（环境工程专业论文）济南市二次供水系统水质防护现状与对策.pdf

声明 x 6 1 6 6 9 6 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 做作者撇：计待 关于论文使用授权的说明 日期：口镡侧2 相 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 注：请将此页附在论文首页。 导师签名： 期：护僻司2 仁因 西安建筑科技大学硕士学位论文 摘要 随着城市大型建筑的日益增多，建筑给水工程也向着大水量、高水压的方向发展，致使 二次供水系统日益增多，然而随之而来的是二次供水系统污染严重，饮用水水质下降，各种 严重的水质污染时有发生，大大影响了人们的身体健康，与人们生活水平提高，对水质要求 越来越高的矛盾闩益突出。济南市作为山东省的省会，虽然在二次供水行政管理上走在全国 的前列，但也存在着一些问题。 本项研究通过对济南市的二次供水系统水质防护情况作一次全面的调查，对水样做抽样 检测，得出济南市现有的二次供水系统水质状况，济南市二次供水系统水质防护现状不容乐 观。对在调查检测中出现的污染问题进行分析研究，指出管网腐蚀、结垢、微生物繁殖、余 氯产生的副产物、外界的二次污染以及防腐衬里渗出物这几个方面的因素是造成二次供水系 统水质污染的主要原因。着重研究二次消毒措施的技术经济比较，通过对紫外线消毒、二氧 化氯消毒、次氯酸钠消毒、臭氧消毒、微电解消毒这几种消毒方法消毒机理、效果、消毒设 备、技术要求、管理水平等方面的比较，指出紫外线消毒水箱、自洁消毒器消毒是比较合适 的消毒措施。研究蓄水装置水力特性对水质的影响，应用数学模型对蓄水装置提出了卫生学 极限流动时间和停留时间。并对济南市的二次供水系统水质污染问题从设计、管材、蓄水装 置、管理上提出相应的对策。 关键词：二次供水水质污染控制消毒 西安建筑科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 鼢i n c r e a s i n go ft h el a r g eb u i l d i n g i n c i t y , b u i l d i n g w a t e r e n g i n e e r i n g d e v e l o p sa l o n gt h eb i gf l o wa n dh i i g hp r e s s u r e ，w h i c hi n s u l ti nt h ei n c r e a s i n go f s e c o n dw a t e rs u p p l ys y s t e m ，n e v e r t h e l e s sa l o n gw i t hw h i c ht h es e v e rp o l l u t i o no f s e c o n dw a t e rs u p p l ys y s t e m ，t h ed e c l i n eo f d r i n k i n gw a t e rq u a l i t ya n da l lk i n d so f s e v e rw a t e rp o l l u t i o ns o m e t i m e sh a p p e n ，t h i sc o n d i t i o ni n f l u e n c e st h eh e a l t ho f p e o p l eg r e a t l y , t h ec o n f l i c tb e t w e e n w h i c ha n dt h ei n c r e a s i n g l yn e e do fw a t e r q u a l i t y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs t a n d a r do f l i v i n gi n c r e a s e d t h e r ea r es o m eq u e s t i o n si n j i n a n ，a st h ec a p i t a lo fs h a n d o n g p r o v i n c e ，t h o u g ht h e a d m i n i s t r a t i o no fs e c o n dw a t e r s u p p l yi nj i n a n i sa h e a do f t h e c o u n t l 了 t h er e s e a r c he d u c e ss t a t u so ft h ew a t e rq u a l i t ya b o u tc u r r e n ts e c o n dw a t e r s u p p l ys y s t e m i nj i n a nb yo v e r a i l i n v e s t i g a t i o no fp r o t e c t i o na b o u ts e c o n dw a t e r s u p p l ys y s t e mi nj i n a na n ds a m p l i n gi n s p e c t i o no fw a t e r , t h ep r o t e c t i o no f s e c o n d w a t e r s u p p l ys y s t e mi n j i n a ni sn o to p t i m i s m t h er e s e a r c h p o i n t t h a te r o s i o n o f p i p e n e t w o r k ，s c a l e ，p r o p a g a t i o n o fm i c r o o g a n i s m ，b y p r o d u c to fc h l o r i n e r e s i d u a l ， e n v i r o m n e n ts e c o n dp o l l u t i o na n ds e e p a g eo fa n t i c o r r o s i v ea r e p r i m a r yr e a s o n s c a u s i n g w a t e r q u a l i t yp o l l u t i o n o fs e c o n dw a t e r s u p p l ys y s t e m t h e r e s e a r c h e m p h a s i z e sc o m p a r eo f t e c h o e c o n o m y a b o u ts e c o n dd i s i n f e c t i o nm e a s u r ea n d p o i n t u l t r a v i o l e td i s i n f e c t i o nt a n k , a u t o m a t i cc l e a nd i s i n f e c t i o nf a c i l i t ya r em o r ea d a p t i v e d i s i n f e c t i o nm e a s u r e s b yc o m p a r e o f m e c h a n i s m ，e f f e c t ，e q u i p m e n t ，t e c h n i c a l d e m a n d ，m a n a g e m e n t l e v e la b o u tu l t r a v i o l e t ，c h l o r i n ed i o x i d e ，s o d i u m h y p o c h l o r o u s ， o z o n e ，m i c r o e l e c t r o l y z e t h er e s e a r c h s t u d i e sa f f e c to f t h e h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i co f s t o r a g ee q u i p m e n t t ow a t e rq u a l i t ya n d p u tf o r w a r dh y g i e n i c a ll i m i th r t t os t o r a g e e q u i p m e n tb ym a t h e m a t i c sm o d e l t h er e s e a r c hp u t sf o r w a r dc o r r e s p o n d i n g t a c t i c s a b o u td e s i g n ，m a t e r i a l ，s t o r a g ee q u i p m e n t , m a n a g e m e n to nw a t e r q u a l i t yp o l l u t i o n o f s e c o n dw a t e r s u p p l ys y s t e m i nj i n a n k e yw o r d ：s e c o n dw a t e rs u p p l ys y s t e mw a t e rq u a l i t y p o l l u t i o n c o n t r o l d i s i n f e c t i o n 西安建筑科技大学硕士学位论文 第一章概述 1 i 研究的目的和意义 二次供水，是指用水单位将城市公共供水或者自建设施供水，经过储存加压及深度处理 后再供给用户使用的供水方式。 随着社会经济的发展以及人们生产生活要求的提高，建筑业得到迅猛发展，建筑给水排 水工程在短短的几十年里，由简单的室内卫生工程发展到高层大型综合给排水消防系统，其 工艺和建筑设备的水平达到较高的程度，人们生活舒适程度不断提高。然而随之而来的是关 于饮用水污染的情况日益增多，其中二次供水系统的问题尤其突出。据有关资料表明，1 9 9 6 年我国各自来水厂的出厂水各项水质指标的平均值符合现行生活饮用水卫生指标，平均总合 格率为9 9 3 9 ，其中浊度、细菌总数、总大肠菌群和游离余氯量四项指标全年综合合格率平 均值达9 8 7 3 ，而管网水中浊度、细菌总数、总大肠菌群和游离余氯量四项指标全年综合合 格率平均值仅9 5 6 8 ，较出厂水降低。二次供水系统四项指标全年综合合格率平均值则为 8 3 8 1 ，与出厂水相比，水质明显下降，后两项指标平均值已不符合标准要求，可见二次供 水系统中的水质污染隋况更为严重。以北京为例，仅在1 9 9 2 1 9 9 5 年，全市就发生1 7 起高 层建筑二次供水设施饮水污染事故。北京市卫生防疫站1 9 9 8 年对高层建筑二次供水设施的 卫生状况及监督管理水平进行了调查和综合评价，发现高层建筑不仅在系统设计施工上存在 问题，在饮水卫生管理上也存在严重的问题。在厦门市近期对二次供水设施进行的专项检查 中，同样发现了很多问题，其中4 项指标综合合格率平均值低于8 0 。在经济发达国家，二 次供水系统水质污染也时有发生，据美国1 9 9 2 年的一项调查报告中表明，在美国5 8 6 6 6 个 供水系统中，约有1 6 2 8 4 个存在不同程度的水质不合格，其中由二次供水系统污染造成的约 占9 5 以上。济南市近几年随着经济的发展，二次供水单位愈来愈多，同样存在着上述问题。 饮用水在输送蓄贮加压过程中出现的水质污染，对人体健康与安全造成的危害是巨大 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 ；i ；i i i ；i i j ；i # i i i i i j ；i # ；i i j = ；i i ； ； 的，特别是2 0 0 3 和2 0 0 4 年世界范围爆发了两次流行病，而病菌又很容易依靠水系统传播， 使部分人们对饮用水产生了心理恐慌和压力。随着人们生活水平不断提高，对生活饮用水的 水质越来越重视。我国在2 0 0 3 年4 月1 5 日颁布的建筑给水排水设计规范，特别强调了 生活饮用水的水质防护。卫生部于2 0 0 1 年6 月7 日也已出台了生活饮用水卫生规范， 对饮用水的水质提出了更高的要求，针对以上情况，很有必要对济南市二次供水系统( 主要 针对生活用二次供水系统) 的水质防护情况做一次全面的调查研究，并对出现的问题提出相 应的对策。 1 2 、研究的主要内容 l 对济南市二次供水系统进行一次全面的水质调查，对从中取的水样进行随机检验。 2 对不阿建筑物类型的二次供水系统抽样进行以下调查：管材的种类、腐蚀情况、使用寿 命，水池水箱中生活水是否与消防水合用、配管情况、防腐涂料种类、生活用水容积大 小、周围环境情况，其他部分如通气孔、人孔的设置情况，水池、水箱清洗消毒睛况， 二次供水单位管理状况等。 3 总结出济南市二次供水系统水质防护现状，对以上出现的问题进行研究分析，指出二次 供水系统出现水质污染的原因。 4 由于二次供水系统中蓄水装置是水质污染的主要渠道，因此进行蓄水装嚣水力特性对水 质影响的研究，应用数学模型对蓄水装置提出卫生学极限流停留时间。 5 二次供水系统中水质细菌学指标合格率最低，需进行二次消毒，有必要进行二次消毒方 法技术经济比较的研究，找出适合二次供水系统特点的消毒方法。 6 从设计、管材、蓄水装置、管理上提出济南市二次供水系统水质防护对策。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ；j 昌；暑置i ；i i i i i i i i i 暑暑暑；i 暑暑薯；筝；嵩掌i 葺宣 ； ； 第二章济南市二次供水系统水质防护现状 在济南市供水管理办公室的大力支持协助下，笔者于2 0 0 3 年9 月至2 0 0 4 年初对济南市 二次供水系统作了较为详细的调查。 2 1 概况 济南市截止到2 0 0 4 年4 月，登记在册的城市二次供水系统有3 4 8 个，用水性质分别是 居民生活用水、酒店旅馆业用水、其他公共建筑用水、工业用水等，其中有1 5 5 的二次供 水单位为工业用水；高层建筑大多同时建有水池和水箱，低层多层建筑大多只建有水池。 2 _ 2 水池水箱设置情况 从抽样调查的二次供水系统中，1 0 0 的水池采用钢筋混凝土结构，高层建筑大多将水池 设于地下室内，其他大多设于室外。约8 6 1 的水池消防用水和生活用水合用，消防用水基 本是以贮存两小时的消防用水量为准，生活用水容积与日生活用水量的关系差异相当大，有 的两者之间的比值为0 2 ，有的则达到了3 5 ，这样虽然增加了供水的可靠性，但水在水池中 贮存的时间这么长，为微生物的繁殖提供了良好的条件。全部的贮水池都能满足与污染源的 距离要求，但部分周围环境比较差，从调查中发现：有的贮水池没有设置通气管：设置了通 气管的，部分没有设置防虫网罩；有的溢泄水管道与污水或雨水管道直接连通，没有中间隔 断；有的人孔没有防倒灌措施，下雨时，聚集在地面的雨水很容易流入贮水池；有的人孔盖 没有加锁，带来了不安全因素：有的水池水面上漂浮着大小不的杂质，内壁长满青苔，池 底积满厚厚的淤泥。 水箱的制作材料主要有钢筋混凝土、钢板红丹防腐或环氧树脂防腐、不锈钢板和玻璃钢， 约有2 8 采用第一种材料，约有9 4 5 采用第二种材料，极少数采用其他材料。约有8 8 生活用水与消防用水合用，水箱中生活用水容积与最大时用水量之比差异也比较大。水箱设 置中存在的问题是有的露天设置，有的敞开设置，有的虽然在设备间设置，但与建筑物的净 西安建筑科技大学硕士学位论文 间距不够，影响了正常的维护管理，再有就是溢流管的设置不合理。 2 3 管材、水嘴使用情况 在调查的二次供水系统生活用水部分中中，约有8 8 室内使用镀锌钢管，埋地采用铸铁 管，1 2 采用塑料管，从建筑物的建成时间来看，新建建筑物均采用塑料管，内壁较光滑， 采用镀锌钢管的，相当一部分外观锈迹斑斑，内壁结垢严重。各单位都己淘汰了升降式铸铁 水嘴，而采用陶瓷片密封水嘴。 2 4 水质检测情况 本人从调查的系统中抽取了1 2 组水样进行了浊度、细菌总数、总大肠菌群数、余氯等 四个方面的水质检测。 2 4 1 检测方法 1 水样采集 采用经高压灭菌的采样瓶在无菌操作下，用水点处取水样5 0 0 毫升。 2 按g b 5 7 5 0 8 5 的检验方法 细菌总数用平板计数法，个毫升； 大肠菌群数采用3 0 0 毫升总量的乳糖多管发酵法，个用+ ； 游离性余氯用邻联甲笨胺比色法，毫克升，以生活饮用水卫生标准( 5 7 4 9 8 5 ) 为基准进 行评定 2 4 2 检测结果 浊度合格率为1 0 0 ，其中最高值为1 9 3 ，最低值为0 9 9 ，细菌总数合格率为7 5 ，最高值 为3 5 0 ，最低值为5 ，总大肠菌群数合格率为9 2 ，余氯合格率为5 8 ，最低值为0 。平均 合格率为8 2 ，与我国其他城市的二次供水水质隋况差别不大。1 2 组水样的水质检测结果 详见表2 1 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 济南市二次供水系统水质抽样检测结果 冰质指标 浊度( n t u ) 余氯( r a g )细菌总数( 个m 1 )大肠杆菌数个沮) 二次供、 承卑馥 省电子学校 1 2 20 0 31 9 52 省工商局 0 9 9o 0 59 1 未检出 金冠花园1 9 3 o3 5 05 明月华庭 13 90 0 75 2未检出 重汽集团 1 5 4o3 4未检出 燕柳花园 l ，7 10 0 26 7未检出 省建工学院 1 8 60 0 58 5未检出 三联集团 i 0 70 0 82 8未检出 明珠酒店 1 5 601 3 51 开元山庄 1 0 3o 0 85未检出 金龙大厦 1 0 80 0 91 0未检出 房产大厦 1 5 50 0 54 6未检出 历下大厦 1 9 40 0 75 3未检出 合格率 1 0 0 5 8 7 5 9 2 另外本人对调查期间的一组水质举报水样进行了测定，结果发现该自各水源二次供水系 统的水样有明显的肉眼可见物，c o d 。为1 9 6 m g l ，远远高于卫生部生活饮用水卫生规范 西安建筑科技大学硕士学位论文 中规定的小于3 的要求。 2 5 二次供水系统管理情况 济南市供水管理办公室作为二次供水系统的行政主管部门，对水质防护问题相当重视， 在2 0 0 2 年出台了济南市二次供水设施管理办法，这在全国属于教早的，主要内容如下 济南市城市二次供水管理办法 第一条为确保城市二次供水水质，防止生活饮用水二次污染，保障饮用水的安全和人民身 体健康，根据 ，7 时，在阴极将发生氧化还原反应： 0 2 + 2 i - i ：o + 4 e 一一4 0 h r 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f e ( 明) ：，进一步氧化生成f e ( o h ) s ，其中部分脱水成为铁 锈f e ( o h ) ，n h 2 0 。它质地疏松，不能起保护作用，以上反应不断进行，铁锈不断沉积在管 内表面形成锈垢。 在与水接触的管内表面，有一层似乎不流动的薄水层，叫层流边层，流速越大，该水层 越薄，通过该水层水流中的氧的扩散补给容易，故促进锈蚀。当管内流速加快，氧的补给量 增多，铁管表面由于氧气过剩，趋于钝化，反而使腐蚀减小，若流速继续增大，由于紊流将 产生气蚀，因机械作用使铁管表面产生空隙腐蚀。二次供水系统末端的小口径管道，管内流 西安建筑科技大学硕士学位论文 速减小，甚至有时不流动，水中的氧气难以补充，锈蚀较严重。 由于腐蚀的生成物能溶于酸| 生介质中，而不易溶解于碱性介质中。因此，p h 值偏低的 酸性水能促进腐蚀作用，而p h 值偏高能阻止或完全停止腐蚀作用。 3 1 2 水中碳酸钙镁沉淀形成的水垢 在所有的天然水中几乎都含有钙镁离子，并且水中的重碳酸根离子分解出二氧化碳和碳 酸根离子，这些钙镁离子和碳酸根离子化合成碳酸钙镁，它难溶于水而变成沉渣。酸式碳 酸钙镁的分解作用可用下式来表示 c a ( h c 0 3 ) 2 c a c o s + c 0 2 + h 2 0 把这个重碳酸根溶液看作是一个平衡的体系，那么就可以确定，当其他条件相同时，二 氧化碳的排出导致化学反应单向进行，并使碳酸钙镁浓度增大。若浓度超过本身的溶解度 则碳酸钙镁必定开始沉淀，直到形成新的平衡状况为止，因而影响管网水的浊度升高及总硬 度下降。 3 1 3 水中含铁量过高所形成的问题 作为给水的水源一般含有铁赫，生活饮用水的卫生标准中规定铁的晟大允许浓度不超过 0 3 m g l ，当铁的含量过大时应进行除铁处理，否则在管网中容易形成大量沉淀。水中的铁常 以重碳酸铁，碳酸铁等形式存在，在酸式碳酸铁的形式存在时最不稳定，分解出二氧化碳，而 生成的碳酸铁经水解成氢氧化亚铁。这种氢氧化亚铁经水中溶解氧的作用，转化为絮状沉淀 的氢氧化铁。它主要沉淀在管内底部，当管内流速较大时，上述沉淀就难以形成；反之，当 管内流速较小时，就促进管内沉淀物的形成。 31 4 管道内的生物性堵塞 城市给水管网的水是经过净化处理和消毒过的，一般就没有产生有机物和繁殖生物的可 西安建筑科技大学硕士学位论文 能。但是铁细菌是一种特殊化的自能型营养菌类，它依靠铁盐的氧化，以及有机物含量极少 的清洁水，能顺利地利用细菌本身生存过程中所产生的能量而生存。这样，铁细菌附着在管 内壁后，在生存过程中能吸收亚铁盐和排出氢氧化亚铁，因而形成凸起物。由于铁细菌能排 出超过起本身体积4 9 9 倍的氢氧化亚铁，所以有时能使水管过流断面严重堵塞，并且这些凸 起物是沿着管内壁四周生成的。大量的亚铁离子贮存在铁细菌本身，在细菌表面生产了氧化 后的产物，它为棕色粘泥。反应过程是 4f e e 0 。+ 6 h 2 0 + 0 2 4f e ( o h ) 。+ 4 c 0 2 + 4 0 k c a i 硫酸盐还原菌是一种腐蚀性很强的厌气细菌，它常存在于管道内壁上，在没有氧的条件 下，在金属管道电化学腐蚀过程中主要是在阴极起极化剂的作用，能把硫酸盐还原成硫化物 这样就加快了管道的腐蚀结垢速度。 任何一种细菌对值都有一定的适应性，通常细菌在中| 生和偏酸性的介质中，生长最好。 铁细菌和硫酸盐还原菌也是如此，试验表明p h 值在5 9 6 - - 7 8 9 范围内铁细菌生长，在 5 9 6 8 3 5 范围内硫酸盐还原细菌生长。 3 1 5 水中悬浮物的沉淀 水中悬浮物的沉淀是形成沉渣的最简单过程，尽管多数给水管道所输送的水悬浮物含量 极少，可仍然有沉淀物形成。特别是直接向管网输送的井水，往往把井周围粉沙细沙随水流 带入管内。尤其是生物的集聚粘附性能，使这些悬浮无机物很容易在管道内沉淀于底部。 以上五种情况引起的管内沉淀与结垢，因形成的条件和时间的差异，可分为坚硬性结垢 和松软性沉淀。形成坚硬性结垢的主要原因是金属管自身的腐蚀和生物性结垢，它为金属 管道所独有。松软性沉淀主要是水中的悬浮铁质及碳酸盐沉淀，它在金属管道和非金属管道 内都可能存在。 以上五个方面往往又同时发生，形成不同形态的结垢和沉淀。如环向瘤状沉积物，底部 西安建筑科技大学硕士学位论文 连续沉积物，底部与瘤状混合沉积物，不均匀连续沉积物，底部瘤状沉积物。 3 2 微生物繁殖对水质的污染 微生物繁殖对水质的污染主要表现在1 细菌和大肠杆菌的再度繁殖；2 耐氯微生物的 滋生：3 自养型铁细菌的繁殖；4 硫的转化菌的繁殖5 硝化与反硝化菌的繁殖。微生物的 再度繁殖对水质的危害，除了直接造成细菌学质量的下降，同时也是金属结垢腐蚀产生的诱 导原因，并且会造成浊度，色度，有机污染物，亚硝酸盐指标的上升。造成上述微生物繁殖 的主要原因有l ，水中残存的还原性物质或还原性二次污染物对余氯的消耗；2 水的滞留时 间过长。 3 3 余氯致使消毒副产物增加 凡是出厂水余氯量较大，而用水点处的余氯量反而小的，般氯仿，四氯化碳两项指标 恰好都增加较大。从而说明这部分增加量是余氯量与二次污染有机物反应生成的产物。因此， 管网水的余氯对消毒有一定的作用，但同时也回产生副作用。 3 4 外界造成的二次污染 有时供水系统会受到外来的污染，从而造成水质周期性或间断性的恶化。例如( 1 ) 管网 系统的渗漏；( 2 ) 用水点处的外部水虹吸倒流；( 3 ) 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：( 4 ) 蓄水池箱受到外界的污染等。 3 5 防腐衬里渗出物对水质的污染 管道蓄水池及其它配件的防腐衬里渗出物对水质也会造成污染，如采用了沥青衬里的， 则可能导致水中苯类、挥发性酚类和总a 、t 3 放射性等指标增大。防锈漆附着能力极差，一 般3 巧个月就脱落，尤其是不抗水力冲刷，其主要成分二氧化铅易造成水中铅含量增加。水 泥砂浆衬里近年才在我国逐步推广，但据美国自来水协会杂志报道如果处理不当其渗出物也 会恶化水质，使用水泥砂浆衬里会造成溶解性物质有一定的提高，同时也产生了致浊物。硬 度有一定的变化，n h 3 渗出等。 西安建筑科技大学硕士学位论文 综上所述，二次供水系统水质污染污染的关键环节是二次加压水池、水箱、气压罐加压 设备和管网系统。主要污染物是腐蚀污物、微生物、材质渗出物和消毒副产物。主要原因是 供水系统内部化学及生物化学反应产物及外部渗漏污染所致。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第四章蓄水装置水力特性对水质影响的研究 生活饮用水在蓄贮过程中，水池水箱的水力特性是影响水质的主要因素之。蓄水装置 水力特性主要是指水力停留时间和流动特性。传统的蓄水装置的设计目的主要是调节水量 即最大限度地满足生活消防等各种用水的需要，而对于水质变化的考虑则列为次要的地位。 过于强调水量的蓄贮调节功能，势必会加大蓄水容积，导致水力停留时间的延长和流动状态 的改变，从而使水质下降。大量的调查表明，蓄水装置中不合适的水力特性会对水质产生潜 在的不良影响，甚至使水恶化。本章研究的主要目的是通过揭示蓄水装置水力特性对水质影 响的变化规律，从而为蓄水装置的设置，运行和管理，在水力特性方面提供可靠的依据。 4 1 水力停留时间对水质的影响 4 1 1 蓄水装置水力停留时间分析 根据反应器理论，在蓄水装置中理想状态的水流形式是推流式，容器内每一个质点的停 留时间都相等，且等于平均水力停留时间。但对于任何一个实际的蓄水装嚣，水流形式都远 远偏离理想状态，也就是说，水体中的每一个质点在容器内的停留时间都不相同。在蓄水装 置中可以将水体简化为四个区，进水区a ，主流区b ，死水区c 和出水区d ，如图4 l 所示。除主流区外，其他三个区的体积随时间变化很小，而主流区的体积随时间变化，从而 起调节水量的作用。进水区和出水区存在短流，致使部分水体在容器内停留时间很短，死水 区与主流区存在很小的水流交换，即死水区中的水体流动性差且在容器内的停留时间非常 长。 4 1 2 二次污染数学模型的建立及应用 符合饮用水卫生标准的出厂水在管网输送和水池箱蓄贮过程中，由于外界污染进入和内 部微生物繁殖等造成二次污毙致使到达用水端时水质下降，甚至恶化为不合格水。近年来由 西安建筑科技大学硕士学位论文 l 上广一一一1 _ 坐一1 一? j d i 一一上摹8 i l 圈4 - i 蓄水装置水体简化分区示意图 此造成的传染性疾病时有发生，严重危害了人们的健康与安全。因此解决二次污染问题已成 为保障生活饮用水水质的关键，研究结果表明尽管给水系统水质二次污染环节很多，其中二 次供水系统中的的蓄贮装置是二次污染的主要途径之一，研究二次污染在蓄水池箱的状态 是很有意义的。生活用二次调蓄加压系统中饮用水二次污染的原因是多方面的，其过程复杂 影响因素也很多，既与水质本身的性质有关，又与同水接触的界面性质有关，也与外界许多 条件相联系。水二次污染的实质是污染物在水中的迁移转化，这种迁移转化是一种物理、化 学和生物学的综合作用过程。本研究拟建立能真实反映水中污染物随时间迁移转化规律的 水质数学模型，定性定量地模拟研究生活饮用水在蓄贮过程中水质变化规律，进而揭示水的 二次污染规律，并为二次污染防治提供可靠依据。 4 1 2 1 生活用水蓄贮过程中水质模型建立 1 基本方程 生活饮用水在水池箱蓄贮过程中，水流的空间状态一般为完全混合式( 零维) 。假定水 进入水池( 箱) 后即与池内水体混合，池内各处水质浓度均一，即可用零维水质模型来描述 其变化规律。将水看作一个均匀系统，根据质量平衡原理可得零维完全混合式水质模型微分 方程 西安建筑科技大学硕士学位论文 塑d t = 堕v 一罟c + r ( 1 ) p 式中 c _ 一时刻t 时，水中某污染物浓度，m g l ； w i i 卜一单位时间某污染物入流总量，g m ： q 水的出流量，m 3 m ； v 水体体积m 3 ； r 单位时间水质变化综合项； 等污染物负荷函数，即单位水体污染物输入速度m ( l h ) 2 水质变化动力学模式 由式1 可知，水质变化由两部分组成，一是水流流动混合造成的流体传质过程：二是水 中污染物本身在物理化学和生物作用下发生的质量变化，即水质变化综合项r ，r 项也是水 质变化的反应动力学项，它反映了水质变化的实质，因此准确确定r 项是求解水质模型的关 键。 生活饮用水在水池箱蓄贮过程中水质发生复杂的物理化学和生物化学变化，物理变化 主要包括溶解与结晶、沉淀与悬浮、吸附与解吸等；化学变化主要包括氧化与还原、电化学、 离子互换、水解电离等；生物化学变化主要包括降解、异化、同化等等。在上述各种因素综 合作用下，水中某种物质污染物量或者提高或者降低导致水质的变化，另外系统外各种因素 的影响，尤其污染物直接渗入也可能改变系统内的水质，正是由于上述因素的复杂性难以找 到或者建立一个精确的模式反映各种因素与水质变化的相互影响关系，只能根据黑箱理论和 水质变化规律的宏观估计建立，一个综合反应动力学模式，即对r 项的动力学分解。 r = k ( c 。- - c ) + r ( 2 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 式中k 一反应动力学速率常数h _ 1 c 水中某污染物浓度m g l c m a x 水中某污染物最大生成潜能m g l r 系统外直接渗入造成的某污染物变化率m g ( l h ) 。 式( 2 ) 即为二次污染水质反应动力学关系式。r 由两部分组成，一是系统内的质量变化 项k ( c m a x ) ；二是系统外质量变化项r 。系统内质量变化项推动力是c m a x 。在这里引出了 污染物最大生成潜能c m a x ，可以认为c m a x 是在固定条件下即与水接触界面材料性质一 定，水中杂质一定等条件水中某种或某类污染物可能生成的最大量值，包括物理化学和生物 化学等各种作用下可能达到的最大潜能。其速度快慢用速率常数k 综合描述，因此使复杂问 题简单化。式( 2 ) 表明，饮用水在蓄贮过程中水质变化速率呈一级反应，由于生活饮用水 中各种污染物浓度较低，用一级动力学描述是比较合适的。 3 二次污染水质模型解析解 将式( 2 ) 代入式( 1 ) 中得 i d c = 等一罟c + _ c ) + r 当w 。q c i 。c o n s t 时，即为稳态输入，式( 3 0 解的初始条件为：t = o ，c = c o ( 起始时刻水池内的平均浓度) a 则 c = 孑+ + r 卜“ 式中a 污染物综合变化速率常数，h 1 ； a ：( 等+ t = ( 专+ t ) = q 。+ t ) c s ， 式中 最大理论停留时间，h ； k 。广一污染物出流造成的减少速率系数，h 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 在完全混合式的水池箱中，所关心的是吼即为最大停留时间时的水质浓度。 假定水池水位保持在最高水位，有效容积为v 则 c ，= 南【( c 。+ k t c 一+ r r ) + ( k r c 。一k t c 。一r r ) 巾州1 ( 6 ) 实际上c t 也是完全混合式水池中某污染物最大浓度值。 4 1 2 2 水质模型参数的估计与验证 1 水质评价和控制指标的选择 尽管在我国现行生活饮用水卫生标准) ( g b 5 7 4 9 8 5 ) 中未将c 0 d 列入，但是水中大 部分有机物、亚硝酸盐、亚铁盐硫化物、n h 3 - n 、微生物及其残骸等均可用c 0 指标来综 合反映。故本研究以c o d 为指标验证和应用二次污染水质模型，将来以t o c 取代c 0 1 参数c 。的试验估计 成 水在蓄贮过程中c o o v 。最大生成潜能c 一与水质及蓄贮装置材质有关即c 。由两部分组 c 。：爿。材质+ c 。水质 ( 7 ) c 。材质和c 。水质可以通过试验进行估计，表4 一l 列出了6 种材质的c m 舣材质试验 估计值 表4 l 水池箱中c 一材质试验估计值 材质类型混凝土红丹防 环防腐钢玻璃钢p v c u不锈钢 锈钢板氧树脂 c m a x m m g l 2 12 40 90 81 o 0 5 2 参数k 的估计 水在水池箱蓄贮中的水质变化动力学速率常数k 只与水的温度有关，而与水池箱的材质 和水流速度无关。k 可通过试验进行估计在2 0 摄氏度试验条件下求得k 2 0 。= 0 0 9 2 ，由温度 西安建筑科技大学硕士学位论文 对反应动力学常数影响原理得 k c o 脚旷= l ( c o 呻2 0 o 他o ( 8 ) 式中0 温度修正系数，采用1 0 6 5 ； t 水温，。 3 参数r 的估计 非事故情况下，非洁净处理的空气与水接触可造成水中c o d r “。值的微小提高。大量试 验表明r 值变化范围在0 0 0 5 - 0 ，0 8 m g ( l h ) ，空气洁净时r 值可取0 0 0 5 - 0 0 1 m g ( l h ) ，空气 质量一般时r 值可取0 0 0 2 - - 0 0 4 m g ( l h ) ，空气质量较差时r 值可取0 0 0 5 - 4 ) 0 8 m g ( l h ) 。 4 1 2 3 水质模型应用 水在水池箱中的极限停留时间t l i m 由式( 6 ) 可知在二次污染存在条件下( c f 。o ，r 0 ) ，随着水在水池箱中停留时间的增 加水中，c o d 值提高，若规定水中最大允许c ( ) d 值为3 m g l ，假定进入水池箱水c o d 地 为2 m g l ，c m a x 水质为2 m g l ，取较不利水温2 0 ( 3 ，由式( 8 ) 可得水在不同材质近于完全 混合式水池箱中的极限停留时间t f h ，如表4 _ _ 2 所示。 表4 - - 2水池箱中的极限停留时间t l 。 材质类型混凝土红丹防环氧树脂玻璃钢 p v c u不锈钢 锈钢防腐钢板 t 1 棚1 1 l96 88 45 09 0 在上述条件下若水在水池箱中停留时间大于表4 2 中极限值，水质将受到二次污染出 水c o 珠佃值可能超过最大允许值3 m g l 。 4 2 流动特性对水质的影响 流动特性主要指水体质点的流动速度、流线的弯曲程度或水体质点的脉动程度。人们在 西安建筑科技大学硕士学位论文 利用水的过程中，尤其是输送蓄贮过程中，改变了水与界面的环境，改变了流动特性。一方 面是水管中的直线流动，减少了脉动程度；另一方面是在蓄水过程中的盛装，尤其是死水区 中的滞留，降低了流动速度，从而改变了水质，降低了水的新鲜程度( 活性) 。因此流动特 性对水质影响的研究所涉及的领域十分广阔和深奥，本研究是针对蓄水装置中水体的流动特 性对其微生物学方面的影响做点粗浅的探讨。 4 2 1 试验方案 研究在同一环境因素下三种不同流动特陛、生物学特性的变化规律。 试验用水：c o d m 。为2 5 r a g l ；细菌总数为2 6 + m j ，藻类数为未检出。 将试验用水分装在三个1 0 升的玻璃容器内，第一容器静止：第二容器模拟水箱上进下 出流动；第三容器采用磁力搅拌旋流。环境温度和水温均为2 2 。c 2 5 。c 。晚间日光灯照射， 白天太阳光。在整个试验过程中严格控制外界对水体的细菌学和c o b , 污染。 检测指标为c o d 。细菌和藻类。 4 2 2 试验结果及分析 试验结果见表4 3 。由表4 3 可知，流动特性对水质的卫生学指标影响是十分明显的。现 将指标讨论如下。 表4 - 3流动特性对比试验结果表 项目 试验时甸 组号021 01 52 03 04 05 06 07 2 细菌 n o 12 61 2 12 4 23 2 84 6 95 9 98 0 99 8 61 1 9 61 2 4 6 n 0 22 64 46 98 91 2 73 2 l5 0 46 4 28 9 79 2 4 ( c f u m l ) n o 3 2 63 23 74 14 95 66 46 97 47 6 藻类 n o 1o1 54 8 09 6 0 n o 2o702 7 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 爪) n o 3o0o0 n o 12 52 93 73 9 c o d m 。 n o 22 52 62 82 1 ( m e l ) n o 32 52 42 62 4 1 细菌总数：当原水细菌总数为2 6 个，m l 情况下，静止的水( n o 1 ) 5 个小时就达到 1 2 1 个m l ，超过了饮用水标准的规定；缓慢流动的水( n o 2 ) 2 0 个小时达到了1 2 7 个m l ，而旋 流流动的水7 0 个小时仍然小于1 0 0 卟 m l 。显然旋流脉动流动的水对细菌具有很强的抑制生 长能力。 2 藻类：在原水未能检测到藻类、阳光照射条件下静止和缓慢流动的水2 0 个小时就可 以检测到藻类，而对于旋流流动的水在整个装置试验周期( 3 天) 内始终没有检测到藻类。 3 c o d m 。：在原水c o d m 。为2 5 m g 1 条件一f 静止水样和缓慢流动的水样c o d m 值都 有一定的增加，而旋流流动的水样基本保持没变。由于试验时严格控制外界对水体的污染 静止水样和缓慢流动的水样c o d m 。增加是藻类光合作用将无机的c 0 2 转化为有机碳所致。 由此可知，为了有效的控制蓄水装置微生物繁殖，应避免或消除死水区，最好采用旋 流流动的蓄水装置。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第五章二次供水系统消毒方法技术经济比较研究 目前我i n - 次供水系统常用的消毒方法主要有：紫外线消毒，臭氧消毒，次氯酸钠消毒 二氧化氯消毒和微电解消毒，以及较后出现的高级化学氧化组合工艺。 5 1 紫外线消毒法 5 1 1 消毒机理： 大量的研究和实验证明，水的紫外线灭菌主要是通过紫外线对微生物的辐射，生物体内 的核酸吸收了紫外线的光能，损伤和破坏了核酸的功能使微生物致死，从而达到消毒的目的。 波长在2 0 0 3 0 0 n m 之间的紫外线为灭菌紫外线，以2 5 6 最强。微生物核酸吸收了紫外线的能 量，使核酸突变，阻碍其复制，转录封锁蛋白质合成。紫外线能够改变d n a 和r n a 的含氮 杂环，以导致形成新的键结分子。d n a 吸收了紫外线能量使链条断裂，d n a 分子间的交联 被破坏，胞嘧啶和尿嘧啶发生水合作用，形成新的胸腺嘧啶二聚体，从而破坏了嘧啶与嘌呤的 正常配对，改变了d n a 的生物学活性，使微生物自身不能复制，这就是微生物最重要的紫 外线损伤，也是致死性损伤。大量研究证明，胸腺嘧啶二聚体的增加与细菌死亡率有直接的 正比关系。 另外，水分子在紫外线的照射下，可产生超氧阴离子过氧化氢羟自由基，水中的溶解 氧在紫外线作用下也会产生激发基态氧分子。这些自由基状态下的活生氧可使微生物体内的 d n a 损伤，受到损伤后的d n a 将发出错误的信息，造成细胞代谢发生紊乱，或作用于细胞 中的蛋白质使其失去活性，从而导致细胞的死亡。 5 12 紫外线消毒设备 紫外线消毒设备由紫外线灯管、石英玻璃套管、不锈钢简体、配电系统( 包括整流器、风扇、 计时器、指示灯) 等组成，如附图5 1 所示。紫外线消毒器规格及性能如表5 一l 所示。 西安建筑科技大学硕士学位论文 表5 l紫外线消毒器规格及性能 灯管根数推荐消毒水工作压力 推荐进( 出) 水总功率电源电压备注 缔艮)流量f m 3 h )( m p a ) 管径( m m )( w )( v ) 】10 6 0d n 2 03 02 2 0 灯管3 0 w * b 330 6 0d n 2 59 02 2 0 56o 6 0d n 3 21 5 02 2 0 680 6 0d n 4 01 8 02 2 0 7】00 6 0d n 5 02 l o2 2 0 91 20 6 0d n 5 02 7 02 2 0 1 11 60 6 0d n 6 53 3 02 2 0 注：1 ，此表按产品标准推荐，与各厂家产品说明二日不同 2 j 比表数据为未抛光锅合金简体的紫外线消毒设备的数据 5 1 3 消毒特点 紫外线消毒不改变原水的物理化学性质，不产生气味和消毒副产品，不会象氯消毒一样 产生三氯甲烷和四氯化碳，从而不会对人们的健康造成危害。紫外线消毒杀菌速度快，有关 实验表明，水层厚度在1 0 5 到1 2 1 毫米之间时，达到细菌灭活效果所需最小辐照时间分别 从2 5 到4 0 秒，与臭氧消毒( 最小为2 分钟) ，次氯酸钠消毒