給水管網(wǎng)水質(zhì)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

給水管網(wǎng)水質(zhì)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

從輸入用水到用戶(hù)的水質(zhì)下降的趨勢(shì)是超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)樗诠艿谰W(wǎng)絡(luò)中循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生了一系列物理、化學(xué)、電極和微生物作用，其次是水受到二次污染的結(jié)果。因此，在大量研究水處理技術(shù)的同時(shí)，對(duì)管道水質(zhì)的研究也越來(lái)越受到重視。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)研究主要涉及的問(wèn)題是:管網(wǎng)水的水質(zhì)穩(wěn)定性;有關(guān)消毒劑和消毒副產(chǎn)物的研究;給水管網(wǎng)材質(zhì)對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)的影響;建立管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型及仿真系統(tǒng)的研究.1網(wǎng)絡(luò)水的水質(zhì)穩(wěn)定性1.1水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的研究在國(guó)內(nèi),通常采用飽和指數(shù)和穩(wěn)定指數(shù)配合使用,判斷水質(zhì)的穩(wěn)定性.這種判斷標(biāo)準(zhǔn)僅以單一碳酸鈣的溶解平衡作為判斷依據(jù),沒(méi)有考慮電化學(xué)過(guò)程,更沒(méi)有考慮水中膠體的影響,而且把碳酸鈣既作為緩沖劑,又作為水垢來(lái)考慮.所以水質(zhì)的腐蝕與結(jié)垢問(wèn)題,不能僅按上述指數(shù)來(lái)區(qū)分.近年美國(guó)、德國(guó)、瑞典、丹麥、挪威等國(guó)家聯(lián)合研討了這一問(wèn)題,主張要與管網(wǎng)所用材質(zhì)結(jié)合起來(lái)考慮.實(shí)際上水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性與飽和指數(shù)、管材、PH值、AOC(AssimilableOrganicCarbon)都有關(guān),而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面研究的卻不多,因此應(yīng)從飽和性指數(shù)、管材、PH值、AOC等多方面出發(fā),綜合研究、評(píng)價(jià)水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題.1.2管網(wǎng)水生物穩(wěn)定性試驗(yàn)研究所謂飲用水的生物穩(wěn)定性是指飲用水中有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能支持異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)的潛力,即細(xì)菌生長(zhǎng)的最大可能性.可同化有機(jī)碳AOC是指可生物降解有機(jī)碳BDOC中被轉(zhuǎn)化成細(xì)胞物質(zhì)的那部分.AOC與異養(yǎng)細(xì)菌在管網(wǎng)中的繁殖密切相關(guān),是異樣細(xì)菌直接用以新陳代謝的物質(zhì)和能量來(lái)源,一般作為異養(yǎng)細(xì)菌在給水管網(wǎng)中再生長(zhǎng)潛力的評(píng)價(jià)指標(biāo).自1982年荷蘭VanderKooij博士創(chuàng)建了測(cè)定水中可同化有機(jī)碳試驗(yàn)以來(lái),該方法在國(guó)外被廣泛用來(lái)評(píng)價(jià)水的生物穩(wěn)定性.近20年來(lái),國(guó)外通過(guò)一些中試或小型試驗(yàn)對(duì)處理水的生物穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究.主要有三個(gè)研究方向:判斷生物穩(wěn)定性的指標(biāo)問(wèn)題、各種水處理工藝對(duì)生物穩(wěn)定性的去除作用、不同水源對(duì)處理水的生物穩(wěn)定性的影響問(wèn)題.但對(duì)管網(wǎng)中生物穩(wěn)定性變化情況的研究還未見(jiàn)報(bào)道.國(guó)內(nèi)目前對(duì)AOC的主要研究成果有:1)水源水質(zhì)較好的水廠(chǎng)出廠(chǎng)水和管網(wǎng)水中AOC含量相對(duì)較低,反之則高.2)在飲用水中AOC和BDOC之比變化較大,但大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明平均值約為30%～40%,因此也可以用BDOC來(lái)評(píng)價(jià)飲用水的生物穩(wěn)定性.3)常規(guī)水處理工藝對(duì)AOC的去除效果波動(dòng)較大,而活性炭—納濾膜工藝可以達(dá)到較好的效果.4)AOC在管網(wǎng)中的變化受氯的氧化和細(xì)菌活動(dòng)的雙重影響,氯氧化使AOC增加,細(xì)菌活動(dòng)使AOC減小.盡管目前國(guó)外對(duì)生物穩(wěn)定性做了大量、深入研究,但還未從給水管網(wǎng)方面做過(guò)深入研究;國(guó)內(nèi)雖然曾研究了管網(wǎng)中AOC的變化情況,但只是一些比較簡(jiǎn)單的定性研究.所以,還需要進(jìn)一步深入研究生物穩(wěn)定性在配水管網(wǎng)中的各種影響因素,如消毒劑種類(lèi)和濃度、BDOC、溫度、管材、PH值、細(xì)菌、水的停留時(shí)間等.通過(guò)實(shí)驗(yàn),探求AOC在管網(wǎng)中的變化規(guī)律,研究出AOC在管網(wǎng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化模型,將會(huì)彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)外在這方面的研究.2消毒消毒和副產(chǎn)品的科學(xué)研究2.1用于測(cè)定水中含氯量的誤差校正程序最初主要研究投氯量、余氯在水中的存在形式及消毒機(jī)理、影響余氯消耗的各種因素、消毒效果等.當(dāng)前的研究重點(diǎn)逐漸集中在管網(wǎng)中余氯變化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和衰減規(guī)律等方面.James.C從多種水源中抽取200個(gè)水樣,通過(guò)這些水樣研究了6種游離性余氯衰減的動(dòng)力學(xué)模型,并通過(guò)對(duì)游離性余氯沿管線(xiàn)衰減和在管網(wǎng)縱剖面上衰減的研究認(rèn)為余氯在主體水中的衰減和總體衰減規(guī)律都符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué).RobertM.C等從微生物安全和化學(xué)安全兩方面考慮,認(rèn)為余氯的消耗可用二級(jí)模型來(lái)描述.StefanH.M等引用一套新的用于測(cè)定水中含氯量的誤差校正程序,利用非線(xiàn)性最優(yōu)化參數(shù)估計(jì)值程序確定含有單因子或雙因子參數(shù)模型的氯衰減系數(shù),確定氯的衰減系數(shù),并進(jìn)一步研究流量、流入管網(wǎng)的氯的濃度和溫度的關(guān)系.這些一級(jí)或二級(jí)的模型大部分都是直接用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)而來(lái),并未從化學(xué)角度研究余氯在管網(wǎng)中衰減的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,因此不能完全反映出余氯在管網(wǎng)中消耗的本質(zhì).在國(guó)內(nèi),從管網(wǎng)中影響余氯消耗的多種因素出發(fā),把余氯在管網(wǎng)中的消耗分為四部分:1)與管道水中有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的反應(yīng);2)與管壁附著的生物膜的反應(yīng);3)在管壁腐蝕過(guò)程中的消耗;4)在管壁與水流之間余氯的質(zhì)量傳輸.經(jīng)研究認(rèn)為余氯在管網(wǎng)中的衰減是一級(jí)反應(yīng),其消耗動(dòng)力學(xué)模型考慮了影響余氯消耗的管長(zhǎng)、管徑、管材、流速、管道的敷設(shè)年代、管壁粗糙度、溫度、反應(yīng)活化能等因素,所以較全面地反映了余氯在配水管網(wǎng)中的衰減過(guò)程.由此可見(jiàn),現(xiàn)在對(duì)氯消毒劑的研究已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)?shù)纳疃?提出了多種確定余氯衰減系數(shù)的方法和余氯衰減模型.但這些模型都未能有效的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中,因而不能發(fā)揮其指導(dǎo)生產(chǎn)的作用,所以今后余氯衰減模型研究應(yīng)向其實(shí)用性方面發(fā)展.20世紀(jì)70年代中期,認(rèn)識(shí)到氯氣作為消毒劑會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的消毒副產(chǎn)物以后,氯化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理、影響條件、動(dòng)力學(xué)特征和副產(chǎn)物的分離與鑒定、環(huán)境毒理和以及母體物質(zhì)的研究等,都是為闡明飲用水氯化消毒過(guò)程的重要基礎(chǔ)性研究課題,并取得了相當(dāng)?shù)某晒?目前,關(guān)于飲用氯化消毒的“氯化化學(xué)”、“氯氨化學(xué)”、“氯及氧化劑化學(xué)”等,已開(kāi)拓成了新的研究領(lǐng)域,尚需對(duì)其進(jìn)行深一步的研究.2.2消毒副產(chǎn)物的研究進(jìn)展消毒主要用于防止水中致病微生物引起的水傳播疾病.但氯是較不穩(wěn)定的物質(zhì),具有強(qiáng)氧化性,極易與水中含有的許多天然有機(jī)物(主要以腐殖質(zhì)的形式存在)反應(yīng).因此,在加氯過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的消毒副產(chǎn)物,這些消毒副產(chǎn)物主要有三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸(HAAs)、鹵代氰(Cyanogenhalides)等十幾種.目前對(duì)消毒副產(chǎn)物的研究是管網(wǎng)水質(zhì)研究的熱點(diǎn)之一,主要研究的消毒副產(chǎn)物是三鹵甲烷和鹵乙酸.為了描述三鹵甲烷的形成動(dòng)力學(xué)機(jī)理,人們先后提出過(guò)幾種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Amy等人對(duì)各種模型曾作過(guò)經(jīng)典的回顧和評(píng)論.除了對(duì)三鹵甲烷生成潛能影響很大的溴化物外,在不同條件下這些模型的反應(yīng)級(jí)數(shù)是完全不同的.而且,三鹵甲烷的含量隨著溴化物濃度的增加而增加.目前已經(jīng)提出了包括細(xì)菌學(xué)參數(shù)的三鹵甲烷經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Hoehn等曾報(bào)導(dǎo)過(guò)藻類(lèi)產(chǎn)量與三鹵甲烷生成潛能有關(guān).Chapra和Canale等人提出了一個(gè)以總磷的負(fù)荷量為函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?認(rèn)為三鹵甲烷生成潛能與葉綠素、浮游動(dòng)物、溶解氧、總磷等有關(guān).國(guó)內(nèi)外對(duì)于三鹵甲烷的研究絕大多數(shù)集中在鹵仿形成機(jī)理、鹵仿形成的預(yù)測(cè)模式及分析檢出方法等研究方面.文獻(xiàn)曾對(duì)三鹵甲烷進(jìn)行了較深入的研究,研究中以腐殖酸為三鹵甲烷形成的前驅(qū)物質(zhì),確定THM生成的反應(yīng)級(jí)數(shù)為二級(jí),引入了THM生成能(THMFP)的概念,將THM的生成作為T(mén)HMFP、余氯濃度、滯留時(shí)間及溫度的函數(shù),提出了三鹵甲烷濃度分布的水質(zhì)模型.利用此模型結(jié)合配水管網(wǎng)的水力分析與計(jì)算可以求出配水管網(wǎng)中任一節(jié)點(diǎn)的THM濃度.國(guó)內(nèi)對(duì)消毒副產(chǎn)物的研究與國(guó)外相比還較少.而且這些對(duì)消毒副產(chǎn)物的研究主要集中在三鹵甲烷測(cè)定和生成機(jī)理、影響因素上,對(duì)給水管網(wǎng)中鹵乙酸等其他消毒副產(chǎn)物的研究以及控制消毒副產(chǎn)物的研究均處于剛剛起步階段,亟待深入展開(kāi).3管道生物膜和碳?xì)涔艿郎锕艿南嗷プ饔霉芫W(wǎng)材質(zhì)對(duì)水質(zhì)的影響主要有兩方面:管材與管網(wǎng)水發(fā)生的腐蝕反應(yīng)(電化學(xué)反應(yīng))和管材對(duì)水中微生物的影響(生物反應(yīng)).Frateur等對(duì)鑄鐵管的腐蝕進(jìn)行了研究,認(rèn)為鑄鐵管的腐蝕僅僅導(dǎo)致了氯與管道溶出的亞鐵離子反應(yīng),由腐蝕引起氯的消耗速率可由腐蝕電流密度得出.PatrickNiquette等研究了配水管網(wǎng)中不同管材對(duì)生物膜的影響,認(rèn)為鑄鐵管對(duì)管壁生物膜的影響最大,塑料管對(duì)管壁生物膜的影響最小.文獻(xiàn)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究了供水水質(zhì)在管道輸送過(guò)程中所發(fā)生的一系列的變化,指出采用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格毒理學(xué)及微生物學(xué)測(cè)試的管材才是解決管網(wǎng)水質(zhì)污染的有效途徑.目前,國(guó)內(nèi)外在管材方面的研究主要從化學(xué)和電化學(xué)角度進(jìn)行的,還沒(méi)有從微生物學(xué)方面和毒理學(xué)方面對(duì)管材和水質(zhì)關(guān)系作過(guò)深入探討,因此對(duì)這方面的研究還是一個(gè)全新的領(lǐng)域,有待尋找最合適的環(huán)保型管材,提高飲用水水質(zhì).4建立網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)監(jiān)控的數(shù)學(xué)模型和模擬系統(tǒng)的研究4.1網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)監(jiān)控的科學(xué)研究4.1.1管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型穩(wěn)態(tài)模型將管網(wǎng)水力條件視為不變,最終管網(wǎng)中的各種物質(zhì)均能達(dá)到平衡分布而不再變化,輸出的即是平衡狀態(tài)下的水質(zhì)分布.第一個(gè)水質(zhì)模型即從穩(wěn)態(tài)水力模型發(fā)展而來(lái),該模型求解了一系列節(jié)點(diǎn)質(zhì)量平衡模擬方程,除此模型外,Males等提出了在穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)下混合問(wèn)題的一個(gè)算法,Murphy為管網(wǎng)中的穩(wěn)定流提出了一個(gè)模型,可用來(lái)決定氯濃度的空間分布.20世紀(jì)80年代中期趙洪賓教授通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)推導(dǎo)了余氯在配水管網(wǎng)中的衰減模型,吳文燕博士也對(duì)余氯在配水管網(wǎng)中的變化規(guī)律進(jìn)行了模擬和校核.管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型為管網(wǎng)的一般性研究和敏感性分析提供了有效工具,普遍用于在管網(wǎng)系統(tǒng)水質(zhì)分析.由于即使在管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)接近恒定時(shí),管網(wǎng)中的物質(zhì)也沒(méi)有足夠的時(shí)間傳播和達(dá)到某種均衡分布,因此,穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型僅能夠提供周期性的評(píng)估能力,對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)預(yù)測(cè)缺乏靈活性.4.1.2動(dòng)態(tài)水體模型的建立動(dòng)態(tài)模型是模擬各種水力條件隨時(shí)間變化的管網(wǎng)中,指標(biāo)物質(zhì)在不同的時(shí)間和空間分布中的變化情況.WalidE.E等研究了完全動(dòng)態(tài)的THMs水質(zhì)模型.該模型可模擬配水系統(tǒng)在不同負(fù)荷狀態(tài)下的氯、總THMs、以及四種THM物質(zhì)在配水系統(tǒng)中的變化狀態(tài).此模型已經(jīng)在阿聯(lián)酋阿布扎比配水系統(tǒng)中的部分管網(wǎng)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.因?yàn)橥ǔ６颊J(rèn)為配水管網(wǎng)及其內(nèi)部的變化都是連續(xù)的系統(tǒng),因此動(dòng)態(tài)模型對(duì)于水質(zhì)和水力工況隨時(shí)間的相互作用提供了一個(gè)更為準(zhǔn)確合理的表達(dá)方式.現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)模型除了各自的優(yōu)點(diǎn)外,還有一些局限性.動(dòng)態(tài)模型是建立在所模擬的配水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(比如管段長(zhǎng)度)和水力特征(比如流速)以及模擬的系統(tǒng)附件之上的,所以現(xiàn)有動(dòng)態(tài)模型的計(jì)算時(shí)間及其內(nèi)部存儲(chǔ)容量變化非常大,不但對(duì)于臺(tái)式機(jī),即使是大型機(jī)都有可能是不兼容的.在對(duì)長(zhǎng)管段小流量的管網(wǎng)進(jìn)行模擬時(shí),這種問(wèn)題會(huì)更加突出.雖然可以利用一定的技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題,但是將不可避免地?fù)p失精度.所以希望能尋找出一種穩(wěn)固高效的而且在數(shù)學(xué)上表達(dá)明確的方法.巧妙解決上述問(wèn)題的一種方法是建立一個(gè)更為嚴(yán)格的系統(tǒng)模擬方法.Boulos等人的事件驅(qū)動(dòng)模擬算法(EDM)就是一個(gè)很好的例子.提出了一個(gè)明確的關(guān)于時(shí)間的水質(zhì)模型算法,采用的是追蹤管網(wǎng)管道中物質(zhì)的瞬時(shí)濃度,即在給定時(shí)間內(nèi)的濃度可從以前已知的濃度界限上直接得出.物質(zhì)的傳輸現(xiàn)象用離散體積元素法在模型中直接模擬,它建立在符合對(duì)流傳輸和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的質(zhì)量平衡方程的基礎(chǔ)上,可根據(jù)部分水質(zhì)的有效數(shù)據(jù)推測(cè)出管網(wǎng)中其他各處的水質(zhì)情況,從而評(píng)估出給水管網(wǎng)系統(tǒng)的水質(zhì)狀況.以上的各種穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型都單純的用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)而來(lái),而沒(méi)有結(jié)合污染物在水中的變化機(jī)理,所以不能完全反映出物質(zhì)在管網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)變化情況.近幾年來(lái),從化學(xué)角度建立了余氯衰減模型和三鹵甲烷生成模型(如前所述),比較全面真實(shí)地反映了物質(zhì)在管網(wǎng)中的變化.但對(duì)于其他水質(zhì)參數(shù)從化學(xué)角度研究物質(zhì)在管網(wǎng)中的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,建立數(shù)學(xué)模型的文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有,所以今后建立水質(zhì)模型的研究不應(yīng)僅從數(shù)學(xué)角度推導(dǎo)建立,而應(yīng)結(jié)合其化學(xué)變化機(jī)理進(jìn)行研究.因?yàn)橹挥袕幕瘜W(xué)機(jī)理角度出發(fā)建立的水質(zhì)模型才有可能適用于生產(chǎn).4.2水質(zhì)模擬能力美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)為了滿(mǎn)足供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和人們的用水要求,研究開(kāi)發(fā)了EPANET計(jì)算機(jī)模擬軟件.這個(gè)軟件描述了配水系統(tǒng)中的水力變化和水質(zhì)變化情況.在水質(zhì)模擬方面主要可以研究不同水源的混合情況、整個(gè)管網(wǎng)的水齡、余氯的衰減變化、消毒副產(chǎn)物的增長(zhǎng)、污染物的傳輸路徑等若干問(wèn)題.國(guó)外海斯德公司推出的WATERCAD給水管網(wǎng)模擬程序也具有強(qiáng)大的水質(zhì)模擬能力.而國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究較少,目前哈爾濱工業(yè)大學(xué)正在從事給水管網(wǎng)水質(zhì)仿真系