（市政工程专业论文）城市配水管网二次加氯的优化研究.pdf

颂十学位论文 摘要 氯是目前饮用水处理工艺中使用最为广泛的消毒剂，为了抑制水中微生物的 再度繁殖，我国将管网末端余氯浓度大于o 0 5 m t g l 作为一项饮用水卫生指标。 但是氯消毒时会与有机物反应，生成具有致癌、致畸、致突变的氯消毒副产物 ( c b p s ) 。为了控制c b p s 的浓度，可以改用其它消毒剂，也可以用优化消毒 工艺等方法。本文试图通过优化配水管网中加氯点的位置和加氯量，来达到控制 消毒副产物生成量的目的。 论文的第一部分，首先概述了余氯在配水系统中衰减规律。然后，建立了基 于一级反应的余氯衰减模型。提出用判断式计算方法来计算节点的余氯浓度，并 用v b 编程语言在计算机上实现。 论文的第二部分，是课题的主要研究内容。首先提出利用管网二次加氯，在 保障微生物安全性的同时，尽量降低管网各个节点的余氯浓度，并使各点浓度尽 可能的均匀，这一优化目标。然后，建立了相应的优化模型，并将改进的遗传算 法应用于该优化问题。 为了验证模型及算法的有效性，将前面建立的余氯衰减模型和二次加氯优 化模型，运用于有两个供水水源的实际管网。从计算结果中可以看出：随着加氯 点个数的增加，整个管网的节点浓度不断下降，而且渐趋均匀，建立的优化模型 是有效的，而且遗传算法的应用也是非常成功的。 关键词：氯消毒；余氯衰减模型；二次加氯点：加氯量：遗传算法 城市配水管网二次加氯的优化研究 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，c h l o r i n ei st h em o s tw i d e l ye m p l o y e dd i s i n f e c t a n ti nd r i n k i n gw a t e r t r e a t m e n t am i n i m u mf r e ec h l o r i n er e s i d u a ll e v e lo fo 0 5 m g la tt h em o s te n do ft h e d i s t r i b u t i o ns y s t e m si so r d e r e dt oc o n t r o lt h eg r o w t ho fp a t h o g e n i cm i c r o b e sa sas a f e d r i n k i n gw a t e rs t a n d a r di no u rc o u n t r y r e a c t i o n so fc h l o r i n ew i t ho r g a n i cm a t t e rc a n p r o d u c ec h l o r i n a t i o nb y - p r o d u c t s ( c b p s ) ，w h i c hm a yb ec a r c i n o g e n i c ，t e r a t o g e n i c ，o r m u t a g e n i c o t h e rd i s i n f e c t a n t sm a yb eu s e da sa na l t e r n a t i v et oc o n t r o lt h ec b p s c o n c e n t r a t i o n ，a n do p t i m i z i n gc h l o r i n a t i o np r o c e s sa l s ow o r k s t h es t u d yt r i e st o c o n t r o lt h ec b p s y i e l dt h r o u g ho p t i m i z i n gt h ec h l o r i n ea d d i n gp o s i t i o n sa n dd o s a g e s i nt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m a tt h ef i r s tp a r to ft h ep a p e r , k i n e t i c so fc h l o r i n ed e c a yi nt h ew a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e m sa r ef o r m u l a t e da n daf i r s t - o r d e rm o d e li se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h e s e a na p p r o a c hn a m e d j u d g i n g m o d ei sp u to u tt oc a l c u l a t en o d e s c o n c e n t r a t i o n s t h e a p p r o a c hi s t r a n s l a t e da n de d i t e di n t ov i s u a lb a s i cl a n g r a g ea n dw o r k so u tt h e c o n c e n t r a t i o n s s e c o n dp a r ti st h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e r f i r s t l y ，t h eo p t i m i z a t i o ng o a li s p u t o u t ，w h i c ht r i e st om a k et h ec h l o r i n er e s i d u a lc o n c e n t r a t i o n so fn o d e sa sl o wa n d e q u a b l ea sp o s s i b l ei nt h ew h o l ed i s t r i b u t i o ns y s t e m ，o nt h ep r e m i s et h a tm i c r o b i a l s e c u r i t yc a nb ea s s u r e d ，t h r o u g ho p t i m i z i n gt h ec h l o r i n ea d d i n gp o s i t i o n sa n dd o s a g e s i nt h es y s t e m s e c o n d l y , t h em o d e l a c c o r d i n gt oi ta n db e i n gb a s e do nt h ei m p r o v e d g e n e t i ca l g o r i t h m s ( g a ) i se s t a b l i s h e d f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e c a ym o d e la n do p t i m i z a t i o nm o d e lp r e s e n t e d a b o v ei sd e m o n s t r a t e db ya p p l i c a t i o nt h e mi n t oat w os o u r c e sd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n si nt h en e t w o r ka r e c o n t i n u o u s l yd r o p p i n g a n db e c o m i n gu n i f o r m t h eo p t i m i z a t i o nm o d e l w o r k sw e l la n d a p p l y i n gg ai ni ti sa g r e a ts u c c e s s k e yw o r d s ：c h l o r i n a t i o n ；c h l o r i n ed e c a ym o d e l ；r e c h l o r i n a t i o np o s i t i o n ；d o s a g e ； g e n e t i ca l g o r i t h m s i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：诺雅每 日期：) 一上年 月冲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：苇礁名 导师签名： 坳士岔 日期：3 m 当年 日期：j f 年 当月珥日 月珥日 硕士学位论文 1 1 饮用水消毒概论 第1 章绪论 饮用水水质的微生物风险( 一般是急性的) 和化学风险( 一般是慢性的) 是 影响人体健康的两个最主要的方面【l 】。消毒的主要目的就是杀死饮用水中对人体 有害的病原体、细菌等微生物，防止水传播疾病，保证出水中微生物指标。 按消毒剂投加点不同可以分为：预消毒( p r e d i s i n f e c t i o n ，也称滤前消毒) 、 消毒( p o s t d i s i n f e c t i o n ，也称滤后消毒) 、再消毒( r e d i s i n f e c t i o n ，也称二次消毒) 。 预消毒通常是指在投加混凝剂的同时投加一定量的消毒剂，氧化水中的有机物以 提高混凝效果，并防止水厂内各类构筑物滋生青苔和生物膜等。它不是以灭活病 原体微生物为主要目的的，而主要起到氧化的作用，也可称为预氧化，属予广义 的消毒。滤后消毒就是通常意义上所讲的消毒，在过滤之后进清水池之前投加消 毒剂，用于杀死水中的细菌、病毒等，保证出厂水的水质，并能在一定程度上维 持供水系统中的水质。当供水系统延伸很长或系统中有蓄水池、较长支管时，为 了维持末端消毒荆浓度，可在系统内部投加消毒剂，称为二次消毒。 1 1 1 常用消毒剂及其优缺点 按消毒剂种类可分为：氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒、氯 胺消毒及高锰酸钾消毒等。到目前为止，氯仍然是饮用水处理中使用最广泛的消 毒剂1 2 j 。据u s e p a l 9 9 7 年的调查表明，有超过6 3 的水厂用氯预消毒，有超过 6 7 的水厂用氯消毒。但是自1 9 7 4 年，b e l l a r 和r o o k 等在研究中发现，氯消毒 时会产生氯仿【3 。】。美国国家癌症协会已经证实氯仿对动物具有致癌作用。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 i f e c t a n t sa n d o x i d a n t sg u i d a n c em a n u a l ) ，手册中详细介绍了臭氧、二氧化氯、高锰酸钾、氯 胺、臭氧过氧化氢、紫外线、及其它联合消毒方法。u s e p a 把各种常用的含氯 消毒剂，按氧化性强弱排序如下：二氧化氯 次氯酸 次氯酸根 氯气 二氯化氨 氯化氨p j 。 1 1 1 1 氯消毒及其忧缺点 自1 9 0 2 年在比利时的m i d d l e k e r k e 第一座永久性的投氯消毒水厂建成以来， 将氯用于饮用水消毒已经有百余年的历史了 6 1 。氯是一种强氧化剂，能杀死水中 的细菌、病毒、原生动物及其孢囊和寄生虫等有毒有害物质，是保证饮用永安全 1 生的一项重要水质指标。氯具有持续消毒作用，在供水系统中维持一定量的余 城市配水管n - 次加氯的优化研究 _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ ii 一 氯，不仅可以抑制水中微生物和细菌的再度繁殖，而且输送过程中受到二次污染 时，可以起到“再次消毒”的作用。我国将管网末端余氯浓度 o 0 5 m g l 作为一 项饮用水卫生指标。美国自来水厂中约有9 4 5 采用氯消毒，据估计我国9 9 5 以二的自来水厂采用氯消毒1 6 j 。 氯消毒具有以下优点：( 1 ) 消毒成本低，投加设备简单，可以用液体形式储 存，直接在进水管当中投加，占地极少，且经验成熟，管理简单。( 2 ) 氯在配水 管网当中的停留时间长，可维持饮用水在输送过程中的水质，并能对二次污染起 到消毒作用，特别适合大型配水管网及有长支线的管网。 但是氯消毒的缺点也不容忽视：( 1 ) 会与腐殖类物质反应，生成三卤甲烷 ( t h m s ) 等“三致”物质。( 2 ) 会与酚类反应生成具有怪味的氯酚，与氨反应 生成氯胺。( 3 ) 在p h 值较高时消毒效力大幅度下降。( 4 ) 长期使用会引起某 些微生物的抗药性。 1 1 1 2 二氧化氯消毒及其优缺点 二氧化氯( c 1 0 2 ) 很不稳定，受热或遇光容易分解成氧和氯引起爆炸，且无 法压缩或储存，必须现用现制。它在碱性溶液中会歧化为c 1 0 2 - 和c 1 0 3 一；在酸 性介质中，在强光的照射下也会生成c 1 0 3 - 1 7 1 。有学者通过实验得，c 1 0 2 的分解 速度与p h 值和o h 一浓度有关，在p h 9 时将发生歧化反应，使c 1 0 2 分解加速饽j 。 由于自由基的存在，c 1 0 2 的氧化性非常强，是氯的2 + 6 3 倍。它不仅能有效的 杀灭隐孢子虫及其孢囊；还能灭活脊髓灰质病毒i 型、柯萨奇病毒b 3 等病毒； 甚至还能降解废水中的氨苯类化合物；去除苯酚类化合物( 生成t h m s 和卤乙酸 ( h a a s ) 的主要前驱质) 的效果也明显优于氯1 9 j 。 c 1 0 2 之所以具有比一般消毒剂更强更广的灭菌效果，主要是因为它在水溶液 中是以分子形式存在的，其灭菌机理和氯不同。一般认为c 1 0 2 作用于病毒的核酸， 影响d n a 和r n a ，主要是r n a 的复制作用；或作用于病毒的外壳蛋白，改变蛋 白质和脂类的外层膜增加渗透性，通过这两种途径杀灭细菌。 c 1 0 2 消毒具有以下优点：( 1 ) 它能直接氧化水中的腐殖酸或黄腐酸等天然 有机物，不会生成t h m s 等物质。( 2 ) 在水中不发生水解，不与水中的氨氮反 应；其杀菌效率不受p h 值和氨氮浓度的影响。 ( 3 ) 能有效的去除水中的藻类、 酚类、硫化物、铁、锰等有害物质，及这些物质造成的色、臭、味等。( 4 ) 能有 效杀灭水中用氯消毒效果较差的病毒和孢子等。 同时它也有很多缺点：( 1 ) 消毒成本离，大约是氯消毒的5 倍。国内c 1 0 2 消毒主要集中在中、小型水厂，尤其是县级左右的小水厂【”1 。( 2 ) 副产物的分 析检测手段还不完善，操作管理水平要求较高。( 3 ) 稳定性差，无法储存，只能 在现场制备，转化率较低。( 4 ) 消毒时会产生无机消毒副产物c 1 0 2 - 和c 1 0 3 一， - 2 硕士学位论文 它们可以在人体内积聚，使血红蛋白氧化成正铁血红蛋白，造成溶血性贫血。有 研究表明，c 1 0 2 - 和c 1 0 3 - 对红细胞有损害，对碘的吸收代谢有干扰，还会使血液 当中的胆固醇升高，而且c 1 0 2 - 很难被生物降解j 。 c 1 0 2 在去除间二苯酚和问甲苯酚时不会产生氯代酚1 9 】，从而不会生成t h m s 等消毒副产物。但是学者李君文等在研究c 1 0 2 对控制水中t h m s 时发现：当水中 含有溴离子( b r 一) 时，c 1 0 2 会将其氧化成次溴酸( h o b r ) 。后者具有和次氯酸 ( h o c i ) 类似的化学性质，可与水中t h m s 的前驱质反应生成溴仿。而且还发现 生成了c h b r 2 c 1 和c h b r c l 2 ，作者推测后两种物质的生成，很可能是由于与h o b r 反应的t h m s 前驱质本身含有氯原子【1 2 】。 1 1 1 3 臭氧消毒及其优缺点 臭氧具有很高的氧化电位( 2 0 7 v ，氯为1 3 6 v ) ，是目前已知的化学消毒剂 中氧化性最强的消毒剂【i ”。它溶于水中会发生两种反应：一神是直接氧化；另一 种是在有机物、腐殖质、高浓度氢氧根等诱发下分解成为羟基自由基，间接氧化 有机物、微生物等。前一种反应缓慢，有明显选择性；后一种反应快，没有选择 性。 关于臭氧的灭蓠机理，各学者有不同的看法：r o y 等研究报告，臭氧可破坏 病毒衣壳蛋白的四条多肽链并使r n a 受到授伤；k i m 等报道，臭氧作用过程中， 可使噬菡体中的r n a 被释放，电镛观察可见墩菌体被断裂成小碎片；还有人认 为，臭氧可与细蒜韵组缒壁嚣类双链反应，穷入菌体内部，作用于脂蛋白和腊多 糖，改变细胞的通透性从而导致细菌溶解和死亡【1 4 】。 臭氧消毒具有以下优点：( 1 ) 广谱杀菌性，消毒效果为氯消毒的1 5 倍，尤 其是对耐氯性的隐孢予瓤贾第虫，在低投加重下蜕能达鹭很好的灭活效果。( 2 ) 当水中含有腐殖质等天然有机物时，不与其生成t h m s 等物质。( 3 ) 不会产生 异昧，口感明显优予氯消毒。 臭氧消毒的缺点：( 1 ) 与氯消毒工艺相地。臭氧消毒生产设备庞大，流程复 杂，设备投资是液氯的5 倍以上：需要较高的运行管理水平，运行费用高。( 2 ) 会与水中有机污染物反应产生有碍健康的醛、酮类有机副产物；与溴离子反应生 成具有致癌和致突变的无枫副产物b r 0 3 一。u s e p a 推荐b r 0 3 一的最大污染水平 ( m c l ) 为1 0 g ，l ，w h o 的推荐标准是2 5 l lg l 。( 3 ) 臭氧的分压极小，在 水中不稳定，室温下的半衰期约为3 0 m i n ，出厂前需投加氯或氯胺以保证管飘水 质。( 4 ) 如使用不当，臭氧预消毒与氯消毒工艺联用，反而会产生比单用氯消毒 更多的三卤甲烷1 1 5 】。 3 城市配水管网二次加氯的优化研究 1 1 1 4 其它消毒剂消毒 1 紫外线消毒 饮用水紫外线消毒中通常用到c 波段，辐射波长为2 5 3 7 n m 1 6 】。因为遗传物 质r n a 和d n a 在2 5 4 n m 附近有强烈的吸收值。紫外线的杀菌效果取决于辐射剂 鬟一一辐射强度辐射时间i l ”。其消毒机理有两方面：一方面，紫外线能够改变 r n a 和d n a 当中含氮的杂环物质，如胸腺啼啶，在相邻的核苷之间产生新键， 形成二聚物，导致微生物无法自我复制，从而达到消毒的目的：另一方面，紫外 线辐射产生羟基自由基o h ，引起光电离，使细胞死亡i ”】。 紫外线消毒的杀菌效果好，只要有充足的辐射剂量几乎能杀死水中所有的微 生物；而且无需投加任何药剂，不会产生卤化消毒副产物。但是它的消毒效果与 水的透射能力有关，水中悬浮物浓度高、水深较大时消毒效果很不好，只适用于 水源水质较好的给水处理厂：而且无残留消毒荆，需另外投加其它消毒剂以保证 管网水质，所以给水处理中j 一般不单独使用。 2 氯胺消毒 在三种氯胺当中，具有消毒作用的主要是一氯胺( n h 2 c i ) 。氯胺消毒可以 大幅度降低处瑗水中的卤代刮产物浓度，同时又能控制水中细菌、病毒等f l b 】；能 去除氯消毒所引起的异味，在配水管网中能长期稳定的存在；而且使用方便，设 备简单，操作费用低。但是它对细菌、病毒能灭活率不如氯，需要大剂量或延长 反应对间，使用时必须砰格控制氨的投加量，耢止生成n i i c l 2 和n c l 3 。 3 高锰酸钾消毒 高锰酸钾只有在酸性介质中才可作为强氧化剂。一般适用于预氧化。经其处 理后的水，在氯化消毒过程中生成的有机副产物种类和浓度都明显低于未经处理 过的l l 。但由于它在中性介质中为弱氧化荆，在饮用水处理当中对细菌、病毒的 灭活效果不是很好；当原水中有机物浓度较大时，投加量和接触时间都会增舰， 消毒后水中残留的锰浓度很容易超标【2 。1 。 4 过氯化氯消毒 过氧化氢是一种强氧化剂，氧化还原电位与p h 值有关：p h 一0 时，e = l 。8 0 v ； p h 2 1 4 时，e = o 8 7 矿”j 。过氧化氢消毒后产生无污染的水和氧气，无二次污染， 具有氧化选择性，可用于硫化物、酚类和氰化物豹氧化，对细菌也有一定的杀伤 力e 常用予处理工业废水，在饮用水处理中一般与其他消毒方法如u v 、臭氯消 毒联用，很少单独使用。 1 1 2 氯消毒副产物及其控制方法 氯消毒的地位受到动摇，主要是因为消毒过程中与水中的天然有机物( n o m ) 如腐殖质类物质发生反应，生成致癌、致畸、致突变的“三致”性氯化消毒副产 - 4 硕士学位论文 物( c b p s ) 物质。如何控制水中c b p s 一直是众多学者研究的热点。c b p s 的控 制方法除了改用其它消毒剂之外，还有：去除前驱质、优化消毒工艺、直接除去 c b p s 等方法。u s e p a 在1 9 9 9 年4 月颁布了消毒剂和氧化剂替代手册 ( a l t e r n a t i v ed i s i n f e c t a n ta n do x i d a n t sg u i d a n c em a n u a l ) ，里面详细的描述了各 种消毒工艺及其优缺点；也一再强调：没有必要放弃氯消毒，要根据具体的情况， 特别对于已建成的大型水厂，只要运行管理正常，完全通过优化处理工艺来满足 消毒剂消毒副产物规定( d d b p ) 第一阶段要求。 1 1 2 1 去除前驱质 在消毒前将原水中的有机物极大限度地降低，是控制消毒副产物的有效方法。 它可以减少氯的投加量以降低c b p s ，而且可以减少输配水管网中微生物的生成 量，保证管网水质。去除前驱质的方法主要有：强化混凝、生物化学氧化、活性 炭吸附、膜过滤等。 强化混凝是指以去除水中有机物为目的，增加混凝剂的投加量或优化混凝条 件以去除有机物。它主要通过网捕或吸附架桥作用，能有效去除c b p s 的前驱质： 腐殖酸( h u m i ca c i d ) 、黄腐酸( f u l v i ca c i d ) 和藻类( a l g a e ) 。在美国，水处理 工作者普遍认为，强化混凝是实现d d b p 第一阶段目标的最佳途径【2 1 1 。 生物化学氧纯是指用微生物或化学药；l i ，将大分子有机物氧化成小分子物 质，甚至降解成无枫物。生物滤床就是生物氧化的一个应用，目前国内外慰其研 究也很多。化学氧化的成本较高，而且很容易带入大量后续常规工艺无法去豫的 无机分子。活性炭吸附常和生物化学氧化联会使用，效果很明显。也可在活性炭 上培养一定量的微生物，形成生物活性炭，帮助降解有机物。 膜过滤的作用效果很明显，而且可以根据处理的需要，选用不同孔径的过滤 膜。孔径越小，处理效果越好；但是处理成本也就越高。目前，国内外有学者， 向污水处理工艺借鉴，在膜上培养微生物，以增加处理效果。 1 1 2 2 优化消毒工艺 优化消毒工艺是指在不增加原有处理工艺的前提下，通过改变加氯点、控制 加氯薰和强化加氯技术来减少c b p s 。 改变加氯点：原水中c b p s 前驱质浓度较高时，应该避免一级泵前、沉淀池 或过滤前投加氯；应该把加氯点放在过滤后，甚至在管网当中二次加氯。国外把 在管网中二次加氯称为一一卫星加氯( s a t e l l i t ec h l o r i n a t i o n ) ，它也是u s e p a 在 控制氯消毒副产物时，一种较为推荐的切实有效的方法。因为，把加氯点分散到 管网中，不但能保证后续管网的余氯浓度，又能大大的降低前面管网中的氯消毒 副产物浓度；而且二次加氯点设备筒革，成本较低。有学者在实际管网中，进行 多次加氯研究表明：随着加氯点的增加，氯衰减系数 值不断减小2 2 1 。即管网消 5 一 城市配水管网二次加氯的优化研究 耗氯的速度越来越慢。 控制加氯量：加氯量较多时，能维持水中较高的余氯浓度，有利于消毒灭菌； 但是会增加氯与c b p s 前驱质反应的几率。水中游离性氯i 0 5 m g l 时，就会加速 t h m s 的生成；而且，水中含氯高时，会产生氯臭。而加氯量不足时，水中的微 生物、细菌、病毒等会大量繁殖：甚至引起水传播性疾病。所以，在保证微生物 安全性的前提下，要尽量减少氯的投加量。最好使各每个用户端的出水，都等于 最小允许氯浓度。 强化加氯技术：氯投加后快速均匀混合，可以提高氯的利用率，降低加氯基； 缩短接触时间，减少与c b p s 前驱质反应的几率。也就是说，要使所投加的氯尽 嘏用于杀灭细菌等微生物上，而不是与有机物反应。 1 1 2 3 直接去除割产物 c b p s 由三卤甲烷( t r i h a l o m e t h a n e s ，t h m s ) 、卤乙酸( h a l o a c e t i ca c i d s ，h a a s ) 、 卤代乙腈( h a l o a c e t o n t r i l e s ，h a n s ) 、卤代酮( h a l o k e t o n s ，h k s ) 、卤化乙醛 ( h a l o a l d e h y d e ，h a ) 、卤化硝基甲烷( h a l o p i e d n ，h p ) 、氯化氰( c y a n o g e n c h l o r i d e ) 、卤代苯酚( h a l o p h e n 0 1 ) 和水合量氯乙醛( c h l o r a lh y d r a t e ，c h ) 等组 成，其中t h m s 是挥发性物质，h a a s 是非挥发性物质【2 孔。我们根据c b p s 的物 理化学特性，采用相应的生物、物理、化学方法可以将其或其中部分直接去除。 ：e 要有：物理吹脱法、活性炭吸附、貘分离技术等。后两种方法与1 3 1 中提到 的类似，只是除去的对象为c b p s 本身，而不是它的前驱质。 根据c b p s 中含有部分挥发性物质的特点，可以采用物理吹脱法将挥发部分 去除，在1 1 4 种有机污染物中有3 1 种可采用欧脱法去除。a m y 等人实验表明， 采用填料式吹脱塔v o c s 和t o x 的去除搴可达9 5 和6 3 以上【2 4 1 。同时，c b p s 易于被活性炭吸附，国内有学者采用粉末活性炭去除饮用水中的三卤甲烷和四氯 化碳，前者去除率达5 0 ，后者达1 0 左右f 2 瓤。 1 2 本课题的背景及研究内容 1 2 1 研究的背景 饮用水的安全、卫生一直是人们所关心的问题，尤其是随着生活水平的提高， 人们更加关注饮用冰水质问题( 包括：微生物风硷和化学风险) 。氯消毒仍然是 h 前使用最广泛的消毒方式，尤其是在大型配水系统中，为了保证管网水质韵微 ! e 物指标，往往要采用氯消毒。氯消毒具有其他消毒方法所没有的优点；价格低， 性质稳定，可防止输水管网中二次污染，对微生物、细菌、病毒具有很好的灭杀 性能。在考虑饮用水安全性时，首先必须避免微生物对人体健康的影响，然后才 是消毒副产物的影响。我们所需要研究的是饮用水化学安全性和微生物安全性的 6 - 硕士学位论文 统一。 目前，各个国家对c b p s 主要成分的浓度( 主要是：t h m s 和h a a s ) 作出了 限制，人们也开始尝试采用各种方法降低c b p s 的浓度以适应新的饮用水：e 生规 范。当然我们可以用其它消毒方式代替氯消毒，但是这些消毒方式往往成本较高， 而且某些消毒副产物的安全性还有待验证。基于这一背景，本文提出在管风中二 次加氯的方法，并建立二次加氯的优化模型：在保障微生物安全的同时，尽量降 低管网各个节点的余氯浓度，并使各点浓度尽可能的均匀。这对于降低c b p s 浓 度，减少加氯量，具有现实的指导意义。对供水企业而言，既具有社会效益，又 具有经济效益。 1 2 2 研究的内容 本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 研究配水管网中余氯的衰减规律，建立给水管网余氯动态模型，模拟出 各个节点的余氯浓度。 ( 2 ) 提出利用管网= 次加氯，在保障微生物安全性的前提下( c i c 耐。) ，尽 爨降低管网各个节点的余氯浓度，并使各点浓度尽可能的均匀，这一优化目标。 建立了相应的优化模型，并将改进的遗传算法( g a ) 用于求解该优化问题。 ( 3 ) 为了验证模型及算法的有效性，将前面建立的余氯衰减模型和二次加氯优化 模型，运用于有两个供本水源的实际管网。求解出不同加氯点个数下，二次加氯点位 置和加氯量。 一7 统一。 目前，各个国家对c b p s 主要成分的浓度( 主要是：t h m s 和h a a s ) 作出了 限制，人们也开始尝试采用各种方法降低c b p s 韵浓度以适应新的饮用水卫生规 范。当然我们可以用其它消毒方式代替氯消毒，但是这些消毒方式往往成本较高， 而且某些消毒副产物的安全性迷有待验证。基于这一背景，本文提出在管隰中二 次加氯的方法，并建立二次加氯的优化模型：在保障微生物安全的同时，尽量降 低管网各个节点的余氯浓度。并使各点浓度尽可能的均匀。这对于降低c b p s 浓 度，减少加氯量，具有现实的指导意义。对供水企业而言，既具有社会效益，叉 具有经济效益。 1 2 2 研究的内容 本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 研究配水管网中余氯的衰减规律，建立给水管网余氧动态模型，模拟出 各个节点的余氯浓度。 ( 2 ) 提出秘甩管嚼二次搬氯，在保障微生锯安全性的前提下( c i c “n ) - 尽 量降低管网各个节点的余氯浓度，并使各点浓度尽可能的均匀，这一优让目标。 建立了相应的优化模型，并将改进的遗传算法( g a ) 用于求解该优他闻慝。 ( 3 ) 为了验证模型及算法的有效性，将前面建立的余氯衰减模型和二次加氯优化 模型运用于有两个供衣水源舶实际管网。球解出不同加氯点个数下，二次加氯点位 模型，运用于有两个供水水源的实际管用。习乏解出不同加氯点个数下，二次加氯点位 置和加氯蠡。 p 7 城市配水管网二次加氯的优化研究 第2 章余氯的衰减规律 2 1 氯消毒动力学 2 1 1 氯与水反应动力学 氯的性质非常活泼，一投入水中就迅速与水反应生成次氯酸( h o c l ) 和盐酸 ( h c i ) ；随后，次氯酸部分电离为氢离子和次氯酸根离子；水中含有溴离予时， 次氯酸会将其氧化成次溴酸： c 1 2 + h 2 0 七峥h o c l + h c l ( 2 1 ) h o c l _ h + + o c i 一( 2 2 ) h o c l + b r 一h o b r + c i 一( 2 3 ) 其中起杀毒作用的是h o c i 和o c i 一，两者的相对比例取决于温度和p h 值。 p h 值高时，o c i 一较多，当p h 9 时，o c i 一接近1 0 0 ：p h 值低时，h o c l 较多， 当p h 3l - tm 的微粒数约为 2 9 31 1 1 6 个，其主要成分为：铁锰氧化物、砂子、锌絮凝体、有机微污染物等， 其中的一部分也能也氯发生反应f 3 4 1 。 2 2 2 影响管壁衰减的因素 影响管壁衰减的因素主要有：管材、管径、氯的初始浓度、腐蚀瘤( t u b e r c l e s ) 、 生物膜( b i o f i l m ) 、流速等f 3 1 ，3 5 3 9 1 。 1 警材对k 的影响 h a i l a m 等人研究了实际管网中d i c l ( c e m e n t 1 i n e dd u c t i l ei r o n ) 水泥衬里球 墨铸铁管、m d p e ( m e d i u md e n s i t yp o l y e t h y l e n e ) 密度聚乙烯管、p v c ( f i o l y v i n y l c h l o r i d e ) 聚氯乙稀管、s i ( s p u ni r o n ) 旋铁管和c i ( e a s ti r o n ) 铸铁管五种不同的管材 对七w 的影响。将其分成反应性材料s i 、c i ，非反应性材料d i c l 、p v c 和m d p e ， 并将各种材料的大小排序如下：c i s i d i c l p v c m d p e t m 】。 文献p 9 】引入污染物最大生成潜能c m 。这个概念，遁过实验估算出6 种管豺 的c 。，见式( 2 1 3 ) 和表2 1 ： c o = c 材质+ c 承重 ( 2 1 3 ) 裹2 1 六种管材c 。；试验估计值 管道类型混凝土管水泥砂浆衬里管铸铁管钢管u p v c 管不锈钢管 c # _ ( m g l ) 2 1 2 1 1 62 51 oo 5 2 管径和流速对七w 的影响 绘水管道的水力半径为d 4 ，也就是说管径d 越小，单位体积水接触的管壁 面积越大，与之反应的生物膜就多。所以d 和k 成反比，d 越小越容易消耗氯。 城市配水管网二次加氯的优化研究 流速对k 的影响主要表现在低流速情况下。流速影响氯的轴向和径向传输速 度及生物膜生长和脱落等。流速较大时，管内水体流动呈紊流状态，层流层很薄， 径向扩散和轴向混合较快，余氯容易传输到管壁上被管壁消耗掉。流速较低时， 层流层比较厚，从紊流层到层流层的传输速度较慢，传到管壁上的余氯浓度较低， 管壁消耗的氯就少。h a l l a m 通过现场采样分析，对于无衬里钢管，当流速小于 0 1 5 m s 时，管壁消耗就可以忽略不计了。但是各种管材，都找不到流速与k 的 线性、幂或指数关系。 3 c o 对k 的影响 h a l l a m 等人发现，k 值随着c o 的增加而不断下降。但是两者之间并不是简 单的线性关系，他们用幂方程来表示，不同的管材有不同的指数。通过实验得出 如下关系式【3 lj ： c i c l ：k 。= 0 0 5 c o ” ( 2 1 4 ) p v c ：k 。= 0 0 2 c 0 1 ” ( 2 1 5 ) m d p e ：k = 0 0 2 c o ” ( 2 1 6 ) 我们可以这样理解，管壁上生物膜等与余氯反应的物质的量是有限的，单位 时间消耗氯的量相同，所以初始浓度高时，k 值反而下降。 4 生物膜对k 的影响 生物膜对k 的影响存在两个相反的方面。一方面，生物膜本身可以和氯发生 反应，消耗一部分余氯；另一方面，生物膜可以保护管壁表面受到氯的腐蚀，减 少氯的消耗。两者之间的关系和生物膜生长情况、微生物种类、生长周期等因素 有关。k i e n e 等在4 m m 的多孔珠子上培养生物膜，对其研究表明：对于从管网中 移植过来的生物膜，消耗常数一0 1 l 一0 1 8 h 一；对于直接在珠子上培养成的生物 膜，消耗常数为o 1 0 h 。【3 孙。但是，实际管网当中由于管材、水质、管龄、流悉等 不同，生物膜生长和分布和很复杂，以上常数只能作为参考。 2 3 氯在配水管网中的衰减模型 由于各个配水管网之间的差异，以及同一配水管网在不同工况下水力、水质 条件的多变性，使得氯虽被广泛使用，但对其衰减机理仍不十分明确，模型考虑 的影响因素也各不相同，特别是衰减常数k 的取值范围很大。目前常见的模型大 多为经验型或半经验型。 余氯在配水系统中的衰减根据反应对象不同，可以分为水体衰减( b u l k d e c a y ) 和管壁衰减( w a l l d e c a y ) 两部分。其中水体部分可以分为一级、二级和一、二级 组合衰减模型；管壁部分可以分为零级和一级反应模型。根据反应速度不同，可 以将氯的整个衰减过程分为单独的两个阶段：快速衰减阶段( f a s td e c a y ) 和慢速 衰减阶段( s l o wd e c a y ) 【4 0 1 。前者指氯投加后的约前1 2 小时，氯和有机物的浓 一1 2 硕士学位论文 度都比较高，反应速度较快，通常用二级反应来模拟，简称快衰期。到后期由于 氯与无机物等快速反应浓度降低，假设有机物的浓度远远大于氯的浓度，用传统 的一级反应来模拟，简称慢衰期。也可以用两个一级反应来模拟，只是采用两个 不同的衰减常数k 值。 2 3 1 水体衰减模型 2 。3 1 1 一级衰减模型 在研究氯衰减时，通常假设水体中与氯反应的有机物浓度远远大于氯的浓度， 反应速度只和氯的浓度有关，即式( 2 5 ) 中的c r 为一个常数；并认为管网纵向 是远远大于横向的( 在同一断面上均匀、瞬间、完全混合，充分反应) ，可以用 一维一级反应模型来模拟。用式子可以表示为： 生1 = 一如 (217)dt i t , m , 一。 对两边同时积分得： c ，= c o e x p ( - k b t ) ( 2 1 8 ) 式中：c o 一一初始时刻氯的浓度； c 。一一加氯后f 时刻水体中氯的浓度； 一水体衰减常数。 具体到特定的水体，可以通过实验室条件下，由实验确定某一温度下该水体 的七b 值，再由阿氏方程换算出不同温度下的k b 值。 2 3 1 2 二级衰减模型 二级衰减模型也是认为管网纵向是远远大于横向；与级模型不同的是，认 为有机物浓度对反应速率有影响。由式( 2 5 ) 可以得到： 冬 = 一氏c c r ( 2 1 9 ) 否 2 1 b c c r “ 我们可以假设到，时刻有j 的氯反应掉了，财有机物的量也减少了艿，这时 余氯和有机物的浓度可以分别表示为： c = c o 一艿 ( 2 2 0 ) 靠= c r o 一6 ( 2 2 1 ) 其中c r 0 表示反应物的初始时刻浓度。将式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 代入式( 2 1 9 ) ， 并对两边同时积分得： l n 缨：一c ) k b ， ( 2 2 2 ) 岛( c r o 一占) - 1 3 城市配水管网二次加氯的优化研究 2 3 1 3 一级、二级组合衰减模型 一级模型虽然简单，但是它难以解释氯在初始阶段衰减较快这一现象。f a n g h u a l 3 5 1 和周建华等【4 1 1 采用一个类似于式( 2 4 ) 的综合化学反应式，建立了一级二 级组合式模型( c o m b i n e d f i r s ta n ds e c o n d o r d e r m o d e l ) ，并用实验数据证明比传统 的一级模型能更好的模拟氯的衰减过程。 c l ，+ a x 呻产物( 2 2 3 ) 其中x 为水体中的n o m ，它的初始浓度凰可以用t o c 来表示：x o = m t o c 。m 为t o c 和之间的比例系数，不同的水质m 值不同。 假设到t 时刻有( c o - - c ) 的氯参加反应，那么参加反应的x 为( 凰一a ( c o c ) ) 。将其代入式( 2 1 9 ) 得到： 砉一k ：( x o - - o t ( c o _ c ) ) ( 2 2 4 ) 将式( 2 7 ) 和凰代入式( 2 2 4 ) 得： i d c = 一( m t o c 一鲫。) e - v , r x c 一删p 一”7 c 2 ( 2 2 5 ) 令：k l = ( m t o c - a ) k b ，k 2 = 硪b ：式( 2 2 5 ) 可以写成： i d c i = - k , c - k 2 c 2 ( 2 2 6 ) 对上式积分得： ! + 蔓：( 土+ 皇) e 岫 ( 2 7 ) 22 一+ ：- 2 一+ o k l ( c k l、c 0 毛7 2 3 2 管壁衰减模型 余氯可以跟管材、黏附在管壁上及从管壁上分泌出来的物质、管壁表愿紧接 的分子层反应，该层总称为活性反应层。余氯通过管中心和管壁之间存在的浓度 差，扩散到管壁上，与活性反应层发生零级或一级反应，如图2 2 。 浓- - 度递减 k w 簧壁鑫整鎏鏖f 一l ( f 一1 一一 浓度均匀 水体余氯浓度c 。b 活性反应层 4 一一一 一 图2 2 管段余氯扩散图 1 4 谈士学位论文 2 3 2 1 零级衰减模型 零级模型适用于余氯与还原剂的反应，如新的铸铁管内由于氯腐蚀引起的反 应。其反应速度取决于管壁产生还原剂的速度，与余氯浓度和生物膜等无关，类 似于腐蚀电池反应f 3 孙。 阳极( 氧化反应) ： f e 一2 e = f e “ 妒= 0 4 4 ) ( 2 2 8 ) 明极( 还原反应) ： 3 h o c l + f e 2 + + 5 e 一= 3 c 1 一+ f e ( o h ) 3 伊墨= 1 5 8 ( v ) ( 2 2 9 ) 由式( 2 2 8 ) 和( 2 2 9 ) 可得到完整的腐蚀电池反应： 6 h o c l + 5 f e = 3 f e c l 2 + 2 f e ( o h ) 3磁= 1 1 4 ( v ) ( 2 3 0 ) f e c l 2 是其中的一种腐蚀产物，它能够发生水解： f c c l 2 +