（环境工程专业论文）给水管网细菌学研究与水质模拟.pdf

摘要 水，是生命之源。人们的生活每天都离不开水，包括饮用水、生活用水及生 产用水等等。提供安全的饮用水尤为重要。长期以来，人们都把注意力集中在了 出厂水的水质上，而对于给水管网中水质的污染重视不够。然而给水管网在整个 供水系统中占有相当重要的地位，对保证供水水质起到关键作用。因此，本文研 究给水管网中水质的变化，尤其是微生物学水质指标的变化及影响因素具有重要 的意义。 首先，本文选取具有代表意义的北方某高校给水管网作为试验区。根据管网 水力计算结果分析及水质监测点布置原则，在管网中建立了包括二次供水水箱在 内的6 个水质监测点。这6 个水质监测点点分别代表了管网的入口、中部、末梢 及二次供水设施处。本文对试验区给水管网进行了长期的水质监测，分析了各项 水质指标在管网中的变化情况及相互间的关系，并着重分析了微生物学水质指标 细菌总数的变化及其影响因素。本文利用水质分析获得的大量实验数据，采用人 工神经网络建立了细菌总数的预测模型，分别对管网入口、中部和末梢进行了预 测，预测准确度较高。 其次，本文还采用多种管材在实验室建立了模拟给水管网，对其水质情况进 行了连续监测分析，并将其结果与实际给水管网对比，得出模拟管网中水质的变 化总体趋势与实际管网相似，但存在一定的差异性。通过实验室管网的建立本文 对镀锌管、p p r 塑料管和a b s 塑料管管壁结垢物表面结构及其元素组成进行了 具体分析，国内尚未见相关报道。 再次，本文创新性地应用法国梅里埃公司的a p i 试剂对给水管网中的细菌进 行了鉴定，并对鉴定结果进行了细菌风险分析。其鉴定出的细菌大多数都为条件 致病菌，对人体健康有着潜在的危害。这在给水管网微生物水质研究方面具有重 要的意义，并为控制管网水质微生物学污染的研究奠定了基础。 最后，通过对试验区给水管网及实验室模拟给水管网的研究，本文提出了控 制管网水质污染，降低微生物学风险，提高供水水质的有效措施。 关键词： 给水管网水质监测人工神经网络预测模型a p i a b s t r a c t w a t e r i st h es o u r c eo fl i f e a n y b o d yc r n tl i v ew i t h o u tw a t e r ，s u c ha sd r i n k i n g w a t e r , l i v i n gw a t e ra n dp r o d u c i n gw a t e re t c a n dt os u p p l ys a f ed r i n k i n gw a t e ri s m o r ei m p o r t a n t s i n c ei o n ga g o m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np u to nt h er e s e a r c ho fw a t e r q u a l i t yo ft h ew a t e rt r e a t m e n tp l a n to u t l e t ，a n dt h er e g a r dt ot h ec o n t a m i n a t i o no f w a t e rq u a l i t yo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sn o te n o u 吐b u tt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sa n i m p o r t a n tp a r ti nt h ew h o l e w a t e rs u p p l ys y s t e m s ，a n di tp l a y sak e yr o l ei np r o t e c t i n g s e c u r i t yo fw a t e rs u p p l y t h ed i v e r s i f i c a t i o no fw a t e rq u a l i t yo ft h ed i s t r i b u t i o n n e t w o r kh a sb e e nr e s e a r c h e db yt h i sp a p e r , e s p e c i a l l yt h em i c r o b i o l o g yp a r a m e t e r s a n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s t b i si sas i g n i f i c a n tr e s e a r c h f i r s t l y , t h i sp a d e rc h o o s e st h er e p r e s e n t a t i v ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ko fan o r t h c o l l e g ea st h ee x p e r i m e n t a t i o na r e a a c c o r d i n gt ot h ew a t e rp o w e rr e s u l ta n dt h e d i s p o s a lp r i n c i p l eo fw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gp o i n t ，t h i sp a p e rs e t su p6p o i n t s ， i n c l u d i n gt h es e c o n d - s u p p l yw a t e rt a n k t h e s e6p o i n t sr e p r e s e n tt h ee n t r a n c e ，m i d d l e ， t w i ga n dt h es e c o n dw a t e rs u p p l y e s t a b l i s h m e n to ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e s p e c t i v e l y t h ew a t e rq u a l i t yh a sb e e nm o n i t o r e df o rl o n gt i m e s ，a n di t sp a r a m e t e r s h a v eb e e na n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h ed i v e r s i f i c a t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r s a c c o r d i n g a st h el a r g en u m b e r so fd a t a ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h eh p cf o r e c a s tm o d e l t h i s m o d e lh a sb e e na p p l i e df o rt h ee n t r a n c e m i d d l ea n dt h ee n do ft h en e t w o r ka n dt h e r e s u l ti sw e l l s e c o n d l y , t h i sp a d e r 。e s t a b l i s h e ss i m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ku s i n gt h e d i v e r s i f o r mm a t e r i a la tt h el a ba n dm o n i t o t st h ew a t e rq u a l i t yc o n t i n u o u s l y t h er e s u l t h a sb e e nc o m p a r e db yt h ea c t u a ln e t w o r k t h ew h o l ed i v e r s i f i c a t i o nd i r e c t i o ni s c o i n c i d e n t b u tt h e r ei ss o m ed i f f e r e n c ea l lt h es a t l e t h ee x t e r i o rc o n f i g u r a t i o na n d e l e m e n tc o m p o s i n go ft h ed i r t yo nt h ep i p ew a l la b o u tt h eg a l v a n i z a t i o n ，p p ra n d a b sh a v eb e e na n a l y z e d b e f o r et h i sh a v e n tb e e nr e p o r t e di no u rc o u n t r y a g a i n ，t h i sp a p e ru s e st h ea p ir e a g e n tp i e c eo ff r a n c eb i o m e r i e u xc o m p a n y t o i d e n t i f yt h eb a c t e r i ai nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kf i r s t l y r i s ko ft h eb a c t e r i aw h i c hh a v e b e e ni d e n t i f i e dh a sb e e na n a l y z e d m o s to ft h e ma r ec o n d i t i o n a lp a t h o g e n i cb a c t e r i a i t sap o t e n t i a ld a n g e rf o rp e o p l e sh e a l t h t h i si sv e r yi m p o r t a n tf o rt h em i c r o b i o l o g y w a t e rq u a l i t yr e s e a r c ha n di t st h eb a s eo fr e s e a r c ha b o u tt h ec o n t r o lo fm i c r o b i o l o g y w a t e rq u a l i t yc o n t a m i n a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k l a s t l y , v i at h er e s e a r c ho fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki nt h ee x p e r i m e n t a t i o na r e aa n d s i m u l a t i o nn e t w o r ki nt h el a b ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ee f f e c t i v em e a s u r e sa b o u t h o wt oc o n t r o lt h ew a t e rq u a l i t yc o n t a m i n a t i o n r e d u c et h em i c r o b i o l o g yr i s ka n d i r e p r o v et h ew a t e rq u a l i t yo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，w a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ，a n n ，f o r e c a s t m o d e l ，a p i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论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注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生态堂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：啊酋签字日期：刁年，月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂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说明) 学位论文作者签名： 墒 签字日期：枷7 年，月2 日 导师签名： 匆物呼 j 签字日期：矽7 年月日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 第一章绪论 水，是生命之源。人们的生活每天都离不开水，包括饮用水、生活用水及生 产用水等等。随着人们生活水平的不断提高，一方面对用水水质的要求有了很大 的提高；另一方面也对水环境造成了极大的污染。2 0 世纪5 0 年代以来，全球生 产规模急剧扩大，人口迅速增加，从自然界获取的资源超过了自然界的再生能力， 同时排入环境的废弃物超过了环境容量，出现了全球性的资源耗竭和严重的环境 污染与破坏问题。我国也面临着相同的问题。随着我国经济高速增长，城市化水 平不断提高，水污染问题日趋严重。据统计，1 9 9 9 年全国城镇废污水排放总量 为6 0 6 亿m 3 ，其中工业废水量占6 7 。废污水排放总量较1 9 8 0 年增加了近1 倍。 根据水利部门监测结果，1 9 8 0 年全国受污染的河长比例为2 1 ，1 9 9 9 年增加到 3 8 。因此，对于城市供水卫生的研究已成为供水安全领域的重要课题。 长期以来，人们的注意力大都集中在水源水质和水厂的处理工艺上，力求出 厂水水质达到供水要求，但是对于水质在城市给水管网中的变化则没有给予应有 的重视。传统的观念认为除出厂水p h 影响管道腐蚀外，只要能维持管网末梢余 氯0 0 5 m g l ，用户用水就是安全的。然而，城市给水管网系统在整个供水体系中 占有重要的地位，对水质安全起到了关键作用。自来水从出厂到达用户的过程要 经过庞大的给水管网，虽然自来水出厂时己达到饮用水的卫生标准，但在管网中 一方面要发生一系列复杂的物理、化学、生物反应，另一方面由于管网的二次污 染而使水质降低，以至于到达用户时不能满足饮用水的卫生标准。引起管网水水 质下降的主要原因有：1 管网在水压降低时，会因抽吸作用吸入含有氨及可同 化有机碳物质。2 余氯不足时，有害细菌、微生物繁殖，易发生细菌性腐蚀。 3 地下水库渗入地面水或地下水而污染。4 管道检修造成管网污染。5 屋顶水 箱因微生物进入或长期不清洗消毒而水质恶化。6 p h 6 5 、硬度 5 0 m g l ，溶解氧和硬度高的地下水使铁腐蚀成麻面。 8 铅在我国用于管道接头，低p h 和低碱度的水对铅的溶解力最强。9 水泥沙浆 管道涂衬会造成n h 3 污染，可在管道中转化成亚硝酸，沥青涂衬会释放苯并芘致 癌物。 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3 天，美国在采用区域统一供水时，水在管网中的平均停留时间有的长达7 天， 我国哈尔滨的供水在管网中停留时间近两天。这样庞大的地下管网就如同一个 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 大型的“反应器”。实践证明，水在这样的反应器内发生着复杂的物理、化学、 生物的变化，从而导致水质发生变化，造成管网水质污染。据对占全国总供水量 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 1 增加到0 1 l 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 幢1 ，可能为涂层释出的苯并( a ) 芘增加了5 0 - - 1 8 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1 6 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， 管道输水能力下降已成为城市供水管网普遍存在的现象。可见，出厂水在给水管 网中的再度污染已不容忽视。 饮用水水质对人体健康的影响主要包括两个方面：微生物风险和化学风险。 微生物风险主要是由饮用水中的水生致病菌引起的，通过饮用水传播病原的微生 物主要有细菌、病毒、原生动物和肠虫等；饮用水的化学风险是水中一些人工合 成有机物如杀虫剂、除草剂、农药以及氯化消毒副产物等对人体健康的威胁。自 从在未经加氯消毒的给水管网中发现细菌再生长现象以来，管网中细菌的再生长 及其所带来的问题日益得到了人们的关注和重视。细菌在给水管网中的繁殖再生 长有两个主要的含义：首先是指细菌漏过水的净化处理，进入管网，从而引起管 网内细菌数量的增加；其次就是指细菌在管网中的自身繁殖。细菌在给水管网中 繁殖，使供水水质恶化，加速了管网的腐蚀，存在水中的某些病原性微生物，即 使含量很少，只要有单个病原体进入人体就会使人感染患病，他们对人的危害比 饮用水中的微量有机污染物更大。 微生物在管道中形成低p h 值或者高浓度腐蚀性离子的微区( m i c r oz o n e s ) ， 导致发生氧化过程或腐蚀产物的去除及保护膜的脱落，硫酸盐还原菌及铁细菌在 腐蚀中作用较大，硝酸还原菌及产甲烷菌也有作用。管网水中无余氯，特别是“死 水端”余氯消失，细菌性腐蚀最易发生，管垢或腐蚀产物较多。一些研究者口1 对 国内3 4 个主要城市资料的统计，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 。 近年来的研究表明，出厂水中所含有机物是细菌在管网中滋生的必要条件。 人们认识到引起给水管网中细菌的重新生长和繁殖( r e g r o w t h 或a f t e r g r o w t h ) 的主要诱因是出厂水中残存的异养细菌生长所需有机营养基质，即可生物降解有 机物( a o c 或b d o c ) 。尽管给水处理厂通常通过加氯消毒杀灭病原菌，同时保 持管网末端一定的余氯龟( 我国规定为0 0 5 m g l ) 来控制细菌在管网中的生长， 但出厂水中仍残存有细菌( 出厂水中细菌控制指标为 1 0 0 ( c f u m l ) 、总大肠菌 天津大学硕士学位论文第一章绪论 群控制为每l o o m l 水样中不得检出) ；氯消毒后部分受伤细菌也会在管网中自我 修复，重新生长；同时换管和其他原因也会引起外援细菌进入管道。在管网水中 存在可生物降解有机物时，这些残存的细菌获得营养而重新生长繁殖，导致用户 水质变坏。给水管道内表面、铁瘤和冲洗下来的颗粒沉淀物上已监测出细菌种属 达2 1 种。多数研究表明当有机物含量高时，即使保持很高的余氯，给水管道中 仍可以检出几十种细菌，除少数铁细菌和硫细菌外，主要是以有机物为基质的异 养菌。细菌在管网中的再生长问题越来越受到重视。 引起给水管网水水质的恶化的许多原因中，生物学现象由于其公共健康危 害，无疑是很多研究的主题。尽管很高的异养细菌数量并不一定会构成健康危险， 但却是某一特定管网遭受生物污染的标志，这一状态能够保护致病菌种。h 儿5 1 管 网中生物膜的进化也会影响配水水质的其他方面，如味道和嗅味、无脊椎动物的 发展、色度和1 浊度的出现以及生物腐蚀现象n 3 的发生。因此，管理给水管网就 是要确保水质直到管网末梢，尽可能的保持不变。考虑到这一点，实质性的 问题就是要理解、描述和模拟导致管网系统水质变化的各种现象。鉴于不同的相 关现象的复杂程度，要考虑所有这些参数，就要利用数学模型来表达。 要建立水质数学模型，必须研究水质在给水管网中的变化规律，并寻找相应 的控制措施改善管网水质，以达到保证用户水质符合国家生活饮用水卫生标准。 国内外给水专家已经越来越重视饮用水给水系统中水质变化研究，相应的对给水 系统中水质模型的研究也变得更加深入和逐步完善。与管网中的细菌再生长有关 的微生物学水质模型的研究，目前仍处于定性研究阶段，只有少量研究进行了定 量模拟。 给水管网主体水及管壁生物膜中异养细菌种属的准确鉴定，对于采取合理 有效的措施来防止细菌大量繁殖具有十分重要的意义。因此，本课题主要针对管 网主体水和管壁生物膜中细菌的再生长影响因素及规律、异养细菌种属、管壁生 物膜结构的研究，能为采取有效措施抑制或减缓生物膜的形成提供理论基础，有 利于防治给水管道的腐蚀，降低管网水中的微生物风险，保证供水水质。 1 2 国内外研究现状 目前国内外对管网水质研究主要涉及的问题是：管网水的水质稳定性；有关 消毒剂和消毒副产物的研究；给水管网材质对管网水质的影响：管网水质数学模 型的研究。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 管网水质稳定性的研究 管网水的稳定性主要分为化学稳定性和生物稳定性。在国内，通常采用饱和 指数和稳定指数配合使用，判断水质的化学稳定性。这种判断标准仅以单一碳酸 钙的溶解平衡作为判断依据，没有考虑电化学过程，更没有考虑水中胶体的影响， 而且把碳酸钙既作为缓冲剂，又作为水垢来考虑。所以水质的腐蚀与结垢问题， 不能仅按上述指数来区分。近年美国、德国、瑞典、丹麦、挪威等国家联合研讨 了这一问题，主张要与管网所用材质结合起来考虑。实际上水质的化学稳定性与 饱和指数、管材、p h 值、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 ) 都有关，而目前国内 外对这方面研究的却不多，因此应从饱和性指数、管材、p h 值、a o c 等多方面 出发，综合研究、评价水质的化学稳定性问题。 所谓饮用水的生物稳定性是指饮用水中有机营养物质能支持异养细菌生长 的潜力，即细菌生长的最大可能性。可同化有机碳a o c 是指可生物降解有机碳 b d o c 中被转化成细胞物质的那部分。a o c 与异养细菌在管网中的繁殖密切相 关，是异养细菌直接用以新陈代谢的物质和能量来源，一般作为异养细菌在给水 管网中再生长潜力的评价指标。自1 9 8 2 年荷兰v a nd e r k 0 0 i i 博士创建了测定水中 可同化有机碳试验以来，该方法在国外被广泛用来评价水的生物稳定性呤，。 近2 0 年来，国外通过一些中试或小型试验对处理水的生物稳定性进行了大量 研究。主要有三个研究方向：判断生物稳定性的指标问题、各种水处理工艺对生 物稳定性的去除作用、不同水源对处理水的生物稳定性的影响问题。但对管网中 生物稳定性变化情况的研究还未见报道。 国内目前对a o c 的主要研究成果有n 们：1 ) 水源水质较好的水厂出厂水和管网 水中a o c 含量相对较低，反之则高。2 ) 在饮用水q b a o c 和b d o c 之比变化较大， 但大量数据统计结果表明平均值约为3 0 - - 4 0 ，因此也可以用b d o c 来评价 饮用水的生物稳定性。3 ) 常规水处理工艺对a o c 的去除效果波动较大，而活性炭 一纳滤膜工艺可以达到较好的效果。4 ) a o c 在管网中的变化受氯的氧化和细菌活 动的双重影响，氯氧化使a o c 增加，细菌活动使a o c 减小。 尽管目前国外对生物稳定性做了大量、深入研究，但还未从给水管网方面做 过深入研究：国内虽然曾研究了管网中a o c 的变化情况，但只是一些比较简单的 定性研究。所以，还需要进一步深入研究生物稳定性在配水管网中的各种影响因 素，如消毒剂种类和浓度、b d o c 、温度、管材、p h 值、细菌、水的停留时间等通 过实验，探求a o c 在管网中的变化规律，研究出a o c 在管网内的动态变化模型， 将会弥补国内外在这方面的研究。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 消毒剂和消毒副产物的研究进展 关于氯消毒剂的研究，最初主要研究投氯量、余氯在水中的存在形式及消毒 机理、影响余氯消耗的各种因素、消毒效果等。当前的研究重点逐渐集中在管网 中余氯变化的动力学机制和衰减规律等方面。j a m e s c n l3 从多种水源中抽取2 0 0 个水样，通过这些水样研究了6 种游离性余氯衰减的动力学模型，并通过对游离 性余氯沿管线衰减的研究认为余氯在主体水中的衰减和总体衰减规律都符合一 级反应动力学。r o b e r tm c n 2 1 等从微生物安全和化学安全两方面考虑，认为余 氯的消耗可用二级模型来描述。s t e f a nh m n 3 3 等引用一套新的用于测定水中含 氯量的误差校正程序，利用非线性最优化参数估计值程序确定含有单因子或双因 子参数模型的氯衰减系数，确定氯的衰减系数，并进一步研究流量、流入管网的 氯的浓度和温度的关系。这些一级或二级的模型大部分都是直接用数学方法推导 而来，并未从化学角度研究余氯在管网中衰减的动力学机制，因此不能完全反映 出余氯在管网中消耗的本质。 在国内，从管网中影响余氯消耗的多种因素出发，把余氯在管网中的消耗分 为四部分u 利：1 ) 与管道水中有机物和无机物的反应；2 ) 与管壁附着的生物膜的反 应：3 ) 在管壁腐蚀过程中的消耗：4 ) 在管壁与水流之间余氯的质量传输。经研究 认为余氯在管网中的衰减是一级反应，其消耗动力学模型考虑了影响余氯消耗的 管长、管径、管材、流速、管道的敷设年代、管壁粗糙度、温度、反应活化能等 因素，所以较全面地反映了余氯在配水管网中的衰减过程。 由此可见，现在对氯消毒剂的研究已经达到了相当的深度，提出了多种确定 余氯衰减系数的方法和余氯衰减模型。但这些模型都未能有效的应用于实际生产 中，因而不能发挥其指导生产的作用，所以今后余氯衰减模型研究应向其实用性 方面发展。 2 0 世纪7 0 年代中期，认识到氯作为消毒剂会产生对人体有害的消毒副产物 以后，氯化反应的反应机理、影响条件、动力学特征和副产物的分离与鉴定、环 境毒理和以及母体物质的研究等，都是为阐明饮用水氯化消毒过程的重要基础性 研究课题，并取得了相当的成果。目前，关于饮用氯化消毒的“氯化化学”、“氯 氨化学”、“氯及氧化剂化学”等，已开拓成了新的研究领域，尚需对其进行深一 步的研究。 消毒主要用于防止水中致病微生物引起的水传播疾病。但氯是较不稳定的物 质，具有强氧化性，极易与水中含有的许多天然有机物( 主要以腐殖质的形式存 在) 反应。因此，在加氯过程中会产生对人体有害的消毒副产物，这些消毒副产 物主要有三卤甲烷( t r i m s ) 、卤乙酸( h a a s ) 、卤代氰( c y a n o g e nh a l i d e s ) 等十几种。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 目前对消毒副产物的研究是管网水质研究的热点之一，主要研究的消毒副产物是 三卤甲烷和卤乙酸。 为了描述三卤甲烷的形成动力学机理，人们先后提出过几种经验模型。a m y 等人对各种模型曾作过经典的回顾和评论u 6 1 。除了对三卤甲烷生成潜能影响很大 的溴化物外，在不同条件下这些模型的反应级数是完全不同的。而且，三卤甲烷 的含量随着溴化物浓度的增加而增加。目前已经提出了包括细菌学参数的三卤甲 烷经验模型。h o e h n 等曾报导过藻类产量与三卤甲烷生成潜能有关n 。c h a p r a 巾- 和 c a n a l e 等人提出了一个以总磷的负荷量为函数的经验模型，认为三卤甲烷生成潜 能与叶绿素、浮游动物、溶解氧、总磷等有关n 刖。 国内外对于三卤甲烷的研究绝大多数集中在卤仿形成机理、卤仿形成的预测 模式及分析检出方法等研究方面。有关文献n 们曾对三卤甲烷进行了较深入的研 究，研究中以腐殖酸为三卤甲烷形成的前驱物质，确定t h m 生成的反应级数为 二级，引入了t h m 生成能( t h m f p ) 的概念，将t h m 的生成作为t h m f p 、余氯 浓度、滞留时间及温度的函数，提出了三卤甲烷浓度分布的水质模型。利用此模 型结合配水管网的水力分析与计算可以求出配水管网中任一节点的t h m 浓度。 国内对消毒副产物的研究与国外相比还较少。而且这些对消毒副产物的研究主要 集中在三卤甲烷测定和生成机理、影响因素上，对给水管网中卤乙酸等其他消毒 副产物的研究以及控制消毒副产物的研究均处于刚刚起步阶段，亟待深入展开 1 2 0 1 2 3 给水管网管材对水质影响的研究 管网材质对水质的影响主要有两方面：管材与管网水发生的腐蚀反应( e g 化 学反应) 和管材对水中微生物的影响( 生物反应) 。f r a t e u r 乜等对铸铁管的腐蚀进行 了研究，认为铸铁管的腐蚀仅仅导致了氯与管道溶出的亚铁离子反应，由腐蚀引 起氯的消耗速率可由腐蚀电流密度得出。p a t r i c k n i q u e t t e 乜2 1 等研究了配水管网中 不同管材对生物膜的影响，认为铸铁管对管壁生物膜的影响最大，塑料管对管壁 生物膜的影响最小。有关文献幢3 1 结合实验室和现场测试研究了供水水质在管道输 送过程中所发生的一系列的变化，指出采用经过严格毒理学及微生物学测试的管 材才是解决管网水质污染的有效途径。 目前，国内外在管材方面的研究主要从化学和电化学角度进行的，还没有从 微生物学方面和毒理学方面对管材和水质关系作过深入探讨，因此对这方面的研 究还是一个全新的领域，有待寻找最合适的环保型管材，提高饮用水水质。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 4 管网水质模型的研究 国外学者对水质模型的研究起步较早，从1 9 8 0 年w o o d 心引提出基于稳态水力 模型的水质模型后，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 等在1 9 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，其他的研究者对稳态下的水 质模型进行了扩充，直至水质模型开始使用。美国环保署正在研究供水管网中消 毒副产物( t t h m s ) 和卤乙酸( h a a s ) 的多组分水质模型。在水质模拟上，有 关于法国管网设置传感器和追加氯剂处理的调查，意大利利用剩余氯浓度预测模 型，设计配水系统等。世界各国现在十分关注水系统内的水质问题。配水系统模 拟和监测系统结合运用是今后水质管理的最佳手段。 世界发达国家先后建立了供水试验基地，作为理论基地的美国水工业协会研 究基地( a 懒r f ) ，正在进行应用于储水池的多用途模型，该模型包括9 种不 同类型的模型供选择，5 种用于f i l l e d a n d d r a w n ，4 种用于同时进出水 ( i n l e t o u t l e t ) ，分为系统模型( m u l t i c o m p a r t m e n tm o d e l s ) 和c f d 模型 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 作为试验与应用基地的美国环保署( e p a ) 建 立了两套输配水模拟器d s s ，用于管网水力、水质模型的研究，并发布了供水模 型e p a n e t ，该模型已被国外公用事业领域以及私营领域广泛使用，同时进行了 大范围的模型参数校验工作。 我国于7 0 年代后期开始研究管网的电算问题，主要集中在高等院校。纵观 国内研究概况，对于水质模型的研究仅限于管网的二次污染问题，管网的水质微 观模型的研究尚在起步阶段。 国内大中城市的市政部门开始信息监控系统( s c a d a ) 、地理信息系统( g i s ) 和管网建模系统的建设与应用，但多数处于数据收集和信息管理阶段，尚未能发 挥企业生产管理的作用，其原因主要是仍然缺乏与其配套的、符合生产实际需要 的给水系统专业应用软件及软件应用的基础数据和成熟经验。 1 9 9 8 年上海市建立了给水管网动态水力模型，通过模型掌握水流的真实流动 状况有效地分析用户用水中存在的主要问题，如避免出现管网中水打回笼，协助 检漏工作，寻找较优的季节性阀门开关状态，指导管网改扩建工作等。管网动态 水力模型为上海自来水公司开发实时在线调度系统建立了基础，而与s c a d a 系 统连接实现在线优化调度则有待进一步研究。南京供水管网实时模拟软件则完成 了第一阶段开发工作，正转入第二阶段的优化调度软件研制工作。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 关于给水管网微生物学水质模型研究的范围是细菌等微生物在配水系统中 的再生长问题，目前处于定性研究阶段，只有少量研究进行了定量模拟。p i r i o u 等幢铂研究用p i c o o b i o 软件来预测给水管网中的细菌变化，( 可繁殖的和全部的 细菌) ，图1 1 描述了这一具体过程。这个模型考虑到了： 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 被悬浮细菌和固定细菌消耗掉的可利用的营养物质的去向，在假定只 有碳作为细菌生长限制因子的条件下汹1 ，这些可利用的营养物质通过 可同化有机碳( b d o c ) 的方法乜铂来决定； 温度对细菌动态的影响； 衰老、破裂等细菌的自然死亡； 由于氯消毒剂的存在，而导致细菌的死亡，这种作用对自由细菌和固 定细菌的作用是有差别的。死亡率考虑了因水的p h 值不同而导致的 氯的不同存在形式( h c l o c l o 。) ： 在p h 值、温度、水力条件和管材的影响下，氯衰减的动力学啪】。 流速 一停留时间 净生长 图1 - i 模型的相关因素 该模型用不同的数学方法表达出悬浮细菌和固定细菌的区别，并把反应发生 的位置分为溶液中、水和生物膜交界面、生物膜内三个部分： 1 ) 氯引起的悬浮细菌死亡率的表达式 驯叫1 e x p ( ( 告) ) ) u n t i i c z z 犯k ( 1 - 1 ) 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 其中：k ，州( 【c l ：】) 堍浮细菌菌死亡率，4 ，a ，b 嫦量， c l ： 哦的浓度， c l ：】岫= 对细菌作用的氯限制浓度。 2 ) 水和生物膜交界处细菌分离速率是常数 d e t a c h m e n t d e t e z( 1 - 2 ) 3 ) 生物膜内分离系数 s 6 d e 口砌所册7 d 。t 而z ( 1 - 3 ) 其中，k 。d ：分离速率稀疏，s 。：生物膜中营养物质浓度，：生物膜厚度， z ：生物膜中集中细胞的密度，圪。：最大消耗速率，k 。：m o n o d y - 饱和系数。 这一模型已经用p i c c o l o 软件和s a f e g e 水力计算模型界面化啪1 ，通过 p i c c o l o 产生的水力计算结果和数据配置来预测每个节点和管网每个环的细菌 数，提供了一种高效、简单的方法来可视化管网的水质变化，使得对水质变化和 管网运行影响的评价成为可能。这一模型也可以用来模拟各种不同尺寸和规模的 配水系统，并为管网管理策略提供建议。 因给水管网中细菌的繁殖与余氯和营养物质密切相关，所以研究余氯对细菌 生长的抑制作用和营养物质对细菌生长的促进作用比研究细菌生长更重要。尤其 在当今饮用水水源受到不同程度有机污染的情况下，研究a o c ( 生物可同化有机 碳) 在配水管网中的变化规律、建立给水管网生物稳定性模型尤为重要，目前国 内外研究a o c 在配水管网中变化规律处于定性的初步阶段b 州3 ，而定量模拟数学 模型还未见报道。 1 3 本课题的主要研究内容 1 、选择确定研究的区域，根据实际管网大小、结构形式、水流方向、管材 及铺设年代等，设置水质监测点进行取样：模拟实际给水管网建立实验室模拟管 网，并设置水质监测点。 2 、确定分析指标，通过现场和实验室化验分析，分析实际管网及实验室模 拟管网中水质指标的变化情况，研究管网中细菌再生长的现象。 3 、在对实验数据进行系统分析的基础上，对细菌再生长的机理及影响因素 进行深入分析，找出影响细菌再生长的关键因素。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 4 、通过确定管网中细菌与其他水质指标的相关关系，进而建立细菌再生长 的水质预测模型，并用实测的水质数据对所建水质模型进行考核验证。 5 、通过法国梅里埃公司的a p i 试剂条对管网主体水及管壁生物膜中的细菌 进行鉴定；并用扫描电镜对管壁膜的结构形态及其组成成分进行分析研究。 本研究拟分三个阶段进行：第一阶段主要是查阅文献生物资料，确定课题， 制定试验方案，进行试验。通过对国内外水质资料的收集、整理与分析，确定了 研究内容，选定某高校校园管网为本课题的水质研究区域，通过对其管网上设置 的6 个检测点的水样进行现场测试和实验室实验来获取给水管网水质数据。所测 的水质指标主要包括温度、浊度、余氯、总氯、p h 、n 0 3 、n 0 2 一、n h 3 - n 、b r 、 f e 、u v 2 5 4 、t o c 等理化常规指标，以及细菌总数( h p c ) 、大肠杆菌数和a o c 等微生物学指标。 第二阶段主要是对第一阶段所获得的实验数据进行系统分析，研究各水质指 标在管网中的变化规律并确定管网中细菌与其他水质指标的相关关系，采用人工 神经网络初步建立细菌再生长的水质预测模型，并用所测得水质数据验证模型的 正确性并进行预测。 第三阶段就是要在分析管网水中各水质指标的基础之上，结合实测管网主体 水及管网生物膜中细菌的种类以及管壁结垢层结构的分析，提出可能的预防或控 制管网水质污染的有效措施，最终达到提高供水安全可靠性的目的。 1 4 本课题的研究技术路线 本课题的具体研究技术路线如图1 2 所示。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 资料调研 l， 山 l 确定实际管 建 ，模拟管网建，分析方法 i 网研究区域 i 上， 上 实现试 验场验 室 试验 试验 证 验 山 水质分析并建 ，模型 1 l 水质模型校核 土 水质子五测 1 1 上 主体水与管壁综合分析 上 水质保障措施 图1 2 课题研究技术路线 天津大学硕士学位论文 第二章水质监测与水质分析 2 1 背景介绍 第二章水质分析与水质监测 经过认真细致的调查，选取北方某高校校园作为本课题的研究区域来进行水 质监测分析，这主要是该校园由进水管进入后，在此小区内进行配水，不再转输 到下一个小区，管网相对独立，结构相对简单，有利于管网水质的分析和建模。 同时，考虑到实际管网在取样化验时存在的问题与困难，在实验室建立了实验室 模拟小管网，进行水质监测和水质分析。 2 1 1 北方某高校给水管网概况 该高校现有人口五万多人，学校占地约1 5 平方公里。2 0 0 1 年全年用水总量 3 0 3 4 8 万n 1 3 ，年排污水量2 7 3 2 4 万m 3 。以2 0 0 1 年6 月为例，全校教学区内总 用水量为2 0 9 万m 3 月，最高日用水量达9 0 0 0m 3 ，而且随着在校学生规模的扩大， 用水量还将继续增长，形势非常严峻。 该校园给水管网，现有六条进水管线( 其进水位置见附录一) ，管径分别为 d n l 5 0 、d n 3 0 0 、d n 2 0 0 、d n 2 0 0 、d n 4 0 0 、d n 3 0 0 ，总供水能力为9 0 0 0 - - - 1 0 0 0 0 m 3 日。目前校园用水主要由隶属于市自来水公司的西水厂供给。西水厂1 9 6 3 年 开始建设，总共3 期工程，总设计能力是5 0 万i n 3 日。目前该市日用水量1 0 0 万m 3 左右，西水厂占1 3 份额。 由于本区，尤其是家属区管道布设比较密集，通过管网平差可知，许多管道 的流速都接近零。自来水入校后在管道中停留时间较长，水质发生变化与管道的 腐蚀程度密切相关。因此，研究这个区域的管网水水质变化具有较大的意义。 2 1 2 实验室模拟给水管网概况 通过水力计算与分析，在实验室建立小型模拟给水管网，其构造见附录二， 该管网水箱进水接实验室自来水。水进入水箱后，通过水泵的提升使水进入管网 中，通过调节阀门可以自由选择管网水循环运行方式和非循环运行方式。 非循环运行方式的优点是与实际管网运行条件基本相似，缺点就在于用水量 过大、试验费用过高，使得它在研究工作中的应用受到了限制。而循环运行方式 可节约用水，减少试验成本，但在其运行条件和实际管网有所差别。综合考虑各 方面因素，本课题最终决定采用循环运行方式对该模拟给水管网进行水质分析。 天津大学硕士学位论文 第二章水质监测与水质分析 2 2 监测点的设置及监测指标的确定 2 2 1 监测点的设置 进行水质监测是力求以管网中少数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，但对其选址仅有定性的叙述。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，水质监测点的选取通常遵循以下原则： a 出厂处设点的原则。在每个水厂出水处设立水质监测点，以测定处理后 水进入管网的水质状况，也就是管网水质模型主要的输入数据； b 管网末梢处设点的原则。因为在供水管网末梢处，水中消毒剂在水力传 输过程中浓度逐渐降低，致使水质状况随之下降，所以在管网末梢处设立几个监 测点对监测、控制整个管网的水质水平是非常必要的； c 按影响因素交叉选取的原则。把影响水质的客观因素的取值范围分段， 然后选取符合不同交叉范围的管段以尽可能的包括管网中所有的管段情况，使得 管网水质模