城市供水水质的不稳定性及控制

城市供水水质的不稳定性及控制

近年来，二次污染供水问题突出。符合生活饮用水卫生标准的出厂水到了客户端后,水质下降甚至恶化为不合格,这是因为出厂水达到用户前经过了数公里甚至上百公里的庞大地下给水管网系统,发生了二次污染。根据对国内50个城市的调研统计:管网水浊度比出厂水增加0.38NTU、色度增加0.45度,铁增加0.04mg/L、锰增加0.02mg/L、细菌增加18个/mL、管网末端余氯下降到0.015mg/L、大肠菌增加0.4个/L,水质总合格率平均下降到83.4%,表明水质已经恶化。故水质在输送过程中的二次污染是个不容忽视的问题。1通过分析2次污染水管网的原因1.1水体化学稳定性下降出厂水水质状况包括两方面,一是水质合格率,二是水质的稳定性。如果出厂水的合格率本来不高,将加剧二次污染。管网中二次污染的实质是水质的不稳定性。水质的不稳定性分为化学不稳定性和生物不稳定性。造成化学不稳定的原因是由于管网系统中产生无机盐类沉淀、结垢、腐蚀等。根据汪光焘编著的《城市供水行业2000年技术进步发展规划》一书的调查结果显示:地表水厂出厂水水质基本稳定的只有21%,有腐蚀倾向的为50%,有结垢倾向的为29%;地下水厂出厂水水质基本稳定的为50%,有腐蚀倾向的为30%,有结垢倾向的为20%。由此可见,供水行业中水质的化学稳定性较差,其中腐蚀问题更为严重。造成生物不稳定性的主要原因是水中存在细菌等微生物和微生物所需要的营养物。要使饮用水达到生物稳定,防治在管网系统中受到二次污染,就必须杀灭微生物和去除水中有机物等营养物。1.1.1水质沉淀物产生机理当出厂水中铁、锰严重超标时,铁、锰会逐渐沉积在管壁上,不仅会缩小过水断面,降低输水能力,而且当流速提高时,沉淀物会受到冲刷;另外,铁、锰累积沉淀严重时,受冲刷时会出现所谓的“黑水”和“黄水”。由钙、镁离子产生的水垢容易造成二次污染。水中暂时硬度反应产生沉淀物的过程如下:Ca2++HCO3+OH-→CaCO3↓+H2O;Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓。CaCO3与Mg(OH)2沉淀在管道内形成水垢,而结垢层是细菌、微生物繁殖孳生的场所,进而形成生物膜,生物膜老化剥落引起臭、味及色度的增加,污染了水质。同时结垢使管道过水断面缩小,影响输水能力。1.1.2般在20%20%由于水厂常规处理工艺对有机物的去除率较低,一般在20%~30%。当出厂水中存在一定量的有机污染物时,微生物以有机物作为营养基质,促进其生长繁殖而引起污染。1.1.3饮用水浊度检测指标浊度在一定程度和范围内是多项指标的综合反映。有机物吸附在颗粒的表面上,因而浊度高使附着的细菌较那些游离的细菌生长繁殖更快,浊度高的水会削弱消毒剂对微生物的灭杀作用。氯消毒难以灭活隐胞子虫、贾第氏虫,它们的去除主要靠降低浊度。因此,美国EPA现行饮用水水质标准中将浊度列入微生物学指标。我国饮用水水质标准将余氯列为微生物学指标也有其特定的含义,实践证明控制浊度和余氯对微生物学指标的重要意义。1.2供水材料对水质的影响1.2.1水中物质与水中物质反应供水管材及配件的自身分解物的种类直接影响到供水水质。有些分解出来的物质还可能与水中的其它物质反应。例如塑料管是高分子合成材料,当使用时间较长时,分解出的有机分子会溶于水中,量虽小,但对水质的污染和对人体健康的影响不可忽视。1.2.2废水处理可能导致废水主要是涂层材料对水质的影响。例如沥青涂层中所含痕量PAH对人体健康构成一定危害。水泥砂浆衬里会受到水中酸性物质的侵蚀,从而导致腐蚀,并发生脱钙现象,进而污染水质。又如,生产PVC材料时,常使用铅盐作稳定剂,使用时间较长时,铅盐会析出而直接造成饮用水的重金属污染。石棉对人体健康有着严重影响,它可能是一种致癌物质。石棉水泥管中水泥基质的破裂可能导致石棉纤维渗入水中。1.2.3次污染发生情况实践表明,随着管网使用年限的增加,管网发生腐蚀、结垢、爆管等现象就越严重,也更容易发生二次污染。诸多实践表明,未做防腐处理的铸铁管道,使用年限超过5年时,其腐蚀、污垢将达到严重的程度,引起水质恶化,管道使用年限越长,腐蚀越严重,水质状况越糟。1.3管道腐败和污染对水质的影响1.3.1铁管腐蚀产生锈垢给水管道的腐蚀分为化学腐蚀、电化学腐蚀和微生物腐蚀。微生物腐蚀是指有铁细菌和硫酸盐还原菌参与下的腐蚀过程。纯粹的化学腐蚀比微生物催化下的电化学腐蚀次要得多,它总是与电化学腐蚀交叉一起进行的。大量资料表明,导致管网水质降低的主要原因是街坊内的小口径管道,特别是用户内部管道几乎没有采用涂衬等保护措施而使管道锈蚀较为严重。铁锈的产生理论认为:金属管本身含多种杂质,金属与杂质之间存在电位差,在水的介质内形成无数微腐蚀电池。首先在铁管表面上某一部位因铁被腐蚀成铁离子,进入水中而形成阳极,其反应式为:Fe→Fe2++2e-,所释放的电子传递到铁管表面的另一部位,形成阴极。当PH≤7时,在阴极发生析氢反应。经过复杂的反应后,形成了铁锈,沉淀在管内表面,呈凹凸不平的锈垢,其反应方程式如下:2H2O→2H++2OH-;2H+2e-→H2↑;Fe2++2OH-→Fe(OH)2;4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3;2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O。当PH≥7时,在阴极将发生氧化还原反应:O2+2H2O+4e-→4OH-,在阴极上氧被还原成氢氧根,由于静电作用,阳极产物向阴极扩散,阴极产物向阳极扩散,然后彼此再进一步作用,形成Fe(OH)2,进一步氧化生成Fe(OH)3,其中部分脱水成为铁锈Fe2O3·nH2O。1.3.2结垢层厚度的影响给水管道水垢来源大致有3种:由铁锈产生的锈垢;钙、镁离子产生的结垢和水中的悬浮杂质沉淀形成的泥垢。数据表明,管道结垢层的厚度会随着时间的延续不断地增加,使管道有效截面积逐渐缩小;同时也提供了很好的细菌孳生场所,微生物附着生长从而形成“生物膜”(也称“生长环”)。1.4次供水设计、施工及水质未按规范进行水处理工艺在我国城市给水管网系统的二次污染中,居住小区管网系统二次污染的比重约占70%,这主要是由大多数居住小区采用的二次供水设施引起的。二次供水引起污染的原因主要有以下几种:部分供水系统中管道材质或水池、水箱防腐材料选用不当,存在着金属污染的问题。贮水设备的结构不合理,设计或施工不规范,没有按照室内给水排水设计及施工规范的要求进行。水在贮水设备中停留时间过长。进出水管的位置不合适,造成水池内出现死水区。蓄水池的溢流孔、通风孔设置不合理,溢流管直接排入生活污水管网,导致污水管道内的各种病菌进入池内造成污染。通风孔的防护性差,导致尘、虫进入池内。例如1997年竣工的某银行大楼,在二次供水系统的设计施工时,将负一层的地下贮水池的进水管与水泵的吸水管设在同一位置,水池的另一端则成死水,导致大量浮游生物的繁殖。二次供水管理不善,未定期进行水质检验,未按规范进行清洗、消毒,致使水质逐步恶化。据成都自来水公司对自来水在水箱的水质变化监测表明:自来水在水箱中贮存24h后,余氯为零。特别是在夏季水温较高,水中余氯含量迅速减小。12h后即为零,不宜直接饮用。未清洗消毒的水箱其水质常规四项指标(指余氯、浑浊度、细菌总数、总大肠菌群)合格率低于10%。个别水箱中亚硝酸盐氮的含量高达0.48mg/L。1.5s和卤乙酸haas余氯与出厂水中残留的有机物质反应,产生有毒害作用的三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs),给人们的身体健康造成很大的危害。氯气会使水的碱度降低,因而使管道容易产生腐蚀。微污染水源水普遍含有氨氮,氯气会与之反应生成氯化氰,此物质有助于在净水构筑物和管网中滋生藻类。1.6网络水系统对水质的影响1.6.1流速和冲刷作用流速与浊度的关系:其一,水体对管壁冲刷作用,是增加水体浊度的过程;其二,水体悬浮物向管壁附着或沉淀作用,是水体自净的过程。当流速较大时,冲刷作用大于沉淀作用,表现为浊度升高;当流速较小时沉淀作用大于冲刷作用,表现为浊度降低,水中各种物质容易沉积而污染水质,微生物亦因此容易生存。实验发现,流速的变化是影响浊度的重要原因。1.6.2管网停留时间据有关资料统计,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3d,我国哈尔滨的供水在管网中停留时间近2d。由此可见,出厂水在管网内的停留时间一般较长,时间越长,水体就越可能发生二次污染。水在管网中长期停留的原因是:部分大口径管道流速较低,而用户用水量较小;局部管道没有形成网状,呈枝状,如管道末梢、阀门及消火栓等。1.7管网系统污染除上述原因外,还有以下几个方面值得注意:用户处的污染:水龙头是输配水的终点,也是腐蚀最严重的部位。这是因为水龙头存在水-固、气-固、水-气多种接口,水腐蚀和大气腐蚀同时进行,进而影响管网的水质。外界造成的二次污染:分质供水系统、不同供水系统和不同用途供水系统的相互连通,因管网水压变低等突发原因引起自备水倒流入城市自来水管网,造成污染;管网系统渗漏造成污染。据有关资料报导,大肠菌每隔20min分裂一次,一天反复分裂72次,在9h中一个细菌能增值到一亿多个,一旦有少量的细菌通过管网破裂处进入管道就能在水中大量繁殖,造成水质污染。管道检修或施工过程造成的污染:在抢修时,往往快速启闭阀门,这会使管内的沉淀物冲刷起来,使水质变差,甚至恶化。新敷设管线竣工后,没有严格按照必须高速冲洗、消毒液浸泡(24h以上)、清水冲洗的要求去做,致使投入运行后对整个管网水质产生影响。供水管网上过多的预留口带来诸多问题,如深圳市自来水公司曾对该市解放南路供水管网的预留口使用情况进行了统计,发现其使用率不到30%,而且带来的管内滞留水质腐败也影响水质。2防止2次污染管道网络2.1污染物的控制现在已有不少国家规定了出厂水中AOC、BDOC及高锰酸盐指数的上限值,以抑制管网中细菌的生长、繁殖。AOC就是水中可被细菌利用的有机碳浓度,表征饮用水中细菌增殖的能量。通常AOC在10μg/L下被认为是生物稳定水。管网水中AOC<50μg/L乙酸碳时,细菌的生长就受到限制。细菌等微生物的生长有其适宜的pH环境。把出厂水的pH值调整至7~8.5,可以提高水的化学稳定性,这种方法在欧美等发达国家已得到了广泛地应用,并且取得了很好的效果。pH值超过8.4以后,铁、硫细菌的生长基本被抑制。深圳自来水公司在水厂建设石灰投加装置,使出厂水pH值维持在7.0以上,对解决因水质化学不稳定腐蚀管道问题,取得了较好效果。也可以投加缓蚀剂来控制管网水质化学稳定性,这在国内外取得了良好的应用效果。例如汪义强等用石灰和Na3PO4解决了南方某大型工业集团居民区供水管网的“红水”问题,取得了良好的效果。为了控制管网水质恶化现象,长期以来一直采用控制余氯量来抑制管网水中细菌繁殖。但研究表明,氯消毒并不能完全抑制生物膜在管网中的生长繁殖。由于细菌的生长繁殖必须以出厂水中的有机物为营养物质,有机物含量越高,微生物滋生的可能性越大。因此现在更多的考虑是降低出厂水中有机物含量,提高出厂水的生物稳定性,截断微生物的能量来源。有关数据表明,当水中的浊度为2.5NTU时,水中有机物去除了27.3%;浊度降至1.5NTU时,有机物去除了60%;浊度降至0.5NTU时,有机物去除了79.6%;浊度降至0.1NTU时,绝大多数有机物可以去除,致病微生物的含量也大大地降低。有机物含量降低,也减少了加氯消毒后有机卤代烃的含量。西方发达国家把浊度降至0.1NTU以下,就是这个原因。我国卫生部2006年颁布的《生活饮用水卫生规范》中把出厂水浊度规定为1NTU,为改进居民生活饮用水水质提供了有力保证。活性炭吸附是对付有机污染物的有效实用技术,其比表面积大,对色、嗅、味、农药、氯化物等都有良好的去除率,而且还能吸附水中的微生物。据研究,生物活性炭技术对酚的去除率达80%,对氯化物的去除率是65%,对铁、锰和铜等重金属的去除率可达80%~92.5%。2.2新型高分子塑料管和管道对城市给水管网的改建、扩建、新建工程应采用防污染的新型管材。据调查,目前我国城市供水管网中,铸铁管占80%以上,近几年逐渐淘汰了灰铸铁管,大量使用球墨铸铁管。东京市城市供水管网中,球墨铸铁管约占90%;美国近几年内,年安装供水管道23×104km,球墨铸铁管占47.7%,说明球墨铸铁管是城市供水管网的主要管材。成都市自来水公司的何维华在比较了不同供水管材的性能和价格后,提出了如表1所示的推荐意见。对小管径的管道,如建筑给水管道,尽量采用防腐和防结垢性能较好的高分子塑料管,目前广泛应用的新型给水塑料管材有:聚乙烯管(UPVC管、HDPE管、MDPE管、CDPE管等)、聚丙烯管(PP-R管、PP-管)、聚丁烯管(PB管)、金属塑料复合管(包括铝塑复合管、钢塑复合管等)、玻璃钢管等。这些管材在给水工程中应用,具有强度高、内壁光滑、过流量大、耐腐蚀、无毒无污染、连接方便、接头密封性能好、重量轻、施工方便、使用寿命长等特点,比常用的镀锌管、铸铁管价格便宜,是非常理想的替代品。现将其中4种给水管的特点归纳后列于表2。对于建筑给水管道,值得特别推荐的还有铜管。铜管具有经久耐用、安全卫生、适配性强、耐热耐腐蚀以及金属强度大等特性。铜的耐火、耐腐蚀性也使水管的应用非常安全,不会对水质造成二次污染。在发达国家中,铜水管系统占有很大的比例。如美国占85%,英国占95%,香港占75%(国际铜业协会1998年的统计资料),铜水管的应用技术在国外已非常成熟,它已成为发达国家建筑供水管材中的首选材料。对于已有的旧管网,要有计划地对材质差、年代长、事故率高的管网进行更新改造。目前国内给水管网中,灰口铸铁管以及小口径钢管仍占有相当大的比例,尤其是小口径钢管,腐蚀严重,有效使用年限仅为10~15a,甚至更短。从管道抢修的统计和检漏普查得知80%~90%的漏失发生在小口径管道中造成水污染的几率也最高,所以对这种旧管道进行改造,使用新型的耐腐蚀、防结垢性能好的管材是防止污染的有效措施。定期进行管网清洗。研究和应用智能化管道清洗技术,解决管网清洗普遍存在的停水时间长、开挖量大等问题,加强新型无污染内防腐材料的开发和应用。2.3围土壤的防腐管道外壁的防腐方法有:采用机械和化学处理的清洁管道表面处理法;对小口径钢管及管件,采用热浸镀锌的措施;明设钢管,在管表面除锈后用涂刷油漆的办法防止腐蚀;埋于土中的钢管,应根据管道周围土壤对管道的腐蚀情况,选择防腐层的种类;通常采用浸泡热沥青法或喷涂热沥青法对铸铁管外壁进行防腐。电化学防腐蚀法有排流法和阴极保护法。防止管道内腐蚀的措施:通常采用涂料及内衬的方法;投加石灰后可在管内壁形成保护膜,降低水中H+浓度和游离CO2浓度,抑制微生物的生长,防止腐蚀的发生。当水中CO2浓度很高时,曝气可以去除CO2,使得[H2CO3]/[HCO3]的比值降低,从而使水体的pH值升高。美国加州Idyllwild供水区水质pH值略低,CO2含量高。曝气去除60%的CO2时可使水的pH值由6.3提高到7.5,管网腐蚀也得到了有效控制。2.4次供水箱设置改进蓄贮水池(箱)的工艺结构,优化供水保证率与调节容积之间的关系以保证水的流动性,防止微生物滋生;采用防污染卫生材质建造水池,防锈垢。采用新的二次供水设备,目前无吸程、无负压变频供水系统(也称管网迭压供水系统),它打破了传统的给水观念,不需建水池、水箱,减少污染机会,开创了二次供水的新纪元。例如,山东三利给水设备有限公司研制开发出的第五代产品无负压无吸程管网增压稳流给水设备,并被国家科技部等五部委确定为重点新产品。必要时在用水处采用二次消毒净水措施。尽量抬高蓄水池的标高,这样低水位的地下污水就不会从池体侵入蓄水池。蓄水池尽量不要设溢流管,如设溢流管应设存水弯,用水封防止外界污物进入。新建建筑的生活与消防水池要分开设置。北京市在1998年对生活饮用水与消防用水分开设置水池已作出了决定,两种水池分开设置可在很大程度上减轻生活用水的细菌污染,消防试水可排放到消防贮水池中,不必外排。依据地方性管理法规或规章,对二次供水蓄水池在设计、施工、管理中存在的问题进行监督管理,逐步把二次供水纳入法制轨道。对蓄水池(箱),每年应定期清洗、消毒不少于两次。如果条件允许可以考虑取消二次供水设施。据有关资料报道,像水池、水箱这种落后的二次供水设施,在发达国家早就淘汰。例如日本1992年的准则就规定自来水公司改建供水系统,取消水箱,采用变频增压泵直接供水到3~5层楼面。北美、欧洲等一些发达国家均在20世纪末完成了屋顶水箱的去除和配水管网的重新布置和改建。水箱和水池等二次加压设施的取消为城市自来水防治二次污染去除了一个最大的障碍物,是发达国家二次污染状况之所以如此轻的主要原因。2.5消毒副产物的消毒为了减少THMs、HAAs和氯化氰的产生,可以在常规处理工艺之前采取生物预处理等措施;尽量降低出厂水的浊度;投加不产生具有毒害作用的消毒副产物的消毒剂,例如氯胺等。研究表明,氯胺在控制生物膜方面比自由氯更有效果。即使自由余氯为3~4mg/L,对铁管上生物膜的控制效果也