供水管網中水質的化學穩(wěn)定性基礎研究

張洪菊

(西寧市湟中區(qū)水利項目服務中心,青海 西寧 811600)

1 前言

每個供水公司的首要任務是確保在適當?shù)膲毫ο?以所需的效率、最佳的細菌和物理化學參數(shù)連續(xù)生產、分配和輸送水。然而,盡管水凈化過程的效率很高,水處理廠出口處的水質較高,但在分配系統(tǒng)中,水往往會受到二次污染[1]。獲得安全飲用水是一項基本人權,對健康保護至關重要[2]。因此,預防水污染和維護供水系統(tǒng)的衛(wèi)生安全是世界衛(wèi)生組織目前的主要目標之一[3]。對分配系統(tǒng)的適當管理關注太少,會導致水在輸送給消費者的過程中產生二次污染。正常工作的飲用水分配系統(tǒng),不僅應確保進入供水系統(tǒng)水的質量參數(shù)正確[4],而且最重要的是應確保飲用者的場所。

水分配系統(tǒng)是一個復雜的反應器,其中可以發(fā)生物理、化學和生物過程,從而改變水的物理化學和細菌組成[5]。二次水污染的主要原因是:(1)給水管網的水缺乏化學和生物穩(wěn)定性;(2)水中消毒劑缺乏或數(shù)量不足;(3)當向用戶分配水時,可變的、不適當?shù)乃l件;(4)管道損壞和故障維修[6];(5)不同取水口的水混合導致的變化(易受主要涉及幾個取水口供應較大的城市);(6)在農村自來水廠的條件下水流速度低;(7)網絡開發(fā)和維護不足。

上述因素可分為與水、管網水力、開采周期和數(shù)量、管道材料和密封,以及管網結構相關的組。二次水污染通常是這些因素綜合作用的結果[7]。

根據(jù)有關規(guī)定,濁度應小于1 NTU,濁度值超過5 NTU時會使水呈現(xiàn)顏色[8]。金屬濃度與濁度呈正相關,并且隨著濁度水平的升高而增加。鑄鐵管道的腐蝕會促進系統(tǒng)中鐵顆粒的積聚。此外,金屬被用作水處理廠中的凝結劑,以消除有機物,這些有機物的殘留濃度可能進入分配系統(tǒng)并沉積在管道上。飲用水中這些金屬的過量存在會導致水變色或味道變化。

2 水質影響因素

2.1 水的化學穩(wěn)定性

配水系統(tǒng)中水的化學穩(wěn)定性和微生物穩(wěn)定性受原水質量和處理過程可靠性的影響。問題不在于進入網絡的水質,因為它必須符合衛(wèi)生相關條例的參數(shù)[9]。所有供水系統(tǒng)的主要問題是在從水處理廠輸送至客戶的過程中失去水穩(wěn)定性[10]。

當水不會導致沉積物(主要是碳酸鈣)沉淀時,水被認為是化學穩(wěn)定的[11]。配水系統(tǒng)中化學不穩(wěn)定水污染的主要指標是總鐵、相關濁度、顏色和游離氯的使用[12]。

確保水中碳酸鹽—鈣平衡可以消除其水垢,例如水泥襯里,但只會減少金屬的電化學腐蝕,其過程還取決于溶解氧、其他氧化劑和溶解物質的含量以及溫度[13]。

2.2 微生物穩(wěn)定性

生物穩(wěn)定的水不支持微生物生長,這與缺乏有機和無機營養(yǎng)素有關。酸化水生環(huán)境的酶加劇了植物材料的破壞[14]。在水的化學不穩(wěn)定性影響中,金屬的電化學腐蝕在生物膜的形成中起著重要作用。其影響取決于被腐蝕金屬的類型,可能會刺激或延遲生物生長的形成。第一種情況發(fā)生在腐蝕產物對微生物沒有毒性時,第二種情況則相反。在初始生命周期中,其成分構成營養(yǎng)物質來源的材料有助于生物膜的形成[15]。

生物膜可以被傳統(tǒng)材料如鑄鐵、鋼或水泥制成的水管以及塑料所占據(jù)。金屬制成的管道易受微生物腐蝕,這可能會導致水管的流量下降。使用合成材料并不能完全保護供水系統(tǒng)免受生物膜影響。在光滑表面上形成的生物膜與定殖材料結合較少,這使得增加的流速使微生物從中沖洗出來更容易[16]。

腐蝕性材料和腐蝕產物消耗一定量的消毒劑,并且通過阻礙它們接觸微生物,降低失活效力[17]。生物膜形成是一個多階段的過程,一方面取決于形成生物膜的微生物的特征,另一方面也取決于定殖材料的結構。

2.3 水的停滯

供水網絡中的水停滯可導致水質參數(shù)變化。根據(jù)種群大小,停留時間為2～30 d不等。當涉及到家庭飲用水系統(tǒng)時,水在被消耗之前可能會在管道中進一步停滯數(shù)小時、數(shù)天甚至數(shù)周[18]。事實上,家用管道會對水質產生相當大的影響,據(jù)報道,在家用自來水停滯后,鉛、鎘、銅和鎳的濃度增加。在分布網絡中,細菌生長受到低營養(yǎng)濃度、消毒劑殘留、低溫和短停留時間的限制[19]。然而,家用管道中的微生物質量可能會發(fā)生變化,因為較高的溫度、較長的停留時間、消毒劑殘留的耗盡以及管道材料或家庭環(huán)境中的營養(yǎng)污染可能會導致細菌生長。這可能會導致一系列問題,如飲用水中味道、氣味和顏色的劣變[20]。

3 材料和方法

這項工作的目的是評估供水網絡中選定水的物理和化學參數(shù)的變化。對進入供水系統(tǒng)和該市8個選定控制點的水樣進行分析。所取水樣的實驗室分析參數(shù)包括:顏色;pH值;濁度;高錳酸鹽指數(shù)(CODMn);錳;總鐵含量。

根據(jù)實驗室試驗水樣采集指南采集水樣,見表1。

表1 地下原水水質Tab.1 The quality of raw underground water

捕獲的含水層中水的特點是鐵和錳含量增加,濁度過高,不符合飲用水的要求。水處理過程按以下工藝順序進行,見圖1:(1)在自然氣流的開放式滴水塔上曝氣;(2)催化床上的壓力過濾;(3)用3%次氯酸鈉溶液消毒。

圖1 水處理廠(WTP)的水處理工藝流程Fig.1 Technological sequences of water treatment at the Water Treatment Plant(WTP)

該市供水網絡的長度約為122 km,直徑在25～300 mm之間。該市舊城區(qū)的大部分管網由鋼管和鉛管制成。新建部分以及連接件均由聚乙烯制成。網絡上有兩個儲備和均衡水箱,用于補償每小時和每天的取水不均。

4 結果和討論

表2顯示了供水網絡點中的水質參數(shù)。在進行測試期間,各項指標的平均值分別為:顏色1.5 mgPt/dm3,濁度0.39 NTU,總鐵0.008 mg Fe/dm3,CODMn值0.2 mgO2/dm3,pH值為7.52～7.54。

研究表明,供水網絡中的水參數(shù)發(fā)生了變化。濁度、顏色和總鐵含量變化最大,見圖2。

表2 供水網絡控制點的水參數(shù)Tab.2 Water parameters at control points in the water supply network

使用水限值15mgPt/dm30.41.72.02.22.32.53.03.1顏色/(mgPt/dm3)1614121086420與水處理廠的距離/km(a)顏色WTPP5P1P2P6P3P7P4P8P4P7P8P6P2P1P5P3使用水限值1NTU0.41.72.02.22.32.53.03.1與水處理廠的距離/km(b)濁度濁度/NTU1.61.41.21.00.80.60.40.20.0WTPP8P6P2P1P5P3P7P4使用水限值0.2mg/dm3Fetot/(mg/dm3)0.250.200.150.100.050.00與水處理廠的距離/km(c)總鐵含量0.41.72.02.22.32.53.03.1WTPCODMn/(mg/dm3)6543210與水處理廠的距離/km(d)CODMn0.41.72.02.22.32.53.03.1WTP使用水限值5mg/dm3P5P1P2P6P3P7P4P8圖2 供水網絡中的水參數(shù)Fig.2 Water parameters in the water supply network

由表2和圖2數(shù)據(jù)表明,在距離水處理廠2 km或更遠的點,受控水指標的值明顯高于距離較遠的點。網絡中水的pH值增加,P6和P8中的最高值分別為7.63和7.64。CODMn范圍為0.2 mg/dm3(P1)至1.1 mg/dm3,水處理廠出口處的初始值為0.2 mg/dm3。濁度在0.44 NTU(P1)至1.5 NTU(P2)之間變化,注入網絡中水的初始值為0.39 NTU。3個控制點超過了1 NTU的允許濁度水平。水色從2.25 mgPt/dm3(P1)變化到6.00 mgPt/dm2(P2和P8)。P2的總鐵含量最高,為0.149 mg/dm3。在所有測量點,均未超過允許值,而網絡中的鐵濃度比流出水處理廠的水中的鐵濃度高5～16.5倍。

分析表明,水的濁度和顏色的增加取決于總鐵濃度的增加(見圖3)。濁度增加和顏色描述方程:濁度=8.155[Feog]+0.267 2,顏色=28.998[Feog]+2.186 3。

圖3 濁度和顏色增加對總鐵濃度的依賴性Fig.3 Dependence of turbidity and colour increase on total iron concentration

研究證實,電網和家庭連接中水質惡化的原因是不利的材料結構。在P2、P3和P8中發(fā)現(xiàn),所檢查的水參數(shù)增加較大,以及其濁度為1 NTU的情況下,超過了預期消耗的水的極限值,位于鋼管網絡上。由于管道停滯,網絡末端(P4和P8)點的水參數(shù)特性也有所增加。水質的差異是由管道所用材料造成的。在P4點(聚乙烯管道),濁度、顏色、鐵和CODMn的增加較小,水沒有失去其營養(yǎng)價值。

5 結論

在初步研究的基礎上,結果表明,供水系統(tǒng)中的水參數(shù)與水處理廠出水的水參數(shù)值不同。所獲得的關于水中總鐵含量、相關濁度和顏色的結果表明,配水系統(tǒng)中水的化學不穩(wěn)定性。

在濁度為1 NTU的情況下,超過了擬消耗的水的限值。二次水污染取決于網絡或連接的材料類型以及與水處理廠的距離。在距離水處理廠2 km或更遠的地方,發(fā)現(xiàn)鋼管中的污染物濃度高于聚乙烯。