城市供水水質(zhì)的不穩(wěn)定性及控制

城市供水水質(zhì)的不穩(wěn)定性及控制

近年來，二次污染供水問題突出。符合生活飲用水衛(wèi)生標準的出廠水到了客戶端后,水質(zhì)下降甚至惡化為不合格,這是因為出廠水達到用戶前經(jīng)過了數(shù)公里甚至上百公里的龐大地下給水管網(wǎng)系統(tǒng),發(fā)生了二次污染。根據(jù)對國內(nèi)50個城市的調(diào)研統(tǒng)計:管網(wǎng)水濁度比出廠水增加0.38NTU、色度增加0.45度,鐵增加0.04mg/L、錳增加0.02mg/L、細菌增加18個/mL、管網(wǎng)末端余氯下降到0.015mg/L、大腸菌增加0.4個/L,水質(zhì)總合格率平均下降到83.4%,表明水質(zhì)已經(jīng)惡化。故水質(zhì)在輸送過程中的二次污染是個不容忽視的問題。1通過分析2次污染水管網(wǎng)的原因1.1水體化學(xué)穩(wěn)定性下降出廠水水質(zhì)狀況包括兩方面,一是水質(zhì)合格率,二是水質(zhì)的穩(wěn)定性。如果出廠水的合格率本來不高,將加劇二次污染。管網(wǎng)中二次污染的實質(zhì)是水質(zhì)的不穩(wěn)定性。水質(zhì)的不穩(wěn)定性分為化學(xué)不穩(wěn)定性和生物不穩(wěn)定性。造成化學(xué)不穩(wěn)定的原因是由于管網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生無機鹽類沉淀、結(jié)垢、腐蝕等。根據(jù)汪光燾編著的《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃》一書的調(diào)查結(jié)果顯示:地表水廠出廠水水質(zhì)基本穩(wěn)定的只有21%,有腐蝕傾向的為50%,有結(jié)垢傾向的為29%;地下水廠出廠水水質(zhì)基本穩(wěn)定的為50%,有腐蝕傾向的為30%,有結(jié)垢傾向的為20%。由此可見,供水行業(yè)中水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性較差,其中腐蝕問題更為嚴重。造成生物不穩(wěn)定性的主要原因是水中存在細菌等微生物和微生物所需要的營養(yǎng)物。要使飲用水達到生物穩(wěn)定,防治在管網(wǎng)系統(tǒng)中受到二次污染,就必須殺滅微生物和去除水中有機物等營養(yǎng)物。1.1.1水質(zhì)沉淀物產(chǎn)生機理當出廠水中鐵、錳嚴重超標時,鐵、錳會逐漸沉積在管壁上,不僅會縮小過水斷面,降低輸水能力,而且當流速提高時,沉淀物會受到?jīng)_刷;另外,鐵、錳累積沉淀嚴重時,受沖刷時會出現(xiàn)所謂的“黑水”和“黃水”。由鈣、鎂離子產(chǎn)生的水垢容易造成二次污染。水中暫時硬度反應(yīng)產(chǎn)生沉淀物的過程如下:Ca2++HCO3+OH-→CaCO3↓+H2O;Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓。CaCO3與Mg(OH)2沉淀在管道內(nèi)形成水垢,而結(jié)垢層是細菌、微生物繁殖孳生的場所,進而形成生物膜,生物膜老化剝落引起臭、味及色度的增加,污染了水質(zhì)。同時結(jié)垢使管道過水斷面縮小,影響輸水能力。1.1.2般在20%20%由于水廠常規(guī)處理工藝對有機物的去除率較低,一般在20%~30%。當出廠水中存在一定量的有機污染物時,微生物以有機物作為營養(yǎng)基質(zhì),促進其生長繁殖而引起污染。1.1.3飲用水濁度檢測指標濁度在一定程度和范圍內(nèi)是多項指標的綜合反映。有機物吸附在顆粒的表面上,因而濁度高使附著的細菌較那些游離的細菌生長繁殖更快,濁度高的水會削弱消毒劑對微生物的滅殺作用。氯消毒難以滅活隱胞子蟲、賈第氏蟲,它們的去除主要靠降低濁度。因此,美國EPA現(xiàn)行飲用水水質(zhì)標準中將濁度列入微生物學(xué)指標。我國飲用水水質(zhì)標準將余氯列為微生物學(xué)指標也有其特定的含義,實踐證明控制濁度和余氯對微生物學(xué)指標的重要意義。1.2供水材料對水質(zhì)的影響1.2.1水中物質(zhì)與水中物質(zhì)反應(yīng)供水管材及配件的自身分解物的種類直接影響到供水水質(zhì)。有些分解出來的物質(zhì)還可能與水中的其它物質(zhì)反應(yīng)。例如塑料管是高分子合成材料,當使用時間較長時,分解出的有機分子會溶于水中,量雖小,但對水質(zhì)的污染和對人體健康的影響不可忽視。1.2.2廢水處理可能導(dǎo)致廢水主要是涂層材料對水質(zhì)的影響。例如瀝青涂層中所含痕量PAH對人體健康構(gòu)成一定危害。水泥砂漿襯里會受到水中酸性物質(zhì)的侵蝕,從而導(dǎo)致腐蝕,并發(fā)生脫鈣現(xiàn)象,進而污染水質(zhì)。又如,生產(chǎn)PVC材料時,常使用鉛鹽作穩(wěn)定劑,使用時間較長時,鉛鹽會析出而直接造成飲用水的重金屬污染。石棉對人體健康有著嚴重影響,它可能是一種致癌物質(zhì)。石棉水泥管中水泥基質(zhì)的破裂可能導(dǎo)致石棉纖維滲入水中。1.2.3次污染發(fā)生情況實踐表明,隨著管網(wǎng)使用年限的增加,管網(wǎng)發(fā)生腐蝕、結(jié)垢、爆管等現(xiàn)象就越嚴重,也更容易發(fā)生二次污染。諸多實踐表明,未做防腐處理的鑄鐵管道,使用年限超過5年時,其腐蝕、污垢將達到嚴重的程度,引起水質(zhì)惡化,管道使用年限越長,腐蝕越嚴重,水質(zhì)狀況越糟。1.3管道腐敗和污染對水質(zhì)的影響1.3.1鐵管腐蝕產(chǎn)生銹垢給水管道的腐蝕分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和微生物腐蝕。微生物腐蝕是指有鐵細菌和硫酸鹽還原菌參與下的腐蝕過程。純粹的化學(xué)腐蝕比微生物催化下的電化學(xué)腐蝕次要得多,它總是與電化學(xué)腐蝕交叉一起進行的。大量資料表明,導(dǎo)致管網(wǎng)水質(zhì)降低的主要原因是街坊內(nèi)的小口徑管道,特別是用戶內(nèi)部管道幾乎沒有采用涂襯等保護措施而使管道銹蝕較為嚴重。鐵銹的產(chǎn)生理論認為:金屬管本身含多種雜質(zhì),金屬與雜質(zhì)之間存在電位差,在水的介質(zhì)內(nèi)形成無數(shù)微腐蝕電池。首先在鐵管表面上某一部位因鐵被腐蝕成鐵離子,進入水中而形成陽極,其反應(yīng)式為:Fe→Fe2++2e-,所釋放的電子傳遞到鐵管表面的另一部位,形成陰極。當PH≤7時,在陰極發(fā)生析氫反應(yīng)。經(jīng)過復(fù)雜的反應(yīng)后,形成了鐵銹,沉淀在管內(nèi)表面,呈凹凸不平的銹垢,其反應(yīng)方程式如下:2H2O→2H++2OH-;2H+2e-→H2↑;Fe2++2OH-→Fe(OH)2;4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3;2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O。當PH≥7時,在陰極將發(fā)生氧化還原反應(yīng):O2+2H2O+4e-→4OH-,在陰極上氧被還原成氫氧根,由于靜電作用,陽極產(chǎn)物向陰極擴散,陰極產(chǎn)物向陽極擴散,然后彼此再進一步作用,形成Fe(OH)2,進一步氧化生成Fe(OH)3,其中部分脫水成為鐵銹Fe2O3·nH2O。1.3.2結(jié)垢層厚度的影響給水管道水垢來源大致有3種:由鐵銹產(chǎn)生的銹垢;鈣、鎂離子產(chǎn)生的結(jié)垢和水中的懸浮雜質(zhì)沉淀形成的泥垢。數(shù)據(jù)表明,管道結(jié)垢層的厚度會隨著時間的延續(xù)不斷地增加,使管道有效截面積逐漸縮小;同時也提供了很好的細菌孳生場所,微生物附著生長從而形成“生物膜”(也稱“生長環(huán)”)。1.4次供水設(shè)計、施工及水質(zhì)未按規(guī)范進行水處理工藝在我國城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的二次污染中,居住小區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)二次污染的比重約占70%,這主要是由大多數(shù)居住小區(qū)采用的二次供水設(shè)施引起的。二次供水引起污染的原因主要有以下幾種:部分供水系統(tǒng)中管道材質(zhì)或水池、水箱防腐材料選用不當,存在著金屬污染的問題。貯水設(shè)備的結(jié)構(gòu)不合理,設(shè)計或施工不規(guī)范,沒有按照室內(nèi)給水排水設(shè)計及施工規(guī)范的要求進行。水在貯水設(shè)備中停留時間過長。進出水管的位置不合適,造成水池內(nèi)出現(xiàn)死水區(qū)。蓄水池的溢流孔、通風(fēng)孔設(shè)置不合理,溢流管直接排入生活污水管網(wǎng),導(dǎo)致污水管道內(nèi)的各種病菌進入池內(nèi)造成污染。通風(fēng)孔的防護性差,導(dǎo)致塵、蟲進入池內(nèi)。例如1997年竣工的某銀行大樓,在二次供水系統(tǒng)的設(shè)計施工時,將負一層的地下貯水池的進水管與水泵的吸水管設(shè)在同一位置,水池的另一端則成死水,導(dǎo)致大量浮游生物的繁殖。二次供水管理不善,未定期進行水質(zhì)檢驗,未按規(guī)范進行清洗、消毒,致使水質(zhì)逐步惡化。據(jù)成都自來水公司對自來水在水箱的水質(zhì)變化監(jiān)測表明:自來水在水箱中貯存24h后,余氯為零。特別是在夏季水溫較高,水中余氯含量迅速減小。12h后即為零,不宜直接飲用。未清洗消毒的水箱其水質(zhì)常規(guī)四項指標(指余氯、渾濁度、細菌總數(shù)、總大腸菌群)合格率低于10%。個別水箱中亞硝酸鹽氮的含量高達0.48mg/L。1.5s和鹵乙酸haas余氯與出廠水中殘留的有機物質(zhì)反應(yīng),產(chǎn)生有毒害作用的三鹵甲烷(THMs)和鹵乙酸(HAAs),給人們的身體健康造成很大的危害。氯氣會使水的堿度降低,因而使管道容易產(chǎn)生腐蝕。微污染水源水普遍含有氨氮,氯氣會與之反應(yīng)生成氯化氰,此物質(zhì)有助于在凈水構(gòu)筑物和管網(wǎng)中滋生藻類。1.6網(wǎng)絡(luò)水系統(tǒng)對水質(zhì)的影響1.6.1流速和沖刷作用流速與濁度的關(guān)系:其一,水體對管壁沖刷作用,是增加水體濁度的過程;其二,水體懸浮物向管壁附著或沉淀作用,是水體自凈的過程。當流速較大時,沖刷作用大于沉淀作用,表現(xiàn)為濁度升高;當流速較小時沉淀作用大于沖刷作用,表現(xiàn)為濁度降低,水中各種物質(zhì)容易沉積而污染水質(zhì),微生物亦因此容易生存。實驗發(fā)現(xiàn),流速的變化是影響濁度的重要原因。1.6.2管網(wǎng)停留時間據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,法國瓦茲河梅里水廠,出廠水到管網(wǎng)末端的平均流動時間為3d,我國哈爾濱的供水在管網(wǎng)中停留時間近2d。由此可見,出廠水在管網(wǎng)內(nèi)的停留時間一般較長,時間越長,水體就越可能發(fā)生二次污染。水在管網(wǎng)中長期停留的原因是:部分大口徑管道流速較低,而用戶用水量較小;局部管道沒有形成網(wǎng)狀,呈枝狀,如管道末梢、閥門及消火栓等。1.7管網(wǎng)系統(tǒng)污染除上述原因外,還有以下幾個方面值得注意:用戶處的污染:水龍頭是輸配水的終點,也是腐蝕最嚴重的部位。這是因為水龍頭存在水-固、氣-固、水-氣多種接口,水腐蝕和大氣腐蝕同時進行,進而影響管網(wǎng)的水質(zhì)。外界造成的二次污染:分質(zhì)供水系統(tǒng)、不同供水系統(tǒng)和不同用途供水系統(tǒng)的相互連通,因管網(wǎng)水壓變低等突發(fā)原因引起自備水倒流入城市自來水管網(wǎng),造成污染;管網(wǎng)系統(tǒng)滲漏造成污染。據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo),大腸菌每隔20min分裂一次,一天反復(fù)分裂72次,在9h中一個細菌能增值到一億多個,一旦有少量的細菌通過管網(wǎng)破裂處進入管道就能在水中大量繁殖,造成水質(zhì)污染。管道檢修或施工過程造成的污染:在搶修時,往往快速啟閉閥門,這會使管內(nèi)的沉淀物沖刷起來,使水質(zhì)變差,甚至惡化。新敷設(shè)管線竣工后,沒有嚴格按照必須高速沖洗、消毒液浸泡(24h以上)、清水沖洗的要求去做,致使投入運行后對整個管網(wǎng)水質(zhì)產(chǎn)生影響。供水管網(wǎng)上過多的預(yù)留口帶來諸多問題,如深圳市自來水公司曾對該市解放南路供水管網(wǎng)的預(yù)留口使用情況進行了統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)其使用率不到30%,而且?guī)淼墓軆?nèi)滯留水質(zhì)腐敗也影響水質(zhì)。2防止2次污染管道網(wǎng)絡(luò)2.1污染物的控制現(xiàn)在已有不少國家規(guī)定了出廠水中AOC、BDOC及高錳酸鹽指數(shù)的上限值,以抑制管網(wǎng)中細菌的生長、繁殖。AOC就是水中可被細菌利用的有機碳濃度,表征飲用水中細菌增殖的能量。通常AOC在10μg/L下被認為是生物穩(wěn)定水。管網(wǎng)水中AOC<50μg/L乙酸碳時,細菌的生長就受到限制。細菌等微生物的生長有其適宜的pH環(huán)境。把出廠水的pH值調(diào)整至7~8.5,可以提高水的化學(xué)穩(wěn)定性,這種方法在歐美等發(fā)達國家已得到了廣泛地應(yīng)用,并且取得了很好的效果。pH值超過8.4以后,鐵、硫細菌的生長基本被抑制。深圳自來水公司在水廠建設(shè)石灰投加裝置,使出廠水pH值維持在7.0以上,對解決因水質(zhì)化學(xué)不穩(wěn)定腐蝕管道問題,取得了較好效果。也可以投加緩蝕劑來控制管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性,這在國內(nèi)外取得了良好的應(yīng)用效果。例如汪義強等用石灰和Na3PO4解決了南方某大型工業(yè)集團居民區(qū)供水管網(wǎng)的“紅水”問題,取得了良好的效果。為了控制管網(wǎng)水質(zhì)惡化現(xiàn)象,長期以來一直采用控制余氯量來抑制管網(wǎng)水中細菌繁殖。但研究表明,氯消毒并不能完全抑制生物膜在管網(wǎng)中的生長繁殖。由于細菌的生長繁殖必須以出廠水中的有機物為營養(yǎng)物質(zhì),有機物含量越高,微生物滋生的可能性越大。因此現(xiàn)在更多的考慮是降低出廠水中有機物含量,提高出廠水的生物穩(wěn)定性,截斷微生物的能量來源。有關(guān)數(shù)據(jù)表明,當水中的濁度為2.5NTU時,水中有機物去除了27.3%;濁度降至1.5NTU時,有機物去除了60%;濁度降至0.5NTU時,有機物去除了79.6%;濁度降至0.1NTU時,絕大多數(shù)有機物可以去除,致病微生物的含量也大大地降低。有機物含量降低,也減少了加氯消毒后有機鹵代烴的含量。西方發(fā)達國家把濁度降至0.1NTU以下,就是這個原因。我國衛(wèi)生部2006年頒布的《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》中把出廠水濁度規(guī)定為1NTU,為改進居民生活飲用水水質(zhì)提供了有力保證。活性炭吸附是對付有機污染物的有效實用技術(shù),其比表面積大,對色、嗅、味、農(nóng)藥、氯化物等都有良好的去除率,而且還能吸附水中的微生物。據(jù)研究,生物活性炭技術(shù)對酚的去除率達80%,對氯化物的去除率是65%,對鐵、錳和銅等重金屬的去除率可達80%~92.5%。2.2新型高分子塑料管和管道對城市給水管網(wǎng)的改建、擴建、新建工程應(yīng)采用防污染的新型管材。據(jù)調(diào)查,目前我國城市供水管網(wǎng)中,鑄鐵管占80%以上,近幾年逐漸淘汰了灰鑄鐵管,大量使用球墨鑄鐵管。東京市城市供水管網(wǎng)中,球墨鑄鐵管約占90%;美國近幾年內(nèi),年安裝供水管道23×104km,球墨鑄鐵管占47.7%,說明球墨鑄鐵管是城市供水管網(wǎng)的主要管材。成都市自來水公司的何維華在比較了不同供水管材的性能和價格后,提出了如表1所示的推薦意見。對小管徑的管道,如建筑給水管道,盡量采用防腐和防結(jié)垢性能較好的高分子塑料管,目前廣泛應(yīng)用的新型給水塑料管材有:聚乙烯管(UPVC管、HDPE管、MDPE管、CDPE管等)、聚丙烯管(PP-R管、PP-管)、聚丁烯管(PB管)、金屬塑料復(fù)合管(包括鋁塑復(fù)合管、鋼塑復(fù)合管等)、玻璃鋼管等。這些管材在給水工程中應(yīng)用,具有強度高、內(nèi)壁光滑、過流量大、耐腐蝕、無毒無污染、連接方便、接頭密封性能好、重量輕、施工方便、使用壽命長等特點,比常用的鍍鋅管、鑄鐵管價格便宜,是非常理想的替代品。現(xiàn)將其中4種給水管的特點歸納后列于表2。對于建筑給水管道,值得特別推薦的還有銅管。銅管具有經(jīng)久耐用、安全衛(wèi)生、適配性強、耐熱耐腐蝕以及金屬強度大等特性。銅的耐火、耐腐蝕性也使水管的應(yīng)用非常安全,不會對水質(zhì)造成二次污染。在發(fā)達國家中,銅水管系統(tǒng)占有很大的比例。如美國占85%,英國占95%,香港占75%(國際銅業(yè)協(xié)會1998年的統(tǒng)計資料),銅水管的應(yīng)用技術(shù)在國外已非常成熟,它已成為發(fā)達國家建筑供水管材中的首選材料。對于已有的舊管網(wǎng),要有計劃地對材質(zhì)差、年代長、事故率高的管網(wǎng)進行更新改造。目前國內(nèi)給水管網(wǎng)中,灰口鑄鐵管以及小口徑鋼管仍占有相當大的比例,尤其是小口徑鋼管,腐蝕嚴重,有效使用年限僅為10~15a,甚至更短。從管道搶修的統(tǒng)計和檢漏普查得知80%~90%的漏失發(fā)生在小口徑管道中造成水污染的幾率也最高,所以對這種舊管道進行改造,使用新型的耐腐蝕、防結(jié)垢性能好的管材是防止污染的有效措施。定期進行管網(wǎng)清洗。研究和應(yīng)用智能化管道清洗技術(shù),解決管網(wǎng)清洗普遍存在的停水時間長、開挖量大等問題,加強新型無污染內(nèi)防腐材料的開發(fā)和應(yīng)用。2.3圍土壤的防腐管道外壁的防腐方法有:采用機械和化學(xué)處理的清潔管道表面處理法;對小口徑鋼管及管件,采用熱浸鍍鋅的措施;明設(shè)鋼管,在管表面除銹后用涂刷油漆的辦法防止腐蝕;埋于土中的鋼管,應(yīng)根據(jù)管道周圍土壤對管道的腐蝕情況,選擇防腐層的種類;通常采用浸泡熱瀝青法或噴涂熱瀝青法對鑄鐵管外壁進行防腐。電化學(xué)防腐蝕法有排流法和陰極保護法。防止管道內(nèi)腐蝕的措施:通常采用涂料及內(nèi)襯的方法;投加石灰后可在管內(nèi)壁形成保護膜,降低水中H+濃度和游離CO2濃度,抑制微生物的生長,防止腐蝕的發(fā)生。當水中CO2濃度很高時,曝氣可以去除CO2,使得[H2CO3]/[HCO3]的比值降低,從而使水體的pH值升高。美國加州Idyllwild供水區(qū)水質(zhì)pH值略低,CO2含量高。曝氣去除60%的CO2時可使水的pH值由6.3提高到7.5,管網(wǎng)腐蝕也得到了有效控制。2.4次供水箱設(shè)置改進蓄貯水池(箱)的工藝結(jié)構(gòu),優(yōu)化供水保證率與調(diào)節(jié)容積之間的關(guān)系以保證水的流動性,防止微生物滋生;采用防污染衛(wèi)生材質(zhì)建造水池,防銹垢。采用新的二次供水設(shè)備,目前無吸程、無負壓變頻供水系統(tǒng)(也稱管網(wǎng)迭壓供水系統(tǒng)),它打破了傳統(tǒng)的給水觀念,不需建水池、水箱,減少污染機會,開創(chuàng)了二次供水的新紀元。例如,山東三利給水設(shè)備有限公司研制開發(fā)出的第五代產(chǎn)品無負壓無吸程管網(wǎng)增壓穩(wěn)流給水設(shè)備,并被國家科技部等五部委確定為重點新產(chǎn)品。必要時在用水處采用二次消毒凈水措施。盡量抬高蓄水池的標高,這樣低水位的地下污水就不會從池體侵入蓄水池。蓄水池盡量不要設(shè)溢流管,如設(shè)溢流管應(yīng)設(shè)存水彎,用水封防止外界污物進入。新建建筑的生活與消防水池要分開設(shè)置。北京市在1998年對生活飲用水與消防用水分開設(shè)置水池已作出了決定,兩種水池分開設(shè)置可在很大程度上減輕生活用水的細菌污染,消防試水可排放到消防貯水池中,不必外排。依據(jù)地方性管理法規(guī)或規(guī)章,對二次供水蓄水池在設(shè)計、施工、管理中存在的問題進行監(jiān)督管理,逐步把二次供水納入法制軌道。對蓄水池(箱),每年應(yīng)定期清洗、消毒不少于兩次。如果條件允許可以考慮取消二次供水設(shè)施。據(jù)有關(guān)資料報道,像水池、水箱這種落后的二次供水設(shè)施,在發(fā)達國家早就淘汰。例如日本1992年的準則就規(guī)定自來水公司改建供水系統(tǒng),取消水箱,采用變頻增壓泵直接供水到3~5層樓面。北美、歐洲等一些發(fā)達國家均在20世紀末完成了屋頂水箱的去除和配水管網(wǎng)的重新布置和改建。水箱和水池等二次加壓設(shè)施的取消為城市自來水防治二次污染去除了一個最大的障礙物,是發(fā)達國家二次污染狀況之所以如此輕的主要原因。2.5消毒副產(chǎn)物的消毒為了減少THMs、HAAs和氯化氰的產(chǎn)生,可以在常規(guī)處理工藝之前采取生物預(yù)處理等措施;盡量降低出廠水的濁度;投加不產(chǎn)生具有毒害作用的消毒副產(chǎn)物的消毒劑,例如氯胺等。研究表明,氯胺在控制生物膜方面比自由氯更有效果。即使自由余氯為3~4mg/L,對鐵管上生物膜的控制效果也