给水管道卫生学.doc

给水管道卫生学（论文）题目：配水管网水龄对管道水质影响摘 要城市配水管网担负着将生活饮用水从水厂向用户输配的重要任务。在这个过程中，由于在管道中发生的物理、化学以及生物作用，水质通常发生一定的变化。所以，分析配水管网水质是提高用户水质的一个重要环节。在复杂的城市输配水管网系统中，不可能现场检测所有管段和节点上的水质变化，但是，运用计算机模拟管网水质，则可以在一定程度上了解水质在整个管网中的近似分布情况。研究出厂水在配水管网中的水质变化规律，建立合理的配水管网水质评价体系，提出相应的控制措施，为供水企业改进供水技术、加强供水管理提供可靠的理论基础，对于提高供水水质具有重要的现实意义。关键词： 配水管网；水龄；管道水质 1 管网水龄概述水龄的概念最早于1985年被Males等人在稳态模型中提出，而1988年Grayman等人就把水龄的概念融入到动态水质模型中，开始了时间对管网水质影响的研究。1998年clark等人通过水力模型对配水管网中的水龄做了进一步评估，并在分析、监测管网水质中得到了应用。美国自来水协会研究中心 (AWWARF)(#2769)正在研究把水龄作为评价、管理水质的一个系统工具，该课题己经取得了一定的进展。2005年DIGian。等人在实际管网中加入氟或明矾等化学药物进行跟踪监测，研究了管网中水质随时间变化的规律，所得实测平均滞留时间与通过EPANET模拟所得时间进行了比较分析，表明两者存在相对稳定的比例关系。国内赵洪宾老师等人于2001年提出了节点水龄的计算方法，通过节点水龄评价管网水质，并在实际管网中得到了应用。许仕荣老师等人于2003年提出了水龄比例矩阵，结合水量比例矩阵对水质监测点的优化选址进行了新的探索与研究。所谓水龄即处理结束的达标水(符合国家生活饮用水卫生标准)从离开水厂开始到用户取水端所需的时间。水龄可细分为管径水龄、节点水龄、管网水龄比。1.1管径水龄 所谓管径水龄即在某一个给定的工况下水从水源流到节点j在流经管径中各自停留的时间。如图1.1所示，在某一给定的工况下节点1至节点8的3条水流路径。 图1.1 管径水龄计算示意图图1.1中节点旁边数字如“1、2、3、4.，.”表示各节点编号，分别为节点1、节点2、节点3等;而管径上数字如“1、2、3、8、9”表示各管段的管径水龄，分别表示各自管径水龄lh、2h、3h等。则节点1至节点8的3条水流路径分别为:路径一:节点1-2-5-8;路径二:节点l-4-7-8;路径三:节点l-4-5-8;就节点8，有3条不同水流路径，结果出现为3个不同的管径水龄和，其中管径水龄和是在某一给定工况下水从水源到节点i的水流路径中管径水龄的算术和:管径水龄一:1+9+10=20h;管径水龄二:3+4+5=12h;管径水龄三:3+12+10=25h;在工况确定的条件下，就水源到某一节点i的管径水龄和是不确定的。这是由于水源到节点i存在多条不确定的路径，图1.1只是一个简单图例，在现实管网中，水源到某一节点i的水流路径，在工况确定的前提下是相当复杂的。1.2节点水龄 节点是水流汇聚与重新分布的连接点，而节点水龄是各管径水龄的汇聚与重新分布，计算原理是根据所得管径水龄以及节点组分浓度守恒方程，运用加权平均的数学方法计算所得。在生活中节点水龄也可以理解为饮水用户的饮用水龄。因为饮水用户端可以理解是一个自由开关的节点，通过节点水龄的计算就可以得到最终饮水用户端的饮用水龄。以节点6节点水龄计算为例，如图1.2所示，其中节点旁边数字如“l、2、3”表示各节点编号，而节点旁边标示如“lh、2h、3h、4h”表示各节点的节点水龄，其中箭头所指方向是管网在该工况下各管段的流速方向。节点6的节点水龄是从水源到该节点的3个管径水龄通过加权平均所得，其中3条水流路径分别为:节点1-2- 3- 4-6;节点1-2-3-7-6;节点8-7-6，其计算结果为“4h”。其中:假设水源水龄与水箱水龄均为“0h”;假设管网在某一确定的工况下，配水管网内水龄均匀变化。图1.2节点水龄计算示意图1.3管网水龄比 所谓管网水龄比是在有效水龄范围内的管网用水与整个配水管网用水的比值。其中有效水龄范围的确定是一个系统而复杂的过程，目前只有国外学者对某些地区的具体管网系统作出有效水龄的分析与定论，国内在这方面的研究才刚刚起步，研究成果不多。2管龄对管网水质的影响 2.1主要水质指标我国制定的饮用水水质标准，是随着社会的发展和科学技术的进步而不断演进的。在20世纪初期，饮用水水质标准主要包括水的外观和预防水致传染病方面的项目;此后开始重视重金属离子的危害;20世纪80年代开始侧重于有机污染物的控制;90年代以来更加重视工业废水排放及农药使用的有机物污染，以及消毒副产物和某些致病微生物等的危害。我国现行的饮用水水质标准，是2001年修订的生活饮用水水质卫生规范见附录一，主要水质指标如下表2.1所示。表2.1 管网主要水质指标2.2余氯与时间的变化分析为了保证在管网输送过程中的水质，我国水厂普遍采用了氯消毒的办法，在自来水进入管网前一次性投加氛消毒剂，使得在管网中保持了一定的余氯浓度，这样可以有效地抑制细菌的再生。但是，余氯在管网中受到许多因素的影响，而这些影响因素引起余氯的消耗概括起来包括:(l)与管道水中(Bulk-Water)有机物和无机物的反应;(2)与管壁附着的细菌膜的反应;(3)在管壁腐蚀过程中的消耗;(4)在管壁与水流(Bulk一Flow)之间余氯的质量传输。基于上述余氯消耗的几个主要方面，余氯在水管中的衰减可以表示为: (2.1)式中:kb为管道水中余氯浓度减少的速率系数;kf为传质系数;rh为水力学半径;C为在管道水中余氯的浓度;Cw为在管壁上余氯的浓度:W为管壁腐蚀所导致的余氛消耗。方程(2.1)右边第一项为氯在管道水中的消耗(与水中的有机物和无机物的反应);第二项为因管壁腐蚀所导致的抓消耗;第三项为氛在管壁上的消耗(与管壁附着的细菌膜的反应及管壁与水流之间余氯的质量传输)。其中余氯在管道水中衰减的半衰期影响着管道水中余氯浓度减少的速率系数，可由下式求得:T1/2=06932/kb (2.2)李欣等人通过试验，测定两不同恒温下时间对余氯的变化情况。试样水被放入两个棕色的玻璃瓶中，整个试验过程中，玻璃瓶瓶口在实验室用薄膜(Laboratory一film)密封。一个玻璃瓶放入低温恒温箱中，恒温在20;另一个玻璃瓶被放入高温恒温箱中，恒温在27。一天两次(每 12h)测定两个玻璃瓶中余氯的浓度，试验所得数据见图2.1图2.1 余氯浓度随时间变化值从图2.1得到不考虑温度变化的条件下，时间越长余氯衰减的越大，这主要是余氯在管网中充足的停留时间，为余氯创造了与管道水中有机物和无机物、管壁附着的细菌膜反应以及在管壁腐蚀过程中消耗的有利条件。2.3三卤甲烷与时间的变化分析当水经过消毒时，卤素与水中的天然有机前驱物质反应，能够生成三卤甲烷(THM)。70年代中期，人们在氯消毒后的饮用水中发现了以氯仿为主的三卤甲烷。氯仿在小白鼠身上己被证明是有毒的和具有致癌作用的。饮用水中的卤代烃类化合物给人类健康带来了潜在的威胁。美国70年代颁布的“安全饮用水法”及其后的修正案，将三卤甲烷的最高允许浓度限定为低于100林叭，日本与英国也规定为100林叭，我国为60林叭。国内外对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，对于三卤甲烷在配水管网中的浓度变化情况，很少有研究涉及。李欣等人通过试验对三卤甲烷在配水管网中的变化做了分析研究，水体中氯化形成三卤甲烷的反应可以用抗坏血酸(Ascothic一acid)来终止反应，抗坏血酸溶液的配制为:4mg抗坏血酸加入到 100mL蒸馏水中溶解而成。其中:T=25.1; pH=7.9;Toc=3.12mg/l;Cl2=l.50mg/l。每隔一段时间，取出一组样品用抗坏血酸终止氯化反应，测定Thm生成量，测定结果列于图2.2图2.2 原水氯化生成THM从图2.2得出THM在管网中随着时间的递增出现递增变化，在50h时变化趋于稳定。同样余氯随着时间的递增急剧下降，在接近50h变化幅度趋于稳定。这说明过长的滞留时间对三卤甲烷的变化起重要作用。2.4浊度与时间的变化分析赵志领等以天津市的给水管网为研究对象，沿水流路径开启消火栓放水进行测试，考察了浊度等主要水质参数在管网中的变化规律。实测结果表明浊度沿水流方向总体上呈上升趋势如图2.3所示，但在局部有时会出现下降，这主要是由于水力条件的改变如流速降低(对管壁的冲刷作用减小)等原因所致。在末端由于用户比较单一且用水量小，使得水的停留时间过长，导致浊度增加较大。图2.3 丁字沽线路的蚀度变化情况通过对余氯、三卤甲烷、浊度等主要水质指标的变化分析，得出水在管网中的滞留时间即水龄是各主要水质指标变化的关键因素。其中过长的停留时间是各指标产生物理、化学、生物反应的关键。设想，水在配水管网内停留的时间几乎为零，那么从水厂到用户端的