（市政工程专业论文）城市供水管网多点加氯的优化设计及运行研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 城市供水管网多点加氯的优化设计及运行研究 摘要 随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对饮用水水质 安全问题的关注程度日益加深。自从人们发现饮用水氯消毒处理会产 生消毒副产物以来，要求降低乃至消除这些消毒副产物的呼声也越来 越高。国内外专家学者对此进行了深入的研究和探索，从寻求新型高 效的消毒剂、改进净水处理技术到开发消毒副产物去除的工艺等多方 面展开研究，取得了一定的成效。然而，大多数忽略了从管网系统这 一饮用水水质输送的关键环节入手开展安全消毒的研究。当前世界上 9 0 之多的自来水厂仍然在使用氯消毒，系统地研究氯消毒机理及其在 管网系统中的分布规律、开发合理实用的氯消毒方法是十分必要的。 本文旨在通过管网多点加氯，优化消毒剂氯的投加位置和投加量，力 求在保持原有净水工艺不变的条件下，最大程度地降低管网的余氯水 平，使余氯量既保证控制细菌生长繁殖的最小浓度，又不至太高而增 加生成消毒副产物的风险，以达到合理控制消毒副产物生成，保障饮 用水输送过程中的水质安全。 本论文内容主要分三部分： 太原理工大学硕士研究生学位论文 首先对国内外供水管网水质变化的研究进展进行了系统的总结分 析，针对城市供水管网余氯分布不均、管网末端余氯不达标的问题， 指出管网多点加氯将是今后控制饮用水水质研究的一个热点问题，并 对氯消毒机理及余氯在管网中的衰减变化规律进行了总结和归类。 然后，运用图论的有关知识分析了城市供水管网的结构特点和水力 特性，提出了一种多点加氯优化选址的方法；再次基础上，运用非线 性规划理论，建立了确定各点加氯量的优化计算方法；并对管网运行 中多点加氯的控制和调整进行了尝试性探索。具体内容有( 1 ) 借鉴了 管网水质监测点优化选址的基于监测水量和基于有效监测范围的理 论，根据管网多点加氯的具体情况，提出了基于有效作用范围的加氯 点优化选址的方法，并给出了求解的步骤，合理地确定了加氯点的数 量和位置，使得加氯点在管网在分布均匀；( 2 ) 在加氯点位置和数量 确定的基础上，建立一个非线性优化模型来计算各加氯点的优化的加 氯量。以使总加氯量最小；( 3 ) 对管网动态运行及事故情况下，如何 合理的调整加氯量，调节各个加氯点的运行，实现多点优化加氯进行 了有益的尝试。 最后，通过对实例供水管网进行多点加氯的优化设计，并利用美国 国家环保总局开发的管网模拟软件e p a n e t 2 0 模拟其运行，进一步验 证了方法的合理性和正确性。结果表明，实施管网多点加氯不仅节省 加氯量，而且可使整个管网余氯大致均匀分布在0 2 m g l o 4 m g l 的 水平，大大地降低了生成消毒副产物的风险。基本实现了管网水生物 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 稳定性和化学稳定性的统一。 本研究对于供水企业改进管网水消毒技术，提高饮用水水质具有实 际指导意义。特别适用于大型多水源供水的管网，水力状况比较复杂， 难以人为地凭经验合理布置加氯点和控制运行的情况。通过加氯点位 置的优选、加氯量的优化确定、优化控制调整，能基本实现余氯在管 网中的均匀分布。但是，由于研究是建立在管网水力模拟的基础上的， 优化结果的好坏一定程度上取决于管网水力模拟的精度，另外，优化 方法和优化模型难免存在一些不尽完善的地方，有待今后进一步改进 和完善，使之能更好地应用到实践中，指导生产实践。 关键词：供水管网，安全消毒，多点加氯，优化设计与运行 i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d yo fo p t i 【a ld e s i g na n d r i 玲d n gf o r 1 一p o 矾td i s i n f e c t i o n i nw 蕊rd i s t 砒b u i i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t l lt h es o c i a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to fn a t i o n a l s t a n d a r do fl i v i n g , s a f ep r o b l e mo fd r i n k i n gw a t e rq u a l i t yh a sb e e n i n c r e a s i n g l yg i v e ng r e a ta t t e n t i o n s i n c es o m eb y - p r o d u c t sa l ef o u n dw h e n d r i n k i n gw a t e ri sd i s i n f e c t e db ya d d i n gc h l o r i n e ，c l a i mo fr e d u c i n ge v e n r e m o v et h e s eb y - p r o d u c t sh a sb e e ns t o o do u ta n db e c o m eu r g e n t e x p e r t s i na n da b r o a dh a v ec a r r i e dd e e pr e s e a r c h e sa n de x p l o r a t i o n si no r d e rt of m d n e we f f e c t i v ed i s i n f e c t o r , i m p r o v e dw a t e r - p u r i f i e dt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p r e m o v i n gs y s t e mo fd i s i n f e c t i n gb y - p r o d u c t sa n da c h i e v es o m ee f f e c t h o w e v e r , m o s to ft h e mn e g l e c t e dt h er e s e a r c ho nt h ef l o wp i p e ss y s t e m w h i c hi st h ek e yt a c h eo fd r i n k i n gw a t e rt r a n s p o r t a t i o n a tt h ep r e s e n t m o r et h a n9 0 o f t h ew a t e r w o r k ss t i l la d o p tc h l o r i n ed i s i n f e c ts y s t e m , s oi t i s n e c e s s a r y t o s t u d y c h l o r i n ed i s i n f e c t m e c h a n i s m , t h ec h l o r i n e d i s t r i b u t i o nr u l ei nf l o wp i p e ss y s t e m , a n dt od e v e l o pr e a s o n a b l ea n d i v 卜 太原理工大学硕士研究生学位论文 f e a s i b l ec h l o r i n ed i s i n f e c tm e t h o d s t h i se x p e r i m e n ta d o p tm u l t i - p o i n t s c h l o r i n e - a d d e dw a y , o p t i m i z et h ec h l o r i n e s a d d i n gp o s i t i o n sa n dd o s e s a i m i n ga tm a i n t a i n i n go r i g i n a lw a t e rp u r i f i e dt e c h n o l o g y , r e d u c i n gt h e r e m a i n i n gc h l o r i n ec o n c e n t r a t i o ni nf l o wp i p e ss y s t e mf u r t h e s t ，m a k es u r e t h er e m a i n i n gm i n i m u mc h l o r i n ec o n c e n t r a t i o nc o u l dr e s t r a i nb a c t e r i u m g r o w t ha n dn o ts oh i g ht h a ti tw i l li n c r e a s et h er i s ko fg e n e r a t i n gd i s i n f e c t b y - p r o d u c t sa n dt h ed i s i n f e c tb y - p r o d u c t sg e n e r a t i o nc o u l db ec o n t r o l l e d ， a n dt h ew a t e r q u a l i t yi nt h et r a n s p o r t a t i o np r o c e s sc o u l db ee n s u r e d t h i se x p e r i m e n tc o n t e n tc o n t a i n s3p a r t s ： f i r s t g e n e r a l i z e a n d a n a l y z e t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h d e v e l o p m e n to fc h a n g eo fw a t e rq u a l i t yi nw a t e rd i s t r i b u t i o nf l o wp i p e s ， c o n t r a p o s i n gt h er e m a i n i n gc h l o r i n ec o n c e n t r a t i o no d d si nf l o wp i p e s m e s h w o r ka n d p r o b l e mo f f a i l i n gt or e a c hs t a n d a r da tt h ee n do f p i p e sw o r k , i n d i c a t et h a tm u l t i - p o i n t sa d d i n gc h l o r i n ew i l lb e c o m eh o ti s s u ei nt h e r e s p e c to fd r i n k i n gw a t e rq u a l i t yr e s e a r c h , a l s og e n e r a l i z ea n dc l a s s i f yt h e c h l o r i n ed i s i n f e c tm e c h a n i s ma n dt h ed e c l i n i n ga n dc h a n g i n gr u l e so f r e m a i n i n g c h l o r i n ei np i p e sw o r k s t h e n ，a n a l y z et h ef r a m e w o r kc h a r a c t e r i s t i ca n dh y d r a u l i ct r a i ti nu r b a n w a t e rd i s t r i b u t i o nf l o wp i p e sw o r k sb yt h eg r a p ht h e o r yk n o w l e d g e , b r i n g u pam e t h o do fm u l t i - p o i n t sc h l o r i n ea d d i n ga n da l s oc h o o s i n ga d d i n g p o s i t i o n b a s e do nt h a ts e tu pt h eo p t i m a lc a l c u l a t em e a n sd e a l i n gw i t h v 奎堕里三奎兰堡主堑窒生兰垡堡奎 c h l o r i n eq u o t ai ne v e r yp o i m ；a tt h es a n l et i m et e n t a t i v ee x p l o r a t i o ni s c a r r i e do u tt oc o n t r o la n d a d j u s tt h ep r o c e s so fm u l t i - p o i n t sc h l o r i n ea d d i n g i i lt h e r u n n i n gp i p ew o r k s d e t a i l sc o n t a i n s ：( 1 1u s i n gw a t e rq u a l i t y i n s p e c t e do p t i m a lp o i n t s c h o o s i n gt h e o r yf o rr e f e r e n c ew h i c hi sb a s e do i l i n s p e c t i n gw a t e rq u a n t i t ya n de f f e c t i v ei n s p e c t i n gr a n g e ，a c c o r d i n gt ot h e a c t u a ls i t u a t i o ni nt h em u l t i - p o i n t sc h l o r i n ea d d i n gi np i p e sw o r k s ，b r i n g f o r w a r dt h em e t h o do fo p t i m a lc h l o r i n ea d d i n gp o i n t sw h i c hi sb a s e do n e f f e c t i v ef u n c t i o nr a n g e ，a n dp r e s e n tt h e s t e p sf o rr e s u l t s , o b t a i nt h e n u m b e r sa n dp o s i t i o n so fc h l o r i n ea d d i n gp o i n t s ，a n dt h ec h l o r i n ea d d i n g p o i n t sw i l lb ed i s t r i b u t e de q u a l l y ；( 2 ) b a s e do nt h ef a c tt h a tt h en u m b e r s a n dp o s i t i o n so fc h l o r i n ea d d i n gp o i n t si sc e r t a i n , s e tu pan o n - l i n e a b l e m o d e lt oc a l c u l a t et h eo p t i m a lc h l o r i n ea d d i n gq u o t ai ne v e r yp o i n ta n d m i n i m i z et h es u m m a t i o no fc h l o r i n e ( 3 ) c a r r yo l lt h eb e n e f i c i a lt e n t a t i v e r e s e a r c ho i lh o wt oa d j u s tc h l o r i n ea d d i n gq u o t ar e a s o n a b l ya n dr e a l i z e m u l t i - p o i n t so p t i m a lc h l o r i n ea d d i n gw h e np i p e sw o r ki sd y n a m i cr u n n i n g a n di nt h ea c c i d e n t f i n a l l y , b yd e s i g n i n go p t i m a lm e t h o do fm u l t i - p o i n t sc h l o r i n e a d d i n g i nr e a l e x a m p l e i nw a t e rd i s t r i b u t i o n p i p e sw o r k s ，a n du s i n gt h e p i p e s 。s i m u l a t e ds o f ! v c r r ee p a n e t 2 0w h i c hi s d e v e l o p e db yn a t i o n a l e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i n gb u r e a uo fu s a ，t h i sm e t h o dc o u l db et e s t i f i e d r e a s o n a b l ea n dc o r r e c t r e s u rs h o wt h a tt h ec h l o r i n ea m o u n tc o u l db e v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s a v e d b y t h em e t h o do fm u l t i - p o i n t s c h l o r i n e - a d d i n g ，a n d a l s ot h e r e m a i n i n gc h l o r i n ec o n c e n t r a t i o na tt h ee n do ft h ep i p e si se q u a l l ya b o u t 0 2 0 4 m g l ，t h er i s ko fg e n e r a t i n gb y - p r o d u c t si nd i s i n f e c th a sb e e n r e d u c e dg r e a t l y t h eu n i t eo fa q u a t i cl i f ea n dc h e m i c a ls t a b i l i t yc o u l db e r e a l i z e db a s i c a l l y t h i s e x p e r i m e n tw i l lh a v ea c t u a l i n s t r u c t s i g n i f i c a n c e t ow a t e r d i s t r i b u t i o np l a n t so ni m p r o v i n gd i s i n f e c tt e c h n o l o g yi np i p e sw o r k sa n d i m p r o v i n gd r i n k i n gw a t e rq u a l i t y t h i sr e s e a r c hi se s p e c i a l l ym e a n i n g f u lt o t h eh u g ep i p e sw o r k s w h i c hh a v em u l t i - w a t e r5 0 u r c e s 、c o m p l e x c o n d i t i o n sa n dt h ec h l o r i n e a d d i n gp o i n t sc o u l dn o tb eo b t a i n e db y e x p e r i e n c ea r t i f i c i a l l yr e a s o n a b l y b ys e l e c t i n go p t i m a la d d i n gp o i n t s 、 , c a l c u l a t i n go p t i m a la d d i n gd o s e ，a d j u s t i n go p t i m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n ，t h e r e m a i n i n g c h l o r i n ec o u l db ed i s t r i b u t e de q u a l l yi nt h ep i p e sw o r k h o w e v e r , t h i sr e s e a r c hi sb a s e do nt h ea q u a t i cs i m u l a t i o nm e t h o di np i p e sw o r k , f e a s i b i l i t yo fo p t i m i z i n gr e s u l t sa r ed e p e n d i n go nt h ep r e c i s i o no ft h e a q u a t i cs i m u l a t i o ni np i p e sw o r k t os o m ee x t e n t i na d d i t i o n , t h e r ea r es o m e d e f i c i e n c i e si nt h eo p t i m i z i n gm e t h o da n dm o d ei n e v i t a b l y , w h i c hs h o u l d b ei m p r o v e da n dc o n s u m m a t e di nt h ef u t u r ea n da p p l i e di nt h ep r a c t i c et o g u i d ea c t u a lp r o d u c t i o n v i l 太原理= 大学硕士研究生学位论文 k e y w o r d s ：w a t e rd i s t r i b u t i o nw o r k ，s a f ed i s i n f e c t ，m u l t i - p o i n t sc h l o r i n e a d d i n g , o p t i m i z i n gd e s i g n i n ga n dr u n n i n g v i i i 声明 y9 7 9 4 7 4 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 丛竭麴 日期： 扣6 、s 。p 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 租眺丝丛乒 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 a 一反应特性常数，也称频率因子，由反应级数来确定； r 一理想气体常数，8 3 1 j m o l ： t 一开氏温度，k ； e a 一表观活化能，j m o l 。一般可将它看成与温度无关的常数 r h 一水力学半径： s h s h e r w o o d 数； r e 一雷诺数，胁丝； l ， s c 一施密德( s c h m i d t ) 数，s c = 号； s i i 一管段摩阻； v 一 水的运动粘滞系数( 在2 0 时，v - - - - - 0 0 9 m d ) ； c 一管道水中的余氯浓度a n g l ： c t 一管网i 节点的余氯浓度l n g l ； c -一 管网k 节点的余氯浓度，i n g l ； c j一 管网j 节点的余氯浓度，m g l ； 钿一 管壁上的余氯浓度，m g l ； 一规定的管网节点的最低余氯浓度，m g l ； c 。一规定的管网节点的最高余氯浓度，i n g l ； c i ( x ，t ) 一管段i 在x 处t 时刻的浓度 m g l ； c o一出厂水的余氯浓度，m g l ； c h 一节点k 初始投加氯浓度m g m ； c m 一在这个节点处进入和离开系统的浓度，n a g l ； q 。一流入k 节点的各管段i k 的管段流量，l s ； q ”一流出k 节点的各下游管段k j 的管段流量，l s ； q 。一管段i 的流量，l s ； 太原理工大学硕士研究生学位论文 q i 。一节点k 的加氯量，l s ； q 一在这个节点处进入和离开系统的流量，l s ； t o c 一总有机碳的浓度，m g l ； w 一管壁腐蚀所导致的余氯消耗，i g l ： e n z y m e 一管网中所有与余氯反应的细菌和腐蚀瘤的物质的浓度，m g l ； k b 一管道水中余氯衰减系数，d - 1 ； k 。一管壁余氯衰减系数，d - 1 ； k f 一传质系数，通常用s h e r w o o d 数来表示：k j ：跏罢； 口 k 一水体和管壁反应的总的余氯衰减系数，d - 1 o k 。一管段i k 上余氯衰减速率常数，d - l ； k 。一管段i k 上余氯衰减速率常数，d 1 ； d x 一余氯在水中的扩散系数，d - 1 ； r c 。( x ，t ) 一管段中余氯反应的综合表达式，d - 1 ； n i 一流入节点k 的所有管段上游节点的集合； 巧一流出节点k 的所有管段下游节点的集合： t 。一 管段i k 上的水流时间，h ； t ”一管段”上的水流时间h ； d 一管径, n u n ； l 一管长。m ； u 一管段中的水流速度，m s ； 1 i i一管段i 的流速，m s ； e s ( k ) 一k 点的有效作用范围； v 一整个管网节点的集合； 一 n ( k ) 一管网加氯点个数； p 一总加氯量，m e d l 。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景 第一章文献综述 饮用水与人们的生活水平和身体健康密切相关。伴随着经济的高速发展，水 环境受到了极大的污染：而人民生活质量的显著提高，对饮用水水质安全、健康 的要求也越来越高。在这种严峻的形势下，饮用水的水质安全保障技术已经成为 供水卫生领域研究的重要课题，也是供水企业所亟待解决的问题本研究对供水 企业改进技术，更加合理、经济地向用户提供安全的饮用水具有重要的现实意义。 饮用水消毒是常规水处理工艺的最后一道安全保障工序，对于保证饮用水安 全具有重要的意义。在众多种类的消毒剂中，氯是国内外使用最广泛的一种，它 价格低、性质稳定，不仅能快速有效地杀死有害的病菌，净化水质，而且管网中 维持一定量的余氯还可以抑制细菌的再度繁殖，防止输配水管网中的二次污染 自1 9 0 2 年比利时m i d d l e k e r k e 建成第一座加氯消毒的水厂后m ，一百多年来饮用 水消毒为人类控制疾病和提高供水生物安全性起到了至关重要的作用传统的观 念认为在经过水厂混凝、沉淀、过滤、消毒的处理程序以后，只要保证管网末梢 最低余氯浓度为0 0 5 m g l ，用户水就是安全合格的，然而，由于水源普遍受到了 污染或是微污染，存在严重的富营养化现象，传统的水处理工艺不能有效地去除 这些污染物质，而一般的消毒方法是，在水厂一次性投加足量的消毒剂以满足管 网末梢最低余氯浓度水平，这样做会使得管网前端的节点长时问处于高余氯浓度 的环境下，不仅极大地浪费消毒剂量，难闻的氯臭气味引起用户的抱怨，而且更 重要的是在高浓度的环境下增大了形成消毒副产物的风险这些消毒副产物大多 为致癌或疑似致癌物质四。自1 9 7 4 年发现氯消毒会产生具有致突变和致癌性的三 氯甲烷以来嘲，随着检测技术的不断提高，2 0 世纪8 0 年代中期又发现了沸点高、 不可吹脱、致癌风险大的卤乙酸的消毒副产物，要求制止消毒剂过量投加的呼声 越来越高。美国国家环保总局( u s e p a ) 于1 9 9 9 年4 月颁布了消毒剂和氧化剂替 换指导手册( a l t e r n a t i v ed i s i n f e c t a n t sa n do x i d a n t sg u i d a n c em a n u a l ) ，手 3 太原理工大等硕七研究生学位论文 册中详细介绍了臭氧、二氧化氯、高锰酸钾、氯胺、及其他联合消毒方法。由此 看来，氯消毒在降低了饮用水微生物风险的同时，由于消毒副产物的形成而增加 了饮用水的化学风险，消毒剂本身对饮用水的安全性也有一定的影响。这就要求 要保证饮用水的微生物安全和化学物安全性的统一咖，即在满足饮用水微生物安全 性的同时尽量降低化学风险。 7 0 年代中期开始。普遍尝试采用氯胺代替氯来作为第二消毒荆，其有效成分 是一氯胺。氯胺在水中衰减慢，分散性好。穿透生物膜能力强。能很好地控制军 团菌的生长嘲，引起管网的腐蚀少于氯消毒。但是，当水中的p h 值较低、c 1 ：n 2 较高时，水中的溶解性有机卤化物( d o x ) 和消毒副产物( d b p s ) 均较高；溴化物 浓度较高时，产生溴代副产物卤乙酸的问题比三卤甲烷的问题更为突出”。二氧化 氯( c l o z ) 是很强的氧化剂啪，其氧化能力约为氯的2 5 倍，与水中杂质的反应速 度比氯快。c l o 。杀菌能力强，消毒副产物少，有效地控制色度和臭味，高效地杀灭 和控制原生动物、芽孢、霉菌、藻类、和生物膜，应用p h 值范围大，适用水质范 围广，氧化有机物能力强；但是，当水中含有氰化物时可能形成有毒的氯氰化物， 处理含有机物高的水可能生成非挥发性有机卤代物，水中某些物质可能与其反应 生成有色物质，c l 如的消毒副产物c l 晚。、c l 町的毒理学影响较大，可能会对人体 的甲状腺的分泌有抑制作用。另外，c l 0 2 消毒成本高，制取设备复杂，操作管理要 求高。臭氧有很强的氧化作用乜1 ，消毒效果好，受水质影响较小，消毒处理的副作 用较小；但是臭氧不够稳定，极易分解，半衰期段，需就地生产使用，相应的消 毒设备复杂，对操作人员的技术水平要求也较高，生成的消毒副产物对人体健康 的影响有待进一步深入研究，处理水的生物稳定性差，尾气处理不当对空气也会 造成一定的污染等等，使得臭氧虽然有很好的消毒效果，但是实际应用的可行性 不大。紫外线消毒m 的主要优点是，处理后的水无色无味，不会产生消毒副产物， 但是其消毒效果受水中悬浮物含量的影响较大，无余氯持续的消毒作用，且费用 高，广泛的应用存在困难。另外，国内外学者还研究了诸多消毒剂联合应用于消 毒处理。新型开发的消毒剂虽然均有一定的效果，但是，它们的消毒作用及生成 消毒副产物的机理还有待进一步研究验证，这就决定了在当前或今后很长一段时 间内，饮用水消毒的主流还将是氯消毒。据统计“】，美国约有9 4 5 的水厂采用氯 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 消毒，我国9 9 5 以上的水厂采用氯消毒。 我国的城市管网系统，由于一定程度上不合理的改建和扩建，使得管网布置 冗余，管段管径、摩阻系数和节点水量的不确定性比较严重，某些管段的水力条 件较差，以及管网陈旧等因素，使得合格的出厂水在经过如此庞大的管网时，会 发生复杂的物理化学生物变化，管网水质较出厂水有不同程度的下降。一些研究 者对国内主要城市的管网水质资料进行统计，地面水水厂出厂水基本稳定的占 2 1 ，腐蚀性的占5 0 ，轻微结垢的占2 9 。地下水水厂出厂水基本稳定的占5 0 。腐 蚀性的占3 0 ，轻微结垢的占2 0 。占全国总供水量4 2 4 4 的3 6 个城市的调查显示， 出厂水平均浊度为1 3 度，而管网水增加到1 6 度；色度由5 2 度增加到6 7 度； 铁由0 o o m g l 增加到0 1l m g l ；细菌总数由6 6 c f u m l 增加到2 9 2 c f u m l 。一 些初步统计发现，管网水的挥发性酚、阴离子合成洗涤剂、硝酸盐这些生物可降 解物质较出厂水分别降低了2 9 3 8 、1 2 3 3 7 6 2 ，可能为涂层释放的苯并 ( a ) 芘增加了5 0 1 8 0 9 6 。 给水管网是饮用水输送至用户的最后一道环节，也是最重要的一个环节。不 少供水企业花大力气采取措旌来提高出厂水的水质，如在常规的水处理工艺的基 础上增加预处理、深度处理及特殊处理工艺，却忽略了水质在供水管网中发生的 一系列变化，( 如细菌、浊度、色度、铁、锰等指标的上升、管网末梢余氯的下降 等) 。这样，虽然我们在处理工艺上下了很大的努力，但实际效果的提高却不是很 明显。因而，深入研究管网水传输过程中的水质变化规律，保证管网水输送过程 中的水质安全就成为研究饮用水安全保障技术的关键。 1 2 供水管网水质存在的问题及其研究进展 1 2 1 供水管网水质变化的原因 一般来讲，经水厂处理的水基本能达到国家所要求的水质标准，但是，随着 城市的发展，管网系统变得越来越庞大复杂，其管线长度可达上百公里之长，水 在管网中的滞留时间可达数日之久。管网系统就像是一个巨大的“反应器”，水在 其中发生着复杂的物理、化学、生物反应变化，使得管网的完整性被破坏，从而 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 导致水质发生一定程度的恶化。其主要原因可以归结为以下几方面嘲： l 、水质净化不彻底 出厂水的水质是否安全，主要从两方面来考察：水质指标合格率和水质稳定 性。 a 水质指标合格率低 从我国1 9 5 9 年颁布的第一个饮用水水质标准生活饮用水卫生规范只规定 了1 6 项水质标准起，1 9 7 6 年 生活饮用水卫生标准( t j 2 0 - 7 6 ) 中规定了2 3 项，1 9 8 5 年修改的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 - 8 5 ) 增加到3 5 项，1 9 9 3 年 国家建设部制定的城市供水行业2 0 0 0 年的水质指标增加到8 8 项，2 0 0 1 年生活 饮用水卫生规范又一次将水质指标增加到1 0 3 项，对出厂水水质的合格率提出 了越来越严格的要求。规范在无机物、放射性物质、微生物指标、农药方面同当 今世界上主要的水质标准( w h o 、e c 及u s e p a ) 保持了同步，但在消毒副产物、 有机物、感观不满物等指标方面，部分低于国外先进水平，存在一定的差距 b 水质稳定性差 水质稳定性包括化学稳定性和生物稳定性。化学稳定性主要是指水中重碳酸 钙、碳酸钙和二氧化碳之间的平衡关系，就是要水质的一定的p h 值范围，抑制管 网水进一步发生化学反应。化学稳定性可用饱和指数i l 和稳定指数i r 来表示【l o 】， 水质化学不稳定会发生管道腐蚀或是管道结垢，进而造成细菌、浊度、色度、铁 的指标的上升。我国地下水中的铁锰含量普遍较高，在地下水的除铁除锰过程中， 水经曝气可去除部分二氧化碳，但是二价铁和二价锰氧化水解又会产生出一部分 二氧化碳。水中二氧化碳浓度的过高或过低，都会使处理后的水失去稳定性，水 质极易变差。 生物稳定性主要是指管网水含有某些无机物，有机物及微生物生长繁殖的培 养基，而造成细菌和微生物的再度生长繁殖而降低水质的可能性，目前国际上普 遍以生物可同化有机碳( a o c ) 作为饮用水生物稳定性的评价指标。通常a o c 在 不加氯时为1 0 2 01 1g 乙酸碳l ，加氯时为5 0 1 0 0 g 乙酸碳l 被认为是生物稳 定水 1 1 1 。生物不稳定将管网微生物的生长繁殖，导致管网水的生物性污染。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 目前，我国大多数自来水厂都不进行水质的稳定性处理，据报道：我国以地 面水为水源的水厂出厂水化学基本稳定的占2 1 ，腐蚀性的占5 0 ，轻微结垢的占 2 9 。地下水水厂出厂水基本稳定的占5 0 ，腐蚀性的占3 0 ，轻微结垢的占2 0 。生 物稳定性的实际调查资料较少，但是随着水源污染的加剧，生物稳定性的现状也 是不容乐观的。 2 、管网设计、规划不合理 水质的变化与所用的管材密切相关，城市供水干管中使用年限长且无衬里的 管道和涂沥青类物质的内衬管道，由于内壁的腐蚀、结垢，导致水中铁、铅、锌 等金属物质和各种细菌指标的含量增大。实践表明 1 2 j j , 对于未作防腐蚀处理的碳 钢管道，使用年限超过5 年的，其腐蚀、污垢将达到严重的程度，引起水质的恶 化。石棉水泥管中会溶出对人体健康有害的石棉纤维；塑料管材渗出的化学物质 对水有污染作用；沥青涂层含有致癌物质；水泥砂浆衬里会发生腐蚀或软化、水 。的碱化作用等也会污染水质。 管道布局不合理，水在某些管段的水流速度太慢，停留时间过长，余氯消耗殆 。尽而引起细菌的再度生长繁殖。特别是管网末梢、阀门、消火栓等处水的流动性 二较差，很容易发生水质恶化。 另外，不少管网中的含有贮水池，对于占贮水池容积8 0 9 6 的消防水量，长期不 被动用，水流十分缓慢，余氯浓度极低，微生物滋生严重。也是影响水质的主要 原因c 1 3 。 3 、管网运行维护不科学 管网水压的不稳定，特别是在管段的交叉联结处，水压过高时不仅浪费能量， 而且流速增大，促进冲刷和锈蚀，水压过低时，病原体，污染物等很容易侵入管 网，污染水质。 加氯消毒情况，不加氯或加氯过量都有问题。加氯消毒虽然使出厂水和管网 水符合微生物指标，保持了水的新鲜和稳定，但如果加氯不合理，消毒副产物浓 度增加，就会使水质越来越远离毒理学指标的要求，同样不利于人体健康。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 改进措施及研究进展 1 、加强饮用水净化处理技术 饮用水水源中的有机污染物是目前影响我国城镇供水水质安全的最大因素。 传统的混凝一沉淀一过滤一消毒的方法只能去掉少量的大分子有机物，而对小分 子量的有机物，特别是一些人工合成有机物的去除几乎没有效果。因此，我国大 多数自来水公司必须改进现有的处理工艺或建立新的深度处理工艺，而后者需要 的投资很大，绝大部分老水厂也无扩建场地，对大多数自来水厂来说，最可行的 做法是对现有给水处理工艺和设备进行更新改造，强化适应处理微污染水源水的 工艺能力，提高处理水水质。具体改进措施有： a 强化混凝沉淀工艺 传统的混凝沉淀工艺对有机物有不同程度的去除率，但这类有机物分子量通 常在1 0 0 0 0 以上。加强混凝沉淀则是通过改善混凝条件，使有机物的去除范围和 去除率进一步扩大和提高，这主要是通过严格的p h 值控制，增加混凝剂的投加量 或选用合适的混凝剂，改善水力条件，投加氧化剂、助凝剂等手段来实现。通过 测定原水中的有机物分子量，以确定其分布情况，综合上述各因素的影响，对不 同的水质做正交实验，以确定水厂的最佳运行条件。试验表明”4 1 ，通过加强混凝 沉淀，可去除的有机物分子量范围扩大到小于3 0 0 0 ，甚至更低 b 预氧化 采用不产生有害副产物或产生安全量副产物的化学药剂，对原水进行预氧化 处理，以去除或降低水中的有机污染物，例如，采用高锰酸钾与氯胺联合的消毒 工艺d s 实践表明，高锰酸钾与氯胺联用对指示性微生物的灭活效果好子这两种 消毒剂单独使用时的效果，且两者在降低细菌总数及总大肠菌群方面存在协同作 用。 c 采用生物活性炭工艺 生物活性炭法是由臭氧和活性炭吸附结合在一起的水处理方法，通常在水厂 的过滤工艺后进行，先在水中投加少量臭氧，将溶解和胶体状有机物转化为较易 生物降解的有机物，将某些分子量较高的腐殖质氧化为分子量较低、易生物降解 ”“f 口一 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 的物质并成为炭床中微生物的养料来源。在活性炭床内，有机物吸附在炭粒的表 面和小孔隙中，微生物生长在炭粒表面和大孔中，通过细胞酶的作用，将某些有 机物降解。通过活性炭的吸附和生物降解的双重作用，有机物的去除率很高。生 物活性炭法不失为一种高效低耗的给水深度处理方法。 d 强化过滤工艺 早在2 0 世纪6 0 8 0 年代初，由于氨氮和有机物的污染，西欧一些国家就采用 的传统过滤工艺来净化饮用水。主要形式有慢滤、快滤和河岸过滤等，他们慢慢 发现滤池填料上普遍附着生长着一层生物膜，并且这种生物膜对水源中的氨氮与 有机污染物有很好的去除效果自此以后，生物过滤在西欧逐渐得到广泛应用。 生物过滤是传统过滤技术与生物膜技术结合而成的新型过滤工艺，是近十年来国 内外研究的一个热点初步研究表明f 16 】【1 7 1 ，生物过滤对微污染饮用水中的有机物、 氨氮、铁、锰和悬浮颗粒等污染物质均有较好的去除效果，可提高饮用水的生物 稳定性。因此，将传统过滤改成生物过滤，是对传统过滤的一种强化，不需要增 加建设用地，也不需要花费很多投资，可能是目前在技术经济方面应对饮用水被 有机物污染的较有竞争力的措施。 e 采用接触生物氧化法 用曝气的方式供氧，利用附着在填料表面的微生物对水中的污染物进行吸附 和降解。填料可以采用活性炭、陶料