（土木工程专业论文）基于水质安全的城市输配水系统二次加氯优化与分析.pdf

摘要 二次加氯是在管网中选择一系列特定的位置作为“二次加氯点”，对饮用水再 次消毒，以满足用水节点水质安全所需的最低余氯水平的加氯方式。在总结国内 外研究经验的基础上，本文给出了基于水质安全的二次加氯二级动态优化模型。 第一级为加氯点选址优化，以满足管网余氯覆盖条件下加氯点数最少( 印加氯点 建设投资最少) 为优化目标，用贪婪算法求解。第二级为加氯量优化，在一级优 化选址结果的基础上建立基于“余氯理想浓度”的加氯量优化模型，使管网中的余 氯分布在满足浓度要求的前提下尽可能均匀，加氯量尽可能少针对管网不同的 规模和用水量差异水平，第二级优化提出了“普通加氯量优化模型”和“用水量权 重优化模型”，用l i n 9 0 8 0 建模求解。本文将该模型运用于水质计算通用算例 s c c r w a 管网和我国南方某县的实际管网，对二次加氯条件下管网水质情况和 模型主要参数进行了分析结果表明，与常规加氯相比，二次加氯条件下管网余 氯的时空分布更均匀、余氯水平更低，加氯量显著下降，从而一定程度上抑制了 消毒副产物的产生，既改善了水质又降低了加氯运行成本 此外，供水管网可靠度评价能够为管网设备安装、升级和维护提供科学依据， 针对目前国内外对二次加氯水质可靠度方面的研究几乎处于空白的现状，本文在 前人研究的基础上提出了- - 次加氯条件下考虑用水量权重的水质可靠度评价方 法，并在线性叠加理论适用的范围内进行了公式推导和简化，运用该方法对本文 所用管网算例和实例进行了水质可靠度评价。评价结果表明，二次加氯能在显著 改善管网水质和大幅降低加氯量的前提下维持较高的可靠度水平，对加氯量的利 用效率远高于常规加氯，而最优的- - 次加氯方案也具有二次加氯条件下最高的可 靠度。 关键词：二次加氯余氯理想浓度反应影响系数用水量权重可靠度 a b s t r a c t b o o s t e rc h l o r i n a t i o ni st h ea d d i t i o no fc h l o r i n ea ts o m ec r i t i c a ll o c a t i o n so fa w a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ( w d n ) s u c ht h a tc h l o r i n er e s i d u a l sa r em a i n t a i n e da ta l e v e lg r e a t e rt h a nt h em i n i m u mf o rp u b l i ch e a l t h b u i l d i n go nt h ew o r l d w i d ep r e v i o u s w o r k , h e r ea no p t i m i z a t i o nm o d e lw i t ht w os t a g e si sf o r m u l a t e df o rt h ed y n a m i c s c h e d u l eo fb o o s t e rc h l o r i n a t i o nb a s e do nw a t e rq u a l i t ys a f e t y t h ef i r s ts t a g ei s s o l v e db yg r e e d ya l g o r i t h mt a r g e t i n ga tl o c a t i n gt h em i n i m u mn u m b e ro fb o o s t e r s t a t i o n s ( m i n i m u mc o n s t r u c t i o nc o s t ) w h i c hs u p p l ye n o u g hc h l o r i n er e s i d u a l sw i t h i na w d n t h es e c o n ds t a g ed e t e r m i n e st h eo p t i m a lc h l o r i n ei n j e c t i o nr a t e sb yu s i n gt h e d e s i r e dc h l o r i n er e s i d u a ll e v e lt oa l l o wal o w e ra v e r a g ec h l o r i n ea n dd e c r e a s et h e v a r i a b i l i t yo fc h l o r i n er e s i d u a l st h r o u g h o u taw d n ，w h i c hl e a dt oal o w e rt o t a l d o s a g ea n dm a yr e d u c et h ef o r m a t i o no fd p b s g i v e nt h ed i f f e r e n c e so fs i z ea n d w a t e rd e m a n db e t w e e nw d n s ，t h es e c o n ds t a g ef o r m u l a t e st w od i f f e r e n to p t i m a l m o d e l s ，w h i c ha r eb o t hs o l v e db yl i n 9 0 8 0 t h i sd i s s e r t a t i o na p p l i e st h eo p t i m i z a t i o n m o d e lt ot w ow d n s ，at e s t - b e de x a m p l et oi l l u s t r a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h i sm o d e l a n dar e a lw d nt oi m p r o v ei t sw a t e rq u a l i t y t h ec o n c l u s i o ni st h a tb o o s t e r c h l o r i n a t i o na l l o w sab e t t e rw a t e rq u a l i t y 如w e l la sal o w e rc h l o r i n ed o s a g e a l s o ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i so fw d n s g a l as u p p l ys c i e n t i f i ca d v i c ef o rt h e i rf a c i l i t y i n s t a l l m e n t ，u p g r a d a t i o na n dm a i n t e n a n c e h o w e v e r , t h e r ea r ef e wr e s e a r c hh a v i n g b e e nd o n ei nt h ef i e l do fw a t e rq u a l i t yr e l i a b i l i t ya n a l y s i s t h e r e f o r e , am e t h o do f w a t e rq u a l i t yr e l i a b i l i t ya n a l y s i su n d e rb o o s t e rc h l o r i n a t i o nc o n s i d e r i n gw a t e rd e m a n d v a r i a t i o n si sf o r m u l a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c ha l s oi n c l u d e sad e v e l o p m e n to f t h i s m e t h o du n d e rl i n e a rs u p e r p o s i t i o n ，t h et w ow d n sm e n t i o n e da b o v ea r ee v a l u a t e db y t h i sm e t h o d t h er e s u l t ss u g g e s tt h a tb o o s t e rc h l o r i n a t i o nc a nm a i n t a i nah i g h r e l i a b i l i t yw i t h o u ti m p a i r i n gi t sa d v a n t a g e si ni m p r o v i n gt h ew a t e rq u a l i t ya n d r e d u c i n gt h ee c o n o m i cc o s t k e y w o r d s ：b o o s t e rc h l o r i n a t i o n ，d e s i r e dc h l o r i n er e s i d u a ll e v e l ，r e a c t i o n r e s p o n s ec o e f f i c i e n t ，w a t e rd e m a n dw e i g h t s ，r e l i a b i l i t y 一1 1 1 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘芏或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 席荔 签字日期：协州箩年6 月 ie t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎垄盘茔 有权保留著向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 艿场导师签名：纪 签字日期：口一易年5 月j f1 3签字日期：协辟月1 1 日 致谢 感谢我的导师张燕副教授，在2 年的研究生学习期间给了我莫大的支持和鼓 励在学术上，张老师汲于了我悉心的指导，耐心解答我的每一个疑问；在生活 上也不断地给予关怀和帮助。特别是在课题研究期间，张老师提出了很多关键的 意见，也耗费了大量的心血。在此，谨向张老师致以我深深的谢意! 在攻读硕士学位期间，也得到了张土乔教授俞亚南教授、王紫雯教授、张 仪萍副教授，邵卫云副教授、柳景青副教授，俞亭超副教授等多位老师的指导， 在此向各位老师致以真诚的谢意! 感谢师弟刘润生，在论文写作过程中为我提出了许多宝贵的建议 我的室友、同学和朋友也不断地在生活中关心和支持着我，感谢他们为我付 出的点点滴滴 衷心感谢我的父母和家人，他们是我的精神支柱，教会我感激生活和面对挫 折，是他们无私的爱和深切的牵挂伴我度过了每一个难关 最后，感谢评阅论文和出席学位论文答辩会的各位专家，感谢他们在百忙之 中给予的指导! 李莉 2 0 0 8 年5 月于浙江杭州 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 管网水质现状 改革开放以来，我国的供水设施建设水平有了很大提高，进入二十一世纪以 后，城市供水的战略重点已由增加水量转向改善水质【1 1 据全国6 6 家水司( 其 中一类1 6 家、二类1 5 家、三类2 8 家) 的调查，1 9 9 9 年管网水四项指标( 浊度 细菌、大肠菌、余氯) 合格率已提高到9 9 4 9 。国标3 5 项指标合格率巳提高 到9 9 7 8 ，超过建设部城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划的要求其 中水源条件不算好的上海，深圳、杭州、武汉等地供水企业，也能达到城市供 水行业2 0 0 0 年技术进步与发展规划一类水司的水质目标要求【2 】可以说，我 国饮用水的出水水质状况还是令人满意的 但出厂水需要通过复杂庞大的管网系统才能输送到用户，其间管线长度可达 数十上百公里，水在管网中的滞留时问可达数日。有资料显示，法国瓦兹河梅里 水厂，出厂水到管网末端的平均流动时间为3 天，美国在采用区域统一供水时， 水在管网中的平均停留时间有的长达7 天，我国哈尔滨的供水在管网中停留时间 近2 天，嘉兴供水系统到达管网末梢的时间长达7 天之久【”。庞大的地下管网就 如同一个大型的“反应器”实验证明，水在这样的反应器内发生着复杂的物理、 化学和生物变化，使水质下降，造成供水二次污染对用户自来水进行长期监测 的结果表明，水中余氯、浑浊度、细菌总数、总大肠杆菌四项常规指标和综合合 格率均有较大的下降根据对国内4 5 个城市函件调研结果( 平均值) ，管网水浊 度比出厂水增加o 3 8 n t u ，色度增加0 4 5 度，铁增加o 0 4 m g l ，锰增加o 0 2 m g l ， 细菌增加1 8 c f u m l ，管网末端余氯下降到o 0 1 5 m g l ，大肠杆菌增加0 4 个尼， 水质总合格率平均下降到8 3 4 ，表明水质已经恶化1 4 】。因此，水质在输送过程 中的二次污染是个不容忽视的问题。 城市给水管网水质二次污染的来源主要为两个方面：管材与内表面特征( 如 防腐处理等) 。水本身的不稳定性( 如有机物含量与类型等) 。针对这些二次污染 的来源，各种相应的控制手段也相继提出，如提高出厂水水质及水质稳定性、降 低生物膜生长的概率，或推广耐腐蚀的新型管材、加强管网的管理和维护，以及 合理制定管网冲洗计划等 3 1 。从源头上控制污染源以提高水质固然必不可少，但 浙江大学硕士学位论文1 绪论 有效的调节和处理措施也发挥着举足轻重的作用 目前常用的控制管网内细菌繁殖的方法是保持管网内具有一定的消毒剂余 量，使消毒剂在管网中持续杀菌。以氨消毒为例，氯具有很强的杀灭细菌的作用， 有实验表明，水中的余氯浓度与细菌总数呈负相关，在余氢浓度达标的水样中， 细菌总数为o 4 0c f u m l ，大肠菌群 3 个亿，水质均台格，而在余氯浓度不足的 水样中，细菌总数为2 6 7 0 0c f u m l ，大肠菌群 3 5 2 个见，3 0 的水样水质不 合格1 5 j 。因此，保持一定浓度的消毒剂余量能有效控制管网水质此外，减少水 在管网中的停留时间也能缓解水质的二次污染。 1 2 常见消毒方法 我国1 9 8 5 版的生活饮用水卫生标准规定，集中武给水，不论其水源是 地面水或地下水，都应有消毒设施1 6 1 。2 0 0 6 版的新规范进一步提高了水质要求， 水质指标由原来的3 5 项增加到1 0 6 项，消毒剂也增加了3 项1 7 目前常用的消 毒剂按种类可以分为氯、氯胺、二氧化氯、臭氧、紫外线等。 1 2 1 氯消毒及其特点 氯作为消毒剂有氯气( 或液氯) 和次氯酸盐等形式氯是使用历史最为悠久 的消毒剂1 8 8 1 年，k o c h 证实细菌是引发水致疾病的主要因素，并发现氯能够 灭活水中的病原细菌。1 9 0 2 年，比利时m i d d e l k e r k e 市在世界上首次将氯消毒引 入饮用水处理过程，自此氯消毒得到了广泛的使用，成为目前最具普遍性的消毒 方式有数据表明，目前美国水厂中约有9 4 5 o 使用氯消毒，据估计我国9 9 5 以上的水厂采用氯消毒嘲。而来自美国1 9 9 7 年居住区供水系统调查( c o m m u n i t y w a t e rs y s t e m ss u r v e y ) 的结果显示，截至到1 9 9 5 年，在采用地表水供水的系统 中，将氯作为预消毒工艺的水厂服务的人1 ：3 数占到总人口的6 3 8 ，将氯作为后 消毒工艺的水厂服务人口比例则达到6 7 5 。而在毗地下水为水源的供水系统 中，上述两个比例分别为6 3 9 和3 1 o ，都是各种消毒剂中服务人口数最多的 【9 l 。 总体说来，氯消毒具有如下优点：对水中常见的大部分病原微生物有灭活 作用；氯消毒后在管网中产生的余氯残留容易检测和控制：消毒成本低，操 作简单；使用历史较长，经验成熟。 浙江大学硕士学位论文l 绪论 不过氯消毒的缺点也逐渐被人们所认识：能与水中的多种有机或无机物反 应生成消毒副产物；消毒过程具有一定危险性，尤其是在使用氯气消毒时； 氯浓度较高时会产生嗅味等水质问题；氯消毒本身在灭活微生物方面也有一定 的局限性，研究发现，氯胺在控制生物膜生长方面比自由氯更为有效【。 1 2 。2 氯胺消毒及其特点 2 0 世纪5 0 年代，氯胺用于饮用水消毒盛行一时，但因其对微生物的灭活能 力比自由氯弱而逐渐被淘汰。近年来由于氯胺消毒能够减少消毒过程中三卤甲烷 的产生而再度引起关注如美国为控制饮用水中的三卤甲烷含量，1 9 9 8 年已有 2 9 4 的水厂使用了氯胺消毒，并且由于2 0 0 2 年1 月新的消毒副产物法实施，美 国水厂采用氯胺消毒的比例在逐步提高”】，许多水厂为了达到美国环保局 ( u s ，e p a ) 对消毒副产物的规定而使用氯胺消毒【1 2 】 氯胺灭活水中微生物的能力比自由氯低得多，因此在水处理过程中通常不将 其作为预消毒剂使用，但氯胺作为后消毒剂却具有很多优点：氯胺与水中消毒 副产物前驱物的反应活性远低于自由氯，如果氯气和氨气的比例在3 ：1 到5 ：l 之i b 1 ，消毒副产物的生成量将大大减少b 】【1 4 1 ；相对于臭氧，二氧化氯、自由 氯等，氯胺更为稳定，衰减速率更低，对大型管网来说更有利于保持管网系统的 消毒剂余量，对具有二次供水水箱、末端死水区的营网而言也比较有利；与自 由氯相比，控制生物膜生长的能力更强，有助于防止管网的二次污染。经济， 使用安全方便 氯胺的上述优点使其在生产实践中得到了广泛的应用，但进一步的研究发 现，氯胺消毒也会带来水质问题：消毒能力低于氯、二氧化氯和臭氧等其他消 毒剂；可能产生危害较大的有机胺类消毒副产物；可能促进管壁金属溶出释 放，导致饮用水中铅、锌等重金属浓度水平提高；引入了氨氮等微生物生长的 营养源，有促遴微生物生长的潜在风险；投加设施较复杂，氯气和氨气必须分 别存放。 1 2 3二氧化氯消毒及其特点 随着氯代消毒副产物的检出，二氧化氯以其几乎不产生有机副产物的优势而 被广泛采用和推广。尤其在欧洲的法国、瑞士、德国等国家，二氧化氯的使用更 为普遍。但在2 0 世纪8 0 年代末期，二氧化氯所产生的亚氯酸盐和氯酸盐等无机 浙江大学硕士学位论文 绪论 副产物受到广泛关注。美国在1 9 9 8 年颁布的第一步消毒剂与消毒副产物的规程 中要求饮用水中的亚氯酸盐与氯酸盐的浓度应在0 8 m g l 以下。 二氧化氯消毒的主要优点是例：与水中的腐殖酸等有机物反应时不会生成 三卤甲烷等有水质安全风险的有机卤代物；消毒效果好，在低浓度下也具有较 强的消毒作用；受温度、p h 值等环境因素的影响较小；能选择性地与一些 无机物和有机物反应，从而有效破坏氰化物、硫化物、铁、锰、酚类等污染物； 能有效去除酚臭和其他异味。 但二氧化氯也有不少缺点，主要是其无机副产物能迅速对人体健康产生不利 影响，而二氧化氯生成不完全时会在水中生成未反应的氯酸盐和次氯酸盐另外， 用二氧化氯消毒的成本也比较高，且二氧化氯气体具有爆炸性，使用较为危险。 1 2 4 其他消毒方法 1 臭氧消毒：作为一种强氧化剂，臭氧的主要优点是对所有类型的微生物 都有很强的灭活能力，并且既能氧化去除水中的铁、锰、硫化物等还原性无机物， 也能氧化破坏和去除一些难降解污染物。其劣势主要在于物质形态较不稳定，必 须在线合成、在线投加，操作难度较大，成本较高，且具有强腐蚀性和毒性，因 此其浓度也受到一定限制，美国职业安全与健康管理局( o c c u p a t i o n a ls a f e t ya n d h e a l t h a d m i n i s t r a t i o n ) 规定，在8 小时工作日内，臭氧的浓度不能超过o 1 m g l t g l ； 此外，臭氧的衰减速率很快，常需要与其他消毒荆联合使用以维持管网必须的消 毒剂余量。目前也有研究表明，臭氧消毒也会产生一些生物可降解的氧化副产物， 具有促进管网内微生物繁殖的潜在风险【l ” 2 高锰酸钾消毒：高锰酸钾只在浓度较高、p h 值较低、接触时间长时才具 有明显的消毒效果，但上述条件在水处理过程中通常较难满足因此高锰酸钾在 饮用水处理中仅能作为预氧化剂而不能作为二次消毒剂使用。 3 紫外消毒：与其他消毒工艺不同，紫外线主要通过物理过程消毒而不依 赖化学药剂投加，因此基本没有消毒副产物生成紫外线对水中的细菌和病原类 微生物具有良好的消毒效果，在较短的接触反应时间内即可灭活，与其他消毒剂 联用时能显著减少其他消毒剂的投加量。其不利因素主要是不能保证消毒剂余 量，且反应器较为复杂，不适于大型管网。 此外，近年来一些新型的消毒技术也引起人们的广泛关注，主要是物理消毒 浙江大学硕士学位论文1 绪论 方法，如光催化、电化学消毒、超声消毒等，其优势与紫外线消毒类似，无需化 学药剂投加，无消毒副产物，但由于研究还不成熟，消毒设备复杂以及难以保证 消毒剂余量等劣势，目前应用并不广泛，已投入使用的也多是作为常规消毒方法 的补充技术 随着对饮用水健康的日益重视和对消毒剂反应机理的理解更加全面，人们对 消毒剂的要求已经不单单停留在灭活病原微生物保障基本饮水安全的层面上。 u s e p a 在1 9 9 9 年4 月颁布的消毒剂和氧化剂替换指导手册( a l t e r n a t i v e d i s i n f e c t a n t sa n do x i d a n t s ) 明确指出，除了灭活病原微生物，消毒剂也可以作为 氧化剂用于饮用水处理的其他方面，如减少消毒副产物的形成、氧化去除铁锰元 素，维持管网的生物稳定性、用化学氧化法去除嗅味以及提高混凝与过滤效率等 多个方面嘲。可以说，各种消毒剂的使用已经越来越普遍，由此人们更有必要关 注消毒剂的安全使用问题 由于氯仍然是目前使用最广泛也最经济的消毒剂，人们对氯消毒副产物的研 究和认识也相对最为清楚，而卤化副产物通常也是消毒副产物评价的主要依据， 因此本文以氯消毒为代表进行阐述 1 3 二次加氯的提出和重要性 1 3 1 消毒副产物概况 1 3 1 1 消毒副产物的潜在危害 消毒副产物( d i s i n f e c t i o nb y - p r o d u c t s ，d b p s ) 是消毒( 或氧化) 反应中所 有副反应生成的中间产物和最终产物的统称 “人们对d b p s 的认识是随着化学 分析技术的发展而逐渐深化的。1 9 7 4 年，r o o k 首次发现进行氯化消毒的饮用水 中存在氯仿等副产物【1 6 1 。1 9 7 6 年，美国环保署( u s e p a ) 在大规模饮用水质调 查的基础上证实了这一结果。与此同时，美国国家癌症研究所通过动物实验结果 证实了氯仿和癌症之问存在一定的关联性，自此d b p s 越来越受到人们重视。1 9 7 9 年u ，s e p a 颁布规定要求饮用水中三卤甲烷( t h m s ) 生成浓度控制在1 0 0 # g l 以下。1 9 9 8 年u s e p a 颁布了第一部消毒剂消毒副产物规程 s t a g eld i s i n f e c t a n t d i s i n f e c t i o nb y p r o d u c t ( d d b p ) r u l e ，将t h m s 的控制标准降到了8 0 , u g l ， 并首次规定了卤代乙酸( h a a s ) 等其他一些副产物的控制标准。此外，世界卫 生组织和欧洲许多国家也针对饮用水中的d b p s 制定了相应的标准。u s e p a 第 浙江大学硕士学位论文1 绪论 二部消毒剂消毒副产物规程【s t a g e2 d i s i n f e c t a n t d i s i n f e c t i o nb y - p r o d u c t ( d d b p ) r u l e 】中，将保持t h i n s 和h a a s 的最大污染物水平( m c l s ) 不变， 但要求相应目标污染物的m c l s 以地区的运行年平均水平为基础，且每个地区给 水管网系统每个监测点的d b p s 年平均值都必须不超过m c l s 关于消毒副产物的生成及其对人体健康的影响效应，目前的研究仍显不足 【1 7 】。截至到目前，文献报道的消毒副产物有近6 0 0 7 0 0 种1 8 1 ，但对于其对人体 的毒理学效应，只有很少的一部分进行过较为系统的研究。随着流行病学、毒理 学以及检测技术的发展，人们已经能够确定一些消毒副产物对人体的不荆影响 1 9 2 ”，一些动物实验和针对性的水质及医学调查也证明了消毒副产物与癌症之 间的微弱联系 2 z - 2 ”，u s e p a 就曾按致癌程度将常见的消毒副产物从“致癌，到 “没有证据表明致癌”分为5 类1 9 】一些较早进入人们视野的消毒副产物，如 t h i v i $ ，已经被公认为是对动物具有致畸、致癌、致突变的“三致”物质【”不过， 仍然有相当一部分消毒副产物的致病作用无法准确地定性定量，大量有机副产物 的结构尚未确定，丙随着薪的消毒工艺的发展，新的消毒副产物还在不断产生。 1 3 1 2 消毒副产物的影响因素及控制手段 尽管对消毒副产物的研究仍显不足，但现有的研究成果已经能够找出常见消 毒副产物、特别是卤化副产物的反应机理，由于卤化副产物易于检测，因此一般 的消毒副产物研究也以卤化物为准。目前人们已经对一些影响消毒副产物生成的 因素达成了共识，这些因素主要包括【1 4 1 ：消毒剂的种类、剂量、余量；消毒 剂( 或氧化剂) 和前驱质的接触时阔和混合条件；前驱质的浓度和反应特性； 水温；水化学环境( 包括溴离子浓度、p h 值、有机氨浓度以及是否存在其 他还原剂，如铁、锰等) 针对这些影响因素可以发展出一些相应的控制手段，常见的有三大类：消 毒物代替，即采用消毒副产物生成量较少的消毒剂，如二氧化氯、氯胺等；在 消毒前减少原水中的有机物，包括保护水源，避免引入过多的腐植酸等有机质和 通过絮凝，膜滤等工艺去除水中的消毒副产物前驱质；用生物、物理或化学的 方法直接击除水中的消毒副产物。前两者旨在减少消毒副产物的生成量，实践证 明控制效果明显，但存在技术不够成熟、成本也相应较高等问题。最后一类属于 补救性的控制措施，往往需要增加额外的处理设备或工艺，因此在实际生产中应 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 用并不普遍。此外，多种消毒剂联用( 如氯与二氧化氯联合使用，最高可使t h m s 的生成量下降5 0 t 2 5 1 ) 、提高消毒剂的利用效率( 主要指加速消毒剂与水的混合， 减少反应接触时间) 等控制措施也起到了一定的作用。 1 3 2 常规加氯方法的不足 常规的加氯方法是在饮用水进入供水管网之前( 清水池中) 加氯，这种投加 方法往往具有以下不足： 1 不便于调节管网各处的余氯浓度； 氯通常按照满足用水节点的最低消毒水平投加，同时也应兼顾随着时间推移 用水节点所需的余氯浓度水平按照常规的投加方法，氯只在管网的入i ：1 附近投 加，即使想要控制管网末梢的余氯浓度，也只能控制管网入口附近的投加量。这 种方法显然不利于余氯在管网范围内的均匀分布 2 余氯浓度分布不均； 为了满足管网末梢区域内对余氯浓度的最低要求，常一次性投加大量氯，导 致管网投加点附近的区域内余氯浓度过高，引起嗅、味等水质问题，给人体健康 带来隐患。而即使照顾到管网普遍的余氯浓度要求，也还是会存在水滞留时间较 长的区域( 如水箱) ，此时水中余氯浓度往往不能满足安全用水的需要，同样会 引发微生物含量超标等水质问题对大型管网来说这种现象更加明显。 3 加氯量不经济且不利于控制d b p s 余氯浓度分布不均使局部区域的余氯浓度偏高，加剧了氯的衰减和与其他物 质( 如水中的有机物和管材等) 发生反应的速率，这一方面使氯不能完全发挥应 有的作用，导致氯消耗量较大，不利于控制消毒成本，另一方面也加速了d b p s 的形成，不利于人体健康 1 3 3 二次加氯的重要性 针对常规加氯方法的不足和控制水中d b p s 提高水质安全性的需要，“二次 加氯”逐渐成为业界关注的焦点这种方法是在管网中选择一系列特定的位置作 为“二次加氯点”，对饮用水再次消毒，以满足用水节点所需的最低余氯水平的加 氯方式u s e p a 将二次加氯定义为在供水管网余氯不足的区域提高余氯浓度的 措施1 2 6 ，通常投加在离水厂较远的区域。理论上，较之常规加氯方法二次加氯应 具有如下优点： 浙江大学硕士学位论文绪论 1 保持相对均匀的余氯时空分布，有助于解决管网末梢区域余氯浓度不足 的问题； 2 抑制消毒副反应，减少d b p s 。理论上二次加氯能够减少氯和水体的反应 接触时间，从而达到减少d b p s 的作用。 3 可以减少总加氯量【2 ”u s e p a 也推荐水厂在控制消毒剂用量时考虑二 次投加的有利之处口”。二次加氯减少总加氯量的理论依据如下： 更加均匀的余氯浓度的时空分布，能够降低余氯的平均分布浓度，从而 降低氯衰反应的平均速率； 每个二次加氯点只需根据其覆盖范围确定加氯量，从而有效减少了氯在 管网中的停留时间，继而减少了氯衰反应引起的质量消耗。 4 在维持加氯量经济性的前提下，不降低管网水质的可靠性，一定程度上 减少管网在出现运行事故或遭受人为破坏后水质迅速恶化的风险口目。 总体看来，二次加氯既能提高供水管网的水质水平，又能降低管网的运行成 本而由于二次加氯能够显著减少氯消毒剂的投加量，因此也是有效的抑制消毒 副产物的手段，有研究表明，氯消毒副产物( c d b p s ) 的生成量和氯的投加量存 在正相关性p 0 1 1 3 ”，降低加氯量能有效降低水中c d b p s 的生成量。 1 4 二次加氯的研究现状 管网的供水原理其实与货物配送系统极为类似，只是在管网中需要运送的是 氯浓度达标的饮用水。只要能够确定水流路径、流经时间管网内发生的混合、 扩散，衰减等反应的特征参数，理论上就能找到最佳的二次加氯点位置，并在此 基础上确定最优的加氧方案。 1 4 1 国外研究现状 1 9 9 8 年，b o c c e l i 等人提出了第一个二次加氯的数值模型田】，可在加氯点总 数和位置已知的基础上确定最优的加氯运行方案。该模型成功应用了“线性叠加” ( l i n e a rs u p e r p e r s i t i o n ) 理论，用线性函数表达加氯点投加浓度对用水节点余氯 浓度的影响，同时，b o e e e l i 等人在计算中引入了“周期性概念，解决了无限时 间尺度上模型无法准确求解的问题。这两条重要的思想几乎影响了其后出现的绝 大部分二次加氧模型，而与之相关的假设也成为求解二次加氯问题的经典假设 浙江大学硕士学位论文l 绪论 随后又陆续出现各种改进或延伸模型，模型的求解方法也越来越多样化。总 体说来，目前出现的二次加氯模型可以分为两大类： 一类是以加氯量最小或加氯点总数最少为优化目标，这种模型最早是在已知 加氯点数目和位置的基础上确定最优的加氯运行方案，如b o c c e l i 等人的“二次加 氯设计算法”1 2 7 ；随后t r y b y 和u b e r 又进一步完善了b o c c e l i 等人的研究成果， 于1 9 9 9 年提出可同时确定加氯点位置和加氰运行方案的计算模型，主要改进了 b o e c e l i 模型中的约束条件，更有利于模型求解【3 2 l 。值得一提的是，这里计算加 氯点位置的方法并不是没有针对性的全管网搜寻，而是在已有加氯点和潜在加氯 点的基础上进一步确定最能满足实际要求的加氯点数目和具体位置，这里的实际 要隶既包括二次加氯的建设和运行成本，也包括合格饮用水的余氯浓度分布水平 和合格饮用水占总供水量的比例因此，在“潜在加氯点”的选取中也结合了一定 程度的经验因素，这样做的好处是可以减少计算量并避免出现过多的不可行解 之后，针对已有模型没有完全反映各二次加氯点在管网整体水平上的相互影响的 问题，b o c c e l i 和t r y b y 等人又在2 0 0 2 年共同提出了进一步的改进模型，新模 型可以同时考虑多个加氯点和多种加氯类型作用下的余氯浓度分布状况。此模型 兼顾了总加氯量最小、加氯点最少以及在特定时段和节点处，余氯浓度满足安全 用水需要等要求，因此是一个比较典型的多目标线性优化问题 另一类二次加氯模型可统称为“覆盖模型”，这类模型的优化目标可以概况 为：用最少的或不超过一定数量的加氯点，覆盖尽可能多的用水节点或用水量 加氯量在这里不是控制条件，但是可以作为后期方案比选的评价指标之一。 c h u r c h 和r e v e l l e 的最大覆盖寻址模型( m a x i m u mc o v e r i n gl o c a t i o np r o b l e m ， 1 9 7 4 ) 【州，s u b r a m a n i a m 和t r y b y 等人的最大集覆盖模型( m a x i m u ms e t c o v e r i n g m o d e l ，2 0 0 0 ) 嘲，h a r m a n t 和n a c e 等人的合格水模型( 2 0 ) p 6 i 3 ”，以及m e r k a nu ( ；a n e r 等人的优质水模型( 2 0 0 3 ) p 卅部属于此类模型这类模型通常解 决加氯点的选址问题，用0 - 1 变量表示是否在某个点设加氯点的决策。分枝限界 法( b r a n c ha n d b o u n d m e t h o d ) p 9 在求解这类模型时发挥了重要的作用，可以获 得准确可靠的精确解，但在计算大型管网时计算较为繁琐，而启发式算法具有计 算量小的优势，虽然其只能获得近似解，但对工况复杂、随机因素多变的供水管 网来说，这种精度已经可以满足实际需要。而且这类模型也可用来确定最优的加 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 氯方案，如上述提到的h a r m a n t 和n a c e 等人的合格水模型( 2 0 0 0 ) 和m e r k a n u ( ；a n e r 等人的优质水模型( 2 0 0 3 ) 。值得一提的是，m e r k a nu c a n e r 等人 的优质水模型( 2 0 0 3 ) 是一个完全由遗传算法来求解的模型，其优化目标和评价 函数也是按照求解需要设计，在计算效率上具有明显优势，但由于选址并不是模 型的直接目标，所以可能出现不合理的选址结果，需要多方案比选才能得到相对 合理的解 1 4 2 国内研究现状 国内目前对二次加氯问题也有一些研究，但用数学模型确定二次加氯方案的 研究仍处于起步状态，研究很不充分，特别是对二次加氯条件下管网水质可靠度 的研究目前仍是空白。天津大学迟海燕的中途加氯模型( 2 0 0 4 ) 【舯】，将二次加氯 问题分为二级优化，第一级优化以费用最小为优化目标，包括加氯点的建设费用 和运行费用，第二级则以加氧量最小为优化目标，该模型的主要问题是将管网起 始节点处的余氯浓度都设为定值，没有考虑整个管网范围内的加氯影响，虽然该 模型也模拟了天津的管网实例，但该实例过于简化，只有1 1 个节点，因此不足 毗体现模型的实用性湖南大学黄雅芳用遗传算法模拟二次加氯的选址和运行方 案( 2 0 0 5 ) 】，该模型模拟了e p a n e t l 1 中的一个算例管网，此管网也是国外 诸多模型验证模拟效果的经典算例与国外采用遗传算法完成选址和确定加氯运 行方案的模型类似，该模型在确定加氯点的位置和数目时也采用了多方案比较的 方法哈尔滨工业大学的鲁宁波采用数值模型求解二次加氯问题( 2 0 0 6 ) 【4 2 l ，该 模型借鉴了l e e 和d i n i n g e r 在1 9 9 2 年提出的算法【4 3 】，计算思路与h a r m a n t 和 n a c e 等人的合格水模型( 2 0 0 0 ) 类似，都引入了“水质比例矩阵”( w a t e r f r a c t i o n m a t r i x ) 的概念，用矩阵表示节点之间水质的相互影响。该模型模拟了大庆市局 部供水管网的二次加氯情况，使二次加氧模型在国内首次用于具有一定规模的实 际管网，模拟结果证明二次加氯的确能够减少消毒剂的用量并改善管网内的余氯 分布不均现象 1 5 本文主要内容及创新点 虽然近十年来二次加氯数学模型的研究已经取得了很多进展，但整体来说从 水质安全的角度对二次加氧点选址、加氯量分配、二次加氯方案评价等方面进行 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 系统研究的并不多，尤其是国内的二次加氯研究仍处于起步盼段，天津大学迟海 燕( 2 0 0 4 ) i 删的研究将管网起始节点处的余氯浓度都设为定值，弱化了其他加氯 点对管网余氯浓度的调节作用，并不能真正发挥二次加氯的优势。湖南大学黄雅 芳( 2 0 0 5 ) h 1 1 和哈尔滨工业大学鲁宁波( 2 0 0 6 ) 【4 2 1 的研究只是以管网运行的一 个典型时段为例给出了具体的加氯量投加方案，没有考虑管网水力条件的时变 性，因此距离实际应用尚有一段距离。而在二次加氯条件下管网水质可靠度评价 方面，国外的研究尚不充分，目前只有m l k a n s a l 和g e o aa r o r a ( 2 0 0 4 ) 【删 对水质可靠度评价方法做了初步探讨，国内则仍然处于空白状态 1 5 1 本文主要内容 反应影响系数靠 余 氧 覆 盖 参 数 的 影 响 模型参数分析 加 氯 点 数 和 加 氯 量 关 系 两 种 加 氯 量 优 化 模 型 对 比 加氯点选址优化 加氯量优化 实例应用 可靠度评价 算例应用( 模型验证) 二次加氯方案分析 图1 1 本文思想框架 图1 i 为本文思想框架，针对现有二次加氯模型的不足，本文提出基于水质 安全的城市输配水管网系统二次加氯模型，从二次加氯点选址、加氯量分配、二 次加氯水质可靠度方案评价三方面入手系统地对二次加氯模型进行研究和分析 本文考虑了管网水力条件的时变特征，计算一个水力周期内的二次加氯方案，并 用国际永质研究的通用算例对该模型进行验证，最后将该模型运用于我国南方某 浙江大学硕士学位论文 绪论 县的管网实例，对其水质改善效果和水质可靠度进行了分析和评价。 本文主要工作如下： 1 通过对供水管网余氯浓度主要影响因素以及现有余氯衰减模型的分析， 确定最符合实际管网特点的余氯衰减模型； 2 二次加氯优化选址。管网二次加氯优化采用二级优化模型在管网水质 模型的基础上，第一级优化确定合理的加氯点数目和潜在的加氯点位置，以满足 管网余氯覆盖条件下加氯点数最少( 即加氯点建设投资最少) 为目标进行二次加 氯点的选址优化优化的最终目标是给定管网拓扑结构和管网水力运行周期的条 件下，通过对合理监测时段的选取，反应影响系数、余氯覆盖集的量化如氯点 影响范围重叠等方面的研究，用最少的二次加氯点满足一定的余氯覆盖要求，建 立二次加氯优化布置模型，并采用启发武贪婪算法实现优化求解； 3 二次加氯投加量的优化二次加氯量优化( 第二级优化) 是在二次加氯 优化选址( 第一级优化) 的基础上，确定最优的二次加氯运行方案，使加氯量在 满足最低余氯浓度要求的基础上达到总投加量最小的系统优化目标针对在管网 规模不大或各处用水量差异不十分显著的管网，研究建立基于“余氯理想浓度” 的二次加氯投加量优化模型；针对大型管网或用水量差异显著的管网，研究建立 基于“用水量权重”的二次加氯优化模型，并采用l i n 9 0 8 0 建模求解。在保证微生 物安全的前提条侔下，尽量减小管网中余氯的浓度，并使管网中各点的浓度尽可 能均匀，从而降低消毒副产物的含量，提高饮用水质的安全性； 4 用国际上通用的水质计算算例管网验证本文二次加氯模型的有效性，并 对二次加氯优化效果和模型参数进行分析： 5 将二次加氯模型用于实例，与常规加氨相比较，从管网各节点余氯浓度 分布，息的消毒剂投加量等情况分析二次加氯改善效果； 6 。针对目前国内外对二次加氯水质可靠度方面的研究几乎处于空白的现 扶，提出了二次加氯条件下考虑用水量权重的水质可靠度评价方法，并在线性叠 加理论适用的范围内进行了公式推导和简化，运用该方法对本文所用管网算例和 实例进行了水质可靠度评价。 1 5 2 本文创新点 1 在确定二次加氯运行方案的第二级优化中，首次引入“余氯理想浓度”， 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 建立基于“理想浓度”的二次加氯优化模型，且考虑了管网的用水量分布特征，构 建了基于用水量权重的加氯量优化模型，使优化结果更符合实际，并结合实际管 网进行了计算和分析； 2 二次加氯优化考虑了工况差异对二次加氯方案的影响，优化结果给出了 基于周期性的时变加氯速率方案； 3 对二次加氯条件下的水质可靠度评价方法进行了改进，大大减少了水质 可靠度评价的计算量，且考虑了节点用水量权重，使可靠度评价更符合实际 浙江大学硕上学位论文2 氯反应动力掌与余氧动态计算方法 2 氯反应动力学与余氯动态计算方法 2 1 氯消毒原理 氯消毒技术是应用历史最久也最为广泛的饮用水消毒方法，包括液氯、漂白 粉和氯胺等。氯消毒经济有效、使用方便氯易溶解于水( 2 0 c