保护署(EPA)为了满足供水水质标准和人们的用水要求，研究开发了EPANErr计算机模拟软件.这个软件描述了配水系统中的水力变化和水质变化情况.在水质模拟方面主要可以研究不同水源的混合情况、整个管网的水龄、余氯的衰减变化、消毒副产物的增长、污染物的传输路径等若干问题.

　　国外海斯德公司推出的WArrERCAD给水管网模拟程序也具有强大的水质模拟能力.丽国内对这方面的研究较少，目前哈尔滨工业大学正在从事给水管网水质仿真系统的研究，其中针对深圳配水系统建立的WNW模拟系统正在试用中.

　　5 结 语

　　今后给水管网水质变化的研究应向以下几个关键方面发展：(1)管壁需氯量及机理、具有实用性的余氯衰减模型;(2)余氯反馈模型的建立;(3) 消毒副产物形成机理和在配水管网中的变化规律及其模趔的建立;(4)游离细菌和生物膜再生长机理和影响因素研究;(5)余氯对微生物再生长抑制作用和A0c对微生物再生长促进作用;(6)从化学和电化学及微生物学角度研究管材对给水管网水质的影响;(7)从毒理学角度研究管材对给水管网水质的影响.——论文作者：李欣1，马建薇2，袁一星2

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