（环境工程专业论文）城市供水管网氯的优化配置.pdf

中文摘要 针对城市供水管网末端余氯不达标的问题，本课题在水质检测分析 的基础上，采用一级反应动力学方程对余氯衰减变化规律进行模拟， 并利用余氯衰减模型，建立管网加氯点、加氯量的优化配置模型，以 保证管网中各点余氯均符合水质标准。 首先，对管网中余氯的衰减变化舰律及影响因素进行研究。通过对 天津市某区管网连续的水质检测，研究管网水质变化规律，分析了p h 、 温度、浊度、细菌总数、a o c ( 可同化有机碳) 、消毒副产物等因素对 余氯的影响，其中重点对余氯、细菌总数、a o c 三者关系进行定量分 析，并建立了细菌滋生的数学模型。 其次，建立余氯衰减模型并刘模型进行校核。余氯衰减模型采用 一级动力学方程：c 。= c 。e x p ( 一k t ) ，式中氯的衰减速率系数k 包括主体 水衰减系数如和管壁衰减系数k 。，两部分。其中k 。通过实验室静态实验 求得，鼬在现场实测数据的基础上通过g a u s s n e w t o n 法求得。监测 点之间的传输时间f 通过水力模拟确定。对建立的模型通过实测数掘进 行校验，结果表明实测值与模拟值吻合得较好，模型的精确度较高， 能够反应管网中余氯的衰减变化规律。 再次，氯的优化配置模型的研究。加氯点的优化酉a 置采用0 1 规 划，以年投资费用最低为目标函数，各点余氯达标为约束条件。在确 定最优加氯点的基础上，加氯量优化模型以耗氯量最小为目标函数， 管网各点余氯达标为约束条件。模型的求解通过l i n g o 软件实现。同 样使管网余氯达标，经过优化配簧与仅在水厂增加投氯量相比，所需 费用大大降低，水质请况显著提高，充分说明了中途补氯的经济合理 性和技术司+ 行性。 最后，提出管网水质控制措施。通过余氯衰减模型和氯的优化配 置模型，对管网中余氯不达标点进行中途补氯。并且针对管网水质的 其它问题，提出一系列合理有效的控制措施，从而保证向用户提供安 全可靠的饮用水。 关键词：城市供水管网余氯细菌a o c衰减模型 优化模型 a b s t r a c t r e s i d u a lc h l o r i n ej s0 f t e ns h o r ta tt h ee n do fu r b a nw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ot h et h e s i si n t r o d u c e st h ec o n v e n t i o n a lf i r s t o r d e rm o d e lt od e s c r i b ec h l o r i n ed e c a y i nw a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mb a s e do nw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n da n a l y s i s ， a c c o r d i n gt ot h ed e c a ym o d e l ，a no p t i m i z i n gm o d e lo nc h l o r i n ea l l o c a t i o ni s e s t a b l i s h e dt od e c i d et h eo p t i m a lc h l o r i n a t i o np o i n ta n dc h l o r i n ed o s a g e t h e s e m o d e l sc a ne n s u r et h a tr e s i d u a lc h l o r i n es a t i s f i e st h ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r d f i r s t l y , b yc o n t i n u a lw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ，t h ec h a n g er u l eo fw a t e rq u a l i t y i nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki ss t u d i e d ，t h ee f f e c to nr e s i d u a lc h l o r i n eo fp ti ，t e m p e r a t u r e ， t u r b i d i t y , b a c t e r i a ，a o c ( a s s i m i l a b l eo r g a n i cc a r b o n ) ，d i s i n f e c t i o nb yp r o d u c te t c i s a n a l y z e d t h er e l a t i o no fr e s i d u a lc h l o r i n e ，b a c t e r i aa n da o c i sq u a n t i 矗c a t i o n a l l y d i s c u s s e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fb a c t e r i ag r o w i n gi se s t a b l i s h e d s e c o n d l y ，r e s i d u a lc h l o r i n ed e c a ym o d e li sd e v e l o p e da n dv e r i f i e d t h em o d e l a d o p t st h ef i r s t - o r d e rd y n a m i ce q u a t i o nc b = c 月e x p ( 一k t ) i nt h ee q u a t i o n ， c h l o r i n ed e c a yr a t ec o e f f i c i e n tki n c l u d e sb u l kd e c a yr a t ec o e f f i c i e n t 女 w h i c hi s d e t e r m i n e db yd e r i v i n gt h eb e s tf i tw i t hal o to fe x p e r i m e n t a ld a t aa n dw a l ld e c a y r a t ec o e f f i c i e n t k 。w h i c hi sg a i n e db yg a u s s - n e w t o nm e t h o dw i t hs p o tm o n i t o r i n g d a t a w a t e rt r a n s m i s s i o nt i m efb e t w e e nt w om o n i t o r i n gp o i n t si sa v a i l a b l eb y w a t e rp o w e rm o d e l a f t e rd e t e r m i n i n gt h ep a r a m e t e rk ，t h em o d e la c c u r a c yi s v e r i f i e db yu s i n ge x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l ts h o w st h a ts i m u l a t i o nv a l u eh a sg o o d a g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e r e f o r et h ed e c a ym o d e lc a nb e u s e dt o s i m u l a t ec h l o r i n ed e c a yo fw a t e rd i s t r i b u t i o us y s t e m t h i r d l y , o p t i m i z i n gm o d e lo fc h l o r i n ea l l o c a t i o ni se s t a b l i s h e d t h eo p t i m a l a l l o c a t i o no fc h l o r i n a t i o np o i n ta d o p t s0 - 1p r o g r a m m i n g m o d e li sf o u n d e dw i t ht h e l o w e s tc o s tp e ry e a ra s o b j e c t i v ef u n c t i o na n dr e s i d u a lc h l o r i n es t a n d a r da s c o n s t r a i n t s a f t e rf i n d i n go u tt h eo p t i m a lp o i n t s ，t h eo p t i m i z i n gm o d e lo fc h l o r i n e d o s a g ei s e s t a b l i s h e dw i t ht h el o w e s td o s a g ea so b j e c t i v ef u n c t i o na n dr e s i d u a l c h l o r i n es t a n d a r da sc o n s t r a i n t s t h em o d e l sa r es o l v e db yl i n g os o f t w a r e i nc a s e t h a tr e s i d u a lc h l o r i n em e e t st h ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r d ，c o m p a r e dw i t hc h l o r i n e d o s i n go n l yi nw a t e rs u p p l yp l a n t ，a d d i n gc h l o r i d ei nw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kb y o p t i m i z i n gm o d e lp r o v e st ob em o r ee c o n o m i c a la n de f f e c t i v e l a s t l y , c o n t r o lm e a s u r e sf o rw a t e rq u a l i t yi nd i s t r i b u t i o ns y s t e ma r ep u tf o r w a r d c h l o r i n ei sa d d e dw h e r er e s i d u a lc h l o r i n ed o e s n tr e a c ht h es t a n d a r db yd e c a ym o d e l a n do p t i m i z i n gm o d e l w i t hr e g a r dt oo t h e rq u e s t i o n so fw a t e rq u a l i t yi nd i s t r i b u t i o n s y s t e m ，as e r i e so fr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v em e a s u r e sa r eb r o u g h tl b r w a r dt os u p p l y s a t ea n dr e l i a b l ed r i n k i n gw a t e rf o rc o h s u f b e f s k e yw o r d s ：w a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ， r e s i d u a lc h l o r i n e ， b a c t e r i a ，a o c ， d e c a ym o d e l ，o p t i m i z i n gm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位沦文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标t i - u 致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎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了谢意。 学位论文作者签名：丑海热 签字日期： 少。午年 1 月 f f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫 立盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘茔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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权醴明) 学位论文作者签名：丑海熙新签名：曰一钆 签字日期：2 d d 斗年 f 月 2 _ t - t 签字r 朔：丑) i ，牛年f 月工曰 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 饮用水与人们生活水平和身体健康密切相关。随着经济的高速发 展，生活水平的显著提高，一方面对水环境造成了极大的污染，另一 方面对饮用水水质的要求也越来越高，因此，对于城市安全饮用水的 研究已成为供水卫生领域的重要课题，该研究对供水企业保证供水的 卫生安全具有重要意义。 人类社会的生活用水、生产用水主要来自于地下水和地表水，其 中地表水分布较为广泛，来源丰富且便于利用，加之近几年地下水的 过量使用，水位急剧下降，因此各种地表水源( 如江河、湖泊、水库 等) 成为人们用水的主要来源。但是随着经济建设的持续发展，尤其 是有机化工、石油化工、医药、农药、杀虫剂及除草剂等生产工业的 迅速增长，有机化合物的种类和数量不断增加，各种生产废水和生活 污水未达到排放标准就直接排入水体，严重污染了地表水源，对安全 饮用水造成了较大的危害。 在经济发展的同时，人们生活水平也随之提高，对健康的关注越 来越多，这一点可从水质标准的提高方面反映出来。我国于1 9 5 9 年由 建设部和卫生部颁却了第一个饮用水水质标准生活饮用水卫生规 程，此标准只包括了16 项水质指标。1 9 7 6 年经困家基本建设委员会 和卫生部联合批准的生活饮用水卫生标准( 编号为t j 2 0 7 6 ) 则将 水质指标增加到2 3 项。19 8 5 年卫生部修改批准生活饮用水卫生标 准，编号改为g b 5 7 4 9 8 5 ，项目增加至3 5 项。1 9 9 3 年国家建设部 又制定了城市供水行业2 0 0 0 年水质指标8 8 项，将供水企业分成四类， 分别提出不同的水质目标和检测项目。最新的生活饮用水水质卫生 规范由卫生部制定，2 0 0 1 年9 月1 日起施行，共包括1 0 3 项水质指 标。由此可见，每次标准的修改制定都增加了水质检验项目，提高了 水质标准，并且逐步与国际标准接轨。此外，建设部提出我国城市f 二 级以上水司) 生活饮用水水质要逐步实现终端达标，部分大城市水司 提出2 0 1 0 年城市生活饮用水达到直饮水水平( 如深圳、上海、北京、 天津等) 。因此，供水行业必须采取措施来满足水质标准提高的要求。 第一章绪论 城市安全饮用水的晟终目的是为用户提供安全可靠的自来水。水 源水通过取水系统进入水厂，经过一系列的处理工艺后，最终由配水 管网输送到用户。传统的观念是净化水厂出水除p h 影响管道腐蚀外， 只要能维持管网余氯0 0 5 m g l ，用户用水就是安全的。现在的情况已 发生变化，水源普遍遭受污染或微污染，富营养化现象严重( 藻类和 有机物含量较高) ，合格的出厂水经过配水系统的传输时，在管道中会 发生复杂的物理、化学、生物作用而导致水质变化：断裂管线造成的 污染；在储水设备中停留时间太长，剩余消毒剂消耗殆尽；细菌的滋 生：水的浊度升高；管道腐蚀和投加消毒剂后形成副产物等等。结果 管网水到达用户时，水质就不一定符合国家生活饮用水标准了。一些 研究者对国内3 4 个主要城市管网水质资料进行统计，地面水水厂出 厂水水质基本稳定的占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约占5 0 ，有腐蚀性的占3 0 ，轻微腐 蚀性的占2 0 。对占全国总供水量4 2 4 4 的3 6 个城市调查，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 0 9 m g l 增加到0 1 1 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 。一些初步的统计数据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 38 、 1 2 3 3 、7 6 2 ，可能为涂层释出的苯并( a ) 芘增加了5 0 l8 0 。 某城市发现供水管中管垢厚达1 6 2 0 m m ，赤色，有腥味，含16 种金 属元素，检出铁细菌、埃希氏大肠杆菌等6 种微生物。根据上海、天 津等市定期测定管网粗糙系数统计，发现无防腐措施的管道输水能力 已降低了1 3 以上。管道结垢，输水水质恶化，管道输水能力下降己 成为城市供水管网普遍存在的现象。 因此，监测给水管网的水质状况，提高供水水质的安全性是一个 实际而又急待解决的问题。由于城市给水管网比较复杂、庞大，建立 几个有限的监测点进行人工监测，做到实时地、全面地了解整个管网 各管段的水质情况是非常困难的。如果利用先进的计算机技术，建立 监测水质的数学模型，使该模型不仅可以观察监测点处的水质情况， 而且还可以根据这些点的有效数据，推测出管网其它各处的水质情况， 跟踪给水管网的水质变化，从而1 平估出给水管网系统的水质状况。这 样，可以在节省人力物力的条件下进行水质管理。 给水管网水质监测主要是监测给水管网中消毒剂的含量，其主要原 因是饮用水的消毒剂可杀灭水中的病原体，产生和保持保护膜以抵制 第一章绪论 病原侵入给水管网系统，抑制细菌在管道中再生。因此饮用水必须保 持一定的消毒剂量。但是另一方面饮用水中过多的消毒剂会对人的身 体健康有害。这样就需要在管网中平衡和保持一种最优的消毒剂量， 而给水管网水质模型结合频繁的管网实测f 是实现这一目标的有效工 具。 给水处理的消毒方法很多，但加氯消毒与其它方法相比，设备简单、 货源充足、价格低廉，是目前最常用的消毒方法。除了消毒剂的有效 性外，它还具有持续驻留在管网中以抑制水中微生物再生的能力。余 氯是一种非守恒性的物质，它在管网中沿管段传播随着时间而衰减， 当余氯值降低到一定程度，其杀菌能力降低，就会引起细菌滋生，水 质恶化。卫生部2 0 0 1 年颁布的生活饮用水水质卫生舰范明确规定： 加氯消毒时，游离余氯在与水接触3 0 分钟后，应不低子0 3 m g l ，管 网末梢水不应低于0 0 5 m g l 。另一方面，管网中余氯值又不宜太高， 大量的研究发现饮用氯化消毒水的人群癌症的发病率明显高于对照人 群【2j 。经研究认为：氯化饮用水的副产物一一挥发性卤代有机物和非 挥发性卤代有机物中多数具有致突变性和或致癌性。为了保证管网中 各点余氯达标，以保证细菌、总大肠菌群等细菌学指标符合要求，同 时又要减少卤代烃等消毒副产物的含量，就要合理选择加氯点，寻找 最佳加氯量。这就需要建立加氯点及加氯量优化模型。而为了建立优 化模型，就要随时了解管网各点的余氯情况，这就需要建立管网中余 氯衰减模型。 基于计算机的水质模型的出现将成为评t _ 给水管网水质的有效方 法。管网水质模型的应用将会给给水工业带来巨大的效益，水质模型 可用于预测水质下降，校正系统的水力条件，设计水质抽样程序，合 理投加消毒剂量，优化消毒过程，提高给水管网及储水池的水质。还 可以评估运行方案，确定风险区域，为1 l f | 己水系统中维护和提高供水水 质提供决策方案，以最低的成本减少风险的影响。 1 。2 国内外研究现状 水质问题一直是供水企业关注的问题，国外学者专家对配水管网 水质变化规律以及水质模型的研究起步较早，开始于上个世纪七、八 第一章绪论 十年代。国内对配水管网水质的研究开始较晚，大约在八寸年代后期 国内学者才对配水管网中的水质具有初步的认识和简单的研究。 供水管网水质模型是由研究泥浆流的w o o d 3 】于1 9 8 0 年提出的， 其分析了稳态下，管网中的水质分配问题。1 9 8 6 年c l a r k 等提出了一 个能够在时变条件下模拟水质变化的模型，g r a y m a n 等1 3 在19 8 8 年提 出了一个类似的水质模型，大部分模型都使用了“扩展时段模拟”( e p s ) 方法，因为它们没有模拟由于流速变化造成的惯性影响，故实际应称 作准动态模型。八十年代至九十年代初，其它的研究者对稳态下的水 质模型进行了扩充，直至动态水质模型开始使用。国内对水质模型的 研究起步较晚，直到九十年代末刁建立了几种配水系统水质模型。但 是目前国内外研究的配水系统水质模型中可以应用于实际的为数很 少。 水质模型是建立在管网水力模型基础上的，按照模拟系统的水力 状态，配水系统水质模型可分为稳态水质模型和动态水质模型【4 】。稳 态模型将管网的水力条件视为不变，最终管网中的各种物质均能达到 平衡分布而不再变化，输出的即是平衡状态下的水质分布【3 j 。典型的 稳念水质模型是w o o d 于1 9 8 0 年提出的，模型求解了一系列节点质量 平衡模拟方程。类似于w o o d 的模型，m a l es 等【5j 提出了在稳态系统下 混合问题的一个算法，m u r p h y 为管网中的稳定流提出了一个模型，可 用来决定氯浓度的空间分布。管网稳态水质模型为管网的一般性研究 和敏感性分析提供了有效的工具，普遍用在管网系统水质分析阶段。 由于即使在管网运行状态接近恒定时，管网中的物质也没有足够的时 间传播和达到某种均衡分布，因此稳态水质模型仅能够提供周期性的 评估能力，对管网水质预测缺乏灵活性。 动态模型则是模拟各种水力条件随时间变化的管网中，指标物质 在不同的时间和空间分布中的变化情况。l i o u s 和k r o o n 6 提出了一种 可计算配水管网水中物质的衰减和生长的模型，它以时间和位置函数 的形式给出了物质的浓度，并把水中物质在管网中的流动分成三个过 程：管段中的水平流动、随时f 自j 的衰减和增长、管段连接处的混合。 r o s s m a n 等j 提出了用离散体积元素法( d v e m ) 进行管网水质模拟， 这种算法是利用时问驱动水质模型来跟踪管网中物质的瞬间浓度，把 配水管网看作是由有限的些链接组成，给物质质量在每个链接内分 配了离散体积元素( 反应发生在每个元素内) ，物质质量从一个元素 平流传输到下一个元素，并且质量和流量体积在管网节点处混合在一 第一章绪论 起。c h a u d h r y 和i s l a m 8 j 提出了一个计算机模型，利用一个组合系统方 法来计算非稳定流状态下组分在流经管段时的传播和衰减，强调分析 管网系统首先要确定初始稳定状态条件，然后对一个控制方程作数值 积分来计算缓变流状态下的相关参数。 这些模型的提出提高了对配水系统发生的动态水质变化和复杂过 程的认识，考虑到了管段分割、计算时间步长的自动选择以及内存需 要的降低，可对管网中物质空间和时间分配进行有效模拟。6 强调水质 模型预测直接依赖于系统水力模型，不准确的水力模型将导致整个水 质模拟过程的失败。 按照研究方向分类，目前的配水管网水质的研究主要集中在两个 方面：化学方面研究和微生物方面研究，当然，部分研究是把这两个 方面结合在一起。化学方面研究最多的是余氯在配水管刚中的衰减， 其次是消毒副产物在酉b 水管网中的增长。微生物学方面研究的较多的 是细菌再生长，近年来对有机营养物质的研究越来越多。两方面结合 的研究是余氯浓度和微生物数量之间的关系等等。 本文研究的主要是余氯衰减模型及加氯点、加氯量的优化模型。 大部分水质模型是建立在研究余氯在配水管网中的衰减动力学公式的 基础之上，并假设氯在配水管网中的衰减遵循一级反应动力学方程。 模型基本上反映了余氯在配水系统中的衰减特征，由于它简单实用， 所以一直被认同和引用。也有许多学者证明一级反应动力学公式不能 够与配水管网中余氯的衰减特征吻合。如l u n g w i t z 等通过研究中途加 氯发现，必须依靠氯的梯度来假定几个衰减系数。s c h n e i d e r 等推断衰 减系数( 和可能的其他参数) 是与流量有关的，w o o d w a r d 等通过试验 也发现了此规律。为使模型能够与试验数据匹配，h e r a u d 等使用了不 同的衰减系数( 与管材有关) ，其中有代表性的是r o s s m a n 等 9 1 提出 的一个基于质量传输的余氯衰减模型。r o d r i g u e z 等人【10 】在19 9 7 年提 出一个新的模型一人工神经网络模型( a n n ) ，从另一个角度研究 了余氯在配水系统中的衰减，并与传统的一级模型进行了对比。a n n 模型开拓了对余氯衰减研究的新领域，扩大了水质模型的研究思路。 最优化问题是在有限种或无限种可行方案( 决策) 中挑选最优的 方案( 决策) 。随着高新技术、计算机及信息技术的飞速发展，最优 化在工农业、国防、交通、金融、能源、通信等众多领域的应用越来 越广泛，问题的规模越来越大，复杂性越来越高。对于供水行业来既 优化技术主要应用在调度、设计等方面。目前在美国、英国、日本、 第一章绪论 法国等地的一些城市己基本上实现了供水系统的计算机优化调度管 理，并编制了一些较通用的调度管理软件，如英国的g i n a s i i i j 及美国 的o p w a d 12 等。国内的许多专家、学者从七十年代起，丌始尝试将 计算机技术应用于供水系统的模拟、优化设计及水厂水质控制等方而。 但是对于加氯点和加氯量的优化配置，现有的研究仅停留在通过发计 不同实验室实验，合理选择加氯点和投加量上，未见优化模型方面的 报道。 1 3 主要研究内容 本课题主要是在余氯衰减模型的基础上研究管网中氯的优化配置 问题，目的在于通过余氯衰减模型对管网中余氯进行预测，对于预测 余氧不达标点通过氯的优化配置模型进行中途补氯。数据的来源是对 天津港保税区管网水进行现场实测及实验室实验。具体内容如下： 1 、管网中余氯的衰减变化规律及影响因素的研究。主要是对实验 数据的分析研究，对p h 、温度、浊度、细菌总数、a o c ( 可同化有机 碳：a s s i m i l a b l eor g a n i cc a r b o n ) 、消毒副产物等因素对余氯的影响进行 分析，其中重点研究余氯、细菌总数、a o c 三者关系，建立统计模型 进行定量分析。 2 、余氯衰减模型。采用一级动力学模型：c 。= c e x p ( - k t ) ，其中： c 和c 。分别表示系统中上游点和下游点处氯的浓度，k 表示氯的衰减 速率系数，包括主体水余氯衰减系数k 和管壁余氯衰减系数尼，两部分。 其中k 。通过实验室静态实验求得，女。在现场实测数据的基础上通过 g a u s s n e w t o n 法求得。f 表示两点之问的传输时间，通过水力模拟确 定。参数确定后，通过实测数据对模型进行校验。 3 、氯的优化配置模型。加氯点的优化配罱采用0 1 规划，以年 投资费用最低为目标函数，各点余氯达标为约束条件。在确定最优加 氯点的基础上，加氯量优化模型以耗氯量最小为目标函数，管网最不 利点余氯达标为约束条件。模型的求解通过l i n g o 软件实现。优化配 置模型确定后，对管网中途优化加氯与水厂一次性加氯进行经济、技 术指标的对比。 4 、管网水质控制措施。通过余氯衰减模型和氯的优化配置模型， 对管网中余氯不达标点进行中途补氯。并且针对管网水质的其它问题， 第一章绪论 提出一系列合理有效的控制措施。 1 4 课题研究技术路线 本课题研究的技术路线见图l 1 。 图i i 课题研究的技术路线 筇二章实验室实验 第二章实验室实验 2 1 研究区域及监测点的选取 2 1 1 研究区域的确定 本次实验研究区域选在天津港保税区。天津港保税区( 以下简称 保税区) 是由国务院于1 9 9 1 年5 月批准成立的自由贸易区，它坚持以 国际贸易为导向，以仓储加工为依托的方针，主要开展国际贸易、出 口加工、保税仓储以及与上述主体功能密切相关的运输、包装、整理、 货运代理、房地产等业务。目前，已有美、日、韩、德等7 8 个国家及 国内2 5 个省市、自治区在区内投资，其中利用外资额2 8 亿美元，占 总投资额的8 0 以上，居全国保税区前列。保税区经济的迅猛发展， 不仅带动了周边地区的经济向多元化方向转变，而且也为天津市树立 了一个良好的对外服务形象。 因此，可以说保税区的经济发展前景是 美好的，其经济地位也是至关重要的。为了保证保税区的持续发展， 基础配套设施必须跟上，各项服务必须达标。由此可见，研究保税区 管网水质，保证供水水质安全可靠，具有重要的现实意义。 保税区占地面积6 k m 2 ，供水面积6 k i n 2 ，其供水管网是一个独立的 系统。目前用水主要由塘沽新区、新河水厂提供。保税区用水主要是 工业、仓储业、公共设施、绿化用水，并无居民家庭生活用水，这是 保税区用水的一大特征。另外，因为保税区面积适中，布置监测点， 进行实验，建立模型的工作量相对较小，比较适合课题研究的进行。 2 1 2 监测点的布置 水质监测是以管网中监测点的水质反映整个管网水质状况，从而实 现监测和控制管网水质的目的。国家标准规定了采样频率和基于人口 数的监测点数量，但对其选址仅提出定性的要求。实际工作中应使监 测点的选择最有代表性，即监测点水质合格时，足以保证尽可能多的 用户用水水质达标。采样点的布设原则是监测工作的重要环节，为能 较真实、全面地反映小区内水质变化规律，在选择监测点时综合考虑 第二章实验室实验 了管材、管径、死水区、高位水箱、进水口、出水口、监测点在区域 中的位置等多种因素。最终在水厂出水处、管网入口处、管网中部及 管网末梢共设立了1 1 个监测点，这些监测点在管网中的分布较为均匀， 并且包括了各种管材、管径、使用高位水箱的单位及易形成死水区的 区域。由天津港保税区给水管网水力计算图( 见附图一) 可看出，此 管网进水口在小区西南部。此次调研除保留天保市政公司一直监测的 起步区雨污水泵站、消防队、临时加压泵站和天保市政公司四个监测 点外，另外在新河水厂送水泵站处设立监测点，在管网入口处设立临 港立交桥，在管网中部设立铁宇国际运输公司和创业园，在管网末端 增设换热三号站、四号站、五号站。各监测点的位置和名称已在管网 图中标出( 见附图) 。各监测点的基本情况见表2 一l 。 表2 一i监测点信息表 监测点编号监测点名称监测点位置管径管丰才铺设年限 l 铁宇海滨七路与新港大 d n 3 0 0 铸铁管 19 9 0 道交汇处 2 起步区雨海滨三路与新港大 d n 2 0 0塑料管l9 9 0 污水泵站道交汇处 3 消防队海滨六路与天保大 d n 2 0 0铸铁管19 9 0 道交汇处 4 临时加海滨九路与天保大 d n 2 0 0 铸铁管 19 9 0 压泵站道交汇处南行15 0 r n 5三号站 海滨四路与新港大 d n 2 0 0 铸铁管 l9 9 0 道交汇处南行2 5 0m 6四号站 海滨六路最南端 d n 2 0 0铸铁管19 9 0 7 创业园海滨九路与津滨大d n 3 0 0铸铁管19 9 8 道交汇处 8五号站海滨十五路与滓滨大d n 5 0 0铸铁管19 9 0 道交汇处南行l5 0 m 9市政公司海滨七路与新港大d n 2 0 0铸铁管l9 9 0 道交汇处南行2 5 0m 1o i 临港立交桥临港立交桥处泵站 d n 5 0 0铸铁管19 9 0 1 l 新河水厂 第二章实验室实验 2 2 实验方案 22 1 采样 水样的采集是水质分析的第一步，也是整个工作的关键。采样 原则是水样既能代表要分析的水的成分，同时水样在保存时不受污 染。为保证采样结果具有可比性，必须严格按照采样步骤进行操作。 由于所取水样是给水管网中的水，我们采用采集自来水的采样方 法。采样前，先放水5 分钟，使积累在水管中的杂质及陈旧水排除， 并且采样器及水样容器需用被采样地点的水清洗干净。检测微生物 指标( 细菌、大肠菌、a o c ) 的水样，放水5 分钟后，关上水龙头， 用酒精棉将水龙头烧1 分钟，杀死附着的细菌，然后打开水龙头， 把水样收集于无碳的取样瓶中。取样瓶放在保温壶罩，加冰冷藏， 尽快送到实验室。 2 2 2 检测项目及方法 通过资料查阅，选定跟余氯有关的13 项水质指标作为检测项 目，包括温度、p h 、浊度、铁、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、 u v 25 4 、t o c 、消毒副产物、a o c 、细菌、大肠菌。具体实验方法 见表2 2 。 表2 2 水质指标检测方法 项目名称实验方法主要仪器 余氯d p d 比色法h a c h4 6 7 0 0 0 0 1 型余氧仪 p h 玻璃电极法 h a c hs e n s i o n1 型p h 仪 温度 水温计法同上( 带温度计) 浊度光散射法h a c h2 1 0 0 a n 型浊度仪 铁邻菲哕啉分光光度法 t u 一18 0 0 分光光度计 氨氮纳氏试剂光度法 t u 18 0 0 分光光度计 硝酸赫氮离子色谱法d x 6 0 0 离子色谱仪 亚硝酸盐氮离子色谱法d x 6 0 0 离子色谱仪 u v 2 5 4紫外分光光度法紫外分光光度计，抽滤漏斗，真空泵 t o ct 0 c 仪测定t o c 仪 第二章实验室实验 三氯甲烷顶空迸样g c 分析g c h p 6 8 9 0 气相色谱仪 细菌总数平板计数法 无菌工作台、培养箱 总大肠菌群滤膜法无菌工作台，过滤装置，培养箱 a o c p 1 7 - - n o x 培养法 1 3 无菌工作台，培养箱 p 1 7 - n 0 x 培养法具体如下： 一、菌种 测定a o c 所用的菌种为荧光假单胞菌p 17 菌株和螺旋菌n o x 菌 株。由深圳水务集团化验中心提供接种液，在6 的冰箱中保存。 1 荧光假单胞菌( p s e u d o m o n a sf l u o r e s c e n s ) p 1 7 菌株。该菌株 是土壤和水环境中的常见细菌，比较容易纯种分离。可将双层滤料过 滤后的河水用含多种碳源的培养基在好氧条件下富集培养分离得到。 该菌株属假单胞菌属，革兰氏阴性，在电子显微镜下可以发现菌体棒 状，有鞭毛，直径o 6 u m 左右，长2 3 2 8 u m 。它能利用多种有机化 合物，包括羧酸、氨基酸、水杨酸、醇类、碳水化合物( 多糖除外) 等，可以利用简单的氮源，不需要特殊的生长因子。它在固体培养基 上生长迅速，菌落典型，容易辨认。专性好氧，最适生长温度为2 5 3 0 。p 1 7 菌株不能利用甲酸、二羟乙酸、草酸等有机物。 2 螺旋菌( s 口i r i l l l u m ) n o x 菌株。该菌株存在于天然水中，可 以将慢速过滤出水在高有机营养条件下富集培养分离得到。该菌株呈 螺旋形，直径0 2 5 1 7 u m ，细胞极性，有鞭毛，好氧生长，最适生长 温度为3 0 ，在1 0 以下或4 5 以上很难生长。n o x 菌株能利用多 种羧酸和极少种类的氨基酸。最重要的是，它能利用p 1 7 菌株不能利 用的草酸、甲酸、二羟乙酸等有机物，弥补了p 1 7 菌株测定a o c 的不 足，所以被选作实验菌种。n o x 菌株在固体培养基上生长较快，菌落 容易辨认。它能利用草酸作为唯一的碳源和氮源，在乙酸上的生长相 对较慢，在氨基酸上生长不良，不能利用硝酸盐。 二、药品和器材 1 药品：乙酸钠( a r ) 、硫代硫酸钠( a r ) 、磷酸氢二钾( a r ) 、 磷酸二氢钾( a r ) 、氯化铵( a r ) 、硝酸钟( a r ) 、七水硫酸镁( a r ) 、 硫酸铵( a r ) 、氯化钠( a r ) 、硫酸亚铁( a r ) 、蛋白胨( o x f o r d 产品) 、 酵母浸膏( o x f o r d 产品) 、琼脂粉( 进口) 、超纯水。 2 器材：生化培养箱一台、马幅炉一台、水浴锅一台、高压灭菌 锅一台、2 0 l 酸缸一个、培养皿若干、5 0 r a l 磨口三角瓶若干、2 0 u l 可 第二章实验室实验 调移液枪一个、2 0 0 u l 可调移液枪一个、1 0 0 0 u l 可调移液枪一个、配 移液枪头若干、1 2 5 m l 磨口取样瓶若干、保温壶。 三、试剂和培养基的配置和预处理 1 磷酸赫缓冲液( p h = 7 2 ) ：称取7 m g k 2 h p o a 、0 1 m g m g s 0 4 7 h 2 0 、 1 m g ( n h 4 ) 2 s 0 4 、0 1 m g n a c l 和1 u g f e s 0 4 溶于1 l 超纯水中，高压( 1 5 磅) 灭菌2 0 r a i n 。 2 2 0 0 0 u g 乙酸碳l 溶液：准确量取2 5 m 1 4 0 0 m g 乙酸碳l 溶液溶 于5 0 0 m l 缓冲液中，高压( 15 磅) 灭菌2 0 m i n 。 3 1 0 0 u g 乙酸碳l 溶液：准确量取2 5 m 1 2 0 m g 乙酸碳l 溶液溶于 5 0 0 m l 缓冲液中，高压( 15 磅) 灭菌2 0 m i n 。 4 13 2 m g l 硫代硫酸钠溶液：称取1 3 2 m g 硫代硫酸钠溶于1 l 超 纯水中，高压( 15 磅) 灭菌2 0 m i n 。 5 矿物盐溶液：称取8 5 5 m g k 2 h p 0 4 、3 8 3 5 m g n a c l 、7 2 2 m g k n 0 3 溶于5 0 0 m l 超纯水中，高压( 15 磅) 灭菌2 0 m i n 。 6 l l a 培养基：称取5 9 蛋白胨、3 9 酵母浸膏、2 0 9 琼脂粉溶于 1 0 0 0 m l 超纯水中，高压( 15 磅) 灭菌2 0 m i n 。 四、菌种的保存 因接种液保存时间不宜过长，为了避免杂菌污染，使用前先将菌 种接种于l l a 斜面，培养后观察是否被污染。若没被污染，从斜面分 别驳p 1 7 和n o x 菌种各一环，分别放于4 0 m l 液体培养基( 5 克蛋白 胨、3 克酵母浸膏溶于1 0 0 0 m l 超纯水中，高压15 磅灭菌2 0 m i n ) 中 2 5 培养，p 1 7 培养4 8 h ，n o x 培养7 2 h ，然后分别接种于斜面，在斜 面培养4 8 h 后放于6 。c 的冰箱中保存，保存期不能超过6 个月。 五、接种液的准备 1 从斜面分别取p 17 和n o x 菌种各一环，分别放至5 0 m l 高压灭 菌的超纯水中培养7 d ，使菌种适应低营养的生长条件，并恢复其天然 代谢状态。 2 取1 0 0 u l 初培养的菌液移至5 0 m l 含2 0 0 0 u g 乙酸碳l 的乙酸钠 溶液中，2 5 黑暗培养至平台期，使接种液中没有有机碳带入待测水 样中。 3 将培养后的菌种平板计数，计算接种液的浓度，以便确定加入 待测水样中的接种液体积( 水样的接种浓度按1 0 4 c f u m l 计算) 接秘液体积= ( 1 0 4 c f u m l ) ( 4 0 m l ) 接种液浓度( c f u m l ) ( 2 1 ) 第二章实验室实验 实验得到接种液浓度为1 0 6 c f u m l ，计算得到应加接种液体积为 4 0 0 u l 。 4 接种液在6 。c 的冰箱中保存，保存期不得超过6 个月( 平台期 菌种浓度在几个月内基本保持稳定) 。较长时间后再用时需要再进行平 板计数。 六、器皿的处理 1 1 2 5 m l 磨口取样瓶用洗涤剂洗净晾干，用洗液浸泡8 h 以上， 然后依次用自来水、蒸馏水、纯水冲洗干净。高压灭菌。 2 培养及稀释用的5 0 m l 磨口具塞三角瓶用洗涤剂沈净，自来水 冲净晾干后，在3 n 的稀硝酸中浸泡2 4 h 以上。取出后依次用自来水、 蒸馏水、纯水冲洗干净，晾干后在5 5 0 的马幅炉中烘烤2 h 。待温度 降至1 0 0 时，将三角瓶取出立即盖上瓶塞，以防空气中的细菌进入。 3 非玻璃器皿( 如移液枪头等) 用稀酸浸泡，然后依次用自来水、 蒸馏水、纯水冲洗干净。高压灭菌。 七、待 【9 4 水样的预处理 1 水样收集于1 2 5 m l 无碳的磨口取样瓶中。因待测水样含有余氯， 加适量硫代硫酸钠溶液终止余氯。 2 水样放在加冰的保温壶里，4 小时内送回实验室，然后立即巴 氏灭菌处理( 7 0 ，3 0 r a i n ) 以杀死非芽孢细菌和原生动物。 八、水样的测定 取4 0 m l 经巴氏灭菌并冷却的待测水样于5 0 m l 的磨口三角瓶中， 按预先测得接种体积( 4 0 0 u 1 ) 接入p 1 7 菌液，置2 2 2 5 生化培养箱 黑暗培养4 8 小时。从培养好的菌液中取1 0 0 u l ，用无机赫稀释1 0 3 倍。 取10 0 u l 涂布于l l a 培养基平板上，置于2 5 生化培养箱黑暗培养4 8 小时后计数。每样做3 个平行。以上需无菌操作。p 1 7 菌落呈乳白色， 大小3 4 m m 。 将上述接种过的p 17 水样放入水浴锅巴氏灭菌以杀死p 1 7 ，放至室 温。再按己知接种体积